高电流驱动器的基于GaN的故障安全关闭 |
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| 申请号 | CN201980069316.7 | 申请日 | 2019-08-28 | 公开(公告)号 | CN113228511B | 公开(公告)日 | 2024-04-26 |
| 申请人 | 宜普电源转换公司; | 发明人 | 李剑锋; R·阿南思; M·查普曼; | ||||
| 摘要 | 驱动器 关闭 电路 ，其被配置为基于驱动 电流 的幅度和持续时间来触发驱动器关闭。第一氮化镓FET连接到第二氮化镓FET和输入 节点 ，并产生与驱动电流成比例的放电电流。通过第一和第二氮化镓FET从计时器电容汲取放电电流。第二氮化镓FET接收控制 信号 ，并停止驱动器脉冲之间的放电电流流动，因此预充电器电路可以将计时器电容再充电至特定 电压 。放电电流消耗计时器电容，并且关闭信号发生器响应于计时器电容上的电压降低到触发电压以下而向驱动器输出关闭信号。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种驱动器关闭电路，其包括关闭计时器，所述关闭计时器用于向可连接到所述关闭计时器的输出节点的栅极驱动器电路提供紧急关闭信号，所述关闭计时器包括： |
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| 说明书全文 | 高电流驱动器的基于GaN的故障安全关闭[0001] 背景 技术领域[0002] 本申请大体上涉及一种基于增强型氮化镓(GaN)场效应晶体管(FET)驱动器关闭电路，更具体而言，本申请涉及一种驱动器关闭电路，这种驱动器关闭电路用于基于驱动电流幅度在触发驱动器关闭之前对延迟进行调节。 背景技术[0003] 在某些应用中，高电流驱动器吸收或提供流量级为几十安培(A)的非常强的电流。某些高电流驱动器(诸如光检测和测距(激光)系统中的激光驱动器)必须在某些条件下自动关闭才能满足安全规范。例如，为了符合用眼安全规范，激光雷达驱动器必须包括故障安全关闭系统，以在驱动器陷入完整的或延长的激光活动命令周期时自动关闭激光雷达驱动器。激光雷达驱动器的激光用眼安全规范取决于驱动电流的幅度和脉冲的持续时间。因此，与非常弱的驱动电流相比，规范要求必须更快地触发关闭非常强的驱动电流。 [0004] 典型的故障安全关闭电路使用与电容、电阻或电感相关联的时间常数来控制触发关闭之前的延迟。图1是基于电容和电阻的常规关闭电路的示意图。关闭(SD)电路100包括：电容115、电阻120和缓冲器125。控制信号CTL105施加于输入节点，电容115和电阻120使CTL105分化，进而将CTL105转换为从缓冲器125输出而作为关闭信号130的脉冲边沿。关闭信号130的脉冲宽度取决于CTL 105的上升时间和RC时间常数。 [0005] 但不利之处在于，当CTL 105保持恒定值时，关闭信号130的振幅产生衰减，这使得接收关闭信号130的驱动器难以将关闭信号130与接近于关闭和开启之间阈值的噪声分开。此外，难以改变RC时间常数以适应CTL 105中的不同脉冲频率，并且难以使非常强的驱动电流与弱驱动电流同时触发驱动器关闭。 [0006] 图2是基于p型电流镜或耗尽型晶体管给电容充电的常规关闭电路的示意图。SD电路200包括：参考电流源220、电流镜225、电容245、晶体管250和缓冲器255。参考电流源220产生参考电流IREF，电流镜225对该参考电流IREF进行镜像处理，以产生用于电容245的充电电流ICHG。在一些实施方式中，使用用作电流源的耗尽型晶体管代替参考电流源220和电流镜225。响应于电容245被充电到触发电压VTRIG，缓冲器255输出关闭信号260。 [0007] 这种方式的不利之处在于，在关闭信号260被输出之前的延迟是恒定的，而与相关联的驱动器电路输出的驱动电流的幅度无关。此外，电流镜225中的晶体管230和晶体管235或此位置上所使用的耗尽型晶体管的阈值电压VTh必须具有低绝对值，以在单个集成电路中实现关闭电路200。目前，P型晶体管无法用GaN场效应晶体管实现，因此电流镜225必须改用硅基晶体管实现，但与GaN场效应晶体管相比，硅基晶体管的开关速度比较缓慢且无法承受与GaN场效应晶体管一样强的电压与电流。发明内容 [0008] 本发明通过提供一种驱动器关闭电路来解决上述常规故障安全关闭电路的缺陷，该驱动器关闭电路能够基于驱动电流的幅度在触发关闭之前调节延迟。本发明的驱动器关闭电路可以与其相关的驱动器电路单片集成。 [0009] 如本文所述，本发明包括第一氮化镓场效应晶体管，第二氮化镓场效应晶体管，预充电电路，计时器电容和关闭信号发生器。第一氮化镓场效应晶体管具有连接到输入节点的第一栅极端，第一漏极端和第一源极端。所述第二氮化镓场效应晶体管具有配置为接收控制信号的第二栅极端，连接到第一节点的第二漏极端以及连接到所述第一漏极端的第二源极端。计时器电容连接到第一节点和接地端。第一氮化镓场效应晶体管产生与驱动电流成比例的放电电流，该放电电流从计时器电容汲取。当控制信号指示未产生驱动电流时，第二氮化镓场效应晶体管停止放电电流的流动。 [0010] 预充电电路连接到第一节点并被配置为接收控制信号。即使在驱动器处于活动状态时计时器电容已放电，预充电电路也有足够的时间在驱动器处于非活动状态时将计时器电容充电到所需的电压电平。关闭信号发生器连接到第一节点，并且响应于第一节点上的电压降低到关闭信号发生器的触发电压以下而将关闭信号输出到输出节点。 [0011] 现在，本申请说明书所描述的上述内容及包含有多种元件实现与组合的新颖的细节的其他优选特征将参考本申请说明书附图中所描述内容及权利要求书所指出内容进行更为具体地描述。而应当理解的是，说明书附图中仅以示例的形式示出了特定的方法及装置，但并不以此作为权利要求书的限制。正如本领域技术人员所理解的，在不脱离权利要求的范围的情况下，可以在多种不同的实施例中应用本申请说明书所教导的原理与特征。 附图说明[0012] 当结合附图时，根据以下阐述的详细描述，本公开的特征、目的及优点将变得更加显而易见，而在附图中对应地应用了相同的附图标记，其中： [0013] 图1是基于电容和电阻的常规关闭电路的示意图。 [0014] 图2是基于p型电流镜或耗尽型晶体管给电容充电的常规关闭电路的示意图。 [0015] 图3示出了与根据本发明的故障安全关闭控制器结合使用的可调电流驱动器电路。 [0016] 图4示出了根据本发明的用于图3所示的可调电流驱动器电路的关闭控制器。 [0017] 图5示出了根据本发明的用于图4所示的关闭控制器的预充电电路。 [0018] 图6示出了根据本发明的用于图4所示的关闭控制器的比较器。 [0019] 图7示出了本发明的一种可调电流驱动器电路，这种可调电流驱动器电路包括：图4所示的关闭控制器、图5所示的预充电电路以及图6所示的关闭信号发生器。 具体实施方式[0020] 在以下的具体描述中，参考了某些实施例。对这些实施例进行了足够详尽的描述，以使本领域技术人员能够实践这些实施例。应当理解的是，可以采用其他实施例并且可以在结构上、逻辑电路上或电气上作出各种改变。在最为广义的意义上，本申请说明书中下面详细描述中所公开特征的组合实践教导并不是必须的，且这些组合仅仅教导了本教导代表性的示例。 [0021] 图3示出了与根据本发明的故障安全关闭电路结合使用的可调电流驱动器电路300。可调电流驱动器电路300包括：电流镜320、电容350、脉冲控制器370和驱动晶体管395。 电流镜320接收参考电流IREF并输出用于电容350的充电电流ICHG。电流镜320在节点355处连接到接地端310、电容350和脉冲控制器370，并且连接到提供供电电压Vdd的供电电压源 315B。电容350进一步连接到接地端310。电流镜320包括：晶体管325、晶体管330、晶体管335和晶体管340。脉冲控制器370包括：栅极驱动器374、反相器378、晶体管380和晶体管385。电流镜320中的晶体管325、晶体管330、晶体管335和晶体管340以及脉冲控制器370中的晶体管380和晶体管385和驱动晶体管395最好是以单片形式集成到单个半导体管芯上的增强型GaN场效应晶体管半导体器件。可调电流驱动器电路300中的组件被描述为连接到接地端 310，但是在其他实施方式中，这些组件被连接到浮动节点。 [0022] 电流镜320基于IREF从供电电压源315B汲取ICHG，并且ICHG将电容350充电到所需的电压，这种电压将施加到驱动晶体管395的栅极端。IREF数值的变化会使ICHG数值和电容350两端的电压也产生变化。而对于给定的IREF来说，电容350两端的电压会响应于温度、供电电压、电路阻抗和工艺参数变动而产生变化，从而确保驱动电流IDRV始终为IREF的缩放值不受温度、供电电压、电路阻抗和工艺参数变动的影响。电容350的电容为比驱动晶体管395的输入电容CISS大得多。在该示例中，电流镜320接收参考电流IREF并从供电电压源315B产生充电电流ICHG，以控制可用于可调电流驱动器电路300的供电电压Vdd。而在其它实施方式中，可将参考电流IREF直接施加到节点355并直接对电容350进行充电。 [0023] 用于通过驱动晶体管395产生IDRV的特定值的栅极电压是从电容350上存储的电荷中汲取的，而不是从供电电压源汲取的，而这种从供电电压源所汲取的近乎瞬时的电流极大地减小供电电压尖峰。而减小的供电电压尖峰也减少了其他预驱动器电路中的电阻性噪声尖峰和电感性噪声尖峰。驱动晶体管395作为短路开关时从电容350释放的能量由驱动晶体管395用作开路开关时的ICHG进行补充。尽管ICHG的幅度要小得多，但其与IREF具有相似的数量级并且足以在晶体管395的脉冲之间对电容350进行充电。IREF与从大得多的供电电压源315A汲取的大得多的驱动电流IDRV相比是高度缩小的，并且可基于电流镜320中的晶体管相对于驱动晶体管395的相对尺寸来实现IREF。例如，晶体管335和晶体管340的尺寸大致相同，并且驱动晶体管395大约是晶体管335和晶体管340尺寸的30,000倍。IDRV等于30A，而IREF只有1mA。改变IREF的幅度会成比例地改变IDRV的幅度。 [0024] 脉冲控制器370连接到节点355并在节点390处连接到驱动晶体管395的栅极端，并且从关闭计时器360接收控制信号CTL 305和关闭信号365。当CTL 305指示驱动晶体管395应该导通并且产生IDRV时，晶体管385充当开路开关并使驱动晶体管395的栅极端与接地端310断开。晶体管380充当短路开关并在节点355处将晶体管395的栅极端连接到电容350。电容350上存储的电荷将驱动晶体管395的栅极端上的电压提高到VTh以上，从而使其导通并产生IDRV。当CTL 305或关闭信号365指示驱动晶体管395应该关闭时，晶体管380充当开路开关，并使驱动晶体管395的栅极端与电容350断开连接。晶体管385充当短路开关并将驱动晶体管395的栅极端连接到接地端310，以使驱动晶体管395的栅极电压迅速下降到地电压。 [0025] 驱动晶体管395的漏极端与第二供电电压源315A连接，第二供电电压源315A提供的供电电压VHV远高于来自供电电压源315B的Vdd。从第二供电电压315A汲取IDRV。关机计时器360作为安全部件而连接到节点355和接地端310，以根据IREF和相应的IDRV的幅度来关闭驱动晶体管395，并接收CTL305。如果IREF指示IDRV的幅度大，则关机计时器360产生使脉冲控制器370仅会在短时间延迟之后便关闭驱动晶体管395的关闭信号365。如果IREF指示IDRV的幅度小，则关机计时器360产生使脉冲控制器370在长时间延迟后关闭驱动晶体管395的关闭信号365。因此，在依据驱动电流IDRV幅度的关闭信号365之前关机计时器360实现了可变延迟，但无论驱动电流IDRV的幅度如何，都可确保发射的总能量不超过用户定义的阈值。 [0026] 在作为激光雷达系统的一部分的可调电流驱动器电路300的示例性实施方式中，改变IREF的幅度使IDRV的幅度和由IDRV驱动的激光二极管所发射光的相应强度也成比例地产生变化。因此，激光雷达系统可以根据其成像距离的范围和环境条件来试探性地控制光强度。当激光雷达系统对环境成像时，可以动态调整IDRV，以适应环境条件的变化。IDRV的动态调整使激光雷达系统可以调整不同的距离、在不同的环境和过程条件下保持恒定的光强度，和/或随时间调整光强度以实现飞行时间成像过程。 [0027] 图4示出了根据本发明的用于图3所示的可调电流驱动器电路300的关机计时器。关机计时器400可以作为图3中以框图形式示出的关机计时器360，并且关机计时器400包括：晶体管410、晶体管415、预充电电路430、计时器电容440及比较器450。晶体管410与晶体管415最好是增强模式氮化镓FET半导体器件并与关机计时器400的其他组件单片集成到单个半导体管芯上。晶体管410的栅极端连接到节点355，并且晶体管410的源极端连接到接地端310。晶体管410的漏极端连接到晶体管415的源极端。晶体管415的栅极端接收CTL305。晶体管415的漏极端在节点420连接到预充电器340、计时器电容440和比较器450。 [0028] 晶体管410用作电流镜320的附加输出并产生从计时器电容440汲取的与IREF成比例的放电电流IDIS。响应于指示IDRV幅度大的IREF，IDIS更大并迅速地将节点420上来自计时器电容440的电压降低至低于比较器450的阈值电压，从而使其仅在短暂的延迟之后就产生用于脉冲控制器370的关闭信号365。响应于指示IDRV幅度小的IREF，IDIS使节点420上来自计时器电容440的电压缓慢降低至低于比较器450的阈值电压，从而使其在长时间延迟之后产生用于脉冲控制器370的关闭信号365。 [0029] 在一些实施例中，相对于电流镜320中的晶体管325、晶体管330、晶体管335和晶体管340而言，晶体管410用以相对于IREF对IDIS进行缩放。在一些实施例中，可为特定应用(诸如当IREF被直接施加到节点355时)而将多个晶体管410A‑N多个晶体管并联，以设定基线关闭延迟。当CTL 305指示驱动晶体管395将被关闭并不存在流动的IDRV时，晶体管415停止流动的IDIS，以使预充电电路430对计时器电容440进行充电。 [0030] 预充电电路430确定存储在计时器电容440上的电荷会影响到关机计时器400触发驱动晶体管395关闭之前的延迟。计时器电容440两端的电压是VTh的缩放数倍，并且反映出VTh中因温度、供电电压、电路阻抗和工艺偏差所产生的变化，以确保对于给定的IREF而言IDIS是保持恒定的。即使计时器电容440在驱动器电路的激活期间被放电，预充电器电路430在驱动器关闭时也会将计时器电容440再充电至恒定电压。当IDIS通过晶体管415和晶体管410使计时器电容440放电时，预充电电路430响应于CTL 305指示驱动晶体管395将要导通而进入“保持”状态。当计时器电容440两端的节点420上的电压降低到比较器450的阈值电压以下时，比较器450将关闭信号365输出至脉冲控制器370，进而使驱动晶体管395关闭。在一些实施例中，比较器450是反相器。 [0031] IDIS与IREF和相应的IDRV成比例的。IDIS可比较迅速地耗尽计时器电容440并使节点420上的电压降低到阈值电压以下，进而令比较器450比较迅速地对更大的IREF和相应的更大的IDRV作出响应。IDIS可比较缓慢地耗尽计时器电容440并使节点420上的电压降低到阈值电压以下，进而令比较器450比较缓慢地对更小的IREF和相应的更小的IDRV作出响应。因此，关机计时器400能够基于IDRV的幅度在触发可调电流驱动器300的关闭之前调整延迟。 [0032] 图5示出了根据本发明的用于图4所示的故障安全关机计时器400的关机预充电电路。预充电器电路500可作为图4中以框图形式示出的预充电器电路430，这种预充电电路用于控制触发驱动器关闭之前的时间。预充电器电路500能够细致地控制输出节点420上的电压，该电压用于对计时器电容440进行充电。即使计时器电容440在不同的脉冲期间以不同的量放电，预充电器电路500也会将计时器电容440充电至一个恒定的电压，以使计时器电容放电到比较器450的阈值电压以下之前的延迟仅取决于IDIS和IREF。 [0033] 预充电电路500包括：晶体管520、晶体管570、电阻525、电阻535、反馈电路540和输出级560。反馈电路540包括：晶体管542、晶体管544、晶体管546，并且输出级560包括：晶体管564和晶体管568。晶体管520、晶体管542、晶体管544、晶体管546、晶体管564、晶体管568和晶体管570最好是增强型氮化镓FET半导体器件，这种增强型氮化镓FET半导体器件与预充电电路500和相关联的关机计时器400的其他组件以单片的形式集成到单个半导体管芯上。 [0034] 晶体管520的栅极端从反相器505接收CTL 305的反相信号(inverse)，并且晶体管520的源极端连接到接地端310。晶体管520的漏极端连接到电阻525，而电阻525进一步连接到节点530。对电阻525进行选择，以响应为逻辑高电平的CTL 305的反相信号而使电阻525上的压降小于输出级560中晶体管568的VTh，进而使晶体管568保持关闭。在一些实施例中，省略了电阻525并且经历了更高的寄生电流。电阻535连接到节点530并连接到提供供电电压Vdd的供电电压源515。在其他实施例中，电阻535可以由用作电流源的耗尽型晶体管代替。 [0035] 在输出级560中，晶体管564的栅极端接收CTL 305的反相信号，并且晶体管564的源极端接接地端310。晶体管564的漏极端在节点555处连接于与晶体管568的源极端和晶体管570的栅极端。晶体管568的漏极端连接到供电电压源515。晶体管568是有源上拉FET，并且比晶体管570小。由于晶体管568较小，因此，与恒定的电流负载或电阻性负载相比，这种晶体管消耗更少的驱动电流并更为迅速地导通。此外，电阻535可以更大，以减少通过关闭预充电电路500的静态电流。晶体管570的漏极端连接到供电电压源515，晶体管570的源极端连接到输出节点420。 [0036] 反馈电路540连接到节点530和节点555，并且，这种反馈电路被配置为控制节点555上的电压。响应节点555上的电压超过预定范围，反馈电路540产生反馈电流IF 550，从而引发电阻535上的压降并减小了晶体管568的栅极电压。因此，晶体管568的源极端上的电压和晶体管570的栅极电压降低到预定范围内。晶体管570降低输出节点420处其源极端上的电压，并由此扩展存储在连接到输出节点420的计时器电容440中的能量。 [0037] 反馈电路540包括由晶体管542、晶体管544和晶体管546组成的简单电流镜。晶体管544的漏极端和栅极端与晶体管542的栅极端在节点555处连接在一起。晶体管544的源极端与晶体管542的源极端连接在一起并连接到晶体管546的漏极端和栅极端。晶体管546的源极端连接到接地端310，并且晶体管546被配置为二极管。晶体管542的漏极端连接到节点530。 [0038] 通过在晶体管542和晶体管544的简单电流镜下方添加更多配置为二极管的晶体管来调整反馈电路540在节点555上保持的电压。对于包括一个配置为二极管的晶体管546的反馈电路540，期望电压等于阈值电压VTh以及晶体管544与晶体管546的过驱动电压Vov。而对于配置为连接到晶体管542和晶体管544的晶体管的N个二极管而言，期望电压等于(N+ 1)(VTh+Vov)。两个电流将晶体管546充电至高于VTh：流经晶体管542的电流和流经晶体管544的电流。 [0039] 预充电器电路500包括输出级560，以使反馈电路540与输出节点420隔离。晶体管568用作源极跟随器并减小晶体管544必须承受的电流，同时还减小了其尺寸以及通过反馈电路540的静态电流。对于诸如计时器电容440之类的电容性负载而言且响应于输出节点 420上的电压是期望电压，晶体管570关闭并用作断开开关，从而使输出节点420和计时器电容440与供电电压源515断开连接并将输出节点420和计时器电容440与Vdd中的噪声隔开。 [0040] 响应于CTL 305的反相信号为逻辑高电平，晶体管520和晶体管564充当短路开关，分别将节点530和节点555连接到接地端310。节点555上的电压迅速下降到地电压，从而关闭晶体管570，并使供电电压源515与输出节点420断开连接。节点530上的电压也迅速下降到地电压，从而使晶体管568关闭。电流仅流经电阻535和电阻525，其电阻被选择为响应于CTL 305的反相信号为逻辑高电平而减小电流流动，并减小预充电电路500的功耗。 [0041] 响应于CTL 305的反相信号为逻辑低电平，晶体管520和564用作断开开关，分别将节点530和节点555与接地端310断开。节点530上的电压增加到高于晶体管568的阈值电压VTh，从而将其导通。晶体管568作为短路开关并将供电电压源515连接到节点555。节点555上升高的电压使晶体管570导通，晶体管570将供电电压源515连接到输出节点420。反馈电路540控制晶体管570的栅极电压以及输出节点420上的所得到的电压。为了在输出节点420和计时器电容440上设置特定的电压VSET，反馈电路540被配置为在节点555上保持等于VSET+VTh的电压。 [0042] 图6示出了根据本发明的用于图4所示的故障安全关机计时器400的比较器600。比较器600可以作为图4中以框图形式示出的比较器450，并且比较器600用于将关闭信号365输出到脉冲控制器电路370，从而触发可调电流驱动器电路300的关闭。比较器600类似于图5中所示的SD预充电电路500，但是比较器600包括代替晶体管570的第二输出级670。第二输出级670类似于输出级660并且包括晶体管674和晶体管678。晶体管678的栅极端连接到节点655，并且晶体管678的源极端和晶体管674的漏极端连接到脉冲控制器370并提供关闭信号365。 [0043] 施加到晶体管620、晶体管664和晶体管674的栅极端的输入信号420对应于计时器电容440上的电压。比较器600的阈值电压对应于晶体管620、晶体管664和晶体管674的VTh。响应于计时器电容440上的电压大于比较器600阈值电压，晶体管620、晶体管664和晶体管 674用作短路开关，将电阻625、节点655和节点675连接到接地端310，并降低节点655和节点 675上的电压。 [0044] 响应于计时器电容440上的电压420降低到比较器600的阈值电压以下，晶体管620、晶体管664和晶体管674充当断开开关，将电阻625、节点655和节点675与接地端310断开连接，并允许节点630、节点655和节点675上的电压升高。节点630上电压的升高可使晶体管668导通，进而使节点655连接到供电电压源615。节点655上的电压升高使得晶体管678导通，进而将输出节点675连接到供电电压源615并使比较器600输出关闭信号365。 [0045] 图7示出了根据本发明的在可调电流驱动器电路700中采用的关机计时器400。这种可调电流驱动器电路700类似于图3中所示的可调电流驱动器电路300，但是这种可调电流驱动器电路700包括了图4中所示的关机计时器400的细节而并非图3中所示的关机计时器360的框图形式，并且IREF被直接施加到节点755。关机计时器400包括图5所示的预充电电路500，以及图6所示的比较器600。IREF被直接施加到节点755，进而对存储电容750充电并使晶体管410产生IDIS，以使计时器电容440放电。 [0046] 响应于CTL 705指示驱动晶体管795将被关闭，IREF将电荷存储在存储电容750中。晶体管415用作阻断IDIS的开路开关，并且预充电电路500将电荷存储在计时器电容440中。 响应于CTL 705指示驱动晶体管795将被导通，存储在存储电容750中的电荷被施加到驱动晶体管795的栅极端，并使其能够生成IDRV。晶体管415充当短路开关，从而允许IDIS释放计时器电容440中存储的电荷。 [0047] 响应于IREF指示IDRV的高幅度，IDIS较大并且使来自计时器电容440的节点420上的电压迅速地降低到比较器600的阈值电压以下，以使其产生用于脉冲控制器770的关闭信号765，进而仅在短延迟之后关闭驱动晶体管795。响应于IREF指示IDRV的低幅度，IDIS将来自计时器电容440的节点420上的电压缓慢地降低到比较器600的阈值电压以下，以使其产生用于脉冲控制器770的关闭信号765，进而仅在长延迟之后关闭驱动晶体管795。 |
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