使用正電壓源之啟動電路設計

圖3.15 上橋閘極驅動電路完整架構

3.3.2 使用正電壓源之啟動電路設計

上述的作法雖然可以正確完成上橋空乏型電晶體的驅動，但是其啟動電路需 要一負電壓源VSS 及複雜的 level shifter 電路。增加實行的困難性，因此本研究 設計出另一作法，如圖3.16。

31

圖3.16 使用正電壓源之啟動電路設計

此作法將圖 3.11 的負電壓源（VSS）改為接地，如此便可以直接利用 0-5V 的訊號來控制啟動電路，不需要額外的Level shifter。其操作方式與圖 3.11 相似，

在一開始時，啟動電路中的電晶體M3 導通，使上橋電晶體 Mtop 的閘極電位約 為0V，如此 Vout 將會被限制在 Mtop 的臨界電壓上（若是上橋電晶體的 VTh為 -4V，則 Vout 會約為 4V），此時 VCC 將對 C1 充電使其跨壓為 VCC - Vout，之 後再將電晶體M3 關閉，即可用先前所述的開關動作來控制上橋電晶體的切換。

值得注意的是一開始電容C1 的跨壓只能充到 VCC – Vout（~VCC-|Vth|），因此必 須選定VCC，使得 VCC |V | V ，方能將 Mtop 關閉。因此圖 3.16 中 Vout 一開始不會被拉至0V，第一次切換後便可在 VDD 及 0V 正常切換。另外，若電 晶體M3 具有一 Body Diode，將使 Mtop 的閘極電壓無法低於 0V，導致 Mtop 無 法正常切換，故需要添加二極體D3 來限制電流流向。

3.3.3 模擬結果

上橋驅動電路的完整架構如圖3.15 和圖 3.16 所示，同樣利用 HSPICE 模擬 其操作情形，結果如圖3.17 和圖 3.18。圖 3.17 是使用負電壓源啟動電路啟動上

32

橋驅動電路的模擬結果，圖 3.18 則是使用正電壓源啟動電路啟動上橋驅動電路 的模擬結果，此四個圖中的波形顯示順序都相同，由上而下分別是輸入訊號Vin1， 輸入訊號Vin2，啟動電路的控制訊號，上橋功率電晶體的VGS，最後則是輸出訊 號。

先看到圖 3.17，其中(a)為阻性負載(b)為感性負載的模擬圖，負載的參數與 下橋驅動電路相同，阻性為 0.2Ω，感性負載為 0.5mH。由(a)圖形中可以看出啟 動後經過一次切換，電壓輸出即可以在 0V 到 24V 之間正確地進行切換，而雖 然因為負載電感的影響使得(b)的正常切換時間往後延遲，但在兩個週期後，此 電路即可以正常運作，圖中所示的開關頻率為100KHz。

再來看到圖 3.18，此圖同樣分為(a)為阻性負載(b)為感性負載來做討論，由 (a)圖形中可以看出啟動後經過一次切換，輸出電壓即可正確地進行切換，與圖 3.17(a)不同的是，在第一個週期中，啟動電路並無法將輸出電壓降為 0V，而是 約等於上橋電晶體的 VTh，第二個週期之後的切換才能在 0V 到 24V 之間。圖 3.18(b)中可看出同樣因為負載電感的影響使其正常切換的時間往後延遲，但在幾 個週期過後，此電路即可以正常運作，圖中所示的開關頻率同樣為100KHz。

(a) 阻性負載

33

(b) 感性負載

圖3.17 負電壓源啟動電路之上橋驅動電路模擬結果

(a) 阻性負載