使用負電壓源之啟動電路設計

圖3.10 高壓位準調節電路觸發閂鎖電路示意圖

3.3 啟動電路

完成上橋驅動電路的設計後，會發現此驅動電路依然無法正常運作，因為上 橋功率電晶體為一空乏型電晶體，其Normally-on 的特性會使其一開始即無法關 閉，縱使 M1／M2 關閉時，Mtop 之 VGS仍然會藉由寄生電容 CGS維持在 0V，

Mtop 的源極電壓也會迅速到達 VDD，使得 VCC 無法藉由 D1 對 C1 充電進而導 致電容跨壓不足，使Mtop 無法正常關閉。為解決此問題，尚須設計一電路來啟 動上橋閘級驅動電路。

3.3.1 使用負電壓源之啟動電路設計

圖 3.11 中的虛線部分即為啟動電路的設計，包含電晶體 M3、Level Shifter 電路和負電壓源VSS。在電路開始運作時，啟動電路中的電晶體 M3 導通，使上 橋空乏型電晶體的閘極電位約等於VSS，將上橋電晶體 Mtop 關閉，此時電壓源 VCC 經由二極體 D1 對自舉電容 C1 充電，當 C1 跨壓充至 VCC 時，便可以將啟 動電路的M3 關閉。因為 C1 內存在足夠的跨壓，使此驅動電路正常進行切換電 晶體的動作。

27

圖3.11 負電壓源之啟動電路

要控制M3 的導通狀態，在啟動電路中需要設計一 Level Shifter 電路，將邏 輯訊號的正位準轉換成負位準，進行此一負電壓（VSS）的開關控制。以下將說 明本研究所使用的方法[14]。

圖3.12（a）為一種基本的 Level Shifter 型式，此電路由兩組如圖 3.12（b）

的電壓鏡（Voltage Mirror）所組成。電壓鏡的目的就是轉換 Vin的位準並由 Vx

輸出需要的位準。

28

圖3.12 （a）基本 Level Shifter 電路與（b）電壓鏡

以下將討論 Vx 的運作情形，當電壓鏡內的電晶體 M9 導通時，只要 V V 時就會使 V V ，此時 M9 會操作在飽和區。而經由流過 M8 和M9 的電流相等可得到下列方程式：

V V V V V

假設

β

β

V

V

，

V V V

但實際上β β 且 V V ，如此將會造成 Vx的電壓不穩定，為了解決 此一問題，要在Level Shifter 電路中添加一電流源，如圖 3.13 所示。

29

圖3.13 改良後的 Level Shifter 電路

改良後的電路其輸出電壓更為穩定，但是其輸出電壓卻是以VDDH為基準，

想要把正位準的訊號轉換為負位準，需要將其架構反轉，如圖3.14[15]。

圖3.14 正－負電壓 Level Shifter 電路

反轉後的輸出訊號將以VSS 為基準，只要 VSS 為負電壓源，就可以藉此 Level Shifter 電路得到想要的負訊號。將此電路應用於啟動電路上還有一個問題，那就

30

是不論控制訊號是高位準或是低位準，都無法將此Level Shifter 完全關閉，但是 對於啟動電路而言，只有一開始時需要作用，之後就可以關閉以節省能量損耗，

所以本研究在使用上將作為電流源的電晶體（M9）其閘極改為與控制訊號 Vin

相連接，如此當訊號為低位準時，就可以使整個Level Shifter 電路關閉。

圖3.15 是完整的上橋閘極驅動電路圖，包括 HV Level Shifter、Latch 電路及 啟動電路。

圖3.15 上橋閘極驅動電路完整架構