半桥电路驱动芯片及其驱动方法

摘要

本发明揭露了一种半桥电路驱动芯片及其驱动方法，半桥电路驱动芯片包含高侧信号输入端、脉冲产生模块、电压位移转换器、电流检测模块、高侧输出模块以及高侧信号输出端。高侧信号输入端接收高侧输入信号，由脉冲产生模块转换成为上升脉冲信号及下降脉冲信号。电流检测模块检测电压位移转换器的第一电流及第二电流，由高侧输出模块形成高侧输出信号。高侧信号输出端利用高侧输出信号控制高侧晶体管的切换。

权利要求

1.一种半桥电路驱动芯片，其特征在于，适用于控制一高侧晶体管及一低侧晶体管的切换，其包含：

一高侧信号输入端，接收一高侧输入信号；

一脉冲产生模块，连接该高侧信号输入端，将该高侧输入信号的上升沿及下降沿转换成为一上升脉冲信号及一下降脉冲信号；

一电压位移转换器；

一电压供应电路，连接于该脉冲产生模块与该电压位移转换器之间，包含一第三开关及一第四开关，该上升脉冲信号控制该第三开关以提供一第一电压至该电压位移转换器，使该电压位移转换器根据该第一电压产生并流经一第一电流；该下降脉冲信号控制该第四开关以提供一第二电压至该电压位移转换器，使该电压位移转换器根据该第二电压产生并流经一第二电流；

一电流检测模块，连接于该电压位移转换器，检测该第一电流以产生一上升电流信号，及检测该第二电流以产生一下降电流信号；

一高侧输出模块，连接于该电流检测模块，该高侧输出模块根据该上升电流信号及该下降电流信号产生一高侧输出信号；以及一高侧信号输出端，连接于该高侧输出模块及该高侧晶体管，输出该高侧输出信号以控制该高侧晶体管的切换。

2.如权利要求1所述的半桥电路驱动芯片，其特征在于，进一步包含一低侧信号输入端及一低侧信号输出端，该低侧信号输入端接收一低侧输入信号，由该低侧信号输出端输出一低侧输出信号，控制该低侧晶体管的切换。

3.如权利要求1所述的半桥电路驱动芯片，其特征在于，该高侧晶体管连接一电荷泵，该电荷泵包含一外接二极管及一电容。

4.一种半桥电路驱动方法，其特征在于，适用于控制一高侧晶体管及一低侧晶体管的切换，其包含以下步骤：

接收一高侧输入信号；

根据该高侧输入信号产生一上升脉冲信号及一下降脉冲信号；

使用一电压供应电路通过该上升脉冲信号控制一第三开关导通以提供一第一电压，使一电压位移转换器根据该第一电压产生并流经一第一电流；以及通过该下降脉冲信号控制一第四开关导通以提供一第二电压，使该电压位移转换器根据该第二电压产生并流经一第二电流；

检测流经该电压位移转换器的该第一电流及该第二电流，并根据该第一电流及该第二电流产生一上升电流信号及一下降电流信号；

根据该上升电流信号及该下降电流信号产生一高侧输出信号；以及传送该高侧输出信号以控制该高侧晶体管的切换。

说明书

半桥电路驱动芯片及其驱动方法

技术领域

[0001] 本发明是有关于一种半桥电路驱动芯片及其驱动方法，特别是有关于一种能通过单一电压位移转换器来驱动半桥电路高侧晶体管的驱动芯片及驱动方法。

背景技术

[0002] 现有技术当中，半桥电路是利用驱动芯片控制上下臂晶体管的切换，提供负载所需的高压。在驱动芯片中分为高侧(high side)及低侧(low side)两个区域，在这两个区域
之间电压会相差达100至600伏以上，甚至超过1000伏，一般控制器所传送的切换信号，并不
足以驱动高侧端的晶体管，必须通过电压位移转换器转换信号的准位，使其能驱动高侧端
的晶体管。转换时是将原本驱动信号的上升及下降分别通过一个电压位移转换器负责转
换，轮流切换上升及下降的信号。然而，电压位移转换器为了承受高压，在元件面积上需占
据相当大的空间，使得整体芯片设计布局上有较大的限制，元件面积也造成了成本的增加
及效能不佳的缺点。

[0003] 综观前所述，已知的半桥电路在驱动上仍然具有相当的缺陷，因此，本发明通过设计一种半桥电路驱动芯片及其驱动方法，针对现有技术的缺失加以改善，让芯片设计上能
有效降低成本并提高效能，进而增进产业上的实施利用。

发明内容

[0004] 有鉴于上述已知技艺的问题，本发明的目的就是在提供一种半桥电路驱动芯片及其驱动方法，使其能在仅使用单一电压位移转换器来驱动半桥电路的高侧晶体管，以解决
已知的驱动芯片当中，高压元件占据芯片较大面积，提高整体芯片成本的问题。

[0005] 根据本发明的一目的，提出一种半桥电路驱动芯片，其适用于控制高侧晶体管及低侧晶体管的切换。半桥电路驱动芯片包含高侧信号输入端、脉冲产生模块、电压位移转换
器、电流检测模块、高侧输出模块以及高侧信号输出端。其中，高侧信号输入端接收高侧输
入信号。脉冲产生模块连接高侧信号输入端，将高侧输入信号的上升沿及下降沿转换成为
上升脉冲信号及下降脉冲信号。电压位移转换器连接于脉冲产生模块，依据上升脉冲信号
产生第一电流，依据下降脉冲信号产生第二电流。电流检测模块连接于电压位移转换器，检
测第一电流以产生上升电流信号，及检测第二电流以产生下降电流信号。高侧输出模块连
接于电流检测模块，高侧输出模块根据上升电流信号及下降电流信号产生高侧输出信号。
高侧信号输出端连接于高侧输出模块及高侧晶体管，输出高侧输出信号以控制高侧晶体管
的切换。

[0006] 较佳地，脉冲产生模块与电压位移转换器之间可包含电流供应电路。

[0007] 较佳地，电流供应电路可包含第一开关及第二开关，上升脉冲信号控制第一开关导通以使第一电流流经电压位移转换器，下降脉冲信号控制第二开关导通以使第二电流流
经电压位移转换器。

[0008] 较佳地，脉冲产生模块与电压位移转换器之间可包含电压供应电路。

[0009] 较佳地，电压供应电路可包含第三开关及第四开关，上升脉冲信号控制第三开关导通以提供第一电压至电压位移转换器，下降脉冲信号控制第四开关导通以提供第二电压
至电压位移转换器。

[0010] 较佳地，半桥电路驱动芯片可进一步包含低侧信号输入端及低侧信号输出端，低侧信号输入端接收低侧输入信号，由低侧信号输出端输出低侧输出信号，控制低侧晶体管
的切换。

[0011] 较佳地，高侧晶体管可连接电荷泵，电荷泵包含外接二极管及电容。

[0012] 根据本发明的另一目的，提出一种半桥电路驱动芯片，其适用于控制高侧晶体管及低侧晶体管的切换。半桥电路驱动芯片包含高侧信号输入端、脉冲产生模块、电压位移转
换器、脉冲检测模块、高侧输出模块以及高侧信号输出端。其中，高侧信号输入端接收高侧
输入信号。脉冲产生模块连接高侧信号输入端，将高侧输入信号的上升沿及下降沿转换成
为上升脉冲信号及下降脉冲信号。电压位移转换器连接于脉冲产生模块。脉冲检测模块连
接于电压位移转换器，检测电压位移转换器输出的上升脉冲信号及下降脉冲信号。高侧输
出模块连接于脉冲检测模块，高侧输出模块根据上升脉冲信号及下降脉冲信号产生高侧输
出信号。高侧信号输出端连接于高侧输出模块及高侧晶体管，输出高侧输出信号以控制高
侧晶体管的切换。

[0013] 较佳地，脉冲检测模块可包含脉冲计数电路，用以计数电压位移转换器所传送的脉冲数量，并依据脉冲数量判断电压位移转换器输出的是上升脉冲信号或下降脉冲信号。

[0014] 较佳地，脉冲检测模块可包含脉冲宽度检测电路，检测电压位移转换器所传送的脉冲宽度，并依据脉冲宽度判断电压位移转换器输出的是上升脉冲信号或下降脉冲信号。

[0015] 较佳地，半桥电路驱动芯片可进一步包含低侧信号输入端及低侧信号输出端，低侧信号输入端接收低侧输入信号，由低侧信号输出端输出低侧输出信号，控制低侧晶体管
的切换。

[0016] 较佳地，高侧晶体管可连接电荷泵，电荷泵包含外接二极管及电容。

[0017] 根据本发明的再一目的，提出一种半桥电路驱动方法，适用于控制高侧晶体管及低侧晶体管的切换。半桥电路驱动方法包含以下步骤：接收高侧输入信号；根据高侧输入信
号产生上升脉冲信号及下降脉冲信号，传送至电压位移转换器；检测流经电压位移转换器
的第一电流及第二电流，并根据第一电流及第二电流产生上升电流信号及下降电流信号；
根据上升电流信号及下降电流信号产生高侧输出信号；以及传送高侧输出信号以控制高侧
晶体管的切换。

[0018] 较佳地，电压位移转换器可通过电流供应电路产生对应于上升脉冲信号的第一电流，以及对应于下降脉冲信号的第二电流。

[0019] 较佳地，电流供应电路可通过上升脉冲信号控制第一开关导通以使第一电流流经电压位移转换器，通过下降脉冲信号控制第二开关导通以使第二电流流经电压位移转换
器。

[0020] 较佳地，电压位移转换器可通过电压供应电路提供对应于上升脉冲信号的第一电压，使电压位移转换器产生第一电流，以及对应于下降脉冲信号的第二电压，使电压位移转
换器产生第二电流。

[0021] 较佳地，电压供应电路可通过上升脉冲信号控制第三开关导通以提供第一电压，通过下降脉冲信号控制第四开关导通以提供第二电压。

[0022] 承上所述，依本发明的半桥电路驱动芯片及其驱动方法，其可具有一或多个下述优点：

[0023] (1)此半桥电路驱动芯片及其驱动方法可通过高侧晶体管及低侧晶体管的切换，驱动各种高压应用的负载。

[0024] (2)此半桥电路驱动芯片及其驱动方法可通过单一电压位移转换器转换信号的位准，使其能驱动高侧晶体管进行切换，减少电压位移转换器的使用以降低高压元件所占据
的芯片面积，进而降低芯片制造成本。

[0025] (3)此半桥电路驱动芯片及其驱动方法，可通过电流检测或脉冲检测来建立高侧输出信号，使其对应于输入的控制信号，提升操作效率。

附图说明

[0026] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是
本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还
可以根据这些附图获得其他的附图。

[0027] 图1为本发明实施例的半桥电路驱动芯片的电路示意图。

[0028] 图2为本发明另一实施例的半桥电路驱动芯片的电路示意图。

[0029] 图3为本发明又一实施例的半桥电路驱动芯片的方块图。

[0030] 图4为本发明实施例的半桥电路驱动方法的流程图。

[0031] 附图标号：

[0032] 10、11、12：半桥电路驱动芯片

[0033] 20：电压位移转换器

[0034] 21：脉冲产生模块

[0035] 21a：上升脉冲信号

[0036] 21b：下降脉冲信号

[0037] 22a、22b：比较器

[0038] 23：电流供应电路

[0039] 24：电流检测模块

[0040] 25：高侧输出模块

[0041] 25a：逻辑电路

[0042] 25b：正反器

[0043] 25c：反相器

[0044] 27：电压供应电路

[0045] 28：脉冲检测模块

[0046] 40：微控制器

[0047] 50：高侧输入信号

[0048] 50a：上升沿

[0049] 50b：下降沿

[0050] 51：低侧输入信号

[0051] BD：外接二极管

[0052] C：电容

[0053] HA：高侧区域

[0054] HIN：高侧信号输入端

[0055] HO：高侧信号输出端

[0056] HQ：高侧晶体管

[0057] HV：高压电源

[0058] IA：第一电流源

[0059] IB：第二电流源

[0060] L：负载

[0061] LA：低侧区域

[0062] LIN：低侧信号输入端

[0063] LO：低侧信号输出端

[0064] LQ：低侧晶体管

[0065] SR1：第一开关

[0066] SR2：第三开关

[0067] SF1：第二开关

[0068] SF2：第四开关

[0069] VB：高侧电源端

[0070] VS：高侧浮动接地端

[0071] VR：第一电压

[0072] VF：第二电压

[0073] UVLO：欠压锁定电路

[0074] S1～S5：步骤

具体实施方式

[0075] 为利贵审查委员了解本发明的技术特征、内容与优点及其所能达成的功效，兹将本发明配合附图，并以实施例的表达形式详细说明如下，而其中所使用的图式，其主旨仅为
示意及辅助说明书之用，未必为本发明实施后的真实比例与精准配置，故不应就所附的图
式的比例与配置关系解读、局限本发明于实际实施上的权利范围，合先叙明。

[0076] 请参阅图1，图1为本发明实施例的半桥电路驱动芯片的电路示意图。如图所示，半桥电路可由半桥电路驱动芯片10连接高侧晶体管HQ、低侧晶体管LQ及电荷泵(charge 
pump)来组成，高侧晶体管HQ的一端连接高压电源HV，另一端连接于负载L。低侧晶体管LQ一
端连接于负载L，另一端接地，通过半桥电路驱动芯片10控制上臂的高侧晶体管HQ与下臂的
低侧晶体管LQ的切换，提供所需负载L。其中，电荷泵含外接二极管BD及电容C，其连接于接
入的供电电压VCC且连接于半桥电路驱动芯片10的高侧电源端VB。半桥电路驱动芯片10包
含高侧信号输入端HIN及低侧信号输入端LIN，两个输入端分别接收微控制器的高侧输入信
号50及低侧输入信号51，上述输入信号可为脉冲宽度调变(Pulse Width Modulation,PWM)
信号，其波形具有上升沿50a及下降沿50b，做为控制晶体管开启或关闭切换的依据。半桥电
路驱动芯片10中区分为高侧区域HA与低侧区域LA，高侧区域HA包含高侧信号输出端HO，连
接至高侧晶体管HQ，提供高侧输出信号以驱动高侧晶体管HQ。低侧区域LA则包含低侧信号
输出端LO，连接至低侧晶体管LQ，提供低侧输出信号驱动低侧晶体管LQ。

[0077] 在半桥电路驱动芯片10中，当高侧晶体管HQ打开时，高压电源HV提供至负载L，此时高侧浮动接地端VS也会承受高电压，高侧区域HA与低侧区域LA的电压差会达到100V至
600V，甚至到达1200V。因此，由微控制器送达的高侧输入信号50无法直接驱动高侧晶体管
HQ，必须通过电压位移转换器20将信号平移至高压的准位，才能有效的驱动高侧晶体管HQ。
已知的作法是将高侧输入信号50的上升沿50a及下降沿50b分别产生脉冲信号，由两个电压
位移转换器分别负责上升及下降的转换，再由高侧区域HA输出高侧输出信号。然而，作为电
压位移转换器的金氧半场效晶体管(MOSFET)元件，由于需耐高压，其元件所占据的面积较
大，在电路布局或设计上往往会造成较高的成本。

[0078] 在本实施例中，则是仅使用单一的电压位移转换器20，由高侧信号输入端HIN输入的高侧输入信号50，传送至脉冲产生模块21，通过比较器22a将高侧输入信号50的上升沿
50a及下降沿50b转换成上升脉冲信号21a及下降脉冲信号21b，传送至电流供应电路23。电
流供应电路23包含第一开关SR1及第二开关SF1，第一开关SR1由上升脉冲信号21a控制而导
通，使第一电流源IA提供流经电压位移转换器20的第一电流，第二开关SF1由下降脉冲信号
21b控制而导通，使第二电流源IB提供流经电压位移转换器20的第二电流。电流供应电路23
连接于电压位移转换器20，第一电流与第二电流可为不同大小的电流，例如第一电流可大
于第二电流，经由电压位移转换器20传递至高侧区域HA的电流信号也会有所不同。在高侧
区域HA设置电流检测模块24，将第一电流作为上升电流信号，第二电流作为下降电流信号，
传送至高侧输出模块25。高侧输出模块25包含逻辑电路25a、正反器25b及反相器25c，根据
上升电流信号及下降电流信号产生高侧输出信号，通过高侧信号输出端HO输出至高侧晶体
管HQ，藉此控制高侧晶体管HQ的切换。

[0079] 高侧输出模块25还可包含欠压锁定电路UVLO，检测高侧电源端VB的电压，在超过设定值时切断电源以保护电路。此外，由低侧信号输入端LIN接收的低侧输入信号51，则可
通过比较器22b判断上升及下降的触发信号，直接经由低侧驱动电路的反相器25c，由低侧
低侧信号输出端LO输出低侧输出信号，控制低侧晶体管LQ的切换。

[0080] 请参阅图2，图2为本发明另一实施例的半桥电路驱动芯片的电路示意图。如图所示，半桥电路驱动芯片11包含高侧信号输入端HIN、低侧信号输入端LIN、脉冲产生模块21、
电压位移转换器20、电流检测模块24、高侧输出模块25、高侧信号输出端HO及低侧信号输出
端LO。与图1相同的元件以相同标号表示，其内容请参阅前述实施例而不再重复描述。在本
实施例中，脉冲产生模块21连接于电压供应电路27，通过电压供应电路27连接于单一的电
压位移转换器20的栅极，由于金氧半场效晶体管的特性，提供电压至电压位移转换器20时，
会产生相应的电流，再通过电流检测模块24检测电流大小，判断电压位移转换器输出的是
上升电流信号还是下降电流信号。

[0081] 进一步说明电压供应电路27，其包含第三开关SR2及第四开关SF2，第三开关SR2由上升脉冲信号21a控制而导通，提供第一电压VR至电压位移转换器20，第四开关SF2由下降
脉冲信号21b控制而导通，提供第二电压VF至电压位移转换器20。第一电压VR不同于第二电
压VF，例如第一电压VR可大于第二电压VF。当电压位移转换器20接收不同电压时，传递至高
侧的电流也会有所不同，通过电流检测模块24检测后判断为原高侧输入信号50的上升沿还
是下降沿，进而产生与高侧输入信号50相同型态的高侧输出信号。此高侧输出信号同样经
由高侧信号输出端HO传送以控制高侧晶体管HQ的切换。同样地，低侧输入信号51由低侧信
号输入端LIN输入，由低侧信号输出端传送以驱动低侧晶体管LQ的切换。

[0082] 请参阅图3，图3为本发明又一实施例的半桥电路驱动芯片的方块图。如图所示，半桥电路驱动芯片12包含高侧信号输入端HIN、低侧信号输入端LIN、脉冲产生模块21、电压位
移转换器20、高侧输出模块25、高侧信号输出端HO以及低侧信号输出端LO。半桥电路驱动芯
片12可由微控制器40传送高侧输入信号至高侧信号输入端HIN，且传送低侧输入信号至低
侧信号输入端LIN，半桥电路驱动芯片12的高侧信号输出端HO以及低侧信号输出端LO分别
连接于高侧晶体管HQ及低侧晶体管LQ，通过高侧输出信号及低侧输出信号控制晶体管的切
换，进而驱动负载L。与前述实施例相同的元件同样以相同标号表示，其内容请参阅前述实
施例而不再重复描述，以下仅针对本实施例差异部分进行说明。

[0083] 在本实施例中，脉冲产生模块判断接收到的高侧输入信号后，将其依据信号的上升沿及下降沿区分为上升脉冲信号及下降脉冲信号，经由电压位移转换器20转换电压准
位，由于仅使用单一电压位移转换器20，必须进一步判断为上升脉冲信号或下降脉冲信号，
进而重新建立对应于高侧输入信号的高侧输出信号。在本实施例中，设置脉冲检测模块28
连接于电压位移转换器20，脉冲检测模块28可包含脉冲计数电路，用以计数电压位移转换
器20所传送的脉冲数量，依据脉冲数量判断电压位移转换器20输出的是上升脉冲信号或下
降脉冲信号。在另一实施例中，脉冲检测模块28可包含脉冲宽度检测电路，检测电压位移转
换器20所传送的脉冲宽度，依据脉冲宽度判断电压位移转换器20输出的是上升脉冲信号或
下降脉冲信号。

[0084] 请参阅图4，图4为本发明实施例的半桥电路驱动方法的流程图。如图所示，其包含以下步骤(S1‑S6)：

[0085] 步骤S1：通过高侧信号输入端接收高侧输入信号。半桥电路驱动芯片的高侧信号输入端可接收来至微控制器的高侧输入信号，与其对应的，低侧信号输入端可接收来至微
控制器的低侧输入信号，由于高侧输入信号并无法如低侧输入信号能直接驱动低侧晶体
管，因此高侧输入信号必须经由后续流程转换以驱动高侧晶体管。

[0086] 步骤S2：通过脉冲产生模块产生上升脉冲信号及下降脉冲信号，传送至电压位移转换器。脉冲产生模块根据高侧输入信号产生上升脉冲信号及下降脉冲信号，在本实施例
中，上升脉冲信号可控制一电流供应器的第一开关导通，使第一电流源提供流经电压位移
转换器的第一电流，并且通过下降脉冲信号控制第二开关导通，使第二电流源提供流经电
压位移转换器的第二电流，因而使电压位移转换器能接收到不同的第一电流及第二电流。
在另一实施例中，上升脉冲信号可控制一电压供应器的第三开关导通以提供第一电压，并
且通过下降脉冲信号控制第四开关导通以提供第二电压，通过连接电压位移转换器的栅极
所提供的不同电压，使得电压位移转换器产生不同的第一电流及第二电流。

[0087] 步骤S3：通过电流检测模块检测流经电压位移转换器的第一电流及第二电流，产生上升电流信号及下降电流信号。由电压位移转换器传递至高侧的电流，可通过一电流检
测器进行检测，判断是对应于上升沿的第一电流或是对应于下降沿的第二电流，进而将其
转换成上升电流信号及下降电流信号。

[0088] 步骤S4：通过高侧输出模块根据上升电流信号及下降电流信号产生高侧输出信号。高侧输出模块的逻辑电路接收到上升电流信号及下降电流信号后经由一正反器触发一
驱动电路，产生与高侧输入信号同样型态的高侧输出信号。

[0089] 步骤S5：通过高侧信号输出端传送高侧输出信号以控制高侧晶体管的切换。经转换的高侧输出信号，由高侧信号输出端传送至高侧晶体管，由信号当中上升及下降所对应
的型态，控制高侧晶体管的切换。

[0090] 以上所述仅为举例性，而非为限制性者。任何未脱离本发明的精神与范畴，而对其进行的等效修改或变更，均应包含于申请专利范围中。