一种高压大电流PIN管开关驱动器的设计

官清雄,占腊民

（华中科技大学 电子科学与技术系,武汉 430074）

一种高压大电流PIN管开关驱动器的设计

官清雄,占腊民

（华中科技大学 电子科学与技术系,武汉 430074）

介绍了一种PIN管开关驱动电路。该电路采用了控制信号与高压源相隔离的方法,可支持300 V以内的高压,并具有800 mA的电流驱动能力,驱动电路的开关切换时间小于2.6 μ s。通过对高压器件的防击穿保护,并增加适当的延时电路,大幅度提高了驱动电路的工作稳定性。该电路可应用到高电压、大电流、高功率容量、高速切换的PIN管开关中。

PIN二极管;开关驱动器;高压;大电流;跳频滤波器

1 引 言

PIN管[1],简而言之,就是在P型和N型半导体之间嵌入一层低掺杂的本征半导体。PIN二极管具有在正向或反向偏压上导通或阻断的特性,并且具有快速切换的特点,很适合用作高速切换的电子开关。所以,PIN管开关在控制微波信号的转换中得到了很好的应用,而作为保障PIN管开关正常工作的PIN管驱动电路,其重要性不言而喻。为此,各大制造商也纷纷努力,设计出多种适用于不同场合的PIN管开关驱动器。目前,市场上现有的大多数PIN开关驱动器速度较慢,开关频率低,控制反偏电压偏小,支持的功率容量[2]也有限,这对PIN开关的功率容量和使用范围起到了限制作用。

本文提出了一种PIN开关驱动器的设计方法,设计出的驱动器具有高速、高压和大电流负载能力,解决了由于驱动器的限制而导致开关滤波器和收发开关的低功率容量不符合系统要求的问题,大大地增加了PIN开关的可靠性。

2 PIN管开关驱动器的设计思想

实验室目前用的射频开关由串联和并联两组PIN管开关组成,共同控制射频信号的通断。当并联为1、串联为0时射频导通,反之则为关断状态,而每路射频开关只需要一路外围控制信号控制。据此设计出相应的射频开关驱动器的原理图,如图1所示。

图1 PIN管开关驱动电路原理图Fig.1 PIN switch driving circuit schematic diagram

它将输入控制信号转换成相应的同相与反相输出,然后驱动两组CMOS管[3],得到所需的输出信号去驱动PIN二极管。该驱动电路主要分成4个部分:稳压电路、延时电路、升压反相电路和输出控制电路。

3 PIN管开关驱动器的电路工作原理

3.1 稳压电路和延时电路

稳压电路由一个反相器组成,有两方面的作用:首先,它能过滤输入信号中可能存在的杂波,使电平的纹波系数更小,避免了外围输入信号的抖动对驱动电路的性能造成影响;另外,根据下一级的输入特性选择合适的高扇出数[4]的反相器,可提高信号的负载能力,增加电路的稳定性。

首先考虑输出控制电路中的MOS管控制电路。如图2示,当 COM 1为高电平（VPP）、COM 2为高电平（5 V）时,Q23工作在截止区,Q24工作在饱和区,输出 con2B为低电平（0 V）;当 COM 1为低电平（VBB）、COM 2为低电平（0 V）时,Q23工作在饱和区,Q24工作在截止区,输出con2B为高电平（VPP）,根据以上的分析,COM 1、COM 2与con2B逻辑如图3所示。

图2 MOS管控制电路Fig.2MOS control circuit

图3 MOS管控制电路逻辑图Fig.3 Logic diagram ofMOS control circuit

在不加任何延时的情况下,COM 1、COM 2基本上为同步开关状态,其理想时序与图3基本相符。现在考虑一下实际MOS管的工作状态:当 COM1、COM2由高电平跳变到低电平时,Q24由饱和区转换到截止区,Q23由截止区转换到饱和区,但NMOS在饱和状态时会在栅极附近的P型硅表面积累很多电子而形成反型层,当它从饱和状态转换成截止状态时,需要经过存储电荷转移的时间,也就是NMOS从开到关需要一个稳定的过程。同理,PMOS从关到开也需要一个稳定的过程。如果COM 1,COM2同时切换到到低电平的话,则在MOS管稳定的过程中,很可能会同时使两管处于导通状态,此时VPP（高压）与GND之间的阻值很小,电流I1产生一个峰值很大的脉冲,这会造成整个电路的不稳定,甚至烧毁MOS管。同理,当COM1、COM2由低电平跳变到高电平时,也存在的同样的问题[4]。

为了解决因COM1、COM2同步切换而造成电路不稳定的问题,必须引入合适的延时电路,使整个电路稳定,并使MOS管的寿命得到保障。引入延时的思想是:当con2B从高电平转换到低电平时,COM 1必须先切换到高电平,使PMOS管Q23稳定在截止区后,再切换COM2至高电平;当con2B从低电平转换到高电平时,COM 2必须先切换到低电平,使NMOS管Q24先稳定在截止区后,再切换COM 1到低电平。这样就保证了在整个过程中,高压VPP对地的阻值都很高,从而起到了稳定电路、保护MOS管、降低功耗的作用。

这里用RC电路来实现输入信号的延时,如图1所示,利用二极管的单向导通性来实现不同时段的延时。当V1从低电平跳变到高电平VH时,D41正向导通,所以D41与R41的并联电阻非常小,RC的充电相当快,Vo1很快就上升到VH;而D42反向截止,其与R42的并联电阻接近R42,根据相关电路理论可得:

此时R=R42,C=C42,时间常数 τ=R42×C42。从上式可知,通过改变R42或者C42来改变τ,从而使延时调到合适的值。

同理,当V1从高电平跳变到低电平时,可得到Vo2基本无延时,而:

可通过改变R41或者C41来得到合适的延时。

3.2 升压反相电路与输出控制电路

升压部分主要利用光耦来实现,通过改变光耦芯片上第5引脚上的基准电压VBB来调整高压。实际上,只要VBB在光耦芯片的额定值范围内都是可以的,当然实际应用中要结合后端的MOS管参数来考虑。

输出控制电路应用两组CMOS管加必要的外围电路实现,这样做将控制信号与高压电压源相隔,更加保障了电路的稳定性。应用该电路的好处是,只要处于截止区时MOS管 DS极耐压够高,就能为PIN管提供更高的反偏电压,反偏电压越大,就可支持更高的功率容量,扩大该驱动电路的使用范围。另外若NMOS管工作的饱和区,根据文献[5],其饱和漏电流IDSat如下:式中,L、W分别为MOS管的沟道长度和宽度,μn为电子迁移率,其中MOS管增益因子和阈电压VT取决于NMOS管的固有参数,因此对于一特定的NMOS管,IDSat与栅源电压VGS有关[5]。由式（4）可知,如果选择 β大而VT小的NMOS管,该驱动电路就有更大的电流负载能力。

下面考虑一下驱动电路的开关特性,MOS管的导通时间ton包括导通延迟时间tdn和上升时间tr;关断时间toff包括关断延迟时间tdf和下降时间tf。MOS管的开关时间来源于两个方面:其一是载流子通过沟道输运所造成的时间延迟,可称为本征延迟;其二是MOS管的PN结电容、引线电容及其杂散电容和负载电容的输入电容,可统称为负载延迟。在饱和区的本征延迟渡越时间tchs为:tchs=4L2/3μn（VGS-VT）,其中L为沟道长度。由此可见,只要VGS定下来,那么tchs由MOS本身的特性所确定。考虑到负载延迟,以CLT表示MOS开关的下一级负载电容及MOS管本身的各种电容,即总的对地电容。根据分析可知,ton与CLT成正比,与输入管的跨导gmI成反比;关断时间toff也与CLT成正比,而与负载管的跨导gmL成反比[5]。故要减小开关延迟,可选择寄生电容小的MOS管,在条件允许的情况下,尽可能减小外围负载（PIN管开关）到地的电容。为了保证电路的稳定,在选取延时电路的RC参数时,要保证在导通时COM2的延时上升时间大于Q23的关断时间tPoff,而在关断时COM 1的延时下降时间大于Q24的关断时间tNoff。

4 PCB版图的设计

考虑到空间和面积上的局限,布局和走线的合理性就显得特别重要。版图上,各路驱动电路器件应该分开布局,对于每一路,应尽可能地顺着信号的流向布局,每一模块的布局应该保持紧凑。对那些可能过高压的器件布局,要给它们足够的空间,防止高压对周围器件的放电。布线上控制信号线要尽可能地保持走线平滑,尽量减少过孔数量,各路信号线之间的长度差别不要太大。对于可能过大电流的线路,其走线的宽度和相应的过孔应该根据电流的大小适当加大。并且这些走线的长度应该尽可能短,这样可以降低线路中的压降,从而降低损耗。过高压的线适当与周围走线和器件分开。在接地上,应该注意地线之间的共阻抗干扰,采用一点接地法,即各级电路分别在一接点上与地线相接,可有效消除地线的共阻抗干扰。地线应尽可能加宽,信号地与电源地还有射频开关的地都应该适当分开。

5 实际电路测试

图4 1分6 PIN开关驱动PCB样板Fig.4 1 ～ 6 PIN switch driver′s PCB demo

图4为1分6 PIN管开关驱动电路的PCB样板的正面,其中的飞线是驱动输出到射频开关的连线。

令延时电路中的R=3 000,C=1 000 pF,C21、C29=2×22 000 pF,高压VPP=250V,输入为1 kHz、峰峰值为5 V的时钟信号,测出的输入-输出波形如图5所示。由图5可知,在高压250 V情况下,信号输出波形理想。实际上,只要所选的MOS管的DS击穿电压越高,则该电路可提供更高的反偏电压,开关的延时在2.6 μ s左右,实现了驱动器高速切换,开关速度达到了设计的初衷,根据MOS的开关参数选择合适的RC参数,可获得更小的开关延时。

图5 测得的输入输出波形Fig.5 Measured input-output waveform

为了测试该驱动的带电流负载[6]能力,应用图6的测试电路。

图6 电流负载能力测试图Fig.6 Test chart for loading current capacity

电流的值可以从V3电源表上读出,它随着V3的增加而增大,实际测量可知,只要电流值不超过1 A（MOS管的漏源饱和电流）,该电路都能稳定且正常工作。实际工作中还需考虑PIN管的电流负载能力。

通过选择高DS击穿电压的MOS管,就能提供更高的反偏电压,进而支持更大的功率容量。

6 结束语

本文提出的这种开关驱动电路在各项指标上已达到了实验室要求,彻底克服了原先驱动器的一些弱点,具有高速、高压、大电流的驱动能力,并支持更高功率容量的PIN管,而且在高频电路上测试也表现出了比较理想的性能,充分显示出电子开关的快速方便的特点,从而在电子对抗中可以实现更多的干扰时间、更高速的跳频干扰,以及更高的干扰功率。目前,该驱动电路已经应用到实验室的大功率高速跳频滤波器中,表现出了极高的稳定性。在以后的设计中,建议选择更高耐压、更短开关延迟的MOS管,尽可能增大高压滤波电容的值,使该驱动器的性能得到进一步优化。

[1] 张南,冯宇波.PIN二极管在射频开关电路中的工作原理及应用[J].科技信息（学术版）,2007（2）:5-9.

ZHANG Nan,FENG Yu-bo.The operating p rincip le and application of PIN diodes in the RF switch circuit[J].Science and Technology Information（Academic Edition）,2007（2）:5-9.（in Chinese）

[2] 顾卫东,徐健.高速、高压、高频PIN管开关驱动器设计[J].通信对抗,2005（4）:45-48.

GU Wei-dong,XU Jian.Design of a high-speed,highvoltage and high-frequency PIN switch driver[J].Communication Countermeasures,2005（4）:45-48.（in Chinese）

[3] 拉扎维 B.模拟CMOS集成电路设计[M].陈贵灿,译.西安:西安交通大学出版社,2005.

Behzad Razavi.Design of Analog CMOS Integrated Circuits[M].Translated by CHEN Gui-can.Xi′an:Xi′an Jiaotong University Press,2005.（in Chinese）

[4] 康华光.电子技术基础数字部分[M].5版.北京:高等教育出版社,2006.

KANG Hua-guang.Digital PortionOf Electronic Technology Basis[M].5th ed.Beijing:Higher Education Press,2006.（in Chinese）

[5] 刘刚,何笑明,陈涛.微电子器件与 IC设计[M].北京:科学出版社,2005.

LIU Gang,HE Xiao-ming,CHEN Tao.Micro-electronic Devices and IC Design[M].Beijing:Science Press,2005.（in Chinese）

[6] 叶红松,李洋,杨阳.一种大电流高速PIN驱动器的设计与实现[J].微电子学,2009,39（1）:81-84.YEHong-song,LI Yang,YANG Yang.Design and Implementation of a High-Current and High-Speed PIN Switch Driver[J].Microelectronics,2009,39（1）:81-84.（in Chinese）

Design of a High-Voltage and High-Current PIN Switch Driver

GUAN Qing-xiong,ZHAN La-min
（Department of Electronic Science and Technology,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,China）

A PIN diode switch driving circuit is presented.The control signal is isolated with the high voltage source in this circuit.It can work at 300V and has 800mA current drive capability.The switching time is below 2.6 μ s.The circuit′s working stability is improved greatly through anti-breakdown protection and adding appropriate time-delay circuit.This circuit can be used in high-voltage,high-current,high-power-capacity and high-speed PIN switch.

PIN diode;switch driving circuit;high voltage;high current;hopping filter

TN79

A

10.3969/j.issn.1001-893x.2011.02.021

1001-893X（2011）02-0102-05

2010-10-14;

2010-12-06

官清雄（1982-）,男,福建福清人,2006年于华中科技大学电子科学与技术系获学士学位,现为硕士研究生,主要从事大功率跳频滤波器射频开关以及开关驱动的设计和研究;

GUAN Qing-xiong was born in Fuqing,Fujian Province,in1982.He

the B.S.degree in Department of Electronic Science and Technology from Huazhong University of Science and Technology in 2006.He is now a graduate student.His research interests include RF switch design and switch driving circuit design for high power hopping filter.

Email:157072296@qq.com

占腊民（1976-）,男,湖北黄冈人,副教授,主要研究方向为电调滤波器和电子材料与器件。

ZHAN La-min was born in Huanggang,Hubei Province,in 1976.He is now an associate professor.His research interests include electric tunable filters and electronic materials and device.