CN101432631A - 通过监控半桥或全桥式电路中的vs电压进行的双向电流检测 - Google Patents

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Abstract

一种在包含高端和低端晶体管开关的桥接开关晶体管输出电路，特别是MOSFET中，确定输出电流的装置和方法。检测高端开关和低端开关之间公共节点的电压，对第一电路中的电压偏移固定量以使得该电压对所关注的所有正负输出电流来说都是正的。实际中第二电路仅在与低端开关开启时间相关的预定时间内接收偏移电压信号，在第二电路中确定输出电流。第一电路包括电流参考源/电平位移器和由特定电路配置的多个晶体管组成的电流镜电路。第二电路在所需时间内通过栅控NMOS晶体管耦合到第一电路的输出端以提供电流测量信号。第二电路包括具有与第一电流参考源相同电子特性的第二电流参考源，以及多个第二晶体管，分别匹配于输入端电路晶体管并且在相同的电路结构中连接。在第二电路中，将偏移信号与高低参考信号进行比较，如果输出电流超过过电流限制，则提供正的或负的指示。优选的，将检测电路与输出电路栅极驱动器集成于单个IC中。

Description

通过监控半桥或全桥式电路中的VS电压进行的双向电流检测
相关申请
本申请基于2004年6月2日提交的美国临时申请60/576829，并要求其优先权，其全部的公开内容作为引用结合于此。
本申请还涉及以Dana Wilhelm的名义于2004年3月23日提交的名称为“高电压偏移检测电路和方法(HIGH VOLTAGE OFFSET DETECTION CIRCUITAND METHOD)”的美国专利申请No.10/806688，其全部的公开内容作为引用结合于此。
技术领域
本发明涉及一种在高功率全桥或半桥式晶体管电路中进行的双向电流检测的方法和装置，更具体地，在此方法和装置中，本发明未在功率电路中添加元件，并且此方法和装置能被完整地集成到桥式驱动器IC中。
本发明在上下文中将基于半桥式MOSFET电路进行描述，但应当理解为本发明公开的概念也可直接应用于使用其他类型的或功率的晶体管，以及全桥式拓扑结构的电路。
背景技术
高电压半桥和全桥式功率电路有很多不同的应用，例如电机驱动器，荧光灯的电子镇流器和电源。在图1中示出了简单的半桥式电路10。该电路使用连接于MOSFETMHS和MLS的高端和低端图腾柱，MOSFET MHS和MLS供给负载12，该负载12连接在MOSFET之间的公共节点14与电容C1和C2之间的第二公共节点16之间，该供给经过包含MOSFET MHS和电容C1的第一电路路径以及包含MOSFET MLS和电容C2的第二电路路径。
栅极驱动电路18，典型的是IC，根据逻辑输入信号HIN和LIN，提供栅极驱动信号来控制MOSFET MHS和MLS的开启和关断。
在包含半桥或全桥式拓扑结构的功率应用中，反馈或防止击穿状况通常需要电流检测。传统的电流检测方法需要添加诸如电阻的额外元件到功率电路中，例如添加在MOSFETS MHS和MLS之间(未示出)，这些额外元件是插入式的，即会引起功率的浪费，并且需要在驱动器IC上添加额外的引脚。
另外，在一些高功率桥式拓扑应用中，例如D类放大器，功率晶体管连接于正负电压轨(rail)之间，而非图1所示出的高电压轨和接地之间。这种情况下，正负电流可能相遇。为使驱动器IC中的测量电路可用于所有功率桥式应用中，测量电路必须能够适应负摆动(negative swings)。
因此，需要一种电路实现方式和方法既避免了在功率电路中添加检测元件，又能够与驱动器IC集成，并且还能够测量双向电流。本发明将满足上述需求。
发明内容
根据本发明，半/全桥式电路中的低端开关数量与电流检测元件数量一样增加一倍。因为已知MOSFET开关元件的RDSON，且该开关的漏极电压和VS(公共节点)电压相同，当低端开关打开时，通过检测VS电压可以探知电路中的电流。该电流检测的方法完全是非插入式的，并且能完整地集成到驱动器IC中。
新电路的VS检测部分基于前述的Dana Wilhe1m专利申请公开的技术。Wilhelm申请的装置设计为用于偏移检测，也就是确定公共节点何时从高态转换成低态，或从低态转换成高态。这在驱动共振负载的电子镇流器等中是很必要的，这种情况下，低端MOSFET的提早开启将公共节点的电压提升至低端轨(low-side rail)的电压。这种所谓的“硬开关”是导致开关损耗的原因并会引起MOSFET MHS和MLS发热，这可能最终导致MOSFET的故障。
如今，Wilhelm装置的概念可用于电流检测的观点已被认同。并且，通过在传输至检测电路的低端之前将MOSFET节点14的电压即VS电压上调一固定值，使检测负值和负电流成为可能，使电流检测可双向进行。
因此，本发明的一个目的是提供一种在高功率MOSFET开关输出电路中检测电流的改进的装置和方法。
本发明的另一个目的是提供一种装置和方法，其中利用连接于图腾柱结构的两个开关晶体管的公共节点的电压来确定基于低端晶体管的RDSON的电流。
本发明的另一个目的是提供一种装置和方法，其中公共节点的电压可被上调一预定值以允许检测负电流。
本发明的另一个目的是提供一种电流检测装置，该装置不需要在输出电流路径中添加检测元件。
本发明的另一个目的是提供一种电流检测装置，该装置可与用于对单独的集成电路中的开关晶体管的驱动器的其他元件集成。
本发明的另一个目的是提供一种如上所述的电流检测装置，该装置可与具有半桥和全桥式拓扑结构的设备一起使用。
根据本发明的一个方面，这里提供了一种在高功率MOSFET开关输出电路中检测电流的装置，该电路包括两个连接在图腾柱结构中的开关晶体管，其中该晶体管之间的公共节点的电压可由连接于该公共节点的电路来检测，该电压可用于计算基于低端晶体管的RDSON的电流。
根据本发明的另一方面，前述装置可与输出晶体管的驱动器的其他元件集成。
根据本发明的另一方面，晶体管之间的公共节点的电压可被上调一固定值，从而经过低端晶体管的RDSON的正负电流都能被测量。
通过结合以下附图对本发明进行详细描述，本发明的确切特性以及其他目的、特点和优点将会变得更加清楚，其中相同部件由相同附图标记标识。
附图说明
图1是应用本发明的简化半桥式电路的电路图；
图2是根据本发明的新型电流检测电路的示意图；
图3是显示双向过流检测器的信号处理的框图；
图4是图3电路的波形图；以及
图5显示了图2电路中的某些电压之间的关系。
具体实施方式
仍旧参考图1，将本发明应用到所示电路装置需要在IC 18中包含检测电路，并且公共节点14与IC的适当引脚的连接，如虚线20所示。
图3示出了实施根据本发明的装置的电路。该电路，总体表示为30，由两个部分组成：在高端井32中的包括MOSFET M2—M5和电平移动电阻R1的电流参考/电流镜电路，以及包括MOSFET M6—M9的低端的匹配电路(除去电平移动电阻)。如图3所示，两端由高电压NMOS M1连接，当高端井接近地电位时，高电压NMOS M1被开启以通过VS电压。
电路30的操作步骤如下：将VS调节一个常量值Iref1*M3/M2*R1，以保证调节后的电压V1＝VS+Iref1×M3/M2×R1始终为正。如果高端的电流参考和电流镜与它们在低端的对应部分相匹配，即Iref1＝Iref2，M3/M2＝M7/M6，并且M5/M4＝M9/M8，那么V3＝V1且V4与V3的差值为NMOS M1的VDSON，这个值非常小。然而应该注意的是，前述的关系式只在V1是正数的情况下成立。当V1为负数时，V3与V1不相等。相反，V2值更低且M5被截止，防止M1的体二极管(body diode)被开启也防止M1被破坏性地闩锁。
最终结果为
V4(Vsense)＝VS+Iref1×M3/M2×R1-VDSON，M1
≈VS+Iref1×M3/M2×R1
因为VS等于低端开关RDSON与低端开关电流的乘积，后者可由所示电路推导出。
图3示出了上述概念的实际应用。此处，低端逻辑输入LIN通过低端延迟电路52、预驱动电路54和输出驱动器56(三者均可以是任何适合的或需要的类型)连接以提供栅极驱动信号L0给低端MOSFET开关MLS(如图1)。利用低端延迟电路以在高端开关MHS的关断和低端开关MLS的开启之间提供适当的死区时间。
为抵御外部噪声及防止M1的不期望的击穿，如图4中的V4波形所示，优选的，仅在低端开关MLS开启一段时间后启动电流检测。基于这个目的，预驱动器54的输出端通过前缘斩波滤波器(leading edge chop filter)58、NAND门60和反相器62连接以提供低端门驱动信号L0的延迟样本作为NMOS M1的启用信号(如图2)。由低端逻辑输入信号LIN的非延迟样本提供给NAND门60的第二输入端。
V4检测信号也被用于提供过流检测功能。基于此目的，V4信号分别连接到比较器66和72的同相输入端和反相输入端。正参考信号+VR1和负参考信号—VR1分别用来提供给比较器66和72的第二输入端，它们表示正负过流阈值。反相器60的输出通过前缘斩波滤波器68连接到NOR门70的一个输入端，NOR门70的第二输入端直接由反相器72提供。
门70的输出与NAND门60的输出一起提供为NOR门64的输入。
NOR门64的输出提供过流指示信号。
为了精确电流(VS)检测，M1中的电流I1必须足够小，从而可以忽略M1和M5的VDSON(如图5)。这是通过要求电流足够大以限制V4的瞬态而平衡的。这些瞬态由M1的栅极的电容耦合造成，且可看作是当M1开启时V4的假峰(false peak)(如图4)。这些瞬态可用V4之后的低通滤波器消除，也可在V4与过流阈值比较后放置前缘斩波滤波器来消除。较大的I1将更快地对V4的寄生电容的充电，允许使用高速滤波器并减少响应时间。
应当注意的是，为检测大的负电流，必须适当地选择Iref1和R1，以保证VS+Iref1×M3/M2×R1始终为正。同样，为在所有情况下都能进行可靠的电流检测，应当选择Iref1和R1的值使之完全不受电源和温度的变化的影响。另外，用齐纳二极管ZD1和ZD2来限制M1源极和漏极的高电压瞬态可以提高电路的鲁棒性(如图2)。
尽管本发明是参考特定实施例进行描述的，本领域技术人员可以很容易做出各种变化、修改以及其他使用。因此，本发明不能局限于此处公开的特殊实例，而仅由所附权利要求的完整范围限定。

Claims (18)

1.一种用于包含高端和低端晶体管开关的桥接开关晶体管输出电路的栅极驱动器，所述栅极驱动器包括：
第一输入端，用于接收高端开关使能信号；
第二输入端，用于接收低端开关使能信号；
第三输入端，用于连接到高端开关和低端开关之间的公共节点；
第一输出端，用于提供高端开关的栅极驱动信号；
第二输出端，用于提供低端开关的栅极驱动信号；
第三输出端，用于提供表示流过高端开关和低端开关的输出电流的测量信号；
偏移电路，电耦合到所述第三输入端，包括参考电流源，电平转换器，以及由多个晶体管组成的特殊电路结构的电流镜电路；
测量电路，电耦合到所述偏移电路，它包括具有与所述第一电流参考源完全相同的电特性的第二电流参考源，以及分别与输入端电路晶体管相匹配并且以相同的电路结构进行连接的多个第二晶体管；
耦合元件，响应于栅控信号将所述偏移电路连接到所述测量电路，其中：
所述偏移电路能够按照预定方式偏移第一输入终端的信号的电压，并传送该偏移信号至所述耦合电路；
所述耦合元件响应于所述栅控信号而传送所述偏移信号至所述测量电路；
所述测量电路用于产生测量信号。
2.根据权利要求1所述的栅极驱动器，其中所述偏移电路、耦合电路和测量电路在集成电路中实施。
3.根据权利要求1所述的栅极驱动器，其中所述输出电流不受公共节点与偏移电路的连接的影响。
4.根据权利要求1所述的栅极驱动器，其中所述偏移电路和测量电路中的晶体管是MOSFET，并且所述耦合元件是NMOS高电压晶体管。
5.根据权利要求1所述的栅极驱动器，其中所述栅控信号是通过所述第一输入端的信号的延迟版本产生的。
6.根据权利要求5所述的栅极驱动器，其中所述栅控信号通过传输所述第一输入端的信号经过前缘斩波滤波器而产生的。
7.根据权利要求1所述的栅极驱动器，其中所述测量电路包括：
比较器装置，对由所述耦合元件传输到所述输出端电路的偏移信号和表示过电流限制的参考信号进行比较；以及
将所述比较器装置耦合至所述第三输出端的电路。
8.据权利要求7所述的栅极驱动器，其进一步包括滤波器电路，连接在所述比较器装置和所述耦合电路之间。
9.据权利要求8所述的驱动电路，其中所述滤波器电路包括前缘斩波滤波器。
10.据权利要求7所述的驱动电路，其中所述比较器装置包括：
第一比较器电路，将所述偏移信号和正过电流限制信号进行比较；
第二比较器电路，将所述偏移信号和负过电流限制信号进行比较；并且其中：
所述第一比较器通过滤波器电路耦合到所述输出电路；以及
所述第二比较器直接耦合到所述输出电路。
11.据权利要求1所述的栅极驱动器，其中所述偏移信号是通过对所述第三输入端的电压增加固定电压而产生的。
12.一种在包含高端和低端晶体管开关的桥接开关晶体管输出电路中确定输出电流的方法，所述方法包括：
确定所述高端和低端开关之间公共节点的电压，而不需要使用任何在确定过程中会改变输出电流的元件；
将表示所述公共节点的电压的信号通过第一电路进行电耦合以产生偏移电压信号，所述第一电路在正向检测中按照固定关系增大所述信号；以及
通过第二电路电耦合所述偏移电压信号以获得表示输出电流的测量信号。
13.根据权利要求12所述的方法，其中添加固定电压到表示所述公共节点的电压的信号以产生所述偏移信号。
14.根据权利要求12所述的方法，其中所述公共节点的信号的电压被偏移足够量以使得得到的偏移信号对所有大小的双向电流来说都是正的。
15.根据权利要求12所述的方法，其中所述高端开关和低端开关通过单独的栅控信号而开启或关断，并且所述偏移信号仅在所述低端开关开启期间耦合到所述第二电路。
16.根据权利要求15所述的方法，其进一步包括当所述偏移信号为负时防止所述偏移信号耦合到所述第二电路的步骤。
17.根据权利要求12所述的方法，其进一步包括将所述偏移信号和参考信号进行比较并且当所述偏移信号表示所述输出电路的过电流阈值时提供输出信号的步骤。
18.根据权利要求12所述的方法，其进一步包括将所述偏移电路和正负参考信号进行比较；以及当所述偏移信号表示所述输出电路的正或负过电流阈值时提供指示的步骤。
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C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Open date: 20090513