CN102651543B - 一种独立于电源模块的芯片级闩锁现象过流保护电路 - Google Patents

Abstract

一种独立于电源模块的芯片级闩锁现象过流保护电路，涉及集成电路领域。本发明包括：一个大电流开关模块、一个等比例电流检测模块、一个判决模块和一个自启动模块。电源PAD经大电流开关模块连接到芯片电源管理模块到核心电路，电源PAD另依次经等比例电流检测模块、判决模块和自启动模块连接到大电流开关模块，芯片电源管理模块与自启动模块相连接。本发明可以方便的用在独立于电源模块的芯片上，使电路更加安全可靠，本具有通用性强、功耗低的特点。

Description

一种独立于电源模块的芯片级闩锁现象过流保护电路

技术领域

 本发明涉及集成电路领域，特别是独立于电源模块的芯片级闩锁现象(Latch-up)过流保护电路。

背景技术

由于制造上的困难，最初几代MOS 工艺仅提供NMOS器件。实际上，许多早期的微处理器和模拟电路都是采用NMOS工艺制造的，但是它们的功耗相当大。尽管CMOS器件需要大量的掩模板和制造工序，CMOS逻辑的零静态功耗仍促使了CMOS技术时代的到来。然而，在CMOS电路中会产生一个严重的问题,就是闩锁现象。

闩锁现象是指在CMOS工艺中，寄生的pnp和npn双极性晶体管形成一个正反馈环路，在芯片加电过程中当瞬时大电流流过衬底，或者当加载的外部电压超过了正常的工作电压范围时，寄生二极管完全导通，具有很低的等效电阻，从电源线抽取很大的电流。由于正反馈的存在，如果不能及时的消除闩锁现象，持续的大电流会烧坏整个芯片。防止闩锁效应可以从工艺和电路设计两个方面考虑：对于代工厂可以适当的选择杂质浓度和分布以及版图设计规则来保证寄生电阻和双极晶体管的电流增益值都很小；对于电路设计者可以在版图中加入保护环（guard ring）来使接触电阻最小。但是，对于芯片设计公司在选定一种工艺后没有办法改变代工厂生产情况，而且为了节省面积成本，很多的设计公司不能保证芯片版图的充分接地。这样，设计一款独立于集成电路制造工艺的闩锁现象过流保护电路是非常有必要的。

现有技术中，有不少防止闩锁现象的方法。例如，美国专利US5，212,616提出的使用一个电源检测电路实时的采样电源调节电路的输出MOS管，当发生闩锁现象时，电源检测电路发出控制信号，关断电源调节电路的输出MOS管，使闩锁现象解除。这种方法的不足是检测电路做在电源调节电路的内部，和电源调节电路采用的结构有直接关系，通用性不强，且对于使用第三方电源硬核的设计者是不可能实现的。

发明内容

为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种独立于电源模块的芯片级闩锁现象过流保护电路。它可以方便的用在独立于电源模块的芯片上，使电路更加安全可靠，本具有通用性强、功耗低的特点。

为了达到上述发明目的，本发明的技术方案以如下方式实现：

一种独立于电源模块的芯片级闩锁现象过流保护电路，其结构特点是，它包括：

一个大电流开关模块，用以控制输入芯片的总电流。所述大电流开关模块为PMOS的大电流开关管，大电流开关管的源极与电源PAD相连接，大电流开关管的漏极接芯片电源管理模块的输入。

一个等比例电流检测模块，用以按照设计的比例检测流入芯片电流的大小。所述等比例电流检测模块包含：

一个小电流开关，采用PMOS管用来检测大电流的等比例；

一个接成负反馈形式的运算放大器，用来保证大电流开关管与小电流开关的漏极电位相同；

一个用来调整反馈电压的PMOS晶体管。

所述运算放大器的正输入端接大电流开关管的漏极，运算放大器的负输入端接小电流开关的漏极，运算放大器的输出端接晶体管的栅极，小电流开关的源极接电源PAD，晶体管的源极接回运算放大器的负输入端，晶体管的漏极输出等比例输出电流到判决模块。

一个判决模块，用以根据等比例电流检测模块送入电流大小控制大电流开关模块的通断；

一个自启动模块，用以在电路最开始上电以及闩锁现象解除后重新打开大电流开关模块，并为芯片正常供电；

电源PAD经大电流开关模块连接到芯片电源管理模块到核心电路，电源PAD另依次经等比例电流检测模块、判决模块和自启动模块连接到大电流开关模块，芯片电源管理模块与自启动模块相连接。

在上述过流保护电路中，所述判决模块包括：

一个电阻，与晶体管的漏极相接用来将等比例输出电流转化为电压；

一个比较器，正输入端与晶体管的漏极相接，负输入端接参考电压，用来判定输出电流是否超过设定阈值。

在上述过流保护电路中，所述自启动电路包括：依次相连的一个低电压到高电压的转化电路，一个延时电路，一个与门逻辑；与门逻辑的另一个输入端接判决模块中比较器的输出，与门逻辑的输出接大电流开关管的栅极，用以控制大电流开关管的通断。

本发明由于采用了上述结构，对闩锁现象的检测以及解除均独立于电源模块，具有很强的通用性，可以保证在使用第三方提供的电源硬核时，整个电路可以有效的检测并解除闩锁现象，并能在解除闩锁现象后自动重启芯片电源，保证芯片正常工作。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

附图说明

图1为本发明的模块组成关系图；

图2为本发明的电路图。

具体实施方式

参看图1和图2，本发明包括：一个大电流开关模块，用以控制输入芯片的总电流；一个等比例电流检测模块，用以按照设计的比例检测流入芯片电流的大小；一个判决模块，用以根据等比例电流检测模块送入电流大小控制大电流开关模块的通断；一个自启动模块，用以在电路最开始上电以及闩锁现象解除后重新打开大电流开关模块，并为芯片正常供电。电源PAD经大电流开关模块连接到芯片电源管理模块到核心电路，电源PAD另依次经等比例电流检测模块、判决模块和自启动模块连接到大电流开关模块，芯片电源管理模块与自启动模块相连接。大电流开关模块为PMOS的大电流开关管Mp1，大电流开关管Mp1的源极与电源PAD相连接，大电流开关管Mp1的漏极接芯片电源管理模块的输入。等比例电流检测模块包含有：一个小电流开关Mp2，采用PMOS管用来检测大电流的等比例；一个接成负反馈形式的运算放大器Amp，用来保证大电流开关管与小电流开关的漏极电位相同；一个用来调整反馈电压的PMOS晶体管Mp3。运算放大器Amp的正输入端接大电流开关管大电流开关管Mp1的漏极，运算放大器Amp的负输入端接小电流开关Mp2的漏极，运算放大器Amp的输出接晶体管Mp3的栅极，小电流开关Mp2的源极接电源PAD，晶体管Mp3的源极接回运算放大器Amp的负输入端，晶体管Mp3的漏极输出等比例输出电流到判决模块。

判决模块包括：一个电阻R1，与晶体管Mp3的漏极相接用来将等比例输出电流转化为电压；一个比较器Comp，正输入端与晶体管Mp3的漏极相接，负输入端接参考电压，用来判定输出电流是否超过设定阈值。自启动电路包括依次相连的：一个低电压到高电压的转化电路L2H，一个延时电路Delay，一个与门逻辑；与门逻辑的另一个输入端接判决模块中比较器Comp的输出，与门逻辑的输出接大电流开关管Mp1的栅极，用以控制大电流开关管Mp1的通断。

本发明正常工作时，等比例电流检测模块和判决模块控制大电流开关管Mp1完全导通，芯片处于正常工作状态；当芯片发生闩锁现象时，判决模块关闭大电流开关管Mp1，停止对整个芯片供电，进而使闩锁现象解除；当闩锁现象解除后，自启动模块重新打开大电流开关管Mp1，恢复对芯片的正常供电。。

本发明的等比例电流检测模块内部的电路结构利用了运算放大器Amp的“虚地”特性，使得大电流开关管Mp1和小电流开关Mp2的漏端电位相同，又由于大电流开关管Mp1和小电流开关Mp2的源极同时接在输入电源PAD上，使得当两个MOS管同时打开时，流过两个管子的电流是成比例的，完成了等比例电流检测功能。

本发明的判决模块中，比较器Comp的输出和启动电路的输出经过简单逻辑运算后控制大电流开关管Mp1的栅极。正常情况下，等比例电流检测模块的输出转化为电压后小于参考电压，比较器Comp输出为低电平，保证大电流开关管Mp1导通；当发生闩锁现象时，等比例电流检测模块的输出电流逐级变大，相应的电压也逐渐超过恒定的参考电压值，比较器Comp输出变为高电平，将大电流开关管Mp1关断，从而停止向芯片供电，这样便可以消除闩锁现象。

本发明的自启动模块中，转化电路L2H用来将芯片电源管理模块输出的低电压转化为PAD输入的电源电压，使用最简单的源极放大器实现。延时电路Delay用来对芯片电源管理模块的输出信号进行延时，保证最初启动和发生闩锁现象后，电路的判断正确且可靠，由反相器链实现。与门逻辑用来协调判决模块和自启动模块的优先级，给出最终大电流开关管Mp1的栅极控制信号。

本发明的工作情况可以根据芯片的工作状态分为四个阶段：

第一阶段：初始上电。初始上电时芯片内没有电源，芯片电源管理模块输出为低电平，自启动模块取得主动权，通过转化电路L2H、延时电路Delay以及与门逻辑，打开大电流开关管Mp1，使芯片进入正常工作状态。

第二阶段：正常工作。正常工作时，芯片电源管理模块有正确的输出电压，自启动模块交出控制权，等比例电流检测模块以及判决模块实时检测芯片的工作情况。

第三阶段：发生闩锁现象。发生闩锁现象后，等比例电流检测模块的输出逐级增加，相应的输出电压超过预设的参考电压，判决电路产生关闭大电流开关管Mp1的信号。切断整个芯片的供电通路，闩锁现象得以解除。

第四阶段：自动重启。自启动电路检测到芯片电源管理模块输出降至低电平后，经过延时电路Delay，取得大电流开关管Mp1的控制权，将大电流开关管Mp1开启，恢复芯片正常工作。

需要说明的是，本发明中的运算放大器Amp和比较器Comp可以根据实际情况采用各种结构。这样增加了电路的通用性，降低了设计成本。

Claims (3)

1.一种独立于电源模块的芯片级闩锁现象过流保护电路，其特征在于，它包括：

一个大电流开关模块，用以控制输入芯片的总电流；所述大电流开关模块为PMOS的大电流开关管（Mp1），大电流开关管（Mp1）的源极与电源PAD相连接，大电流开关管（Mp1）的漏极接芯片电源管理模块的输入；

一个等比例电流检测模块，用以按照设计的比例检测流入芯片电流的大小；所述等比例电流检测模块包含：

一个小电流开关（Mp2），采用PMOS管用来检测大电流的等比例；

一个接成负反馈形式的运算放大器（Amp），用来保证大电流开关管（Mp1）与小电流开关的漏极电位相同；

一个用来调整反馈电压的PMOS晶体管（Mp3）；

所述运算放大器（Amp）的正输入端接大电流开关管（Mp1）的漏极，运算放大器（Amp）的负输入端接小电流开关（Mp2）的漏极，运算放大器（Amp）的输出端接晶体管（Mp3）的栅极，小电流开关（Mp2）的源极接电源PAD，晶体管（Mp3）的源极接回运算放大器（Amp）的负输入端，晶体管（Mp3）的漏极输出等比例输出电流到判决模块；

一个判决模块，用以根据等比例电流检测模块送入电流大小控制大电流开关模块的通断；

一个自启动模块，用以在电路最开始上电以及闩锁现象解除后重新打开大电流开关模块，并为芯片正常供电；

电源PAD经大电流开关模块连接到芯片电源管理模块到核心电路，电源PAD另依次经等比例电流检测模块、判决模块和自启动模块连接到大电流开关模块，芯片电源管理模块与自启动模块相连接。

2.如权利要求1所述的独立于电源模块的芯片级闩锁现象过流保护电路，其特征在于，所述判决模块包括：

一个电阻(R1)，与晶体管（Mp3）的漏极相接用来将等比例输出电流转化为电压；

一个比较器（Comp），正输入端与晶体管（Mp3）的漏极相接，负输入端接参考电压，用来判定输出电流是否超过设定阈值。

3.如权利要求1或2所述的独立于电源模块的芯片级闩锁现象过流保护电路，其特征在于，所述自启动模块包括:依次相连的一个低电压到高电压的转化电路（L2H），一个延时电路（Delay），一个与门逻辑；与门逻辑的另一个输入端接判决模块中比较器（Comp）的输出，与门逻辑的输出接大电流开关管（Mp1）的栅极，用以控制大电流开关管（Mp1）的通断。