CN102832599B - 一种过流保护电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及功率集成电路设计技术。本发明针对现有技术过流保护电路容易受到功率管尖峰电流干扰，采集数据不可靠的缺点，公开了一种过流保护电路。本发明的过流保护电路主要包括电流采样电路、参考电压产生电路、电压比较器和逻辑控制单元，本发明将流过功率管的电流与设定的参考信号比较产生过流信息，经过延时后输出控制信号对功率管进行控制。由于电压比较器具有延时处理能力，可以避开尖峰电流的影响，提高过流采集数据的可靠性，避免产生误动作。本发明特别适合用于高压大电流电源管理芯片、DC-DC变换器等集成电路产品中。

Description

一种过流保护电路

技术领域

本发明涉及功率集成电路设计技术，尤其涉及一种宽输入范围高压集成过流保护电路。

背景技术

随着家电、便携电子设备的迅猛发展，使得电源管理芯片成为集成电路的大宗产品。该类芯片中内部集成或需要外部连接功率管，通常为横向双扩散金属氧化物半导体功率管，简称为LDMOS管。实际应用中LDMOS管通常需要直接和高压相连并通过大电流，因此如何保证芯片和LDMOS管的安全工作是芯片设计的重点之一。尤其是中大功率应用领域，如果电源管理芯片在过流的情况下缺乏保护，很容易造成电源的损坏甚至爆炸，这样轻则器件损坏烧毁芯片，重则危及人生安全。此外，过流保护还可以提高芯片的可靠性与稳定性。

在芯片设计中，过流保护通常是通过检测功率管的过流电流（超过设定值的电流），向逻辑控制单元输入触发信号，由逻辑控制单元控制功率管关断。一般采取如下两种方案：（一）在LDMOS管源极到地之间串联一个电阻，通过检测电阻上的压降来检测流过功率LDMOS管的电流；（二）通过检测电路监控LDMOS管的漏端电压来直接检测流过功率LDMOS管的电流。这两种方案都容易受到功率管开启瞬间尖峰电流的影响，容易产生误动作。前一种方案还有以下缺点：（1）由于工艺存在离散性，电阻值很难做到精确（误差在20%左右）；（2）源极串入电阻后，使原本导通电阻很大的LDMOS管的管压降进一步增大，功率处理能力变弱；（3）电阻上流过大电流，造成能量损耗，降低了开关电源系统的转换效率。第二种方案中不需要采样电阻，直接检测LDMOS管的漏极电压，但应用环境受到限制。如Buck（降压式DC-DC转换器）电路中，LDMOS管漏极电压随输入电压变化而变化，且可能为高压。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，就是针对现有技术的过流保护电路的缺点，提供一种过流保护电路，提高过流保护电路的性能。

本发明解决所述技术问题，采用的技术方案是，一种过流保护电路，包括电流采样电路、参考电压产生电路、电压比较器和逻辑控制单元，其中：

所述电流采样电路用于对流经功率管的电流进行采样，并将采样电流转换为采样电压输入电压比较器；

所述参考电压产生电路用于产生预设的参考电压，为电压比较器提供比较的基准电压；

所述电压比较器与逻辑控制单元连接，用于当逻辑控制单元输出的栅控制信号使功率管开启时，对所述采样电压和参考电压进行比较，经过延时处理后在采样电压大于参考电压时，向逻辑控制单元输出过流指示信号；

所述逻辑控制单元，用于产生启动电压比较器的启动信号，并根据过流指示信号输出控制功率管开关的栅控制信号，当栅控制信号控制功率管开启则电压比较器启动进入工作状态，当栅控制信号控制功率管关断则电压比较器关闭退出工作状态。

本发明的技术方案中，电压比较器具有延时处理能力，可以避开尖峰电流的影响，提高过流采集数据的可靠性，避免产生误动作。

具体的，所述功率管与过流保护电路集成在同一芯片中。

这种方案是适合单片电源管理芯片的一种方案，过流保护电路与功率管集成在同一芯片中，电路参数兼容性指标容易得到满足，电路性能更有保障。

进一步的，所述电流采样电路通过采集所述功率管的镜像电流得到采样电压。

本方案的电流采样电路可以通过一个小功率管镜像主功率管电流再串联一个小电阻来实现。

或者，所述过流保护电路为单片集成电路，所述功率管为外置器件，通过外部线路与所述过流保护电路和逻辑控制单元连接。

这种结构形式可以采用功率更大的功率管或组合功率管，有利于提高电源系统的功率。分离配置的功率管也更方便散热。

进一步的，所述电压比较器包括第一比较器、第二比较器和延时电路，其中：

所述第一比较器用于当逻辑控制单元输出的信号开启功率管时，对所述采样电压和参考电压进行比较，得到第一级指示信号；

所述第二比较器根据延时电路输出的延时信号，对第一级指示信号进行处理，输出过流指示信号；

所述延时电路用于功率管开启时，延时第二比较器的工作，避免功率管开启瞬间的尖峰电流对过流保护电路的影响。

电压比较器采用两级结构的方案，第一比较器实时检测功率管电流，第二比较器经过一定延时后才对检测数据进行处理，既能够保证电流检测的实时性，又能够避免功率管导通瞬间尖峰电流的干扰。

具体的，所述过流指示信号为数字信号。

采用数字信号输出，可以提高信号的抗干扰能力，也便于与逻辑控制单元兼容。

本发明的有益效果是，通过直接对功率管电流进行检测，在宽电压输入、高压应用中，能快速、直接检测功率管电流以实现过流保护，避免了在功率管开启瞬间尖峰电流导致过流保护电路误触发，提高过流保护电路的可靠性。

附图说明

图1是本发明的过流保护电路结构示意图；

图2是电压比较器电路框图；

图3是电压比较器电路结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例，详细描述本发明的技术方案。

本发明的过流保护电路结构如图1所示，包括电流采样电路、参考电压产生电路、电压比较器和逻辑控制单元。图1中：

电流采样电路用于对流经功率管的电流进行采样，并将采样电流Is转换为采样电压Vs输入电压比较器。

参考电压产生电路用于产生参考电压Vr，为电压比较器提供比较的基准电压；

电压比较器与逻辑控制单元连接，当逻辑控制单元输出的栅控制信号Vg使功率管开启时，对采样电压Vs和参考电压Vr进行比较，比较结果经过延时处理后在采样电压Vs大于参考电压Vr时，向逻辑控制单元输出过流指示信号Vo。电压比较器具有延时处理能力，可以避开尖峰电流的影响，提高过流采集数据的可靠性，避免产生误动作。

逻辑控制单元，根据过流指示信号Vo，输出控制功率管开关的栅控制信号Vg和启动电压比较器的启动信号Vc，当栅控制信号Vg控制功率管开启则电压比较器启动进入工作状态，当栅控制信号Vg控制功率管关断则电压比较器关闭退出工作状态。

本发明中，当采用功率管与过流保护电路集成在同一芯片的集成电路结构时，电流采样电路可以采用集成电路工艺，用小功率管镜像功率管电流并串联一个小电阻，通过采集功率管的镜像电流Is得到采样电压Vs。如果将过流保护电路做成单片集成电路，则功率管可以采用外置器件，通过外部线路与过流保护电路和逻辑控制单元连接。这种结构形式可以采用功率更大的功率管或组合功率管，有利于提高电源系统的功率。

本发明优选的电压比较器结构如图2所示，包括第一比较器、第二比较器和延时电路三部分构成。

第一比较器的作用是当逻辑控制单元输出的信号开启功率管时，第一比较器对采样电压Vs和参考电压Vr进行比较，得到第一级指示信号V1。

第二比较器根据延时电路输出的延时信号Vd，对第一级指示信号V1进行处理，输出过流指示信号Vo；

本发明的延时电路作用是当功率管开启时，延时第二比较器的工作，这是即使第一比较器输出的第一级指示信号V1包涵了功率管过流信息，由于第二比较器还没有收到延时信号Vd，并不会对第一级指示信号V1进行处理，因而没有过流指示信号Vo输出，这就避免了功率管开启瞬间的尖峰电流对过流保护电路的影响，提高了电路的抗干扰能力。这里第二比较器采用数字处理技术对第一级指示信号V1进行处理，其输出的过流指示信号为数字信号，具有较强的抗干扰能力，并与逻辑控制单元具有很高的兼容性。

图2中，逻辑控制单元输出的启动信号Vc直接控制第一比较器和延时电路工作，第一比较器的输出信号V1和延时电路的输出信号Vd控制第二比较器的工作。当启动信号Vc为高电平时，电压比较器开始工作。首先第一比较器对电流采样电路输出的采样电压Vs和参考电压产生电路输出的参考电压值Vr进行比较，得到第一级指示信号V1，同时启动信号Vc经过延时电路延迟一定时间后，输出延时信号Vd到第二比较器，第二比较器对第一级指示信号V1进行处理，得到过流指示信号Vo。当启动信号Vc为低电平时，电压比较器停止工作，输出过流指示信号Vo为低电平，代表流过功率管的电流没有过流。

本例电压比较器具体电路图如图3所示，其连接方式为：高压电阻R1一端接Vin信号，另一端接采样电流Is信号及三极管Q1的基极，高压电阻R2一端接Vin，另一端接参考电流Ir信号及三极管Q2的基极。三极管Q1、Q2的集电极连接Vin信号，三极管Q1的发射极接PMOS三极管M1的源极，Q2的发射极接高压PMOS三极管M2的源极。M1的栅极和漏极短接并且和M2的栅及NMOS三极管M3的漏极相连，M2的漏极与NMOS三极管M4的漏极相连。M3、M4的栅极连接电源Vdd，M3的源极与稳压二极管D2阴极和NMOS三极管M5的漏极相连，M4的源极与稳压二极管D1阴极、NMOS三极管M6的漏极、NMOS三极管M11的栅极相连；M5、M6的栅极与NMOS三极管M7的栅极相连，D1阳极、D2阳极、M5、M6、M7的源极接地GND。M7的栅极和漏极短接且与PMOS三极管M8的漏极相连；M8、PMOS三极管M9、PMOS三极管M12、PMOS三极管M14、PMOS三极管M15的源极与电源Vdd相连，M9的栅极和漏极短接且与M8、M12、M14的栅极以及NMOS三极管M10的漏极相连，M10的栅极与延时电路输入端和启动信号Vc相连，M10的源与基准电流Io串联后连接至地GND。PMOS三极管M15的栅极和延时电路的输出相连，NMOS三极管M11、NMOS三极管M13、M15的源极接地，M11、M12、M15的漏极与M13、M14的栅相连，M13、M14的漏极输出过流指示信号Vo。图中M3-14，D1、D2均为低压5V器件。

比较器的静态工作点分析：

Vs＝Vr    (1-1)

Vs＝Vin-Is×R1    (1-2)

Vr=Vin-Ir×R2    (1-3)

将式(1-2)、(1-3)代入(1-1)得：

Is×R1=Ir×R2    (1-4)

即：

$\mathrm{Is}=\mathrm{Ir}\frac{R2}{R1}---(1-5)$

由式(1-5)可以看出过流点由R2，R1的比值和Ir的值决定。

本例电压比较器的工作原理如下：

当逻辑控制单元输出的启动信号Vc为高时，电压比较器开始工作，电流基准Io为电压比较器提供偏置电流，M8镜像M9的电流，M7为M5、M6提供偏置，当采样电流Is小于参考电流Ir（即不过流）时，由式（1-2）和式（1-3）可知，Q1的基极电压Vs大于Q2的基极电压Vr，通过Q1和Q2组成的“射极跟随器”，M1的源极电压大于M2的源极电压，由于M1和M2栅极电压相同，所以流过M1的电流I1小于流过M2的电流I2，由于M5、M6的栅极电压相同，M6的漏极电压将被“拉低”而进入线性区，此时输入电压Vin（高压）由M2承担，第一比较器输出第一级指示信号V1为低电平。经过延时电路产生一定时间延迟后，第二比较器开始工作，第一级指示信号V1经过M11-14组成的反相器两次反相后，第二比较器输出过流指示信号Vo为低电平，代表流过功率管的电流不过流。当采样电流Is大于参考电流Ir（过流）时，Q1的基极电压Vs小于Q2的基极电压VR，通过Q1和Q2组成的“射极跟随器”，M1的源极电压大于M2的源极电压，由于M1和M2栅极电压相同，所以流过M1的电流I1大于流过M2的电流I2，由于M5、M6的栅极电压相同，M6的漏极电压将升高，M4进入线性区，此时输入的电压Vin仍由M2承担，第一比较器输出的第一级指示信号V1为高电平。经过延时电路产生一定时间延迟后，第二比较器开始工作，第一级指示信号V1经过M11-14组成的反相器两次反相后，输出过流指示信号Vo为高电平，代表流过功率管的电流过流。

当逻辑控制单元输出的启动信号Vc为低时，M10关断，电压比较器停止工作，同时M15开启，输出过流指示信号Vo为低电平，代表流过功率管的电流不过流。

Claims (5)

1.一种过流保护电路，包括电流采样电路、参考电压产生电路、电压比较器和逻辑控制单元，其中：

所述电流采样电路用于对流经功率管的电流进行采样，并将采样电流转换为采样电压输入电压比较器；

所述参考电压产生电路用于产生预设的参考电压，为电压比较器提供比较的基准电压；

所述电压比较器与逻辑控制单元连接，用于当逻辑控制单元输出的栅控制信号使功率管开启时，对所述采样电压和参考电压进行比较，经过延时处理后在采样电压大于参考电压时，向逻辑控制单元输出过流指示信号；

所述电压比较器包括第一比较器、第二比较器和延时电路，其中：

所述第一比较器用于当逻辑控制单元输出的信号开启功率管时，对所述采样电压和参考电压进行比较，得到第一级指示信号；

所述第二比较器根据延时电路输出的延时信号，对第一级指示信号进行处理，输出过流指示信号；

所述延时电路用于功率管开启时，延时第二比较器的工作，避免功率管开启瞬间的尖峰电流对过流保护电路的影响；

所述逻辑控制单元，用于产生启动电压比较器的启动信号，并根据过流指示信号输出控制功率管开关的栅控制信号，当栅控制信号控制功率管开启则电压比较器启动进入工作状态，当栅控制信号控制功率管关断则电压比较器关闭退出工作状态。

2.根据权利要求1所述的一种过流保护电路，其特征在于，所述功率管与过流保护电路集成在同一芯片中。

3.根据权利要求2所述的一种过流保护电路，其特征在于，所述电流采样电路通过采集所述功率管的镜像电流得到采样电压。

4.根据权利要求1所述的一种过流保护电路，其特征在于，所述过流保护电路为单片集成电路，所述功率管为外置器件，通过外部线路与所述过流保护电路和逻辑控制单元连接。

5.根据权利要求1所述的一种过流保护电路，其特征在于，所述过流指示信号为数字信号。