CN103487658A - 高端电压自举n型开关导通电阻的检测电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高端电压自举N型开关导通电阻的检测电路，包括：高端电压自举N型开关管；前级驱动器件，其输出端与所述高端自举N型开关管的栅极相连；自举电源电容，其两端分别与所述前级驱动器件的两个供电端相连，其两端具有自举电源电压；驱动电源电压采样单元，用于将所述自举电源电容两端的自举电源电压采样为对地的自举电源电压；导通电阻复制单元，用于使用所述对地的自举电源电压测量所述高端电压自举N型开关管的导通电阻。本发明能够反映前级驱动的电源电压的变化，有利于提高检测的准确度。

Description

高端电压自举N型开关导通电阻的检测电路

技术领域

本发明涉及一种高端电压自举N型开关导通电阻的检测电路。

背景技术

在集成电路设计领域中，经常需要对使用的高端电压自举N型开关的导通电阻进行采样，比如用于产生高端电压自举N型开关的过流保护参考电压。以DC-DC电源拓扑为例，高端电压自举N型开关的具体应用如图1所示，主要包括：高端电压自举N型开关101、开关管102、前级驱动106、电源并联电容Cbs、输入电容Cin、前级驱动107、电感L、输出电容Cout、输出电阻Rout。因为高端电压自举N型开关101的源端为开关管102的输出节点SW，而输出节点SW的电压在开关管102关断时的电压接近输入电压VIN，输出节点SW的电压在开关管102开启时的电压接近0V电压，这样直接检测高端电压自举N型开关101的开启阻抗（或者导通电阻）将变得非常困难。

另外开关管102的前级驱动106的电源并联电容Cbs两端的电压会随着开关管102和高端电压自举N型开关101的工作占空比的不同而有变化，而前级驱动106的电源电压变化会引起输出至高端电压自举N型开关101栅极的电压Drvh的变化，从而导致高端电压自举N型开关101的导通阻抗的变化，因此，如果要精确采样高端电压自举N型开关101的导通电阻，则需要考虑电源电容Cbs两端的电压变化。

现有技术中有一种通过间接的方法采样高端电压自举N型开关的导通电阻的方法，具体是直接使用一个和高端电压自举N型开关相匹配的开关管，此匹配开关管的源极直接接地，此匹配开关管的栅极加固定电压来开启该匹配开关管。该方法存在的主要缺点是得到的开关导通电阻并没有能够反映高端电压自举N型开关管的前级驱动的电源电压的变化。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种高端电压自举N型开关导通电阻的检测电路，能够反映前级驱动的电源电压的变化，有利于提高检测的准确度。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种高端电压自举N型开关导通电阻的检测电路，包括：

高端电压自举N型开关管；

前级驱动器件，其输出端与所述高端自举N型开关管的栅极相连；

自举电源电容，其两端分别与所述前级驱动器件的两个供电端相连，其两端具有自举电源电压；

驱动电源电压采样单元，用于将所述自举电源电容两端的自举电源电压采样为对地的自举电源电压；

导通电阻复制单元，用于使用所述对地的自举电源电压测量所述高端电压自举N型开关管的导通电阻。

可选地，所述驱动电源电压采样单元包括：

电压电流转换单元，接收所述自举电源电压并将其转换为检测电流；

电流电压转换单元，将所述检测电流转换为所述对地的自举电源电压。

可选地，所述电压电流转换单元包括：

第一PMOS晶体管，其源极与所述自举电源电容的第一端相连，其栅极与其漏极相连；

第一电阻，其第一端连接所述第一PMOS晶体管的漏极，其第二端连接所述自举电源电容的第二端；

第二PMOS晶体管，其源极与所述自举电源电容的第一端相连，其栅极与所述第一PMOS晶体管的栅极相连，其漏极输出所述检测电流，所述第二PMOS晶体管与第一PMOS晶体管的尺寸相同。

可选地，所述电压电流转换单元还包括：

高压PMOS晶体管，其源极连接所述第二PMOS晶体管的漏极，其栅极连接所述自举电源电容的第二端，所述检测电流经由所述高压PMOS晶体管的漏极输出。

可选地，所述电流电压转换单元包括：

第三PMOS晶体管，其源极接收所述检测电流，其栅极连接其漏极，所述第三PMOS晶体管和第一PMOS晶体管在导通时的栅源电压相同；

第二电阻，其第一端连接所述第三PMOS晶体管的漏极，其第二端接地，所述第二电阻与所述第一电阻的电阻值相同。

可选地，所述导通电阻复制单元包括：

与所述高端电压自举N型开关管相匹配的匹配开关管，其栅极接收所述对地的自举电源电压，源极接地，漏极接收检测电流。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明实施例的高端电压自举N型开关导通电阻的检测电路中，将自举电源电容两端的自举电源电压采样为对地的自举电源电压，之后将该对地的自举电源电压施加至匹配开关管的栅极，该匹配开关管具有与高端电压自举N型开关相匹配的导通电阻值，因此通过测量匹配开关管的导通电阻即可获得该高端电压自举N型开关的导通电阻，由于该检测方式反映了前级驱动器件的电源电压的变化，因而具有更高的准确度。

附图说明

图1是现有技术中一种DC-DC电源的电路结构图；

图2是本发明实施例的高端电压自举N型开关导通电阻的检测电路的电路结构图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

本实施例的高端电压自举N型开关导通电阻的检测电路如图2所示，主要包括：高端电压自举N型开关管301、前级驱动器件306、自举电源电容Cbs、驱动电源电压采样单元401、导通电阻复制单元402。

其中，前级驱动器件306的输出端与高端电压自举N型开关管301的栅极相连，前级驱动器件306的两个供电端分别与自举电源电容Cbs的上下极板相连。作为非限制性的例子，前级驱动器件306可以是非门、与非门等逻辑器件。

高端电压自举N型开关管301的栅极连接前级驱动器件306的输出端，也即由前级驱动器件306驱动；高端电压自举N型开关管301的漏极接收外部的输入电压VIN，源极连接自举电源电容Cbs的下极板。

自举电源电容Cbs的第一端和第二端（即上、下极板）分别连接至自举电源的高电位节点BS和低电位节点SW，其两端具有自举电源电压。该自举电源电压是相对于低电位节点SW（即自举电源电容Cbs的下极板、高端电压自举N型开关管301的源极）的，而非对地的电压。

驱动电源电压采样单元401用于将自举电源电容Cbs两端的自举电源电压采样为对地的自举电源电压Vgl，即保持其电压值不变，但是将其转化为对地的电压值。

导通电阻复制单元402用于根据驱动电源电压采样单元401产生的对地的自举电源电压来测量高端电压自举N型开关管301的导通电阻。

具体地，驱动电源电压采样单元401包括：电压电流转换单元，接收自举电源电容Cbs两端的自举电源电压并将其转换为检测电流；电流电压转换单元，将该检测电流转换为对地的自举电源电压。

本实施例中，电压电流转换单元包括：第一PMOS晶体管201，其源极与自举电源电容Cbs的第一端相连，其栅极与自身的漏极相连；第一电阻R1，其第一端连接第一PMOS晶体管201的漏极，其第二端连接自举电源电容Cbs的第二端（即低电位节点SW）；第二PMOS晶体管203，其源极与自举电源电容Cbs的第一端相连，其栅极与第一PMOS晶体管201的栅极相连，其漏极输出上述检测电流。

作为一个优选的实施例，电压电流转换单元中还包括：高压PMOS晶体管204，其源极连接第二PMOS晶体管203的漏极，其栅极连接自举电源电容的第二端（即低电位节点SW），上述检测电流经由该高压PMOS晶体管204的漏极输出。高压PMOS晶体管204用于保护第二PMOS晶体管203，避免第二PMOS晶体管203的源漏之间出现高压。

流过第一PMOS晶体管201和第一电阻R1的电流为：

I_R1=(V_Cbs-V_{GS_mp1})/R1

其中，V_Cbs为自举电源电容Cbs两端的自举电源电压，V_{GS_mp1}为第一PMOS晶体管201在导通时的栅源电压（即导通时的栅极和源极之间的电压降），R1为第一电阻R1的电阻值。

第二PMOS晶体管203和第一PMOS晶体管201的尺寸（例如宽长比等参数）相同，二者形成1∶1的电流镜，因而流过第二PMOS晶体管203的电流等于流过第一PMOS晶体管201的电流I_R1。

本实施例中，电流电压转换单元包括：第三PMOS晶体管205，其源极接收上述检测电流，其栅极连接自身的漏极，第三PMOS晶体管205和第一PMOS晶体管201在导通时的栅源电压相同；第二电阻R2，其第一端连接第三PMOS晶体管205的漏极，其第二端接地，第二电阻R2与第一电阻R1的电阻值相同。其中，电流电压转换单元输出的对地的自举电源电压Vgl由第三PMOS晶体管205的漏极输出。

对地的自举电源电压Vgl为：

Vgl=I_R1×R2+V_{GS_mp3}

其中，V_{GS_mp3}为第三PMOS晶体管205在导通时的栅源电压，R2为第二电阻R2的电阻值，将I_R1的表达式代入上式得到：

$\mathrm{Vgl}=\frac{(V_{\mathrm{Cbs}}-V_{\mathrm{GS}\_\mathrm{mpl}})}{R1}\×R2+V_{\mathrm{GS}\_\mathrm{mp}3}$

由于第二电阻R2的电阻值与第一电阻R1的电阻值相等，第一PMOS晶体管201与第三PMOS晶体管205在导通时的栅源电压相等，因而上式可以简化为：

Vgl=V_Cbs

从而将自举电源电容Cbs两端的自举电源电压转化为对地的自举电源电压Vgl，之后将该地的自举电源电压Vgl传输至导通电阻复制单元402进行导通电阻的测量。

本实施例中，电阻复制单元402包括与高端电压自举N型开关管301相匹配的匹配开关管207，其栅极接收对地的自举电源电压Vgl，源极接地GNDA，漏极接收检测电流Itr，这样便可以在匹配开关管207的漏极检测得到检测电压Vtr。其中，检测电流Itr可以由电流源208提供，其一端连接电源VDDA，另一端连接匹配开关管207的漏极。其中，匹配开关管207与高端电压自举N型开关管301相匹配指的是二者对应的物理、电学参数相匹配，其中相匹配指的是相等或者成比例。另外需要说明的是，本实施例中相同或相等指的是二者在误差允许范围内相同或相等，并非将其限定为严格的相同或相等。

通过以下表达式：

$R_{\mathrm{mnh}2}=\frac{\mathrm{Vtr}}{\mathrm{Itr}},$

便可以计算匹配开关管207的导通电阻，再根据开关管207和开关管301的匹配比例，从而得到高端电压自举N型开关管301的导通电阻。

此方法得到的高端电压自举N型开关管301的导通电阻能够反映前级驱动电源电压的变化，因此能够更加准确地检测高端电压自举N型开关管301的导通电阻。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims (6)

1.一种高端电压自举N型开关导通电阻的检测电路，其特征在于，包括：

高端电压自举N型开关管；

前级驱动器件，其输出端与所述高端自举N型开关管的栅极相连；

自举电源电容，其两端分别与所述前级驱动器件的两个供电端相连，其两端具有自举电源电压；

驱动电源电压采样单元，用于将所述自举电源电容两端的自举电源电压采样为对地的自举电源电压；

导通电阻复制单元，用于使用所述对地的自举电源电压测量所述高端电压自举N型开关管的导通电阻。

2.根据权利要求1所述的高端电压自举N型开关导通电阻的检测电路，其特征在于，所述驱动电源电压采样单元包括：

电压电流转换单元，接收所述自举电源电压并将其转换为检测电流；

电流电压转换单元，将所述检测电流转换为所述对地的自举电源电压。

3.根据权利要求2所述的高端电压自举N型开关导通电阻的检测电路，其特征在于，所述电压电流转换单元包括：

第一PMOS晶体管，其源极与所述自举电源电容的第一端相连，其栅极与其漏极相连；

第一电阻，其第一端连接所述第一PMOS晶体管的漏极，其第二端连接所述自举电源电容的第二端；

第二PMOS晶体管，其源极与所述自举电源电容的第一端相连，其栅极与所述第一PMOS晶体管的栅极相连，其漏极输出所述检测电流，所述第二PMOS晶体管与第一PMOS晶体管的尺寸相同。

4.根据权利要求3所述的高端电压自举N型开关导通电阻的检测电路，其特征在于，所述电压电流转换单元还包括：

高压PMOS晶体管，其源极连接所述第二PMOS晶体管的漏极，其栅极连接所述自举电源电容的第二端，所述检测电流经由所述高压PMOS晶体管的漏极输出。

5.根据权利要求3所述的高端电压自举N型开关导通电阻的检测电路，其特征在于，所述电流电压转换单元包括：

第三PMOS晶体管，其源极接收所述检测电流，其栅极连接其漏极，所述第三PMOS晶体管和第一PMOS晶体管在导通时的栅源电压相同；

第二电阻，其第一端连接所述第三PMOS晶体管的漏极，其第二端接地，所述第二电阻与所述第一电阻的电阻值相同。

6.根据权利要求1所述的高端电压自举N型开关导通电阻的检测电路，其特征在于，所述导通电阻复制单元包括：

与所述高端电压自举N型开关管相匹配的匹配开关管，其栅极接收所述对地的自举电源电压，源极接地，漏极接收检测电流。

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