CN105548672B - 功率开关的过流检测电路 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示了一种功率开关的过流检测电路，包括采样电路单元、除法电路单元和输出信号处理单元；所述采样电路单元采集功率开关漏极的电压，将其转换为采样电流；所述除法电路单元获取参考电流，并对参考电流进行预设的除法处理，得到修正后的基准电流；所述输出信号处理单元将所述采样电流和基准电流进行比较，并根据比较结果输出控制所述功率开关的开和关控制信号。本发明通过对参考电流的除法修正后，过流检测点与功率开关的MOS管工艺无关，与VDD电压源无关，可以对功率开关实现高精度过流检测。
Description
技术领域
本发明涉及到过流检测电路领域，特别是涉及到一种功率开关的过流检测电路。
背景技术
开关放大器、开关电源，电荷泵、电子烟等利用功率MOS管开关的导通和关断来实现信号和能量的高效率转换。这种功率MOS管开关在导通时通常有较大的电流流过，如果电流超过了该功率MOS管开关的承受极限，该功率MOS管开关可能会发生永久性损坏。因此，为了保证器件的可靠性，必须对流过功率MOS管开关的电流进行连续检测，并且能够在电流过大时对功率MOS管开关进行保护。
现有技术的过流检测电路一般如图1所示，PMOS功率管开关1和采样PMOS管2的栅端9和漏端8各自相连，采样PMOS管2的源端5通过一个电阻值为RS1的采样电阻3连接到电源VDD，功率PMOS管开关1的源端直接连接到电源VDD。功率PMOS管开关1和采样MOS管2的尺寸比例为N：1。采样PMOS管2和采样电阻3的公共端5连接一个比较器6的负向输入端，一个参考电压VREF1加到比较器6的正向输入端。当流过功率PMOS管开关1的电流较小时，流过采样MOS管2的电流也较小，比较器6负向输入端电压VS1高于正向输入端的电压VREF1,因此比较器6输出低点平。当流过功率PMOS管开关1的电流较高时，流过采样PMOS管2的电流也较高，导致VS1下降；当比较器6负向输入端的电压VS1低于正向输入端的电压VREF1时，比较器6输出高电平，表示功率PMOS管开关发生过流。这种实现方法的缺点是，由于存在采样电阻3，使功率PMOS管开关1和采样PMOS管2的源端电压不一致，导致流过采样PMOS管2的电流与流过功率PMOS开关1的电流不成线性关系，因此他不是正真的等比例采样电流；采样的实际上是功率PMOS开关1漏端8上的电压，并把这个电压与参考电压VREF1比较，通过MOS管线性区电流公式估算出流出功率PMOS管开关1的电流。这样带来的问题是，MOS管的工艺偏差、以及VDD电源的变化带来的MOS管线性区电流公式的精确性都会对流过功率PMOS管开关的电流检测带来相当大的误差。如果将过流检测点设定的过低，则会导致在较大负载时的过早保护；如果将过流检测点设定的过高，又会导致保护失效，致使器件损坏。因此，可靠的功率MOS管开关过流保护装置需要具备更高精度、更高可控性的过流检测方法。
发明内容
本发明的主要目的为提供一种提高检测精度的功率开关的过流检测电路。
为了实现上述发明目的，本发明提出一种功率开关的过流检测电路，包括采样电路单元、除法电路单元和输出信号处理单元；
所述采样电路单元采集功率开关漏极的电压，将其转换为采样电流；
所述除法电路单元获取参考电流，并对参考电流进行预设的除法处理，得到修正后的基准电流；
所述输出信号处理单元将所述采样电流和基准电流进行比较，并根据比较结果输出控制所述功率开关的开和关的控制信号。
进一步地，所述采样电路单元包括第一PMOS管和第二PMOS管，
所述第一PMOS管的源端连接VDD电压源，栅端与第二PMOS管的栅端连接，漏端连接所述除法电路单元；
所述第二PMOS管的源端连接功率开关的漏端，栅端和漏端短接后连接所述除法电路单元。
进一步地，所述除法电路单元包括除法电路模块，该除法电路模块包括第一除法电路和第二除法电路，第一除法电路与第二除法电路结构相同，第一除法电路的一端连接所述VDD电压源，另一端连接所述第二除法电路；
所述第一除法电路包括第三PMOS管、第四PMOS管、第一NMOS管、第二NMOS管、第一电阻、电流输入器、电流输出器和运放器；
所述电流输入器的一端连接所述第三PMOS管的漏端，另一端接地；
所述第三PMOS管的栅端接地，源端接所述VDD电压源，漏端接入运放器的正输入端；
所述第四PMOS管的栅端连接所述运放器的输出端，源端接入运放器的负输入端，漏极分别连接所述第一NMOS管的栅端和漏端；
所述第一电阻的一端连接所述VDD电压源，另一端与所述第四PMOS管的源端相连；
所述第一NMOS管的源端接地，栅端与第二NMOS管的栅端相连；
所述第二NMOS管的源端接地，漏端与所述电流输出器的一端连接，电流输出器的另一端连接所述第二除法电路的第三PMOS管的漏极；
所述第二除法电路的电源输出器输出所述基准电流。
进一步地，所述第一除法电路的计算公式为第二除法电路的计算公式为/>其中，I1为参考电流，I2为第一除法处理后的电流，I3为所述基准电流，K1和K2为对应的MOS管连接的电阻、空穴迁移率、单位面积的栅氧化层电容以及宽长比的乘积，VDD为所述VDD电压源的输入电压，VTHP为PMOS管的阈值电压。
进一步地，所述除法电路单元还包括镜像电路，该镜像电路包括第三NMOS管、第四NMOS管和第五NMOS管，
所述第三NMOS管的栅端和漏端短接并与所述除法电路连接，源端接地；所述第四NMOS管的漏端与所述第三PMOS管的漏端短接后连接所述输出信号处理单元，源端接地；所述第五NMOS管的漏端与所述第四PMOS管的漏端短接，源端接地；
所述第三NMOS管的栅端、第四NMOS管的栅端和第五NMOS管的栅端相互短接。
进一步地，所述输出信号处理单元包括施密特触发器和反相器，
所述施密特触发器的输入端与所述第一PMOS管以及第四NMOS管的漏极连接，输出端与所述反相器的输入端连接，反相器的输出端输出所述控制信号。
进一步地，所述输出信号处理单元还包括第二电阻、第三电阻和比较器；
所述第二电阻的一端与所述第一PMOS管的漏极连接，另一端连接比较器的第一输入端；
所述第三电阻的一端与第四NMOS管的漏极连接，另一端连接所述比较器的第二输入端；
所述比较器的输出端连接所述施密特触发器的输入端。
本发明通过对参考电流的除法修正后，可以对功率开关实现高精度过流检测，过流检测点与功率开关的MOS管工艺无关，与VDD电压源无关，可以对功率开关实现高精度过流检测。
附图说明
图1为现有技术的功率开关的过流检测电路的电路图；
图2为本发明一实施例的功率开关的过流检测电路的电路图；
图3为本发明一实施例的除法电路的电路图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参照图2和图3，本发明实施例中提供一种功率开关的过流检测电路，包括采样电路单元100、除法电路单元200和输出信号处理单元300；上述采样电路单元100采集功率开关10漏极的电压，将其转换为采样电流；上述除法电路单元200获取参考电流，并对参考电流进行预设的除法处理，得到修正后的基准电流；上述输出信号处理单元300将所述采样电流和基准电流进行比较，并根据比较结果输出控制所述功率开关10的开和关的控制信号。
本实施例中，上述采样电路单元100包括第一PMOS管11和第二PMOS管12；所述第一PMOS管11的源端连接VDD电压源，栅端与第二PMOS管12的栅端连接，漏端连接所述除法电路单元200；所述第二PMOS管12的源端连接功率开关10的漏端，栅端和漏端短接后连接所述除法电路单元200。
本实施例中，上述除法电路单元200包括除法电路模块201，该除法电路模块201包括第一除法电路和第二除法电路，第一除法电路与第二除法电路结构相同，第一除法电路的一端连接所述VDD电压源，另一端连接所述第二除法电路；所述第一除法电路包括第三PMOS管23、第四PMOS管27、第一NMOS管28、第二NMOS管29、第一电阻26、电流输入器24、电流输出器30和运放器25；所述电流输入器24的一端连接所述第三PMOS管23的漏端，另一端接地；所述第三PMOS管23的栅端接地，源端接所述VDD电压源，漏端接入运放器25的正输入端；所述第四PMOS管27的栅端连接所述运放器25的输出端，源端接入运放器25的负输入端，漏极分别连接所述第一NMOS管28的栅端和漏端；所述第一电阻26的一端连接所述VDD电压源，另一端与所述第四PMOS管27的源端相连；所述第一NMOS管28的源端接地，栅端与第二NMOS管29的栅端相连；所述第二NMOS管29的源端接地，漏端与所述电流输出器30的一端连接，电流输出器30的另一端连接所述第二除法电路的第三PMOS管23的漏极；所述第二除法电路的电源输出器输出所述基准电流。
本发明实施例中，上述第一除法电路的计算公式为第二除法电路的计算公式为/>其中，I1为参考电流，I2为第一除法处理后的电流，I3为所述基准电流，K1和K2为对应的MOS管连接的电阻、空穴迁移率、单位面积的栅氧化层电容以及宽长比的乘积，VDD为所述VDD电压源的输入电压，VTHP为PMOS管的阈值电压。上述参考电流经过两次除法后，可以对功率开关10实现高精度过流检测，过流检测点与功率开关10的MOS管工艺无关，与VDD电压源无关。
本实施例中，上述除法电路单元200还包括镜像电路202，该镜像电路202包括第三NMOS管13、第四NMOS管14和第五NMOS管15，所述第三NMOS管13的栅端和漏端短接并与所述除法电路连接，源端接地；所述第四NMOS管14的漏端与所述第三PMOS管23的漏端短接后连接所述输出信号处理单元300，源端接地；所述第五NMOS管15的漏端与所述第四PMOS管27的漏端短接，源端接地；所述第三NMOS管13的栅端、第四NMOS管14的栅端和第五NMOS管15的栅端相互短接。
本实施例中，上述输出信号处理单元300包括施密特触发器17和反相器18，所述施密特触发器17的输入端与所述第一PMOS管11以及第四NMOS管14的漏极连接，输出端与所述反相器18的输入端连接，反相器18的输出端输出所述控制信号。
本实施例中，上述输出信号处理单元300还包括第二电阻、第三电阻和比较器；所述第二电阻的一端与所述第一PMOS管11的漏极连接，另一端连接比较器的第一输入端；所述第三电阻的一端与第四NMOS管14的漏极连接，另一端连接所述比较器的第二输入端；所述比较器的输出端连接所述施密特触发器17的输入端。可以将电流比较转换成电压信号后再进行比较，方便比较，增加比较的准确性。
具体的电流检测过程由以下推导得出：
如图2所示，第三NMOS关13的电流为IN13,即为电流除法单元的输出电流,第四NMOS关14的电流IN14＝N*IN13，第五NMOS关15的电流为IN15＝IN13，第二PMOS关12的电流即等于第五NMOS关15的电流，表达式为：
式(1)
式(1)中的μp为空穴迁移率，cox为单位面积的栅氧化层电容，为第二PMOS关12的宽长比，VTHP为PMOS管的阈值电压。
第一PMOS关11的电流为：
式(2)
过流检测时又有关系式：IP11＝IN14＝N*IN13＝N*IP12 式(3)
功率开关10的电流为： 式(4)
联合式(1)(2)(3)，可以得到进一步可以得到：
式(5)
从式(5)中可得出VVDD-VOUT正比于若IN13为固定电流，则过流时VVDD-VOUT亦为一固定值，但式(4)中还有一项VVDD-VTHP受MOS管阈值电压以及电源电压VDD影响，为实现精度更高，更可控的过流检测，需要进一步优化电路，电流除法单元即为实现这个目的。
如图3所示：
VC＝VB＝Iin1*RP23， 式(6)
两个级联输出后，即Iout1作为下一级第二电流除法电路的输入Iin2,其他部分不做改动，即可得到：
式(7)
联合式(5)，令
同时设定Iin1为一恒定电流，则可以得到
式(8)
将式(4)，得到：
式(9)
至此，由式(9)得出，发生过流时功率开关10电流IP10正比于如此以来就得到了高精度，高可靠性的功率开关10过流检测及保护。
本实施例的功率开关的过流检测电路，用级联的两个电流除法电路，以及采样功率开关管漏端电压后进行电流比较，从而实现过流检测的高精度，检测过流之后控制功率开关管的开关状态来限制功率开关管的电流，由此可实现对功率开关管的过流保护。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (5)
1.一种功率开关的过流检测电路，其特征在于，包括采样电路单元、除法电路单元和输出信号处理单元；
所述采样电路单元采集功率开关漏极的电压，将其转换为采样电流；
所述除法电路单元获取参考电流，并对参考电流进行预设的除法处理，得到修正后的基准电流；
所述输出信号处理单元将所述采样电流和基准电流进行比较，并根据比较结果输出控制所述功率开关的开和关的控制信号；
所述采样电路单元包括第一PMOS管和第二PMOS管，
所述第一PMOS管的源端连接VDD电压源，栅端与第二PMOS管的栅端连接，漏端连接所述除法电路单元；
所述第二PMOS管的源端连接功率开关的漏端，栅端和漏端短接后连接所述除法电路单元；
所述除法电路单元包括除法电路模块，该除法电路模块包括第一除法电路和第二除法电路，第一除法电路与第二除法电路结构相同，第一除法电路的一端连接所述VDD电压源，另一端连接所述第二除法电路；
所述第一除法电路包括第三PMOS管、第四PMOS管、第一NMOS管、第二NMOS管、第一电阻、电流输入器、电流输出器和运放器；
所述电流输入器的一端连接所述第三PMOS管的漏端，另一端接地；
所述第三PMOS管的栅端接地，源端接所述VDD电压源，漏端接入运放器的正输入端；
所述第四PMOS管的栅端连接所述运放器的输出端，源端接入运放器的负输入端，漏极分别连接所述第一NMOS管的栅端和漏端；
所述第一电阻的一端连接所述VDD电压源，另一端与所述第四PMOS管的源端相连；
所述第一NMOS管的源端接地，栅端与第二NMOS管的栅端相连；
所述第二NMOS管的源端接地，漏端与所述电流输出器的一端连接，电流输出器的另一端连接所述第二除法电路的第三PMOS管的漏极；
所述第二除法电路的电源输出器输出所述基准电流。
2.根据权利要求1所述的功率开关的过流检测电路，其特征在于，所述第一除法电路的计算公式为第二除法电路的计算公式为/>其中，I1为参考电流，I2为第一除法处理后的电流，I3为所述基准电流，K1和K2为对应的MOS管连接的电阻、空穴迁移率、单位面积的栅氧化层电容以及宽长比的乘积，VDD为所述VDD电压源的输入电压，VTHP为PMOS管的阈值电压。
3.根据权利要求1所述的功率开关的过流检测电路，其特征在于，所述除法电路单元还包括镜像电路，该镜像电路包括第三NMOS管、第四NMOS管和第五NMOS管，
所述第三NMOS管的栅端和漏端短接并与所述除法电路连接，源端接地；所述第四NMOS管的漏端与所述第三PMOS管的漏端短接后连接所述输出信号处理单元，源端接地；所述第五NMOS管的漏端与所述第四PMOS管的漏端短接，源端接地；
所述第三NMOS管的栅端、第四NMOS管的栅端和第五NMOS管的栅端相互短接。
4.根据权利要求3所述的功率开关的过流检测电路，其特征在于，所述输出信号处理单元包括施密特触发器和反相器，
所述施密特触发器的输入端与所述第一PMOS管以及第四NMOS管的漏极连接，输出端与所述反相器的输入端连接，反相器的输出端输出所述控制信号。
5.根据权利要求4所述的功率开关的过流检测电路，其特征在于，所述输出信号处理单元还包括第二电阻、第三电阻和比较器；
所述第二电阻的一端与所述第一PMOS管的漏极连接，另一端连接比较器的第一输入端；
所述第三电阻的一端与第四NMOS管的漏极连接，另一端连接所述比较器的第二输入端；
所述比较器的输出端连接所述施密特触发器的输入端。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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