CN106849050B - 反接保护电路、h桥输出驱动芯片及该驱动芯片的应用 - Google Patents

反接保护电路、h桥输出驱动芯片及该驱动芯片的应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及集成电路技术领域，具体地说，涉及一种反接保护电路、H桥输出驱动芯片及该驱动芯片的应用。该反接保护电路用于设于芯片供电端与公共电源端之间，芯片供电端通过一输出NMOS管向公共电源端提供电压，芯片供电端还通过一齐纳二极管或一阻值足够大的电阻接入输出NMOS管的栅极；输出NMOS管的栅极还通过一控制PMOS管接入一升压输出端，升压输出端所提供的电压大于芯片供电端所提供的电压，控制PMOS管的栅极接入公共电源端。该H桥输出驱动芯片包括上述的反接保护电路。本发明能够较佳提升驱动芯片的可靠性且能够较佳地降低制作成本。

Description

反接保护电路、H桥输出驱动芯片及该驱动芯片的应用
技术领域
本发明涉及集成电路技术领域，具体地说，涉及一种反接保护电路、H桥输出驱动芯片及该驱动芯片的应用。
背景技术
在风扇驱动，电机驱动等应用场合，经常会采用H桥结构作为输出驱动电路。传统的H桥结构一般采用上面两个是PMOS管，下面两个是NMOS管，如图1所示，T1和T3是PMOS管，T2和T4为NMOS管。该种结构中，由于空穴的迁移率比电子迁移率要低，因此需要将T1和T3的面积提升至T2和T4面积的2～3倍左右，而这就大大增加了驱动芯片本身的面积。尤其在对于大功率驱动芯片而言，驱动芯片的面积主要是由输出管决定，因此只要降低输出管的面积就能够使得驱动芯片的面积大大降低，从而使得驱动芯片的制作成本能够更低进而具有较高的竞争力。
另一方面，由于集成电路芯片在使用过程中，时常会发生电源和地接反的情况。尤其是采用了H桥的输出结构中，在出现电源反接时，会在输出结构中流过很大的电流，从而可能导致芯片的烧毁。基于此，是有必要在芯片内部设计一个反接保护电路的。现有H桥反接保护电路一般采用以下两种方式加以实现：1、在芯片公共接地端和集成电路的接地端之间加入一个有源反接保护电路，该有源反接保护电路通常主要由一NMOS管和相应的栅压产生电路构成；2、在芯片公共电源端和集成电路的电源端之间加入一个有源反接保护电路，该有源反接保护电路通常主要由一PMOS管和相应的栅压产生电路构成。但是，在采用上述第“1”种反接保护形式时，会在芯片内部电路的公共接地端产生较多的噪声，这就会导致芯片性能的下降；而采用上述第“2”种反接保护形式时，由于空穴的迁移率比较低，一般需要采用面积非常大的一个PMOS管来实现反接保护功能，而这就又会导致整个芯片面积的增加，进而增加了制作成本。
发明内容
本发明提供了一种反接保护电路，其能够克服现有技术的某种或某些缺陷。
根据本发明的反接保护电路，该反接保护电路设于芯片供电端与公共电源端之间，芯片供电端通过一输出NMOS管向公共电源端提供电压，芯片供电端还通过一齐纳二极管或一阻值足够大的电阻接入输出NMOS管的栅极；输出NMOS管的栅极还通过一控制PMOS管接入一升压输出端，升压输出端所提供的电压大于芯片供电端所提供的电压，控制PMOS管的栅极接入公共电源端。
本发明的反接保护电路中，在采用齐纳二极管将芯片供电端接入输出NMOS管的栅极且当其处与正常工作状态(未被反接)时，齐纳二极管正向导通从而控制输出NMOS管开启，此时输出NMOS管的栅电压为芯片供电端处的电压减去齐纳二极管的压降、公共电源端处的电压为芯片供电端处的电压减去齐纳二极管的压降再减去输出NMOS管的开启电压；于此同时，又由于升压输出端所提供的电压大于芯片供电端所提供的电压，故控制PMOS管导通从而将升压输出端接入输出NMOS管的栅极，且齐纳二极管会处于关断状态，这就使得公共电源端处的电压能够基本等于芯片供电端处的电压；通过该种设计，使得本发明的反接电路不会造成公共电源端处的电压降低。
本发明的反接保护电路中，在采用阻值足够大的电阻将芯片供电端接入输出NMOS管的栅极且当其处与正常工作状态(未被反接)时，虽然升压输出端处的电流会经该阻值足够大的电阻流入芯片供电端，从而从而导致升压输出端处的电压降低，但是该阻值足够大的电阻由于其阻值够大因此该电流可以忽略，对升压电路的输出电压影响也可以忽略，而且相比于采用齐纳二极管能够大幅降低本发明的反接保护电路的制造成本。
本发明的反接保护电路中，在其处于反接状态时，公共电源端和升压输出端处的电压均为所接入的电源电压，因此控制PMOS管是处于关断状态，同时芯片供电端处为接地，因此输出NMOS管也不会导通，这就使得处于反接状态时电源与地之间不存在低电阻通道，从而较佳地防止了大电流的产生。
另一方面，由于本发明的反接电路是设于芯片供电端与公共电源端之间的且输出NMOS管采用的NMOS管，因此其在正常工作时是处于深度线性区的从而能够较佳地避免噪声的引入，而且相较于采用PMOS管也能够大大地降低设计芯片时的成本和芯片的面积。
作为优选，升压输出端所提供的电压由一电荷泵升压电路对公共电源端所提供的电压进行升压后得到。
本发明还提供了一种H桥输出驱动芯片，其能够克服现有技术的某种或某些缺陷。
根据本发明的H桥输出驱动芯片，其包括信号产生放大电路、预驱动电路和H桥电路，信号产生放大电路用于产生控制信号并对其进行放大，预驱动电路用于根据信号产生放大电路处的信号对H桥电路的通断进行控制；H桥电路包括组成4个桥臂的第一NMOS管、第二NMOS管、第三NMOS管和第四NMOS管，第一NMOS管和第三NMOS管接入公共电源端，第二NMOS管和第四NMOS管接入公共接地端；第一NMOS管与第二NMOS管间形成第一输出端，第三NMOS管和第四NMOS管间形成第二输出端；公共电源端处接入一电荷泵升压电路，电荷泵升压电路的升压输出端用于通过预驱动电路向第一NMOS管和第三NMOS管提供开启电压；公共电源端与芯片供电端间接入以上所述的任一反接保护电路。
本发明的一种H桥输出驱动芯片中，由于H桥电路的4个桥臂均由NMOS管构成，因此可以使得H桥电路的面积大大降低，从而能够较佳地减小芯片的整体面积和制造成本。
另一方面，电荷泵的设置能够为第一NMOS管和第三NMOS管提供开启电压，而直接将电荷泵的升压输出端接入反接保护电路，能够使得一路反接保护电路不需要额外的升压电路，从而相辅相成，较佳地实现了反接保护功能的同是也更进一步地降低了芯片的整体面积和制作成本。
作为优选，信号产生放大电路包括霍尔传感器、斩波放大器和比较器，霍尔传感器用于产生控制信号，斩波放大器用于对霍尔传感器处产生的控制信号进行放大并消除失调电压，比较器用于将经斩波放大器处理后的控制信号与一基准信号进行比较并向预驱动电路输出一数字信号。
本发明还提供了一种上述H桥输出驱动芯片的应用，其将上述任一的H桥输出驱动芯片用作单线圈风扇驱动芯片中。
附图说明
图1为采用两个PMOS管和两个NMOS管所搭建的H桥电路的示意图；
图2为实施例1中的反接保护电路的示意图；
图3为实施例2中的反接保护电路的示意图；
图4为实施例3中的H桥输出驱动芯片的内部电路示意图；
图5为实施例3中的预驱动电路和H桥电路的示意图；
图6为实施例3中的预驱动电路的输出波形示意图；
图7为实施例4中的H桥输出驱动芯片的示意图。
具体实施方式
为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。应当理解的是，实施例仅仅是对本发明进行解释而并非限定。
实施例1
如图2所示，本实施例提供了一种反接保护电路，该反接保护电路用于设于芯片供电端VDD与公共电源端Vcom之间，芯片供电端VDD通过一输出NMOS管Tn1向公共电源端Vcom提供电压，芯片供电端VDD还通过一齐纳二极管D1接入输出NMOS管Tn1的栅极；输出NMOS管Tn1的栅极还通过一控制PMOS管Tp1接入一升压输出端Vcp，升压输出端Vcp所提供的电压大于芯片供电端VDD所提供的电压，控制PMOS管Tp1的栅极接入公共电源端Vcom。
本实施例的反接保护电路在处于正常工作状态时，芯片供电端VDD接入电源电压，此时齐纳二极管D1正向导通，进而使得输出NMOS管Tn1开启且输出NMOS管Tn1的栅电压V_Tn1为：V_Tn1＝VDD-V_D1，其中VDD为芯片供电端VDD处的电压值，V_D1为齐纳二极管D1正向导通时的压降(一般在0.6V左右)；输出NMOS管Tn1开启后，公共电源端Vcom获取电压且该电压值Vcom＝VDD-V_D1-V_th，其中，V_th为输出NMOS管Tn1的开启电压；并且由于升压输出端Vcp所提供的电压大于公共电源端Vcom处的电压，从而使得控制PMOS管Tp1开启，从而使得输出NMOS管Tn1的栅极电压上升至升压输出端Vcp所提供的电压，且会致使齐纳二极管D1的关断，这不仅有效地防止因升压输出端Vcp处的电荷流入芯片供电端VDD而导致芯片供电端VDD的电压升高，而且还使得芯片供电端VDD处的电荷能够几乎全部地流入公共电源端Vcom，从而使得公共电源端Vcom处的电压能够接近于芯片供电端VDD处的电压。
本实施例的反接保护电路在处于反接状态时，升压输出端Vcp和公共电源端Vcom处的电压均为电源电压，芯片供电端VDD处无电压输入，因此使得控制PMOS管Tp1和输出NMOS管Tn1均处于关断状态，从而能够保证芯片在电源与地间不存在低电阻通道，进而能够有效地防止大电流的产生。
本实施例中，由于输出NMOS管Tn1在正常工作时是处于深度线性区，因此能够有效地避免噪声的产生，且能够大大降低整个反接保护电路的面积，进而能够较佳地便于降低芯片的面积和制作成本。
另外，本实施例中，升压输出端Vcp所提供的电压由一电荷泵升压电路对公共电源端Vcom所提供的电压进行升压后得到。从而降低了设计难度，节省了芯片面积。
本实施例中，输出NMOS管Tn1与常规NMOS管的不同之处在于：输出NMOS管Tn1是将源漏端调换过来，使其衬底接在“上”面，这样就可以有效的避免自身存在的寄生二极管在接反时候出现导通的现象。
实施例2
本实施例也提供了一种一种反接保护电路，如图3所示，其与实施例1的区别在于：采用一阻值足够大的电阻R1替代齐纳二极管D1。
本实施例中，虽然在正常工作状态下，虽然升压输出端Vcp处的电荷能够经电阻R1流入芯片供电端VDD中，但是由于电阻R1的阻止足够大，因此该电阻R1处的电流能够忽略。而且这样做的好处是，由于实施例1中采用齐纳二极管D1时，一般需要额外增加一个光刻板加以实现，而采用阻值足够大的电阻R1能够大大地降低制造成本，且能够带来相近的效果。
实施例3
如图4和5所示，本实施例提供了一种H桥输出驱动芯片，其包括信号产生放大电路、预驱动电路和H桥电路，信号产生放大电路用于产生控制信号并对其进行放大，预驱动电路用于根据信号产生放大电路处的信号对H桥电路的通断进行控制；H桥电路包括组成4个桥臂的第一NMOS管T1、第二NMOS管T2、第三NMOS管T3和第四NMOS管T4，第一NMOS管T1和第三NMOS管T3接入公共电源端Vcom，第二NMOS管T2和第四NMOS管T4接入公共接地端VSS；第一NMOS管T1与第二NMOS管T2间形成第一输出端VoutP，第三NMOS管T3和第四NMOS管T4间形成第二输出端VoutN；公共电源端Vcom处接入一电荷泵升压电路，电荷泵升压电路的升压输出端Vcp用于通过预驱动电路向第一NMOS管T1和第三NMOS管T3提供开启电压；公共电源端Vcom与芯片供电端VDD间接入实施例1或2中的反接保护电路。
如图6所示，为本实施例中的预驱动电路的输出波形示意图，预驱动电路用于向第一NMOS管T1、第二NMOS管T2、第三NMOS管T3和第四NMOS管T4的栅极输入开启电压。
本实施例中，设计升压输出端Vcp的电压输出值比公共电源端Vcom的电压值高5V。
本实施例中，升压输出端Vcp能够同时用于向第一NMOS管T1、第三NMOS管T3和输出NMOS管Tn1提供开启电压，从而大大降低了芯片内部电路的设计难度、较佳节约了芯片面积、很好降低了制造成本。
本实施例中的H桥输出驱动芯片能够较佳地应用于单线圈风扇驱动芯片或电机驱动芯片中。
实施例4
本实施例也提供了一种H桥输出驱动芯片，如图7所示。其中，信号产生放大电路包括霍尔传感器、斩波放大器和比较器，霍尔传感器用于产生控制信号，斩波放大器用于对霍尔传感器处产生的控制信号进行放大，比较器用于将经斩波放大器处理后的控制信号与一基准信号进行比较并向预驱动电路输出一数字信号。从而大大提高了驱动芯片的运行可靠性且成本较低。
本实施例中，公共电源端Vcom还通过一电压调整器为霍尔传感器、斩波放大器和比较器提供工作电压。
本实施例中的H桥输出驱动芯片能够较佳地应用于单线圈风扇驱动芯片或电机驱动芯片中。
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.反接保护电路，其特征在于：该反接保护电路设于芯片供电端(VDD)与公共电源端(Vcom)之间，芯片供电端(VDD)通过一输出NMOS管(Tn1)向公共电源端(Vcom)提供电压，芯片供电端(VDD)还通过一齐纳二极管(D1)或一阻值足够大的电阻(R1)接入输出NMOS管(Tn1)的栅极；输出NMOS管(Tn1)的栅极还通过一控制PMOS管(Tp1)接入一升压输出端(Vcp)，升压输出端(Vcp)所提供的电压大于芯片供电端(VDD)所提供的电压，控制PMOS管(Tp1)的栅极接入公共电源端(Vcom)。
2.根据权利要求1所述的反接保护电路，其特征在于：升压输出端(Vcp)所提供的电压由一电荷泵升压电路对公共电源端(Vcom)所提供的电压进行升压后得到。
3.H桥输出驱动芯片，其特征在于：包括信号产生放大电路、预驱动电路和H桥电路，信号产生放大电路用于产生控制信号并对其进行放大，预驱动电路用于根据信号产生放大电路处的信号对H桥电路的通断进行控制；H桥电路包括组成4个桥臂的第一NMOS管(T1)、第二NMOS管(T2)、第三NMOS管(T3)和第四NMOS管(T4)，第一NMOS管(T1)和第三NMOS管(T3)接入公共电源端(Vcom)，第二NMOS管(T2)和第四NMOS管(T4)接入公共接地端(VSS)；第一NMOS管(T1)与第二NMOS管(T2)间形成第一输出端(VoutP)，第三NMOS管(T3)和第四NMOS管(T4)间形成第二输出端(VoutN)；公共电源端(Vcom)处接入一电荷泵升压电路，电荷泵升压电路的升压输出端(Vcp)用于通过预驱动电路向第一NMOS管(T1)和第三NMOS管(T3)提供开启电压；公共电源端(Vcom)与芯片供电端(VDD)间接入权利要求1中所述的反接保护电路。
4.根据权利要求3所述的H桥输出驱动芯片，其特征在于：信号产生放大电路包括霍尔传感器、斩波放大器和比较器，霍尔传感器用于产生控制信号，斩波放大器用于对霍尔传感器处产生的控制信号进行放大，比较器用于将经斩波放大器处理后的控制信号与一基准信号进行比较并向预驱动电路输出一数字信号。
5.H桥输出驱动芯片的应用，其特征在于：将权利要求3或4中的H桥输出驱动芯片用作单线圈风扇驱动芯片中。
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