CN110557009B - 一种电荷泵电路的四相过流检测保护电路及其实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电荷泵电路的四相过流检测保护电路及其实现方法，主要解决电荷泵运行过程中突然短路，VX或者VY电压突然被短路到地或者电源，CFLY电容的顶极板或底极板突然被短路到地或者电源引起瞬间大电流而损坏功率管的问题。该电路包括与电荷泵芯片的NMOS管Q2相连的NMOS管Q2_SNS_REV、NMOS管Q2_SNS_FWD，与电荷泵芯片的NMOS管Q3相连的NMOS管Q3_SNS_REV、NMOS管Q3_SNS_FWD，以及比较器MOS_OCP_REV和比较器MOS_OCP_FWD。通过上述设计，本发明中比较器的输入电压没有大幅度的跳变，不需要屏蔽，意味着可以在电路过流的第一时间就可以检测到，速度相应更快。同时，这样既方便了电路实现，抗干扰能力也强。因此，具有很高的使用价值和推广价值。

Description

一种电荷泵电路的四相过流检测保护电路及其实现方法
技术领域
本发明涉及一种过流检测电路，具体地说，是涉及一种电荷泵电路的四相过流检测保护电路及其实现方法。
背景技术
电荷泵是利用电容存储能量的开关变换器，其中，利用开关使得电容在供电和放电状态之间切换，从而可以提升或降低供电电压。在移动终端或便携式电子设备中，供电电源的电压可能低于工作电压，电荷泵可以将供电电源的电压提供之后系统工作，例如，电荷泵产生的电压在3.3V至4.0V范围内，从而满足电子设备的工作需要。
如图1所示为电荷泵的电路示意图，四个功率管分为两个相位Φ1和Φ2分别导通，在没有负载的理想情况下，VX＝2*VY。最常见的应用是将VX作为输入电源，从而得到近似一半的输出电压VY。类似的，如果将VY作为输入电源，那么就会得到近似两倍的输出电压VX。
理想的电荷泵稳态工作时，V_CFLY＝V_COUT＝VY＝VX/2。但如果这几个电压在运行中有任何的突变，由于功率管的导通电阻都很小，就会瞬间产生非常大的电流，足以烧坏芯片，拉垮电源。
造成某些节点的电压突变的原因有很多，例如CFLY电容在运行过程中突然短路，VX或者VY电压突然被短路到地或者电源，CFLY电容的顶极板或底极板突然被短路到地或者电源等等。如果发生这些情况，都会造成瞬间的大电流，这就要求电荷泵电路能够检查这些大电流并即刻关断功率管以确保安全。
首先，由于电荷泵电路工作时有两个相位，Q1/Q3导通和Q2/Q4导通；此外，电荷泵的电流可以双向，如果VX>2*VY，那么稳态时电流就从VX流向VY，如果VX<2*VY，那么稳态时电流就从VY流向VX。
所以有四个电流路径：
A.正向Q1/Q3导通，VX->Q1漏极到源极->CFLY->Q3源极到漏极->VY；
B.正向Q2/Q4导通，CFLY顶极板->Q2漏极到源极->VY->Q4的源极到漏极->CFLY底极板；
C.反向Q1/Q3导通，VY->Q3漏极到源极->CFLY->Q1的源极到漏极->VX；
D.反向Q2/Q4导通，VY->Q2的源极到漏极->CFLY->Q4漏极到源极。
因此，需要对电荷泵电路做四相过流保护。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电荷泵电路的四相过流检测保护电路及其实现方法，主要解决电荷泵运行过程中突然短路，VX或者VY电压突然被短路到地或者电源，CFLY电容的顶极板或底极板突然被短路到地或者电源引起瞬间大电流而损坏功率管的问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种电荷泵电路的四相过流检测保护电路，包括具有VX引脚、CFH引脚、VY引脚、CFL引脚、GND引脚的电荷泵芯片，所述电荷泵芯片上均连接有四个NMOS管Q1、Q2、Q3、Q4，所述NMOS管Q1的漏极与电荷泵芯片的VX引脚相连且其源极与电荷泵芯片的CFH引脚相连，所述NMOS管Q2的漏极与电荷泵芯片的CFH引脚相连且其源极与电荷泵芯片的VY引脚相连，所述NMOS管Q3的漏极与电荷泵芯片的VY引脚相连且其源极与电荷泵芯片的CFL引脚相连，所述NMOS管Q4的漏极与电荷泵芯片的CFL引脚相连且其源极与电荷泵芯片的GND引脚相连，四个NMOS管Q1、Q4的栅极均空闲；还包括包括栅极G均与电荷泵芯片的NMOS管Q2的栅极G相连的NMOS管Q2_SNS_REV、NMOS管Q2_SNS_FWD，栅极G均与电荷泵芯片的NMOS管Q3的栅极G相连的NMOS管Q3_SNS_REV、NMOS管Q3_SNS_FWD，负极输入端与NMOS管Q2_SNS_REV的源极S、NMOS管Q3_SNS_REV的漏极D相连且正极输入端与电荷泵芯片的VY引脚相连的比较器MOS_OCP_REV，正极输入端与NMOS管Q2_SNS_FWD的源极S、NMOS管Q3_SNS_FWD的漏极D相连且负极输入端与电荷泵芯片的VY引脚相连的比较器MOS_OCP_FWD，一端与比较器MOS_OCP_REV的负极输入端相连且另一端与电荷泵芯片的VX引脚相连的电流源I_REF1，一端与比较器MOS_OCP_FED的正极输入端相连且另一端与电荷泵芯片的GND引脚相连的电流源I_REF2，连接于比较器MOS_OCP_REV正负输入端之间且并联的寄生二极管D1、D2，连接于比较器MOS_OCP_FED正负输入端之间且并联的寄生二极管D3、D4；其中，寄生二极管D1、D2并联时极相相反，寄生二极管D3、D4并联时极相相反；所述NMOS管Q2_SNS_REV的漏极D、NMOS管Q2_SNS_FWD的漏极D均与电荷泵芯片的CFH引脚相连，所述NMOS管Q3_SNS_REV的源极S、NMOS管Q3_SNS_FWD的源极S与电荷泵芯片的CFL引脚相连。
进一步地，所述NMOS管Q2_SNS_REV、Q2_SNS_FWD的尺寸是Q2大小的1/N，使流过NMOS管Q2_SNS_REV、Q2_SNS_FWD的电流是流过Q2电流的N倍。
基于上述的一种电荷泵电路的四相过流检测保护电路，本发明还提供了一种电荷泵电路的四相过流检测保护电路的实现方法，包括如下步骤：
(S1)将比较器MOS_OCP_REV的负极输入端与Q2_SNS_REV、Q3_SNS_REV之间的连接节点VREF_REV的电压用电流源I_REF1拉到高于CFH的电压；
(S2)利用比较器MOS_OCP_REV比较VY与VREF_REV的电压；
(S3)根据比较结果判断电荷泵芯片Q2、Q4导通相位时，反向电流的过流情况；
(S4)将比较器MOS_OCP_FED的正极输入端与Q2_SNS_FED、Q3_SNS_FED之间的连接节点VREF_FED的电压用电流源I_REF2拉到低于CFL的电压；
(S5)利用比较器MOS_OCP_FED比较VY与VREF_FED的电压；
(S6)根据比较结果判断电荷泵芯片Q2、Q4导通相位时，正向电流的过流情况。
具体地，在步骤(S3)中，如果VY电压低于VREF_REV电压，说明Q2管的电流是正向的或者反向的电流小于I_REF1*N；如果VY电压等于VREF_REV电压，说明Q2管流过了反向的I_REF1*N的电流；如果VY电压高于VREF_REV电压，那么说明Q2管反向电流大于I_REF1*N，这时比较器翻转，报错“Q2/Q4导通相位，反向电流过流”；其中，正向表示电流从功率管的漏极D流向源极S，反向表示电流从功率管的源极S流向漏极D。
具体地，在步骤(S6)中，如果VY电压高于VREF_FWD电压，说明Q2是反向导通电流或者正向导通电流小于I_REF2*N；如果VY电压等于VREF_FWD电压，说明Q2正向导通的电流等于I_REF2*N；如果VY电压低于VREF_FWD电压，说明Q2正向导通电流大于I_REF2*N，此时比较器翻转，报错“Q2/Q4导通相位，正向电流过流”。
进一步地，Q1、Q3管导通的相位的过流检测同Q2、Q4管导通相位的过流检测方法相同。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明中功率管Q2、Q3的中间点的电压不变，所以比较器的输入电压没有大幅度的跳变(这点很重要，如果有很大幅度的跳变，就会影响到比较器的工作，出于怕误触发的考虑，需要屏蔽这段时间，屏蔽的时间比较器不工作，屏蔽的时间通常取得也比较保守，要确保长于跳变的时间)。不需要屏蔽，意味着可以在过流的第一时间就可以检测到，速度相应更快。同时，这样既方便了电路实现，抗干扰能力也强。
(2)本发明通过添加功率管Q2、Q3的sense管Q2_SNS_REV、Q3_SNS_REV并且,sense管的尺寸是功率管的1/N,那么如果sense管的压降同Q2、Q3的压降相同，Q2/Q3流过的电流就是sense管流过电流的N倍，便于过流检测。
(3)本发明巧妙地保持Q2_SNS_REV、Q3_SNS_REV类似于Q2和Q3的连接关系。对于一种电流方向(正向或者反向)的两个相位(Q2导通相位、Q3导通相位)，可以复用同一个比较器和同一路参考电流，节省了成本，降低了电路功耗。
(4)在实际应用中，Q2/Q3存在死区时间。死区时间时，所有管都关断，需要用diode来钳位的问题。而本发明电路在死区时间电压被钳位的状态，两个比较器也不会误报错，不需要屏蔽比较器的结果，证明过流时比较器可以第一时间就反应过来，进一步提高了系统的抗干扰能力。
附图说明
图1为电荷泵的结构示意图。
图2本发明的电路原理图。
图3为电荷泵正向正常工作时关键节点电压示意图。
图4为电荷泵反向正常工作时关键节点电压示意图。
具体实施方式
下面结合附图说明和实施例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限于以下实施例。
实施例
如图2～4所示，本发明公开的一种电荷泵电路的四相过流检测保护电路，包括具有VX引脚、CFH引脚、VY引脚、CFL引脚、GND引脚的电荷泵芯片，所述电荷泵芯片上均连接有四个NMOS管Q1、Q2、Q3、Q4，所述NMOS管Q1的漏极与电荷泵芯片的VX引脚相连且其源极与电荷泵芯片的CFH引脚相连，所述NMOS管Q2的漏极与电荷泵芯片的CFH引脚相连且其源极与电荷泵芯片的VY引脚相连，所述NMOS管Q3的漏极与电荷泵芯片的VY引脚相连且其源极与电荷泵芯片的CFL引脚相连，所述NMOS管Q4的漏极与电荷泵芯片的CFL引脚相连且其源极与电荷泵芯片的GND引脚相连，四个NMOS管Q1、Q4的栅极均空闲；还包括包括栅极G均与电荷泵芯片的NMOS管Q2的栅极G相连的NMOS管Q2_SNS_REV、NMOS管Q2_SNS_FWD，栅极G均与电荷泵芯片的NMOS管Q3的栅极G相连的NMOS管Q3_SNS_REV、NMOS管Q3_SNS_FWD，负极输入端与NMOS管Q2_SNS_REV的源极S、NMOS管Q3_SNS_REV的漏极D相连且正极输入端与电荷泵芯片的VY引脚相连的比较器MOS_OCP_REV，正极输入端与NMOS管Q2_SNS_FWD的源极S、NMOS管Q3_SNS_FWD的漏极D相连且负极输入端与电荷泵芯片的VY引脚相连的比较器MOS_OCP_FWD，一端与比较器MOS_OCP_REV的负极输入端相连且另一端与电荷泵芯片的VX引脚相连的电流源I_REF1，一端与比较器MOS_OCP_FED的正极输入端相连且另一端与电荷泵芯片的GND引脚相连的电流源I_REF2，连接于比较器MOS_OCP_REV正负输入端之间且并联的寄生二极管D1、D2，连接于比较器MOS_OCP_FED正负输入端之间且并联的寄生二极管D3、D4；其中，寄生二极管D1、D2并联时极相相反，寄生二极管D3、D4并联时极相相反；所述NMOS管Q2_SNS_REV的漏极D、NMOS管Q2_SNS_FWD的漏极D均与电荷泵芯片的CFH引脚相连，所述NMOS管Q3_SNS_REV的源极S、NMOS管Q3_SNS_FWD的源极S与电荷泵芯片的CFL引脚相连。所述NMOS管Q2_SNS_REV、Q2_SNS_FWD的尺寸是Q2大小的1/N，使流过NMOS管Q2_SNS_REV、Q2_SNS_FWD的电流是流过Q2电流的N倍。功率管Q1、Q2、Q3、Q4自身具有体二极管。
基于上述的一种电荷泵电路的四相过流检测保护电路，本发明还提供了一种电荷泵电路的四相过流检测保护电路的实现方法，包括如下步骤：
(S1)将比较器MOS_OCP_REV的负极输入端与Q2_SNS_REV、Q3_SNS_REV之间的连接节点VREF_REV的电压用电流源I_REF1拉到高于CFH的电压；
(S2)利用比较器MOS_OCP_REV比较VY与VREF_REV的电压；
(S3)根据比较结果判断电荷泵芯片Q2、Q4导通相位时，反向电流的过流情况；如果VY电压低于VREF_REV电压，说明Q2管的电流是正向的或者反向的电流小于I_REF1*N；如果VY电压等于VREF_REV电压，说明Q2管流过了反向的I_REF1*N的电流；如果VY电压高于VREF_REV电压，那么说明Q2管反向电流大于I_REF1*N，这时比较器翻转，报错“Q2/Q4导通相位，反向电流过流”；其中，正向表示电流从功率管的漏极D流向源极S，反向表示电流从功率管的源极S流向漏极D。
(S4)将比较器MOS_OCP_FED的正极输入端与Q2_SNS_FED、Q3_SNS_FED之间的连接节点VREF_FED的电压用电流源I_REF2拉到低于CFL的电压；
(S5)利用比较器MOS_OCP_FED比较VY与VREF_FED的电压；
(S6)根据比较结果判断电荷泵芯片Q2、Q4导通相位时，正向电流的过流情况。在步骤(S6)中，如果VY电压高于VREF_FWD电压，说明Q2是反向导通电流或者正向导通电流小于I_REF2*N；如果VY电压等于VREF_FWD电压，说明Q2正向导通的电流等于I_REF2*N；如果VY电压低于VREF_FWD电压，说明Q2正向导通电流大于I_REF2*N，此时比较器翻转，报错“Q2/Q4导通相位，正向电流过流”。
此外，Q1、Q3管导通的相位的过流检测同Q2、Q4管导通相位的过流检测方法相同。
通过上述设计，本发明中功率管Q2、Q3的中间点的电压不变，所以比较器的输入电压没有大幅度的跳变(这点很重要，如果有很大幅度的跳变，就会影响到比较器的工作，出于怕误触发的考虑，需要屏蔽这段时间，屏蔽的时间比较器不工作，屏蔽的时间通常取得也比较保守，要确保长于跳变的时间)。不需要屏蔽，意味着可以在过流的第一时间就可以检测到，速度相应更快。同时，这样既方便电路实现过流检测保护，又使电路的抗干扰能力更强。因此，具有很高的使用价值和推广价值。
上述实施例仅为本发明的优选实施方式之一，不应当用于限制本发明的保护范围，但凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种电荷泵电路的四相过流检测保护电路，包括具有VX引脚、CFH引脚、VY引脚、CFL引脚、GND引脚的电荷泵芯片，所述电荷泵芯片上均连接有四个NMOS管Q1、Q2、Q3、Q4，所述NMOS管Q1的漏极与电荷泵芯片的VX引脚相连且其源极与电荷泵芯片的CFH引脚相连，所述NMOS管Q2的漏极与电荷泵芯片的CFH引脚相连且其源极与电荷泵芯片的VY引脚相连，所述NMOS管Q3的漏极与电荷泵芯片的VY引脚相连且其源极与电荷泵芯片的CFL引脚相连，所述NMOS管Q4的漏极与电荷泵芯片的CFL引脚相连且其源极与电荷泵芯片的GND引脚相连，四个NMOS管Q1、Q4的栅极均空闲；其特征在于，还包括栅极G均与电荷泵芯片的NMOS管Q2的栅极G相连的NMOS管Q2_SNS_REV、NMOS管Q2_SNS_FWD，栅极G均与电荷泵芯片的NMOS管Q3的栅极G相连的NMOS管Q3_SNS_REV、NMOS管Q3_SNS_FWD，负极输入端与NMOS管Q2_SNS_REV的源极S、NMOS管Q3_SNS_REV的漏极D相连且正极输入端与电荷泵芯片的VY引脚相连的比较器MOS_OCP_REV，正极输入端与NMOS管Q2_SNS_FWD的源极S、NMOS管Q3_SNS_FWD的漏极D相连且负极输入端与电荷泵芯片的VY引脚相连的比较器MOS_OCP_FWD，一端与比较器MOS_OCP_REV的负极输入端相连且另一端与电荷泵芯片的VX引脚相连的电流源I_REF1，一端与比较器MOS_OCP_FED的正极输入端相连且另一端与电荷泵芯片的GND引脚相连的电流源I_REF2，连接于比较器MOS_OCP_REV正负输入端之间且并联的寄生二极管D1、D2，连接于比较器MOS_OCP_FED正负输入端之间且并联的寄生二极管D3、D4；其中，寄生二极管D1、D2并联时极相相反，寄生二极管D3、D4并联时极相相反；所述NMOS管Q2_SNS_REV的漏极D、NMOS管Q2_SNS_FWD的漏极D均与电荷泵芯片的CFH引脚相连，所述NMOS管Q3_SNS_REV的源极S、NMOS管Q3_SNS_FWD的源极S与电荷泵芯片的CFL引脚相连。
2.根据权利要求1所述的一种电荷泵电路的四相过流检测保护电路，其特征在于，所述NMOS管Q2_SNS_REV、Q2_SNS_FWD的尺寸是Q2大小的1/N，使流过NMOS管Q2_SNS_REV、Q2_SNS_FWD的电流是流过Q2电流的N倍。
3.如权利要求1或2任一项所述的一种电荷泵电路的四相过流检测保护电路的实现方法，其特征在于，包括如下步骤：
(S1)将比较器MOS_OCP_REV的负极输入端与Q2_SNS_REV、Q3_SNS_REV之间的连接节点VREF_REV的电压用电流源I_REF1拉到高于CFH的电压；
(S2)利用比较器MOS_OCP_REV比较VY与VREF_REV的电压；
(S3)根据比较结果判断电荷泵芯片Q2、Q4导通相位时，反向电流的过流情况；
(S4)将比较器MOS_OCP_FED的正极输入端与Q2_SNS_FED、Q3_SNS_FED之间的连接节点VREF_FED的电压用电流源I_REF2拉到低于CFL的电压；
(S5)利用比较器MOS_OCP_FED比较VY与VREF_FED的电压；
(S6)根据比较结果判断电荷泵芯片Q2、Q4导通相位时，正向电流的过流情况。
4.根据权利要求3所述的一种电荷泵电路的四相过流检测保护电路的实现方法，其特征在于，在步骤(S3)中，如果VY电压低于VREF_REV电压，说明Q2管的电流是正向的或者反向的电流小于I_REF1*N；如果VY电压等于VREF_REV电压，说明Q2管流过了反向的I_REF1*N的电流；如果VY电压高于VREF_REV电压，那么说明Q2管反向电流大于I_REF1*N，这时比较器翻转，报错“Q2/Q4导通相位，反向电流过流”；其中，正向表示电流从功率管的漏极D流向源极S，反向表示电流从功率管的源极S流向漏极D。
5.根据权利要求4所述的一种电荷泵电路的四相过流检测保护电路的实现方法，其特征在于，在步骤(S6)中，如果VY电压高于VREF_FWD电压，说明Q2是反向导通电流或者正向导通电流小于I_REF2*N；如果VY电压等于VREF_FWD电压，说明Q2正向导通的电流等于I_REF2*N；如果VY电压低于VREF_FWD电压，说明Q2正向导通电流大于I_REF2*N，此时比较器翻转，报错“Q2/Q4导通相位，正向电流过流”。
6.根据权利要求5所述的一种电荷泵电路的四相过流检测保护电路的实现方法，其特征在于，Q1、Q3管导通的相位的过流检测同Q2、Q4管导通相位的过流检测方法相同。
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