CN110571774A - 短路保护电路以及驱动模块 - Google Patents

Abstract

公开了一种短路保护电路和驱动模块，驱动电路的输入端用于接收输入信号，其中，短路保护电路包括：电流采样模块，用于根据输入信号得到采样电流；参考电压生成模块，用于根据输入信号得到参考电压信号；检测模块，接收采样电流和参考电压信号，当采样电流大于阈值时，发送电平信号；钳位电路，接收电平信号，用于根据电平信号将驱动电路的输出电流钳位在预设值，避免电感元件产生的反向电动势，保护驱动电路中的功率开关管。

Description

短路保护电路以及驱动模块

技术领域

本发明涉及短路保护电路领域，更具体地涉及一种短路保护电路以及驱动模块。

背景技术

诸如IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅极型晶体管)的功率管的一个主要应用就是作为负载导通和关断的开关器件。然而，功率管作为负载导通和关断的开关器件，因为其比较脆弱，在很多使用场合因为负载内部短路或其它异常情况，会造成电流过大快速发热而烧毁功率管。例如当功率管对地或者电源短路时，电流会在100ns内增大到30A，因此对功率管的保护尤为重要。

目前通常通过对功率管进行电流采样或电压采样来进行功率管的过流或短路保护。但是这些保护电路反应时间往往不够快，一旦发生异常还是容易导致功率管损坏。此外，部分保护电路往往采用硬关断，即在出现短路时直接通过切断功率管的驱动电压来关断功率管，而这在使用电感器件作为负载的电路中往往会产生非常高的反向电动势，威胁到功率管的安全，甚至击穿功率管。

因此，为解决上述技术问题，有必要提出一种改进的功率管短路保护电路。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种短路保护电路以及驱动模块，短路保护的反应速度更快，精度更高。

根据本发明的一方面提供一种用于驱动电路的短路保护电路，所述驱动电路的输入端用于接收输入信号，其中，所述短路保护电路包括：电流采样模块，用于根据所述输入信号得到采样电流；参考电压生成模块，用于根据所述输入信号得到参考电压信号；检测模块，接收所述采样电流和所述参考电压信号，当所述采样电流大于阈值时，发送电平信号；钳位电路，接收所述电平信号，用于根据所述电平信号将所述驱动电路的输出电流钳位在预设值。

优选地，所述短路保护电路还包括输入模块，与所述驱动电路连接于控制节点，用于对控制节点进行充电以开启所述驱动电路。

优选地，所述驱动电路包括功率开关管，所述功率开关管的第一通路端接收所述输入信号。

优选地，所述电流采样模块包括串联于所述输入信号输入端与输出端之间的第一电阻和第一开关管，所述第一电阻与所述第一开关管的中间节点用于提供所述采样电流。

优选地，所述驱动电路包括第二开关管，所述第二开关管连接在所述输入信号输入端与输出端之间，控制端与所述第一开关管接收相同的控制信号。

优选地，所述参考电压生成模块包括第二电阻，第一端用于接收所述输入信号，第二端用于提供所述参考电压信号。

优选地，所述检测模块包括第三开关管、第四开关管、第一电流源以及第二电流源，其中，所述第三开关管和所述第四开关管构成电流镜结构，所述第三开关管的第一通路端接收所述采样电流，第二通路端与所述第一电流源的输入端连接，所述第一电流源的输出端接地，所述第四开关管的第一通路端接收所述参考电压信号，第二通路端与所述第二电流源的输入端连接，所述第二电流源的输出端接地。

优选地，所述钳位电路包括第五开关管，控制端接收所述电平信号，第一通路端接收钳位信号，第二通路端与所述驱动电路连接，所述第五开关管在导通时为所述第二开关管提供预定偏置电压。

优选地，所述钳位信号包括输入电压信号或者接地信号。

优选地，所述钳位电路还包括补偿电路，串联于所述第四开关管的控制端与第一通路端之间。

优选地，所述补偿电路包括第三电阻和电容，所述第三电阻和电容串联于所述第四开关管的控制端与第一通路端之间。

优选地，所述输入模块包括串联于输入电压信号与地之间的第五开关管和第六开关管，所述第五开关管和第六开关管的中间节点与所述控制节点相连。

根据本发明的另一方面提供一种驱动模块，包括：驱动电路，控制端接收控制信号，输入端接收输入电压信号，用于根据所述控制信号和所述输入电压信号产生开关信号；以及上述短路保护电路，用于在所述驱动电路的电流大于阈值时，将所述驱动电路的输出电流钳制在预设值。

本发明实施例提供的短路保护电路，包括电流采样模块、参考电压生成模块、检测模块以及钳位电路。一旦驱动电路发生短路，采样电流会增大，当采样电流大于阈值时，检测模块向钳位电路发送电平信号，钳位电路根据电平信号将驱动电路的输出电流钳位在预设值，避免电感元件产生的反向电动势，保护驱动电路中的功率开关管。

在优选地实施例中，电流采样模块包括采样电阻和开关管，开关管用于模拟驱动电路中的功率开关管的输出，与现有技术的在功率开关管的支路上直接串联采样电阻相比，本发明的电流采样模块的采样精度更高，同时有利于减小功耗。

此外本发明提供的短路保护电路，不需要采用专用的驱动芯片，只采用常规器件即可实现驱动，成本低廉；同时检测模块发送电平信号所需要的电压差是基本固定的，可通过调节电流采样模块和参考电压生成模块中的电阻的阻值调整短路保护时的电流阈值，检测精度更高。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚。

图1示出根据本发明第一实施例的驱动模块的结构示意图。

图2示出根据本发明第二实施例的驱动模块的结构示意图。

图3示出根据本发明第二实施例的驱动模块的电路示意图。

图4示出根据本发明第三实施例的驱动模块的电路示意图。

图5示出根据本发明第四实施例的驱动模块的电路示意图。

具体实施方式

以下将参照附图更详细地描述本发明。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，在图中可能未示出某些公知的部分。

在下文中描述了本发明的许多特定的细节，例如部件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本发明。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本发明。

应当理解，在以下的描述中，“电路”是指由至少一个元件或子电路通过电气连接或电磁连接构成的导电回路。当称元件或电路“连接到”另一元件或称元件/电路“连接在”两个节点之间时，它可以直接耦合或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。相反，当称元件“直接耦合到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。

图1示出根据本发明第一实施例的驱动模块的结构示意图。

本发明第一实施例提供一种驱动模块。具体地，如图1所示，包括驱动电路200以及与之相连的短路保护电路100。

驱动电路200用于根据控制信号Ctrl和输入电压信号Vin得到开关信号SW。

短路保护电路100包括电流采样模块120、参考电压生成模块130、检测模块140以及钳位电路150。

电流采样模块120用于根据输入电压信号Vin采集流过驱动电路200的电流以得到采样电流，参考电压生成模块130用于根据输入电压信号Vin得到参考电压信号。

检测模块140用于接收采样电流和参考电压信号，当所述采样电流大于阈值时，检测模块140向钳位电路150发送电平信号，钳位电路150根据该电平信号将驱动电路200的输出电流钳位在预设值，以保护驱动电路200不被烧毁。

图2示出根据本发明第二实施例的驱动模块的结构示意图。

本发明第二实施例提供另一种驱动模块，如图2所示，包括短路保护电路100和驱动电路200。

驱动电路200用于根据控制信号Ctrl和输入电压信号Vin得到开关信号SW。

短路保护电路100包括电流采样模块120、参考电压生成模块130、检测模块140、钳位电路150和输入模块160。

电流采样模块120用于根据输入电压信号Vin采集流过驱动电路200的电流以得到采样电流，参考电压生成模块130用于根据输入电压信号Vin得到参考电压信号。

检测模块140用于接收采样电流和参考电压信号，当所述采样电流大于阈值时，检测模块140向钳位电路150发送电平信号，钳位电路150根据该电平信号将驱动电路200的输出电流钳位在预设值，以保护驱动电路200不被烧毁。

输入模块160与驱动电路200连接于控制节点P1，输入模块160用于根据启动信号SA和输入电压信号Vin对控制节点P1进行充电以得到所述控制信号Ctrl。

图3示出根据本发明第二实施例的驱动模块的电路示意图。

具体地，如图3所示，驱动电路200包括功率开关管U1，功率开关管U1的控制端与控制节点P1连接以接收控制信号Ctrl，第一通路端接收输入电压信号Vin，第二通路端用于提供开关信号SW。

此外，驱动电路200也可以采用其他的结构，例如包括多个功率开关管串联或并联的结构，本发明不以此为限制，本领域的技术人员可以根据具体情况进行选择。

电流采样模块120包括电阻R1和开关管M2，电阻R1和开关管M2串联在输入电压信号Vin输入端和开关信号SW输出端之间，开关管M2的控制端与控制节点P1连接。

参考电压生成模块130包括电阻R2，电阻R2的第一端接收输入电压信号Vin，用于将所述输入电压信号Vin分压以得到参考电压。

当然，参考电压生成模块130也可以采用其他结构，例如多个电阻连接，本发明不以此为限制，本领域的技术人员可以根据具体情况进行选择。

检测模块140包括开关管M5和M6以及电流源Ibias1和Ibias2。开关管M5和开关管M6组成电流镜结构，开关管M5的第一通路端与电阻R1和开关管M2的中间节点连接以接收所述参考电流，开关管M5的第二通路端与电流源Ibias1的输入端连接，电流源Ibias1的输出端接地。开关管M6的第一通路端与电阻R2的第二端连接以接收参考电压信号，开关管M6的第二端与电流源Ibias2的输入端连接，电流源Ibias2的输出端接地。

钳位电路150包括开关管M9、电阻R3以及电容C1。开关管M9的控制端与开关管M6和电流源Ibias2的中间节点P2连接，开关管M9的第一通路端接收钳位信号，第二通路端与控制节点P1连接。其中，所述钳位信号例如为输入电压信号或者接地信号，在本实施例中，将开关管M9的第一通路端接地。电阻R3和电容C1构成补偿电路，串联于开关管M9的控制端与第一通路端之间。

输入模块160包括开关管M3和M4，开关管M3和M4串联在输入电压信号Vin和地之间，开关管M3和M4的控制端接收启动信号SA。

本发明的具体工作原理如下：当采样电流增大并超过阈值时，电阻R2两端的压差增大，使得流过开关管M6的电流大于电流源Ibias2的偏置电流，导致节点P2的电压被拉升，导通开关管M9，开关管M9将控制节点P1的电位拉低，将流过开关管M1的电流减小到预设值。

本实施例中的功率开关管U1为NMOS晶体管，也可以采用PMOS晶体管、NPN三极管或者PNP三极管。

在本实施例中，开关管M2、M4、M9为NMOS晶体管，开关管M3、M5和M6为PMOS晶体管。

本发明实施例提供的短路保护电路，包括电流采样模块、参考电压生成模块、检测模块以及钳位电路。一旦驱动电路发生短路，采样电流会增大，当采样电流大于阈值时，检测模块向钳位电路发送电平信号，钳位电路根据电平信号将驱动电路的输出电流钳位在预设值，保护驱动电路中的功率开关管；并且本实施例提供的短路保护电路，不需要采用专用的驱动芯片，只采用常规器件即可实现驱动，成本低廉；同时检测模块发送电平信号所需要的电压差是基本固定的，可通过调节电流采样模块和参考电压生成模块中的电阻的阻值调整短路保护时的电流阈值，检测精度更高。

上述实施例示出的驱动模块中，功率开关管U1采用NMOS晶体管，本发明优选地实施例公开了另一种驱动模块，功率开关管U1采用PMOS晶体管。

具体地，如图4所示，驱动电路200包括功率开关管U1，功率开关管U1的控制端与控制节点P1连接以接收控制信号Ctrl，第一通路端接收输入电压信号Vin，第二通路端用于提供开关信号SW。

此外，驱动电路200也可以采用其他的结构，例如包括多个功率开关管串联或并联的结构，本发明不以此为限制，本领域的技术人员可以根据具体情况进行选择。

电流采样模块120包括电阻R1和开关管M2，电阻R1和开关管M2串联在输入电压信号Vin输入端和开关信号SW输出端之间，开关管M2的控制端与控制节点P1连接。

参考电压生成模块130包括电阻R2，电阻R2的第一端接收输入电压信号Vin，用于将所述输入电压信号Vin分压以得到参考电压。

当然，参考电压生成模块130也可以采用其他结构，例如多个电阻连接，本发明不以此为限制，本领域的技术人员可以根据具体情况进行选择。

检测模块140包括开关管M5和M6以及电流源Ibias1和Ibias2。开关管M5和开关管M6组成电流镜结构，开关管M5的第一通路端与电阻R1和开关管M2的中间节点连接以接收所述参考电流，开关管M5的第二通路端与电流源Ibias1的输入端连接，电流源Ibias1的输出端接地。开关管M6的第一通路端与电阻R2的第二端连接以接收参考电压信号，开关管M6的第二端与电流源Ibias2的输入端连接，电流源Ibias2的输出端接地。

钳位电路150包括开关管M9、电阻R3以及电容C1。开关管M9的控制端与开关管M5和电流源Ibias1的中间节点P2连接，开关管M9的第一通路端接收钳位信号，在本实施例中，钳位信号例如是输入电压信号Vin，第二通路端与控制节点P1连接。电阻R3和电容C1构成补偿电路，串联于开关管M9的第一通路端与控制端之间。

输入模块160包括开关管M3和M4，开关管M3和M4串联在输入电压信号Vin和地之间，开关管M3和M4的控制端接收启动信号SA。

本发明的具体工作原理如下：当采样电流增大并超过阈值时，电阻R2两端的压差增大，使得流过开关管M5的电流大于电流源Ibias1的偏置电流，导致节点P2的电压被拉升，导通开关管M9，开关管M9将控制节点P1的电位拉高，将流过开关管M1的电流减小到预设值。

在本实施例中，开关管M4和M9为NMOS晶体管，开关管M2、M3、M5和M6为PMOS晶体管。

上述实施例示出的驱动模块，驱动电路的输入端接收输入电压信号，输出端用于提供开关信号，在本发明优选地实施例中，提供另一种驱动模块，输入端接收所述开关信号，另一端接地。具体地，如图5所示，驱动电路200包括功率开关管U1，功率开关管U1的控制端与控制节点P1连接以接收控制信号Ctrl，第一通路端接收开关信号SW，第二通路端接地。

此外，驱动电路200也可以采用其他的结构，例如包括多个功率开关管串联或并联的结构，本发明不以此为限制，本领域的技术人员可以根据具体情况进行选择。

电流采样模块120包括电阻R1和开关管M2，电阻R1和开关管M2串联在开关信号SW输入端和地之间，开关管M2的控制端与控制节点P1连接。

参考电压生成模块130包括电阻R2，电阻R2的第一端用于提供参考电压，第二端接地。

当然，参考电压生成模块130也可以采用其他结构，例如多个电阻连接，本发明不以此为限制，本领域的技术人员可以根据具体情况进行选择。

检测模块140包括开关管M5和M6以及电流源Ibias1和Ibias2。开关管M5和开关管M6组成电流镜结构，开关管M5的第一通路端与电阻R1和开关管M2的中间节点连接以接收所述参考电流，开关管M5的第二通路端与电流源Ibias1的输出端连接，电流源Ibias1的输入端接收输入电压信号Vin。开关管M6的第一通路端与电阻R2的第一端连接以接收参考电压信号，开关管M6的第二端与电流源Ibias2的输出端连接，电流源Ibias2的输入端接收输入电压信号Vin。

钳位电路150包括开关管M9、电阻R3以及电容C1。开关管M9的控制端与开关管M5和电流源Ibias1的中间节点P2连接，开关管M9的第一通路端接地，第二通路端与控制节点P1连接。电阻R3和电容C1构成补偿电路，串联于开关管M9的第一通路端与控制端之间。

输入模块160包括开关管M3和M4，开关管M3和M4串联在输入电压信号Vin和地之间，开关管M3和M4的控制端接收启动信号SA。

本实施例中的功率开关管U1为NMOS晶体管，也可以采用PMOS晶体管、NPN三极管或者PNP三极管。

在本实施例中，开关管M2、M4、、M5、M6、M9为NMOS晶体管，开关管M3为PMOS晶体管。

在本发明上述实施例中以驱动电路进行说明，但是本发明不以此为限制，本发明提供的短路保护电路也适用于其他电路，例如H桥电路、Boost升压电路以及Buck降压电路等。

综上所述，本发明实施例提供的短路保护电路以及驱动模块，其中短路保护电路包括电流采样模块、参考电压生成模块、检测模块以及钳位电路。一旦驱动电路发生短路，采样电流会增大，当采样电流大于阈值时，检测模块向钳位电路发送电平信号，钳位电路根据电平信号将驱动电路的输出电流钳位在预设值，避免电感元件产生的反向电动势，保护驱动电路中的功率开关管。

在优选地实施例中，电流采样模块包括采样电阻和开关管，开关管用于模拟驱动电路中的功率开关管的输出，与现有技术的在功率开关管的支路上直接串联采样电阻相比，本发明的电流采样模块采样精度更高，同时有利于减小功耗。

此外本发明提供的短路保护电路，不需要采用专用的驱动芯片，只采用常规器件即可实现驱动，成本低廉；同时检测模块发送电平信号所需要的电压差是基本固定的，可通过调节电流采样模块和参考电压生成模块中的电阻的阻值调整短路保护时的电流阈值，检测精度更高。

应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (10)

1.一种用于驱动电路的短路保护电路，所述驱动电路的输入端用于接收输入信号，其中，所述短路保护电路包括：

电流采样模块，用于根据所述输入信号得到采样电流；

参考电压生成模块，用于根据所述输入信号得到参考电压信号；

检测模块，接收所述采样电流和所述参考电压信号，当所述采样电流大于阈值时，发送电平信号；

钳位电路，接收所述电平信号，用于根据所述电平信号将所述驱动电路的输出电流钳位在预设值。

2.根据权利要求1所述的短路保护电路，其中，所述短路保护电路还包括输入模块，与所述驱动电路连接于控制节点，用于对控制节点进行充电以开启所述驱动电路。

3.根据权利要求1所述的短路保护电路，其中，所述驱动电路包括功率开关管，所述功率开关管的第一通路端接收所述输入信号。

4.根据权利要求1所述的短路保护电路，其中，所述电流采样模块包括串联于所述输入信号输入端与输出端之间的第一电阻和第一开关管，所述第一电阻与所述第一开关管的中间节点用于提供所述采样电流。

5.根据权利要求4所述的短路保护电路，其中，所述驱动电路包括第二开关管，所述第二开关管连接在所述输入信号输入端与输出端之间，控制端与所述第一开关管接收相同的控制信号。

6.根据权利要求1所述的短路保护电路，其中，所述参考电压生成模块包括第二电阻，第一端用于接收所述输入信号，第二端用于提供所述参考电压信号。

7.根据权利要求1所述的短路保护电路，其中，所述检测模块包括第三开关管、第四开关管、第一电流源以及第二电流源，

其中，所述第三开关管和所述第四开关管构成电流镜结构，

所述第三开关管的第一通路端接收所述采样电流，第二通路端与所述第一电流源的输入端连接，所述第一电流源的输出端接地，

所述第四开关管的第一通路端接收所述参考电压信号，第二通路端与所述第二电流源的输入端连接，所述第二电流源的输出端接地。

8.根据权利要求5所述的短路保护电路，其中，所述钳位电路包括第五开关管，控制端接收所述电平信号，第一通路端接收钳位信号，第二通路端与所述驱动电路连接，所述第五开关管在导通时为所述第二开关管提供预定偏置电压。

9.根据权利要求8所述的短路保护电路，其中，所述钳位信号包括输入电压信号或者接地信号。

10.一种驱动模块，包括：

驱动电路，控制端接收控制信号，输入端接收输入电压信号，用于根据所述控制信号和所述输入电压信号产生开关信号；以及

权利要求1-9任一项所述短路保护电路，用于在所述驱动电路的电流大于阈值时，将所述驱动电路的输出电流钳制在预设值。