CN111157875B - 一种开态负载开路检测电路和方法 - Google Patents

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    • G01R31/2853—Electrical testing of internal connections or -isolation, e.g. latch-up or chip-to-lead connections

Abstract

本发明公开了一种开态负载开路检测电路和方法，所述电路包括第一电压线性转换模块、第二电压线性转换模块、控制模块和开关模块，其中，第一电压线性转换模块连接第一电源电压的输入端，用于将第一电源电压线性转换为第一低压信号；第二电压线性转换模块连接负载电压的输入端，用于将负载电压线性转换为第二低压信号；控制模块用于比较第一低压信号与第二低压信号，并根据比较结果判断待测负载电路的通断；开关模块为待测负载电路提供电流。该开态负载开路检测电路和方法能够实现开态负载开路的检测，在待测负载电路发生开路时能及时关闭功率管，避免给芯片带来损伤。

Description

一种开态负载开路检测电路和方法
技术领域
本发明属于检测电路技术领域，具体涉及一种开态负载开路检测电路和方法。
背景技术
高边功率驱动芯片用于为芯片电源测对地提供输出电流，芯片内部逻辑控制功率管的开启，芯片内部功率管提供对地电流。为了了解负载电路的工作状态，需要在功率管开启的情况下检测负载电路是否存在开路。当芯片功率管处于开启态，且负载由于操作失误或其它原因造成开路时，需将该错误状态报送逻辑控制电路，，通过逻辑控制电路关闭功率管。实现该功能的电路为开态检测电路。
请参见图1，图1是现有技术的一种开态负载开路检测电路的电路结构图，如图所示，目前的负载检测电路通常采用集成电流镜像功能的功率管NM。镜像电流Imirr为输出负载电流Iload的比例电流。当负载支路导通时，镜像支路的镜像电流Imirr与输出负载电流Iload的呈镜像比例，设置合适的电阻R，则电压Vcs为高电平；当负载支路为开路时，则负载支路无电流，镜像支路也为无电流，则电压Vcs为低电平，因此可以通过判断Vcs电压的大小来判断负载支路的状态。
然而，具有集成电流镜像功能的功率管大多数被国外垄断，国内尚无成熟产品，依靠国内产品开发高边功率驱动类芯片，无法实现负载开路检测。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种开态负载开路检测电路和方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
本发明的一个方面提供了一种开态负载开路检测电路，包括第一电压线性转换模块、第二电压线性转换模块、控制模块和开关模块，其中，
所述第一电压线性转换模块连接第一电源电压的输入端，用于将所述第一电源电压线性转换为第一低压信号；
所述第二电压线性转换模块连接负载电压的输入端，用于将所述负载电压线性转换为第二低压信号；
所述控制模块连接所述第一电压线性转换模块和所述第二电压线性转换模块，用于比较所述第一低压信号与所述第二低压信号，并根据比较结果判断待测负载电路的通断；
所述开关模块连接在所述第一电源电压的输入端与所述负载电压的输入端之间，用于为所述待测负载电路提供电流。
在本发明的一个实施例中，所述开关模块包括第一NMOS管，所述第一NMOS管的漏极连接至所述第一电源电压的输入端，源极连接至所述负载电压的输入端，栅极输入NMOS管开启电压；
在开路检测过程中，所述第一NMOS管处于导通状态，并且在判断出所述待测负载电路已开路时，所述第一NMOS管关断。
在本发明的一个实施例中，所述第一电压线性转换模块包括第二NMOS管、第一电阻、第二电阻和第三电阻，其中，
所述第一电阻和所述第二电阻串联在所述第一电源电压的输入端与接地端之间；
所述第三电阻连接在所述接地端与所述第二NMOS管的源极之间，所述第二NMOS管的栅极连接在所述第一电阻与所述第二电阻之间的节点处，所述第二NMOS管的漏极连接至第二电源电压的输入端；
所述控制模块的第一输入端连接在所述第三电阻与所述第二NMOS管的源极之间。
在本发明的一个实施例中，所述第二电压线性转换模块包括第三NMOS管、第四电阻、第五电阻和第六电阻，其中，
所述第四电阻和所述第五电阻串联在所述负载电压的输入端与接地端之间；
所述第六电阻连接在所述接地端与所述第三NMOS管的源极之间，所述第三NMOS管的栅极连接在所述第四电阻与所述第五电阻之间的节点处，所述第三NMOS管的漏极连接至所述第二电源电压的输入端；
所述控制模块的第二输入端连接在所述第六电阻与所述第三NMOS管的源极之间。
在本发明的一个实施例中，所述第一电源电压大于所述第二电源电压。
在本发明的一个实施例中，所述第二NMOS管与所述第三NMOS管的结构相同，所述第一电阻与第四电阻的阻值相同，所述第二电阻与第五电阻的阻值相同，所述第三电阻与第六电阻的阻值相同。
在本发明的一个实施例中，所述控制模块包括比较器、整形电路和逻辑电路，其中，
所述比较器的第一输入端连接至所述第一电压线性转换模块，所述比较器的第二输入端连接至所述第二电压线性转换模块，所述比较器用于比较所述第一低压信号与所述第二低压信号，并产生模拟比较信号；
所述整形电路连接至所述比较器的输出端，用于将所述模拟比较信号转换为数字比较信号；
所述逻辑电路连接至所述整形电路，用于根据所述数字比较信号判断所述待测负载电路的通断，并在判断出所述待测负载电路已开路时控制所述第一NMOS管关断。
在本发明的一个实施例中，所述控制模块还包括驱动控制电路，所述驱动控制电路的输入端连接至所述逻辑电路的输出端，所述驱动控制电路的输出端连接至所述第一NMOS管的栅极，所述驱动控制电路用于根据来自所述逻辑电路的控制信号，驱动所述第一NMOS管在所述待测负载电路已开路时关断。
本发明的另一方面提供了一种开态负载开路检测方法，根据上述实施例中任一项所述的开态负载开路检测电路进行开路检测，所述方法包括：
控制连接第一电源电压输入端与负载电压输入端的开关模块处于导通状态；
利用第一电压线性转换模块将所述第一电源电压输入端输入的电源电压线性转换为第一低压信号；
利用第二电压线性转换模块将所述负载电压输入端输入的负载电压转换为第二低压信号；
比较所述第一低压信号与所述第二低压信号，并根据比较结果判断待测负载电路的通断。
在本发明的一个实施例中，比较所述第一低压信号与所述第二低压信号，并根据比较结果判断待测负载电路的通断，包括：
通过比较器比较所述第一低压信号与所述第二低压信号，并产生模拟比较信号；
通过整形电路将所述模拟比较信号转换为数字比较信号；
逻辑电路根据所述数字比较信号判断所述待测负载电路的通断，并在判断出所述待测负载电路已开路时控制所述开关模块关断。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明的开态负载开路检测电路和方法，利用线性电压转换将高压信号转换至低压信号，并在低压域使用微失调比较器实现开态负载开路的检测，在待测负载电路发生开路时能及时关闭功率管，避免给芯片中的器件带来损伤。
以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是现有技术的一种开态负载开路检测电路的电路结构图；
图2是本发明实施例提供的一种开态负载开路检测电路的模块图；
图3是本发明实施例提供的一种开态负载开路检测电路的电路结构图；
图4是本发明实施例提供的一种开态负载开路检测方法的流程图。
具体实施方式
为了进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及具体实施方式，对依据本发明提出的一种开态负载开路检测电路和方法进行详细说明。
有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合附图的具体实施方式详细说明中即可清楚地呈现。通过具体实施方式的说明，可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效进行更加深入且具体地了解，然而所附附图仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明的技术方案加以限制。
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。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物品或者设备中还存在另外的相同要素。
实施例一
请参见图2，图2是本发明实施例提供的一种开态负载开路检测电路的模块图。本实施例的开态负载开路检测电路包括第一电压线性转换模块101、第二电压线性转换模块102、控制模块103和开关模块104。该开态负载开路检测电路用于在开关模块104处于连接状态时检测待测负载电路是否出现开路，并且在检测出待测负载电路开路时控制开关模块104关断，以避免高电压对后续电路造成损伤。
第一电压线性转换模块101连接第一电源电压Vhigh的输入端，用于将第一电源电压Vhigh线性转换为第一低压信号；第二电压线性转换模块102连接负载电压Vin的输入端，用于将负载电压Vin线性转换为第二低压信号；控制模块103连接第一电压线性转换模块101和第二电压线性转换模块102，用于比较第一低压信号与第二低压信号，并根据比较结果判断待测负载电路的通断；开关模块104连接在第一电源电压Vhigh的输入端与负载电压Vin的输入端之间，对待检测的负载电路提供电流。
进一步地，请参见图3，图3是本发明实施例提供的一种开态负载开路检测电路的电路结构图。开关模块104包括第一NMOS管N1，第一NMOS管N1的漏极连接至第一电源电压Vhigh的输入端，源极连接至负载电压Vin的输入端，栅极NMOS管开启电压Von；在开路检测过程中，所述第一NMOS管N1处于导通状态，并且在判断出所述待测负载电路已开路时，所述第一NMOS管N1关断。
进一步地，第一电压线性转换模块101包括第二NMOS管N2、第一电阻R1、第二电阻R2和第三电阻R3，其中，第一电阻R1和第二电阻R2串联在第一电源电压Vhigh的输入端与接地端GND之间；第三电阻R3连接在接地端GND与第二NMOS管N2的源极之间，第二NMOS管N2的栅极连接在第一电阻R1与第二电阻R2之间的节点处，第二NMOS管N2的漏极连接至第二电源电压Vlow的输入端；控制模块103的第一输入端连接在第三电阻R3与第二NMOS管N2的源极之间。
在本实施例中，第一NMOS管N1作为一个开关，其栅极连接至NMOS管开启电压输入端Von，输入开启电压。并且，当第一NMOS管N1处于开启态时，所述开启电压比所述高压输入信号Vin高一个第一NMOS管N1的阈值。需要说明的是，第一NMOS管N1在工作过程中一直处于开启状态，以保证负载电压Vin能够顺利输入本实施例的开态负载开路检测电路中。
进一步地，第二电压线性转换模块102包括第三NMOS管N3、第四电阻R4、第五电阻R5和第六电阻R6，其中，第四电阻R4和第五电阻R5串联在负载电压Vin的输入端与接地端GND之间；第六电阻R6连接在接地端GND与第三NMOS管N3的源极之间，第三NMOS管N3的栅极连接在第四电阻R4与第五电阻R5之间的节点处，第三NMOS管N3的漏极连接至第二电源电压Vlow的输入端；控制模块103的第二输入端连接在第六电阻R6与第三NMOS管N3的源极之间。
第一电源电压Vhigh大于第二电源电压Vlow。优选地，供电模块103的第一电压输出端的供电范围是4V-100V，供电模块103的第二电压输出端的供电范围是3V-5.5V。本实施例的第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和第四电阻R4可以通过其他阻抗形式来代替，例如反向截止MOS管。
在本实施例中，第一电压线性转换模块101和第二电压线性转换模块102的电路结构及参数均相同，即，第二NMOS管N2与第三NMOS管N3的结构相同，第一电阻R1与第四电阻R4的阻值相同，第二电阻R2与第五电阻R5的阻值相同，第三电阻R3与第六电阻R6的阻值相同。
在实际参数选择过程中，选取第一电源电压Vhigh正常工作时的最高电压，设置第一电阻R1与第二电阻R2的器件参数，使第一电阻R1与第二电阻R2之间的电压VA-Vth>Vlow-VS1，其中，Vth为第二NMOS管N2的阈值，电压VA的表达式如下：
Figure BDA0002351154420000081
进一步地，第二NMOS管N2为高Vgd耐压NMOS管，其中，Vgd是栅极相对于漏极的电压，第二NMOS管N2的Vgd耐压需大于：
Figure BDA0002351154420000082
类似地，电压VB的表达式为：
Figure BDA0002351154420000083
第一低压信号VS1即为第一电源电压Vhigh经过电压转换后的输出电压，该第一低压信号VS1与第一电源电压Vhigh呈线性比例关系，且位于第二电源电压Vlow的范围内。类似地，第二低压信号VS2即为负载电压Vin经过电压转换后的输出电压，该第二低压信号VS2与负载电压Vin呈线性比例关系，且位于第二电源电压Vlow的范围内。
进一步地，控制模块103包括比较器1031、整形电路1032和逻辑电路1033，其中，比较器1031的第一输入端连接至第一电压线性转换模块101，比较器1031的第二输入端连接至第二电压线性转换模块102，比较器1031用于比较第一低压信号与第二低压信号，并产生模拟比较信号；整形电路1032连接至比较器1031的输出端，用于将模拟比较信号转换为数字比较信号；逻辑电路1033连接至整形电路1032，用于根据模拟比较信号判断待测负载电路的通断，并在判断出待测负载电路已断开时控制第一NMOS管N1关断。
更进一步地，控制模块103还包括驱动控制电路1034，驱动控制电路1034的输入端连接至逻辑电路1033的输出端，驱动控制电路1034的输出端连接至第一NMOS管N1的栅极，驱动控制电路1034用于根据来自逻辑电路1033的控制信号，驱动第一NMOS管N1在所述待测负载电路已断开时关断。
需要说明的是，当第一NMOS管N1导通，且负载Rload连接正常时，Vin＝Iload*Rload；当第一NMOS管N1导通，但负载Rload断开时，Vin电压接近Vhigh电压。本实施例的第一电压线性转换模块101和第二电压线性转换模块102的电路结构及参数完全一致，目的为使Vhigh与Vin在电压转换过程中的线性度一致。本实施例的比较器1031为微失调比较器，可以设定一定的阈值，当负载电压Vin与第一电源电压Vhigh较为接近，即相差小于设定的阈值时，判定为负载Rload断开，此时比较器翻转，通过整形电路1032向逻辑电路1033报送负载开路信号，随后，逻辑电路1033向驱动控制电路1034发送控制信号，驱动控制电路1034驱动第一NMOS管N1关断，以避免造成芯片中其他器件的损伤。
本实施例的开态负载开路检测电路利用线性电压转换将高压信号转换至低压信号，并在低压域使用微失调比较器实现开态负载开路的检测，在待测负载电路发生开路时能及时关闭功率管，避免给芯片带来损伤。
实施例二
在上述实施例的基础上，本实施例提供了一种开态负载开路检测方法，该开态负载开路检测方法根据实施例一所述的开态负载开路检测电路进行开路检测。请参见图4，图4是本发明实施例提供的一种开态负载开路检测方法的流程图。所述开态负载开路检测方法包括：
S1：控制连接第一电源电压输入端与负载电压输入端的开关模块处于导通状态；
如图3所示，在本实施例中，所述开关模块为第一NMOS管N1，第一NMOS管N1的漏极连接至第一电源电压Vhigh的输入端，源极连接至负载电压Vin的输入端，栅极NMOS管开启电压Von；在开路检测过程中，所述第一NMOS管N1处于导通状态，并且在判断出所述待测负载电路已断开时，关断第一NMOS管N1，以避免对所在芯片中的其他器件造成损伤。
需要说明的是，第一NMOS管N1在工作过程中一直处于开启状态，以保证负载电压Vin能够顺利输入执行本实施例方法的开态负载开路检测电路中。
S2：利用第一电压线性转换模块将所述第一电源电压输入端输入的电源电压线性转换为第一低压信号；
S3：利用第二电压线性转换模块将所述负载电压输入端输入的负载电压转换为第二低压信号；
S4：比较所述第一低压信号与所述第二低压信号，并根据比较结果判断待测负载电路的通断。
具体地，通过比较器比较所述第一低压信号与所述第二低压信号，并产生模拟比较信号；通过整形电路将所述模拟比较信号转换为数字比较信号；逻辑电路根据所述数字比较信号判断所述待测负载电路的通断，并在判断出所述待测负载电路已断开时控制所述开关模块关断。
本实施例的第一电压线性转换模块和第二电压线性转换模块的电路结构及参数完全一致，目的为使第一电源电压Vhigh与负载电压Vin在电压转换过程中的线性度一致。本实施例的比较器为微失调比较器，可以设定一定的阈值，当负载电压Vin与第一电源电压Vhigh较为接近，即相差小于设定的阈值时，判定为负载Rload断开，此时比较器翻转，向逻辑电路报送负载开路信号，随后，逻辑电路向驱动控制电路发送控制信号，驱动控制电路驱动第一NMOS管N1关断，以避免造成芯片中其他器件的损伤。
本实施例的开态负载开路检测方法利用线性电压转换将高压信号转换至低压信号，并在低压域使用微失调比较器实现开态负载开路的检测，在待测负载电路发生开路时能及时关闭功率管，避免给芯片中的器件带来损伤
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种开态负载开路检测电路，其特征在于，包括第一电压线性转换模块(101)、第二电压线性转换模块(102)、控制模块(103)和开关模块(104)，其中，
所述第一电压线性转换模块(101)连接第一电源电压(Vhigh)的输入端，用于将所述第一电源电压(Vhigh)线性转换为第一低压信号；
所述第二电压线性转换模块(102)连接负载电压(Vin)的输入端，用于将所述负载电压(Vin)线性转换为第二低压信号；
所述控制模块(103)连接所述第一电压线性转换模块(101)和所述第二电压线性转换模块(102)，用于比较所述第一低压信号与所述第二低压信号，并根据比较结果判断待测负载电路的通断；
所述开关模块(104)连接在所述第一电源电压(Vhigh)的输入端与所述负载电压(Vin)的输入端之间，用于为所述待测负载电路提供电流。
2.根据权利要求1所述的开态负载开路检测电路，其特征在于，所述开关模块(104)包括第一NMOS管(N1)，所述第一NMOS管(N1)的漏极连接至所述第一电源电压(Vhigh)的输入端，源极连接至所述负载电压(Vin)的输入端，栅极输入NMOS管开启电压(Von)；
在开路检测过程中，所述第一NMOS管(N1)处于导通状态，并且在判断出所述待测负载电路已开路时，所述第一NMOS管(N1)关断。
3.根据权利要求2所述的开态负载开路检测电路，其特征在于，所述第一电压线性转换模块(101)包括第二NMOS管(N2)、第一电阻(R1)、第二电阻(R2)和第三电阻(R3)，其中，
所述第一电阻(R1)和所述第二电阻(R2)串联在所述第一电源电压(Vhigh)的输入端与接地端(GND)之间；
所述第三电阻(R3)连接在所述接地端(GND)与所述第二NMOS管(N2)的源极之间，所述第二NMOS管(N2)的栅极连接在所述第一电阻(R1)与所述第二电阻(R2)之间的节点处，所述第二NMOS管(N2)的漏极连接至第二电源电压(Vlow)的输入端；
所述控制模块(103)的第一输入端连接在所述第三电阻(R3)与所述第二NMOS管(N2)的源极之间。
4.根据权利要求3所述的开态负载开路检测电路，其特征在于，所述第二电压线性转换模块(102)包括第三NMOS管(N3)、第四电阻(R4)、第五电阻(R5)和第六电阻(R6)，其中，
所述第四电阻(R4)和所述第五电阻(R5)串联在所述负载电压(Vin)的输入端与接地端(GND)之间；
所述第六电阻(R6)连接在所述接地端(GND)与所述第三NMOS管(N3)的源极之间，所述第三NMOS管(N3)的栅极连接在所述第四电阻(R4)与所述第五电阻(R5)之间的节点处，所述第三NMOS管(N3)的漏极连接至所述第二电源电压(Vlow)的输入端；
所述控制模块(103)的第二输入端连接在所述第六电阻(R6)与所述第三NMOS管(N3)的源极之间。
5.根据权利要求4所述的开态负载开路检测电路，其特征在于，所述第一电源电压(Vhigh)大于所述第二电源电压(Vlow)。
6.根据权利要求4所述的开态负载开路检测电路，其特征在于，所述第二NMOS管(N2)与所述第三NMOS管(N3)的结构相同，所述第一电阻(R1)与第四电阻(R4)的阻值相同，所述第二电阻(R2)与第五电阻(R5)的阻值相同，所述第三电阻(R3)与第六电阻(R6)的阻值相同。
7.根据权利要求4所述的开态负载开路检测电路，其特征在于，所述控制模块(103)包括比较器(1031)、整形电路(1032)和逻辑电路(1033)，其中，
所述比较器(1031)的第一输入端连接至所述第一电压线性转换模块(101)，所述比较器(1031)的第二输入端连接至所述第二电压线性转换模块(102)，所述比较器(1031)用于比较所述第一低压信号与所述第二低压信号，并产生模拟比较信号；
所述整形电路(1032)连接至所述比较器(1031)的输出端，用于将所述模拟比较信号转换为数字比较信号；
所述逻辑电路(1033)连接至所述整形电路(1032)，用于根据所述数字比较信号判断所述待测负载电路的通断，并在判断出所述待测负载电路已开路时控制所述第一NMOS管(N1)关断。
8.根据权利要求7所述的开态负载开路检测电路，其特征在于，所述控制模块(103)还包括驱动控制电路(1034)，所述驱动控制电路(1034)的输入端连接至所述逻辑电路(1033)的输出端，所述驱动控制电路(1034)的输出端连接至所述第一NMOS管(N1)的栅极，所述驱动控制电路(1034)用于根据来自所述逻辑电路(1033)的控制信号，驱动所述第一NMOS管(N1)在所述待测负载电路已开路时关断。
9.一种开态负载开路检测方法，其特征在于，根据权利要求1至8中任一项所述的开态负载开路检测电路进行开路检测，所述方法包括：
控制连接第一电源电压输入端与负载电压输入端的开关模块处于导通状态；
利用第一电压线性转换模块将所述第一电源电压输入端输入的电源电压线性转换为第一低压信号；
利用第二电压线性转换模块将所述负载电压输入端输入的负载电压转换为第二低压信号；
比较所述第一低压信号与所述第二低压信号，并根据比较结果判断待测负载电路的通断。
10.根据权利要求9所述的开态负载开路检测方法，其特征在于，比较所述第一低压信号与所述第二低压信号，并根据比较结果判断待测负载电路的通断，包括：
通过比较器比较所述第一低压信号与所述第二低压信号，并产生模拟比较信号；
通过整形电路将所述模拟比较信号转换为数字比较信号；
逻辑电路根据所述数字比较信号判断所述待测负载电路的通断，并在判断出所述待测负载电路已开路时控制所述开关模块关断。
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