CN111200423A - 一种功率管短路保护电路 - Google Patents

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Abstract

一种功率管短路保护电路，通过在功率MOS管的栅极设置双路关断控制电路，能够在短路发生时供电电压被拉低的情况下仍然及时关断功率MOS管，从而更加有效地保护功率MOS管免于大电流过载而烧毁。

Description

一种功率管短路保护电路
技术领域
本发明涉及功率MOS管短路保护技术，特别是一种功率管短路保护电路，通过在功率MOS管的栅极设置双路关断控制电路，能够在短路发生时供电电压被拉低的情况下仍然及时关断功率MOS管，从而更加有效地保护功率MOS管免于大电流过载而烧毁。
背景技术
目前的短路保护电路主要是通过采样功率MOS管的电流，当流过MOS管的电流大于某个阈值时关断功率MOS管，从而达到保护功率MOS管的目的。功率MOS管(或简称功率管)Mpower的栅极通常只连接一个关断控制器Controller，所述关断控制器采集Mpower的电流并转换为采样电压Vsense，Mpower为NMOS管时，其源极通过输出电压端Vout连接负载，其漏极连接电源电压Vin，Vout和Vin分别接入关断控制器，Vout通过输出电容接地。这种电路的保护原理如下：当短路发生时，流过Mpower的电流急剧增加，当监测到Vsense大于某个阈值时，关断控制器Controller关断Mpower以使其免于大电流过载而烧毁。本发明人发现，这种方式的缺点在于当短路速度很快而供电电压被拉低至无法维持控制电路的正常工作时不能及时关断功率MOS管，导致其因为过载而被烧毁，因此无法有效保护功率MOS管。本发明人认为，如果在现有关断控制器Controller基础上再在Mpower的栅极接入一个能够起辅助或协同关断作用的第二关断控制器Controller，也就是说，当短路速度很快而供电电压被拉低至无法维持控制电路的正常工作时能够利用第二关断控制器Controller及时关断功率MOS管，从而更加有效地保护功率MOS管免于大电流过载而烧毁。有鉴于此，本发明人完成了本发明。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的缺陷或不足，提供一种功率管短路保护电路，通过在功率MOS管的栅极设置双路关断控制电路，能够在短路发生时供电电压被拉低的情况下仍然及时关断功率MOS管，从而更加有效地保护功率MOS管免于大电流过载而烧毁。
本发明技术方案如下：
一种功率管短路保护电路，其特征在于，包括功率管，所述功率管为功率MOS管，所述功率MOS管的栅极设置有双路关断控制电路。
所述双路关断控制电路包括第一关断控制器和第二关断控制器。
所述功率MOS管为功率NMOS管，所述功率NMOS管的源极连接输出电压端，所述功率NMOS管的漏极连接供电电压端，所述功率NMOS管的栅极一路连接第一关断控制器，所述功率NMOS管的栅极另一路连接第二关断控制器。
所述第二关断控制器包括第一比较器，所述第一比较器的负向输入端和控制端分别连接供电电压端，所述第一比较器的正向输入端通过第一阈值电压电路接地，所述第一比较器的输出端连接第一反相器的输入端，所述第一反相器的控制端连接供电电压端，所述第一反相器的输出端连接第二NMOS管的栅极，所述第二NMOS管的源极连接第一NMOS管的源极并接地，所述第二NMOS管的漏极连接所述第一NMOS管的栅极并通过第二电阻连接充电电压节点，所述充电电压节点一路通过第一电容接地，另一路连接第一三极管的发射极，所述第一三极管的基极和集电极互连，所述第一三极管的集电极通过第一电阻连接供电电压端，所述第一NMOS管的漏极通过第三电阻连接所述功率MOS管的栅极。
所述第一关断控制器包括第二比较器，所述第二比较器的正向输入端连接所述功率MOS管的输出电压端，所述第二比较器的负向输入端通过第二阈值电压电路接地，所述第二比较器的输出端通过逻辑电路连接驱动模块的第一输入端，功率管控制信号通过所述逻辑电路连接驱动模块的第二输入端，所述驱动模块的输出端连接所述功率MOS管的栅极。
所述第二比较器的正向输入端连接所述功率MOS管的输出电压端以采样流过所述功率MOS管的电流，并将采样电流转换为采样电压。
所述第二电阻为兆级电阻。
在正常工作状态下，供电电压大于第一阈值电压，第一比较器输出低电平，第一反相器输出高电平，第二NMOS管导通使第一NMOS管的栅压被拉低而使第一NMOS管保持关闭状态；当短路发生时，若供电电压被拉低至所述第一关断控制器中的逻辑电路不能正常工作而使得连接功率MOS管栅极的驱动模块输出为高阻态，该高阻态使所述功率MOS管的栅极电荷无法通过所述驱动模块释放而使所述功率MOS管保持导通，这时所述第二关断器中的第一电容借助充电电压节点通过第二电阻向第一NMOS管的充电而使所述第一NMOS管导通，所述功率MOS管的栅极电荷依次经过第三电阻和第一NMOS管释放到接地端而使所述功率MOS管关断。
当短路发生时，若供电电压被拉低至低于所述第二关断器中的第一阈值电压，则第一比较器输出高电平，第一反相器输出低电平而使第二NMOS管关断，第一NMOS管导通，所述功率MOS管的栅极电荷依次经过第三电阻和第一NMOS管释放到接地端而辅助第一关断器使所述功率MOS管关断。
所述第三电阻的阻值设定用于调整所述功率MOS管的关断速度，防止过快关断引起的感生电动势击穿电路中的MOS管。
本发明技术效果如下：本发明一种功率管短路保护电路采用了双路关断控制电路，即在通常现有技术中具有的第一关断控制器的基础上增加了第二关断控制器。第二关断控制器是本发明增加的辅助关断电路，能够在短路发生时供电电压被拉低的情况下仍然及时关断功率MOS管，从而更加有效地保护功率MOS管免于大电流过载而烧毁。
本发明的特点如下：1.能够在短路发生时，电源电压被拉低的情况下依然有效关闭功率MOS管；2.在电路寄生参数较大时，能以适当的速度关闭功率MOS管，防止感生电动势击穿MOS管。
附图说明
图1是实施本发明一种功率管短路保护电路的结构示意图。
附图标记列示如下：Mpower-功率管(例如功率MOS管，图1中为功率NMOS管)；Vin-供电电压或电源电压或供电电压端；Vout-输出电压或输出电压端；Vdrv-驱动栅压；Drv-驱动模块；LC-逻辑电路(例如包括反相器，与门电路等)；Vctl-功率管控制信号；Comp2-第二比较器；Vsense-采样电压；Vth2-第二阈值电压；Controller 1-第一关断控制器；Controller2-第二关断控制器；M1-第一NMOS管；M2-第二NMOS管；Q1-第一三极管；R1-第一电阻；R2-第二电阻(通常采用兆级电阻)；R3-第三电阻；C1-第一电容；Inv 1-第一反相器；Comp1-第一比较器；Vth1-第一阈值电压；Vdd-充电电压；VUVLO-第一比较器输出电平。图1中的LC、Comp2、Drv等由供电电压端Vin供电。
具体实施方式
下面结合附图(图1)对本发明进行说明。
图1是实施本发明一种功率管短路保护电路的结构示意图。如图1所示，一种功率管短路保护电路，包括功率管Mpower，所述功率管Mpower为功率MOS管，所述功率MOS管的栅极设置有双路关断控制电路。所述双路关断控制电路包括第一关断控制器Controller1和第二关断控制器Controller 2。所述功率MOS管为功率NMOS管，所述功率NMOS管的源极连接输出电压端Vout，所述功率NMOS管的漏极连接供电电压端Vin，所述功率NMOS管的栅极一路连接第一关断控制器Controller 1，所述功率NMOS管的栅极另一路连接第二关断控制器Controller 2。
所述第二关断控制器Controller 2包括第一比较器Comp1，所述第一比较器Comp1的负向输入端(-)和控制端分别连接供电电压端Vin，所述第一比较器Comp1的正向输入端(+)通过第一阈值电压Vth1电路接地，所述第一比较器Comp1的输出端连接第一反相器Inv1的输入端，所述第一反相器Inv 1的控制端连接供电电压端Vin，所述第一反相器Inv 1的输出端连接第二NMOS管M2的栅极，所述第二NMOS管M2的源极连接第一NMOS管M1的源极并接地，所述第二NMOS管M2的漏极连接所述第一NMOS管M1的栅极并通过第二电阻R2连接充电电压Vdd节点，所述充电电压Vdd节点一路通过第一电容C1接地，另一路连接第一三极管Q1的发射极，所述第一三极管Q1的基极和集电极互连，所述第一三极管Q1的集电极通过第一电阻R1连接供电电压端Vin，所述第一NMOS管M1的漏极通过第三电阻R3连接所述功率MOS管的栅极。所述第一关断控制器Controller 1包括第二比较器Comp2，所述第二比较器Comp2的正向输入端(+)连接所述功率MOS管的输出电压端Vout，所述第二比较器Comp2的负向输入端(-)通过第二阈值电压Vth2电路接地，所述第二比较器Comp2的输出端通过逻辑电路LC连接驱动模块Drv的第一输入端，功率管控制信号Vctl通过所述逻辑电路LC连接驱动模块Drv的第二输入端，所述驱动模块Drv的输出端连接所述功率MOS管的栅极。所述第二比较器Comp2的正向输入端(+)连接所述功率MOS管的输出电压端Vout以采样流过所述功率MOS管的电流，并将采样电流转换为采样电压Vsense。所述第二电阻R2为兆级电阻。
在正常工作状态下，供电电压Vin大于第一阈值电压Vth1，第一比较器Comp1输出低电平，第一反相器Inv 1输出高电平，第二NMOS管M2导通使第一NMOS管M1的栅压被拉低而使第一NMOS管M1保持关闭状态；当短路发生时，若供电电压Vin被拉低至所述第一关断控制器Controller 1中的逻辑电路LC不能正常工作而使得连接功率MOS管栅极的驱动模块Drv输出为高阻态，该高阻态使所述功率MOS管的栅极电荷无法通过所述驱动模块Drv释放而使所述功率MOS管保持导通，这时所述第二关断器Controller 2中的第一电容C1借助充电电压Vdd节点通过第二电阻R2向第一NMOS管M1的充电而使所述第一NMOS管M1导通，所述功率MOS管的栅极电荷依次经过第三电阻R3和第一NMOS管M1释放到接地端而使所述功率MOS管关断。当短路发生时，若供电电压Vin被拉低至低于所述第二关断器Controller 2中的第一阈值电压Vth1，则第一比较器Comp1输出高电平，第一反相器Inv 1输出低电平而使第二NMOS管M2关断，第一NMOS管M1导通，所述功率MOS管的栅极电荷依次经过第三电阻R3和第一NMOS管M1释放到接地端而辅助第一关断器Controller 1使所述功率MOS管关断。所述第三电阻R3的阻值设定用于调整所述功率MOS管的关断速度，防止过快关断引起的感生电动势击穿电路中的MOS管。
第二关断器Controller 2即辅助关断电路是本发明额外增加的电路。Vin为供电电压，Vin通过电阻R1、三极管Q1给电容C1充电至Vdd，Vdd＝Vin-VbeQ1。R1的作用是防止上电瞬间电容C1的充电电流过大。由于Q1为二极管接法，因此C1上的电荷只能通过R2(兆级电阻)缓慢释放。正常工作状态下，Vin>Vth1，比较器Comp1的输出Vuvlo为低电平，反相器Inv 1输出高电平(Vin)，打开M2，拉低M1的栅极使其保持关闭状态。
当短路发生时，若Vin被拉低至低于MOS管的开启电压，则Controller中的逻辑电路不能正常工作，Drv输出为高阻态，Mpower的栅极电荷无法通过Drv释放。而此时C1电容已被充满电，且反相器Inv 1的输出为高阻态，M2被关闭。Vdd通过R2给M1栅极充电，M1导通，Mpower的栅极电荷通过R3、M1释放到地从而关断Mpower。通过调整R3的阻值大小可以调整Mpowe的关闭速度，防止其关闭过快、电流急剧减小，引起的感生电动势击穿MOS管。R2的阻值选择也要适中，阻值过小，则正常工作时静态电流较大；阻值过大，则不能及时开启M1。若短路发生时Vin没有被拉低至低于MOS管的开启电压，但是低于Vth1，则VUVLO为高电平，同样可以关闭M2，使M1导通，辅助Controller1关闭Mpower。
在此指明，以上叙述有助于本领域技术人员理解本发明创造，但并非限制本发明创造的保护范围。任何没有脱离本发明创造实质内容的对以上叙述的等同替换、修饰改进和/或删繁从简而进行的实施，例如，将第一三极管Q1用二极管或MOS管代替，将第一NMOS管M1或第二NMOS管M2用三极管代替等，均落入本发明创造的保护范围。

Claims (10)

1.一种功率管短路保护电路，其特征在于，包括功率管，所述功率管为功率MOS管，所述功率MOS管的栅极设置有双路关断控制电路。
2.根据权利要求1所述的功率管短路保护电路，其特征在于，所述双路关断控制电路包括第一关断控制器和第二关断控制器。
3.根据权利要求1所述的功率管短路保护电路，其特征在于，所述功率MOS管为功率NMOS管，所述功率NMOS管的源极连接输出电压端，所述功率NMOS管的漏极连接供电电压端，所述功率NMOS管的栅极一路连接第一关断控制器，所述功率NMOS管的栅极另一路连接第二关断控制器。
4.根据权利要求2所述的功率管短路保护电路，其特征在于，所述第二关断控制器包括第一比较器，所述第一比较器的负向输入端和控制端分别连接供电电压端，所述第一比较器的正向输入端通过第一阈值电压电路接地，所述第一比较器的输出端连接第一反相器的输入端，所述第一反相器的控制端连接供电电压端，所述第一反相器的输出端连接第二NMOS管的栅极，所述第二NMOS管的源极连接第一NMOS管的源极并接地，所述第二NMOS管的漏极连接所述第一NMOS管的栅极并通过第二电阻连接充电电压节点，所述充电电压节点一路通过第一电容接地，另一路连接第一三极管的发射极，所述第一三极管的基极和集电极互连，所述第一三极管的集电极通过第一电阻连接供电电压端，所述第一NMOS管的漏极通过第三电阻连接所述功率MOS管的栅极。
5.根据权利要求4所述的功率管短路保护电路，其特征在于，所述第一关断控制器包括第二比较器，所述第二比较器的正向输入端连接所述功率MOS管的输出电压端，所述第二比较器的负向输入端通过第二阈值电压电路接地，所述第二比较器的输出端通过逻辑电路连接驱动模块的第一输入端，功率管控制信号通过所述逻辑电路连接驱动模块的第二输入端，所述驱动模块的输出端连接所述功率MOS管的栅极。
6.根据权利要求1所述的功率管短路保护电路，其特征在于，所述第二比较器的正向输入端连接所述功率MOS管的输出电压端以采样流过所述功率MOS管的电流，并将采样电流转换为采样电压。
7.根据权利要求1所述的功率管短路保护电路，其特征在于，所述第二电阻为兆级电阻。
8.根据权利要求5所述的功率管短路保护电路，其特征在于，在正常工作状态下，供电电压大于第一阈值电压，第一比较器输出低电平，第一反相器输出高电平，第二NMOS管导通使第一NMOS管的栅压被拉低而使第一NMOS管保持关闭状态；当短路发生时，若供电电压被拉低至所述第一关断控制器中的逻辑电路不能正常工作而使得连接功率MOS管栅极的驱动模块输出为高阻态，该高阻态使所述功率MOS管的栅极电荷无法通过所述驱动模块释放而使所述功率MOS管保持导通，这时所述第二关断器中的第一电容借助充电电压节点通过第二电阻向第一NMOS管的充电而使所述第一NMOS管导通，所述功率MOS管的栅极电荷依次经过第三电阻和第一NMOS管释放到接地端而使所述功率MOS管关断。
9.根据权利要求5所述的功率管短路保护电路，其特征在于，当短路发生时，若供电电压被拉低至低于所述第二关断器中的第一阈值电压，则第一比较器输出高电平，第一反相器输出低电平而使第二NMOS管关断，第一NMOS管导通，所述功率MOS管的栅极电荷依次经过第三电阻和第一NMOS管释放到接地端而辅助第一关断器使所述功率MOS管关断。
10.根据权利要求5所述的功率管短路保护电路，其特征在于，所述第三电阻的阻值设定用于调整所述功率MOS管的关断速度，防止过快关断引起的感生电动势击穿电路中的MOS管。
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