CN111537775A

CN111537775A - 一种用于功率开关mosfet导通电流采样电路

Info

Publication number: CN111537775A
Application number: CN202010206174.9A
Authority: CN
Inventors: 黄胜明; 李卫东
Original assignee: Suzhou Ruigeyou Electronic Technology Co ltd
Current assignee: Suzhou Ruigeyou Electronic Technology Co ltd
Priority date: 2020-03-23
Filing date: 2020-03-23
Publication date: 2020-08-14
Anticipated expiration: 2040-03-23
Also published as: CN111537775B

Abstract

本发明实施例提供了一种用于功率开关MOSFET导通电流采样电路，涉及电机驱动保护的技术领域。本发明实施例提供了一种用于功率开关MOSFET导通电流采样电路，电路由控制器控制第一驱动器和/或第二驱动器，包括：正转采样电路，正转驱动MOS管组，反转驱动MOS管组以及第一电容C1以及检测电阻Rsen；正转采样电路包括第五MOS管M5、第六MOS管M6以及第一监视MOS管Msen1、第一开关SW1以及第一比较器；通过上述器件及其连接方式，可以将通过检测电阻Rsen电流大幅度减小，从而减少通过检测电阻Rsen的热耗，降低了散热系统的设计难度。

Description

一种用于功率开关MOSFET导通电流采样电路

技术领域

本发明涉及电机驱动电路保护技术领域，尤其是涉及一种用于功率开关MOSFET导通电流采样电路。

背景技术

直流电机广泛应用于打印机、机器人、工业自动化和电动工具等电子设备中。要使电机运转，需要应用控制驱动芯片。图1所示是一个两相有刷电机驱动示意图，M1、M2、M11、M22是MOSFET开关。当M22和M1导通时电流从VDD经过开关M22从电机的正极流向负极，再经过开关M1和电流检测电阻R_SEN流向地，电机正转；当M2和M11导通时，电流从VDD经过开关M2从电机的负极流向正极，再经过开关M11和电流检测电阻R_SEN流向地，电机反转。

为了保护电机不被短接到电源VDD或地，需要对通过电机的电流进行监测，避免通过电机的电流过大，即过流保护(OCP)。如图1所示，传统的过流保护方法是用一个连接在SEN端口和地之间的外部电流检测电阻R_SEN来监测通过电机的电流。无论通过电机的电流是正向还是反向，其电流都是经过R_SEN。过流监测比较器(OCP Comp)的正极连接SEN端，负极连接到过流监测参考电压V_ilim。当流过电机的电流过大时，电流检测电阻R_SEN上的电压会高于V_ilim，导致过流监测比较器输出状态翻转，逻辑控制电路控制驱动器把连接电机到电源和地的开关关断，起到保护电机的作用。

通常，对于一般的直流电机，驱动电机的电流较大，稳定运行时会达到一个安培以上，例如一个安培。由于启动电机需要比稳定工作更大的电流，为了避免误保护，过流保护点通常设置在电机稳定运行电流的2倍以上，例如2.5倍即把过流电流值设置为2.5A。如果过流保护参考电压V_ilim设置在0.5V，那么，电流检测电阻Rsen就需要取值0.2欧姆。而稳定运行时通过电机的驱动电流是1A，因此检测电阻Rsen上的功耗是0.2瓦特。这不仅导致较多的能量损失，还增加了对系统散热的设计难度。

综上所述，现有技术中由于检测电阻Rsen热损耗大，增加了系统的散热难度。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种用于功率开关MOSFET导通电流采样电路，以降低检测电阻Rsen的散热，降低现有技术系统的散热设计难度。

第一方面，本发明提供了一种用于功率开关MOSFET导通电流采样电路，所述的电路由控制器控制第一驱动器和/或第二驱动器，其特征在于，包括：正转采样电路，正转驱动MOS管组，反转驱动MOS管组以及第一电容C1以及检测电阻Rsen；

所述正转采样电路包括第五MOS管M5、第六MOS管M6以及第一监视MOS管Msen1、第一开关SW1以及第一比较器；

所述正转驱动MOS管组包括第二MOS管M2以及第三MOS管M3；

所述反转驱动MOS管组包括第一MOS管M1以及第四MOS管M4；

所述第一MOS管M1的源极与所述第二MOS管M2的漏极相连，所述第二MOS管M2的源极接地，所述第一MOS管M1的栅极与所述第二驱动器的一个输出端相连，所述第二MOS管M2的栅极与所述第二驱动器另一个输出端相连，所述第一MOS管M1的漏极与外接电源相连；

所述第三MOS管M3的源极与所述第四MOS管M4的漏极相连，所述第四MOS管M4的源极接地，所述第三MOS管M3的栅极与所述第一驱动器的一个输出端相连，所述第四MOS管M4的栅极与所述第一驱动器另一个输出端相连，所述第三MOS管M3的漏极与外接电源相连；

所述第五MOS管M5的栅极与所述第一求和器的输出端相连，所述第五MOS管M5的漏极通过第一电阻R1与所述外接电源相连，所述第五MOS管M5的源极与所述第一监视MOS管Msen1的漏极相连；

所述第一监视MOS管Msen1的栅极分别与所述第一开关SW1的一端以及所述第一电容C1的一端相连，所述第一监视MOS管Msen1的源极与所述第一比较器的同相输入端相连；

所述第六MOS管M6的栅极以及所述第六MOS管M6的漏极均与所述第一求和器的一个输入端相连，所述第六MOS管M6的源极分别与所述第一MOS管M1的源极以及所述第二MOS管M2的漏极相连；

所述第一电容C1的另一端分别与所述第一比较器的同向输入端以及所述第一求和器的另一个输入端相连；

所述第一比较器的输出端与所述控制器相连；

所述检测电阻Rsen的一端接地，所述检测电阻Rsen的另一端与所述第一比较器1的同向输入端相连，第一比较器的反向输入端连接参考电压V_ilim。

优选的，还包括反转采样电路，

所述反转采样电路包括第七MOS管M7、第八MOS管M8以及第二监视MOS管Msen 2、第二开关SW2以及第二比较器；

所述第七MOS管M7的栅极与所述第二求和器的输出端相连，所述第七MOS管M7的漏极通过第二电阻R2与所述外接电源相连，所述第七MOS管M7的源极与所述第二监视MOS管Msen2的漏极相连；

所述第二监视MOS管Msen2的栅极分别与所述第二开关SW2的一端以及所述第二电容C1的一端相连，所述第二监视MOS管Msen2的源极与所述第二比较器的同相输入端相连；

所述第八MOS管M8的栅极以及所述第八MOS管M8的漏极均与所述第二求和器的一个输入端相连，所述第八MOS管M8的源极分别与所述第三MOS管M3的源极以及所述第四MOS管M4的漏极相连；

所述第二电容C1的另一端分别与所述第二比较器的同向输入端以及所述第二求和器的另一个输入端相连；

所述第二比较器的输出端与所述控制器相连；

优选的，所述第一监视MOS管Msen1和所述第二MOS管M2具有同样的沟道长度，所述第一监视MOS管Msen1的沟道宽度为所述第二MOS管M2的1/n。

优选的，所述第二监视MOS管Msen2和所述第四MOS管M4具有同样的沟道长度，所述第二监视MOS管Msen2的沟道宽度为所述第四MOS管M4的1/n。

本发明实施例带来了以下有益效果：本发明实施例提供了一种用于功率开关MOSFET导通电流采样电路，电路由控制器控制第一驱动器和/或第二驱动器，，包括：正转采样电路，正转驱动MOS管组，反转驱动MOS管组以及第一电容C1以及检测电阻Rsen；正转采样电路包括第五MOS管M5、第六MOS管M6以及第一监视MOS管Msen1、第一开关SW1以及第一比较器；通过上述器件及其连接方式，可以将通过检测电阻Rsen电流大幅度减小，从而减少通过检测电阻Rsen的热耗，降低了散热系统的设计难度。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本现有技术提供的一种用于功率开关MOSFET导通电流采样电路；

图2为本发明实施例提供的一种用于功率开关MOSFET导通电流采样电路；

图3为本发明实施例提供的一种用于功率开关MOSFET导通电流采样电路电机正转工作原理图；

图4为本发明实施例提供的一种用于功率开关MOSFET导通电流采样电路电机反转工作原理图。

图标：1—第一比较器；2—第二比较器。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

目前过流保护方法是用一个连接在SEN端口和地之间的外部电流检测电阻RSEN来监测通过电机的电流。无论通过电机的电流是正向还是反向，其电流都是经过RSEN。，基于此，本发明实施例提供的一种用于功率开关MOSFET导通电流采样电路，通过本发明提供的电路可以减少检测电阻Res上的功率损耗，降低对系统散热的设计难度。

为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的一种用于功率开关MOSFET导通电流采样电路进行详细介绍。

实施例一：

本发明提供了一种用于功率开关MOSFET导通电流采样电路，所述的电路由控制器控制第一驱动器和/或第二驱动器，包括：正转采样电路，正转驱动MOS管组，反转驱动MOS管组以及第一电容C1以及检测电阻Rsen；

所述正转采样电路包括第五MOS管M5、第六MOS管M6以及第一监视MOS管Msen1、第一开关SW1以及第一比较器1；

所述正转驱动MOS管组包括第二MOS管M2以及第三MOS管M3；

所述反转驱动MOS管组包括第一MOS管M1以及第四MOS管M4；

所述第一监视MOS管Msen1的栅极分别与所述第一开关SW1的一端以及所述第一电容C1的一端相连，所述第一监视MOS管Msen1的源极与所述第一比较器1的同相输入端相连；

所述第一电容C1的另一端分别与所述第一比较器1的同向输入端以及所述第一求和器的另一个输入端相连；

所述第一比较器1的输出端与所述控制器相连；

在本发明提供的实施例中，所述第一监视MOS管Msen1和所述第二MOS管M2具有同样的沟道长度，所述第一监视MOS管Msen1的沟道宽度为所述第二MOS管M2的1/n。

需要说明的是，所述第一比较器1的输出端与所述控制器相连，所述第一比较器1的反向输入端连接参考电压V_ilim。

结合图2与图3所示，当控制器控制所述的正转驱动MOS管组中的MOS管工作，此时电机正转，第一开关SW1闭合，触发第一监视MOS管Msen1，此时第一监视MOS管Msen1的漏源电压与所述述第二MOS管M2的漏源电压相等，由于第一监视MOS管Msen1与第二MOS管M2的沟道长度相等但沟道宽度不等，因此通过第一监视MOS管Msen1的电流为通过第二MOS管M2电流的1/n，因此通过检测电阻Rsen的电流减小至原通过检测电阻Rsen电流的1/n。

实施例二：

如图4所示，当电机反转时，为了实现对电机状态的检测，本发明提供了另一种用于功率开关MOSFET导通电流采样电路，与实施例一不同的是，还包括反转采样电路，

所述反转采样电路包括第七MOS管M7、第八MOS管M8以及第二监视MOS管Msen 2、第二开关SW2以及第二比较器2；

所述第二监视MOS管Msen2的栅极分别与所述第二开关SW2的一端以及所述第二电容C1的一端相连，所述第二监视MOS管Msen2的源极与所述第二比较器2的同相输入端相连；

所述第二电容C1的另一端分别与所述第二比较器2的同向输入端以及所述第二求和器的另一个输入端相连；

所述第二比较器2的输出端与所述控制器相连。

在本发明提供的实施例中，所述第二监视MOS管Msen2和所述第四MOS管M4具有同样的沟道长度，所述第二监视MOS管Msen2的沟道宽度为所述第四MOS管M4的1/n。

需要说明的是，所述第二比较器2的反向输入端连接参考电压V_ilim。

当电机反转时，第二开关SW2闭合，触发所述第二监视MOS管Msen2,此时第二监视MOS管Msen2的漏源电压与所述第四MOS管M4的漏源电压相等，由于第二监视MOS管Msen2与第四MOS管M4的沟道长度相等但沟道宽度不等，因此通过第二监视MOS管Msen2的电流为通过四MOS管M4电流的1/n，因此通过检测电阻Rsen的电流减小至原通过检测电阻Rsen电流的1/n。

实施例三：

本发明实施例三对通过第一监视MOS管Msen1的漏源电压以及第二MOS管M2的漏源电压进行了计算，并对两者的栅源电压进行描述。

具体的以正转为例，当第一驱动器和第二驱动器输出高电平，驱动电流开关第三MOS管M3和第二MOS管M2导通时，第一开关SW1也是处于闭合状态，因此第一监视MOS管Msen1的栅极和M2的栅极处于相同的高电平。一个较短的时间比如100～200纳秒后，第一开关SW1断开，第一监视MOS管Msen1的栅极电荷会保存在第一电容C1上，即第一监视MOS管Msen1的栅源电压在第二MOS管M2导通的时间内近似等于第二MOS管M2的栅源电压。当驱动器驱动第二MOS管M2关断时，第一开关SW1闭合，对第一电容C1放电，第二MOS管M2关断时第一监视MOS管Msen1也关断，即第一监视MOS管Msen1的开关状态和M2同步，同时第一监视MOS管Msen1的栅源电压大小和第二MOS管M2的栅源电压也保持一致。由于第三MOS管M3和第二MOS管M2导通后通过电机的电流会线性增加，因此第二MOS管M2的漏极电压也即第二MOS管M2的漏源电压VDS_M2会增加。由于所述第六MOS管M6的源极与所述第二MOS管的漏极相连，当流经电阻R1的电流通过所述第六MOS管M6时，由于第六MOS管M6的源极连接到第二MOS管M2的漏极，并且，第六MOS管M6的栅极连接到其漏极，因此，所述第六MOS管M6的漏极和其栅极电压相等且为VGSO，可近似表示为

V_GSO＝V_T+V_{DS_M2} (1)；

其中，V_T是MOSFET的阈值电压，V_{DS_M2}是第二MOS管M2的漏源电压；

所述第五MOS管M5的栅极电压为所述第六MOS管M6的漏极电压V_GSO与所述比较器1同相输入端电压V_SEN之和，即V_GSO+V_SEN；

则所述第五MOS管的源极电压为V_{S_M5}＝V_GSO+V_SEN-V_T (2)；

由于所述第一监视MOS管Msen1的漏极连接到所述第五MOS管M5的源极，因此，在实施例一中的第一监视MOS管Msen1的漏源电压V_{DS_Msen}等于所述第五MOS管M5的源极电压减去所述比较器1同相输入端电压V_SEN

即V_{DS_Msen}＝V_GSO+V_SEN-V_T-V_SEN＝V_T+V_{DS_M2}+V_SEN-V_T-V_SEN＝V_{DS_M2}

由此可在实施例中，证明所述第一监视MOS管Msen1的漏源电压与所述第二MOS管M2的漏源电压相等。所以，在第二MOS管M2导通的时间内，第一监视MOS管Msen1的栅源及漏源电压和第二MOS管M2的一致。这样，就完全可以用第一监视MOS管Msen1来监测通过第二MOS管M2也即通过电机的电流。且由于所述第一监视MOS管Msen1的与所述第二MOS管的沟道长度相等，所述第一监视MOS管Msen1的与所述第二MOS管的沟道宽度为1/n，则通过所述第一监视MOS管Msen1的与所述第二MOS管的电流为1/n，在此n远大于1，此时通过检测电阻Rsen的电流则大大缩小，以n＝10000为例，当流保护电流设置为2.5A，通过第一监视MOS管Msen1的电流为2.5/n＝250uA，在V_SEN＝0.5V的情况下，检测电阻Rsen＝0.5/0.00025＝2000Ω。如果电机稳定运行时的电流是1A，流过检测电阻Rsen的电流就是100uA，则检测电阻Rsen的消耗功率为20微瓦特，若在相同参数下使用现有技术提供的电路，过流保护参考电压也设置在0.5V，保护电流设置为电机稳定运行电流1A的2.5倍即2.5A，那么，检测电阻Rsen就需要取值0.2欧姆。因此稳定运行时，检测电阻Rsen上的功耗是0.2瓦特，远大于本发明提供的功率消耗。因此，本发明可以降低在检测电阻Rsen的能量消耗。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对步骤、数字表达式和数值并不限制本发明的范围。

在这里示出和描述的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制，因此，示例性实施例的其他示例可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统和装置的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

另外，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种用于电机驱动功率开关MOSFET导通电流采样电路，所述的电路由控制器控制第一驱动器和/或第二驱动器，其特征在于，包括：正转采样电路，正转驱动MOS管组，反转驱动MOS管组以及第一电容C1以及检测电阻Rsen；

所述正转驱动MOS管组包括第二MOS管M2以及第三MOS管M3；

所述反转驱动MOS管组包括第一MOS管M1以及第四MOS管M4；

所述第一比较器的输出端与所述控制器相连；

所述检测电阻Rsen的一端接地，所述检测电阻Rsen的另一端与所述第一比较器1的同向输入端相连，第一比较器的反向输入端连接参考电压V_lim。

2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，还包括反转采样电路，

所述第二比较器的输出端与所述控制器相连。

3.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述第一监视MOS管Msen1和所述第二MOS管M2具有同样的沟道长度，所述第一监视MOS管Msen1的沟道宽度为所述第二MOS管M2的1/n。

4.根据权利要求2所述的电路，其特征在于，所述第二监视MOS管Msen2和所述第四MOS管M4具有同样的沟道长度，所述第二监视MOS管Msen2的沟道宽度为所述第四MOS管M4的1/n。