CN111711435B - 一种提高限流控制系统中功率开关管安全性的方法 - Google Patents
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Abstract
Description
技术领域
本发明属于集成电路设计与应用的电源管理技术领域,涉及一种提高限流控制系统中功率开关管安全性的方法。
背景技术
功率大开关(Power Switch)或者负载大开关(Load Switch)作为一种常用的限流器件在电源设计领域广泛使用,如图1所示是一种限流控制系统的工作原理示意图,其中功率开关管M1是功率大开关器件,M2是采样功率大开关的器件。传统的设计中功率开关管M1和采样管M2会采用相同类型和相同沟道长度(L)的MOS器件,功率开关管M1的宽长比例(W/L)和采样管M2的宽长比例(W/L)的比例系数为K,所以当流过功率开关管M1的电流为IM1时,则流过采样管M2的电流为IM1/K。R1是功率开关管M1源端(source)的寄生金属连线电阻,R2是功率开关管M1漏端(drain)的寄生金属连线电阻,R3是采样管M2源端(source)的寄生金属连线电阻,R4是采样管M2漏端(drain)的寄生金属连线电阻,R5是采样管M2的漏端电流采样电阻,R6是功率大开关限流设置电阻;OP是功率大开关工作在恒流模式的运算放大器,当功率大开关处于恒流模式时,运算放大器OP的输出信号OCP通过下拉电路(pull down)会把功率大开关MOS管即功率开关管M1的栅端电压NGATE拉低,使功率开关管M1工作在饱和区,如图6所示的饱和区。下拉电路(pull down)只有在功率开关管M1的输出负载电流过大,超过了功率大开关MOS管自身的限流要求时,这个时候功率大开关会处于恒流工作模式,提供稳定的恒流输出,一旦下拉电路开始工作后,会把功率开关管M1的栅端电压拉低;反之,如果是正常应用,输出负载电流没有超过功率大开关的恒流限制,功率大开关会一直处于线性区(如图6所示的线性区)工作,恒流控制电路不会工作,进而下拉电路也不会工作。升压电路Charge Pump用于提供功率开关管M1的栅端电压保证功率开关管M1能够开启,当输入电压VIN不高于6V时,升压电路输出2倍VIN,在没有下拉时,升压电路输出电压控制功率开关管M1的栅端电压NGATE接近2VIN;当输入电压VIN电压高于6V时,升压电路输出为VIN+5V,其中5V是低压差线性稳压LDO的输出。
限流控制系统中功率开关管M1即功率大开关器件的工作原理是:正常工作的时候,恒流控制电路不满足工作条件,功率开关管M1栅端电压处于最高值,如输入电压VIN不高于6V时功率开关管M1栅端电压接近2VIN,此时功率开关管M1完全开启,其导通电阻Rdson最小,功率开关管M1会处于线性区,如图6所示的线性区。如果流过MOS管的电流是3A,MOS管自身总的导通电阻Rdson是15m ohm,那么MOS管两端的压降是3×15m=45mV。此时流过MOS管的电流大,但是两端的压降却比较小,只有45mV,MOS管承受的功率是3×0.045=0.135W。如果MOS管最大恒流模式下的输出限流值是3.1A,所以当限流控制系统的输出端负载电流高于功率大开关的最大输出限流值的时候,限流控制系统的输出端电压VOUT会被逐渐拉低,功率大开关就会从工作在线性区变成工作在饱和区。这里以功率开关管M1为低压大开关为例,如果功率开关管M1的输入电压是5V,在负载电流是3A时,对于总的Rdson是15m ohm的功率大开关而言,它的输出电压就是4.955V,此时MOS管两端的压降VDS是45mV。当它的负载电流大于它能支持的最大电流时,限流控制系统的输出端电压VOUT会下降,如果输出电压VOUT被拉低到只有1V,此时MOS管两端的压降VDS将会从之前的45mV增加到5V-1V=4V,此时功率开关管M1工作在恒流模式,由于功率开关管M1和采样管M2的MOS类型和沟道长度一样,那么当VOUT被负载拉低到很低比如1V的时候,功率开关管M1和采样管M2都将会处于深度饱和区,功率开关管M1和采样管M2的阻抗相对于工作在线性区域时都会明显增加,但是它们的比例会保持一致,所以输出电流仍然是3.1A。也就是说此时在功率开关管M1两端承受的功率是3.1A×4V=12.4W。当然如果VOUT被拉低到0V附近的话,MOS管两端的压降VDS将会从之前的45mV增加到5V-0V=5V,输出由于是恒流工作模式,所以输出电流仍然是3.1A。也就是说此时在功率开关管M1两端承受的功率是3.1A×5V=15.5W。这么高的功率容易导致超出MOS管子的安全工作区(SOA),最终导致功率开关管M1损坏。其中安全工作区(SOA,Safe operating area)是由一系列(电压、电流)坐标点形成的一个二维区域,开关器件正常工作时的电压和电流都不会超过该区域。
由于功率大开关在输出电流过载(over load)或者短路(short)的时候,功率大开关MOS管两端承受的功率很大,为了防止功率大开关长时间工作在短路大功率情况下出现器件老化损坏,通常的做法是会在芯片工作在短路的时候采用HICCUP(打嗝)的工作方式。功率大开关芯片在输出短路时HICCUP工作示意图如图2所示,其工作原理是让芯片在Ton时间段内处于短路开通状态,这段时间在功率大开关两端的功率是最大,比如在VOUT被拉低到0V,输出恒流限流值是3.1A的话,那么功率大开关MOS管两端承受的功率15.5W左右;另外的Toff时间段内处于短路关断状态,此时功率大开关的输入端还是VIN=5V,由于功率大开关MOS管处于关断状态,也就是图1中功率开关管M1的栅端电压NGATE=0V,导致输出电压VOUT是0V,所以功率大开关两端的电压降(VIN-VOUT)是5V,但是由于是处于关断状态,流过的电流是0,所以整体在功率大开关上流过的功率(电流乘以电压)仍然是0。这样设计的好处是整体平均功率会比较低,因为设计的时候可以让短路工作时间(Ton)尽量短些,短路关断的时间(Toff)尽量长些,比如工作的Ton时间是3ms,Toff时间是297ms,这样功率大开关在输出短路工作时,总的平均功率是相对较小。但是这种方式还是存在一个问题是,即使是平均功率较低,但在短路开通时段的功率仍然很大,如果在开通的时候瞬间功率高于了功率大开关的安全工作区(SOA),这个时候仍然可能在开通时间已经把功率大开关损坏。
发明内容
针对上述功率大开关器件即功率开关管M1在输出负载短路的时候,功率开关管两端承受的功率过大,存在超过MOS器件安全工作区间(SOA)的风险导致功率开关管损坏的问题,本发明提出一种提高限流控制系统中功率开关管安全性的方法,能够保证功率开关管正常开通(线性区)的时候限流能力不变,并且在输出短路时尽量降低流过功率开关管上的电流,提高功率大开关的安全性,使得功率开关管在出现短路异常的工作状态时也不容易受到损坏。
本发明的技术方案为:
一种提高限流控制系统中功率开关管安全性的方法,所述限流控制系统包括升压模块、功率开关管、采样管和控制模块,所述功率开关管的漏端和源端接在所述限流控制系统的输入端和输出端之间,所述升压模块用于提供所述功率开关管的栅端电压保证所述功率开关管能够开启;所述采样管用于采样流过所述功率开关管的电流IM1并提供采样信号给所述控制模块进行控制,流过所述采样管的电流其中K为所述功率开关管和所述采样管的宽长比之比;当所述限流控制系统的输出端负载电流大于所述功率开关管的最大输出限流值时,所述功率开关管进入恒流工作模式,所述控制模块将所述功率开关管的栅端电压拉低,降低所述限流控制系统的输出端电压,使得所述功率开关管和所述采样管漏源两端的电压增大;
所述提高限流控制系统中功率开关管安全性的方法为:设置所述功率开关管的沟道长度大于所述采样管的沟道长度,使得所述功率开关管进入恒流工作模式后,所述K值随着所述功率开关管漏源两端电压的增大而减小,从而使所述功率开关管的输出限流值随着所述功率开关管漏源两端电压的增大而减小,所述功率开关管的漏源两端承受的功率随着所述功率开关管漏源两端电压的增大而降低,实现提高所述功率开关管的安全性。
具体的,通过缩短所述采样管的沟道长度使得所述功率开关管的沟道长度大于所述采样管的沟道长度。
具体的,通过增大所述功率开关管的最小沟道长度使得所述功率开关管的沟道长度大于所述采样管的沟道长度。
具体的,所述控制模块包括第五电阻、第六电阻、运算放大器和下拉单元,流过所述采样管的电流IM2在第五电阻上产生压降作为运算放大器的正向输入信号,控制电流在第六电阻上产生压降作为运算放大器的负向输入信号,所述控制电流用于调整所述功率开关管的输出限流值;在所述限流控制系统的输出端负载电流大于所述功率开关管的最大输出限流值时,所述下拉单元由运算放大器的输出信号控制将所述功率开关管的栅端电压拉低。
本发明的工作原理为:
MOS管处于饱和区电流的公式为:
其中:Ids是MOS管的漏源电流,Un是电子的迁移速率,COX是单位面积栅氧化层电容,是MOS管宽长比,VGS-VTH为过驱动电压,Vds为MOS管源漏两端的电压差,即(VIN-VOUT),λ是MOS管的沟道调制系数,λ通常是远小于1的系数,常规的量级是0.02左右。
MOS管沟道调制系数λ的特性是MOS管的沟道长度(L)越大,MOS管沟道调制系数就越弱,式(1)中λ的系数就越小,比如5V NMOS的沟道长度从0.6um调整到0.8um,其沟道调制系数会从0.02减小到0.005,那么根据上面的公式(1)可知,即使当MOS源漏两端的电压Vds较大的时候,流过MOS管两端的电流仍然增加比较少。反之,如果MOS管的沟道长度越小,这个沟道调制系数λ系数就越大,比如5V NMOS的沟道长度从0.6um减小到0.45um,其沟道调制系数会从0.02增加到0.1,那么根据上面的公式(1),当MOS管源漏两端的电压降VDS较大的时候,流过这个MOS管的电流增加就越多。
利用上述分析的MOS管的沟道调制影响,本发明进行如下的设计:设置功率开关管M1的沟道长度大于采样管M2的沟道长度,比如设计功率开关管M1的沟道长度为0.6um,设计采样管M2的长度为0.45um。这样功率开关管M1的沟道调制效应就比采样管M2的沟道调制效应弱,在MOS管两端的电压降比较小的时候,比如只有50mV左右的量级的时候,根据公式(1)可以知,1+λ×Vds=1+0.02*0.05≈1,所以在VDS只有50mV左右量级的时候,功率开关管M1和采样管M2的电流不会有太大的变化,也就是说流过的电流在线性区受沟道调制的影响可以忽略不计。但是当限流控制系统的输出端负载电流大于功率开关管M1的最大输出限流值时,功率开关管M1进入恒流工作模式,限流控制系统的输出端电压下降,使得功率开关管M1和采样管M2漏源两端的电压增大,在MOS管漏源两端的端电压增加到较大电压的时候,比如VDS=5V的时候,采样管M2的电流会随着VDS电压的增加而明显增加。由于功率开关管M1的沟道调制系数较弱,其沟道调制系数是0.02,因此功率开关管M1的VDS从0.1V增加到5V时,根据公式(1)可以知,1+λ×Vds=1+0.02*5=1.1,所以功率开关管M1在VDS=5V的时候电流只增加了10%。但是采样管M2的沟道调制系数较强,其沟道调制系数是0.1,因此采样管M2的VDS从0.05V增加到5V,根据公式(1)可以知,1+λ×Vds=1+0.1*5=1.5,因此采样管M2的VDS电压从0.05V增加到5V,MOS电流可以增加50%。也就是说当功率开关管M1和采样管M2的VDS都从0.05V变化到5V,流过功率开关管M1和采样管M2的电流的比例发生了变化,由于采样管M2在VDS=5V的时候,其电流能力增加的更多,也就是说在VDS=5V的时候,流过功率开关管M1的电流比上流过采样管M2的电流的比值实质上是变小了27%如果进一步加大功率开关管M1和采样管M2的沟道长度(L)的差异,当Vds两端压降在5V时,功率开关管M1输出限流值会进一步下降,因此功率开关管M1的漏源两端承受的功率也随着功率开关管M1漏源两端电压的增大而降低,从而实现提高功率开关管M1安全性的目的。
另外,采用本发明提出的提高限流控制系统中功率开关管安全性的方法,除了能够实现输出短路时功率开关管M1的输出限流随着VDS增加而减小外,还有另外一个效果。由于在同样条件下,MOS管两端承受的功率下降,因此MOS管自身的温升会小些,所以在相同条件下,功率开关管M1的温度会偏低些。普通MOS管的SOA曲线与温度的关系示意图如图3所示,可以看出当温度升高的时候,整个MOS器件的SOA能力是变小的,也就是说温度越高,MOS器件的SOA能力会越弱。因此使用本发明提出的提高限流控制系统中功率开关管安全性的方法将功率开关管M1的沟道长度设置为大于采样管M2的沟道长度后,功率开关管M1的漏源两端承受的功率下降,所以使用本发明的方法后功率开关管M1的温度也相比没有使用本发明的方法时的MOS器件温度偏低,因此使用本发明的方法后功率开关管M1也会更不容易触碰到MOS器件的SOA区间,从而可以让功率开关管M1更安全地工作。
本发明的有益效果为:本发明不仅能保证功率开关管正常开通时限流能力不变,而且在输出短路时能够降低流过功率开关管上的电流,从而降低功率开关管漏源两端承受的功率,同时通过降低功率开关管器件温度增强器件的SOA能力,使得功率开关管不容易超过安全工作区,保证短路异常时功率开关管不容易受到损坏,提高了功率开关管的安全性。
附图说明
图1是限流控制系统的一种实现结构图。
图2是传统方案中在功率开关管输出短路时进行打嗝逻辑(HICCUP)的工作波形示意图。
图3是普通功率MOS的安全区随温度的变化波形图。
图4是传统功率开关管的输出电流和电压的工作波形示意图。
图5是使用本发明提出的一种提高限流控制系统中功率开关管安全性的方法后的功率开关管输出电流和电压的工作波形示意图。
图6是开关管MOS的电流I-电压V曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例详细说明本发明的技术方案。
限流控制系统中利用功率开关管进行限流保护,功率开关管的漏端和源端接在限流控制系统的输入端和输出端之间,通过采样管采样功率开关管的电流并进行逻辑控制实现限流保护,如图1所示是一种限流控制系统的电路结构示意图,值得说明的是,本发明提出的方法也可以应用在其它系统,比如在LDO输出电路保护系统中同样可以采用本发明的这种设计思想,通过将功率开关管的沟道长度设置为大于采样管的沟道长度以实现输出短路电压越低,输出保护限流越低,从而达到保护器件的目的。本实施例以图1所示限流控制系统为例进行说明,本实施例中的具体控制逻辑设计不应当用于限制本发明的保护范围。
如图1所示,本实施例中限流控制系统功率开关管M1的漏端和源端分别连接限流控制系统的输入电压VIN和输出电压VOUT,升压模块用于提供功率开关管的栅端电压,保证正常工作状态时功率开关管M1能够开启,升压模块可以是电荷泵电路以提供2VIN输出,当当输入电压VIN电压高于6V时,升压电路可以输出VIN+5V给功率开关管M1栅端,5V是低压差线性稳压LDO的输出,以保证功率开关管M1的开启。采样管M2用于采样流过功率开关管M1的电流IM1,流过采样管M2的电流其中K为功率开关管M1和采样管M2的宽长比之比;采样管M2将采样信号IM2通过第五电阻R5转换成电压信号SNS1P并作为运算放大器OP的正向输入信号,外部输入的用于调整功率开关管M1输出限流值的控制电流Ioc_set在第六电阻R6上产生压降获得对应的电压信号SNS1N作为运算放大器OP的负向输入信号,控制电流Ioc_set的大小控制最终的输出限流大小和功率开关管处于恒流模式的恒流大小。则当限流控制系统的输出端负载电流大于功率开关管M1的最大输出限流值时,功率开关管M1进入恒流工作模式,运算放大器OP的输出信号控制下拉电路工作将功率开关管M1的栅端电压拉低,从而降低限流控制系统的输出端电压VOUT,这也使得功率开关管M1和采样管M2漏源两端的电压增大。
本实施例中恒流模式的具体工作原理如下:
控制电流Ioc_set的电流值乘以限流电阻即第六电阻R6形成一个电压降Vsense_set=Ioc_set×R6,这个电压降的大小会决定恒流大小。假定功率开关管M1和采样管M2的宽长比的比例是K,当流过功率开关管M1的电流为IM1的时候,流过采样管M2的电流就是IM2电流流过第五电阻R5产生电压降/>当Vsense接近Vsense_set的时候,图1中限流环路开始工作,当限流环路稳定后,Vsense=Vsense_set,也就是限流环路稳定的时候/>则流过功率开关管M1的最大电流是:/>
对于传统的限流控制系统中功率开关管设计,功率开关管M1和电流采样管M2的沟道长度(L)会设置为一样的,所以功率开关管M1和采样管M2的沟道调制系数λ是一样的,因此根据公式(1)可以得知,当功率开关管M1和采样管M2的电流在VDS增加的过程中,IM1电流增加的比例接近是λ×Vds;IM2电流增加的比例也是接近λ×Vds;所以的比例几乎不变,还是K,因此当限流环路起作用后,功率开关管M1的输出限流几乎随着VDS的增加而保持不变,此时功率开关管M1的电压和电流控制示意图如图4所示。
而本发明利用MOS沟道长度不一样,其电流的沟道调制影响不一样的特性,提出了将功率开关管M1的沟道长度L设置为大于采样管M2的沟道长度L,所以功率开关管M1的沟道调制系数λM1和采样管M2的沟道调制系数λM2是不一样的,而且是λM1<λM2,因此根据公式(1)可以得知,当功率开关管M1和采样管M2的电流在VDS增加的过程中,IM1电流增加的比例接近是λM1×Vds,而IM2电流增加的比例是接近λM2×VDS;所以的比例不再是K,而是比K更小,根据公式(2)可以算出,在功率开关管M1的沟道长度L大于采样管M2的沟道长度L的条件下,功率开关管M1的输出限流值会随着功率开关管M1漏源两端电压VDS的增大而下降,此时功率开关管M1的电压和电流的控制示意图如图5所示。
对比图4和图5可知,根据图4所示的传统功率开关管M1输出短路的电流和电压波形示意图可以看出,输出短路后,功率开关管M1的输出限流值不变;根据图5所示的采用本发明提出的方法后功率开关管M1输出短路的电流和电压波形示意图可以看出,在正常工作时(MOS处于线性区的时候),功率开关管M1的限流值还是跟传统设计的值保持一样,但是当输出过流或者短路后,随着功率开关管M1漏源两端的压降VDS增大,由于采样管M2的沟道调制影响能力高于功率开关管M1的沟道调制能力,所以功率开关管M1的输出限流值随着VDS的增加而减小。图5所示的IDS的虚线表示传统设计的功率开关管M1短路限流波形(输出短路的限流值不变),图5所示的IDS的实线表示采用本发明提出的方法得到的功率开关管M1短路限流的波形,可以看出在功率开关管M1漏源两端承受的功率相对于传统的设计会明显偏小,这样可以大大降低功率开关管M1在短路时损坏的风险。
为了将功率开关管M1的沟道长度L设置为大于采样管M2的沟道长度L时,可以在设计功率大开关时,让功率大开关MOS管即功率开关管M1的沟道长度保持工艺最小默认值0.6um,采样管M2的长度特意设计缩短为0.45um,利用采样管M2的沟道调制系数比功率开关管M1的沟道调制系数更大,实现在功率开关管工作在过流状态后,随着MOS管两端的电压降VDS增大,输出限流不再像传统设计的那样保持不变,而是随着MOS管两端的电压降VDS增大,使得功率开关管M1输出限流值降低。这样在输出短路的情况下,功率开关管M1两端承受的功率会随着VDS的增大而降低,降低了触碰功率开关管M1安全工作区的风险,从而降低了功率开关管M1在短路状态时损坏的风险。
另外,如果想进一步提高功率开关管M1的安全工作区(SOA),可以把功率开关管M1的最小沟道长度L适当提高,比如从0.6um提高到0.7um,把采样管M2的最小沟道长度L从工艺默认允许的0.6um降低到0.5um,这样由于功率开关管M1的最小沟道长度L被增加,所以功率开关管M1的SOA的能力会随着功率开关管M1的最新沟道长度L的增加而增强。同时,仍然保持着功率开关管M1比采样管M2的沟道长度大,这样当短路后(在VDS最大的时候),由于采样管M2的沟道调制能力明显比功率开关管M1的沟道调制能力强,所以导致功率开关管M1的输出限流值会在VDS增加的时候明显下降,因此功率开关管M1两端承受的功率会随着VDS的增大而降低,降低了触碰功率开关管M1安全工作区的风险,从而降低了功率开关管M1在短路状态时损坏的风险。
综上所述,本发明提出一种提高限流控制系统中功率开关管安全性的方法,使得功率开关管M1工作在线性区域时,最大限流值保持不变,保证了功率开关管M1正常开通(线性区)的时候限流能力不变;而通过将功率开关管M1的沟道长度设置为大于采样管M2的沟道长度,使得限流控制系统输出短路,限流控制系统的输出端负载电流大于功率开关管M1的最大输出限流值时,改变流过功率开关管M1电流和流过采样管M2电流的比例,使得流过功率开关管M1电流相比传统结构降低,例如在输出短路到0V时候,流过功率开关管M1的电流比传统的限流值低40%,由于功率开关管M1漏源两端的电压降仍然是5V的话,功率开关管M1漏源两端承受的功率就会降低40%,从而不容易超过功率开关管M1的SOA区间,进而让功率开关管M1在异常短路工作也不容易受到损坏,提高了功率开关管M1的安全性。
本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合,这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
Claims (4)
1.一种提高限流控制系统中功率开关管安全性的方法,所述限流控制系统包括升压模块、功率开关管、采样管和控制模块,所述功率开关管的漏端和源端接在所述限流控制系统的输入端和输出端之间,所述升压模块用于提供所述功率开关管的栅端电压保证所述功率开关管能够开启;所述采样管用于采样流过所述功率开关管的电流IM1并提供采样信号给所述控制模块进行控制,流过所述采样管的电流其中K为所述功率开关管和所述采样管的宽长比之比;当所述限流控制系统的输出端负载电流大于所述功率开关管的最大输出限流值时,所述功率开关管进入恒流工作模式,所述控制模块将所述功率开关管的栅端电压拉低,降低所述限流控制系统的输出端电压,使得所述功率开关管和所述采样管漏源两端的电压增大;
其特征在于,所述提高限流控制系统中功率开关管安全性的方法为:设置所述功率开关管的沟道长度大于所述采样管的沟道长度,使得所述功率开关管进入恒流工作模式后,所述K值随着所述功率开关管漏源两端电压的增大而减小,从而使所述功率开关管的输出限流值随着所述功率开关管漏源两端电压的增大而减小,所述功率开关管的漏源两端承受的功率随着所述功率开关管漏源两端电压的增大而降低,实现提高所述功率开关管的安全性。
2.根据权利要求1所述的提高限流控制系统中功率开关管安全性的方法,其特征在于,通过缩短所述采样管的沟道长度使得所述功率开关管的沟道长度大于所述采样管的沟道长度。
3.根据权利要求1或2所述的提高限流控制系统中功率开关管安全性的方法,其特征在于,通过增大所述功率开关管的最小沟道长度使得所述功率开关管的沟道长度大于所述采样管的沟道长度。
4.根据权利要求3所述的提高限流控制系统中功率开关管安全性的方法,其特征在于,所述控制模块包括第五电阻、第六电阻、运算放大器和下拉单元,流过所述采样管的电流IM2在第五电阻上产生压降作为运算放大器的正向输入信号,控制电流在第六电阻上产生压降作为运算放大器的负向输入信号,所述控制电流用于调整所述功率开关管的输出限流值;在所述限流控制系统的输出端负载电流大于所述功率开关管的最大输出限流值时,所述下拉单元由运算放大器的输出信号控制将所述功率开关管的栅端电压拉低。
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