CN112290919A - 一种可集成的大电流开关管过流保护机制 - Google Patents

Abstract

本申请实施例公开一种可集成的大电流开关管过流保护机制，包括电源端VDD、电压产生器VoltGen、合路器MUX、接地端GND、比较器COMPARATOR、逻辑单元LogicGen、信号输出端OUT；电压产生器包括电源接口、供电接口、参考电压Vref接口、参考电压Vpre接口、输出电压Vhigh接口，电源接口与电源端VDD相连，供电接口、参考电压Vref接口分别与比较器COMPARATOR的输入端相连，参考电压Vpre接口、输出电压Vhigh接口分别与合路器MUX的输入端相连，比较器COMPARATOR的输出端通过逻辑单元LogicGen与合路器MUX的输入端相连，合路器的输出端与信号输出端OUT相连，接地端GND接地。本申请实现了大电流开关管的过流保护，降低了产品应用的安全风险，同时可集成于芯片内且无需占用芯片的pin脚，无需增加任何成本。

Description

一种可集成的大电流开关管过流保护机制

技术领域

本申请涉及过流保护电路技术领域，具体是一种可集成的大电流开关管过流保护机制。

背景技术

大电流的开关管一般选用独立的MOS管，实际使用过程中，MOS管导通瞬间，栅极会有过充电压，导致MOS管电流过大，时间一长容易被烧坏，并且在正常工作时，一旦出现负载短路的情况，便会导致MOS管电源到地短路，导致MOS管的烧坏。因此，需要一种可集成的大电流开关管过流保护机制，以解决这一问题。

发明内容

本申请旨在解决上述技术问题，提供一种可集成的大电流开关管过流保护机制，以防止过充电压的产生，并在负载短路时对MOS管进行关断保护，免于被烧坏，实现了大电流开关管的过流保护，降低了产品应用的安全风险，同时可集成于芯片内且无需占用芯片的pin脚，无需增加任何成本。

为实现上述目的，本申请公开了一种可集成的大电流开关管过流保护机制，包括电源端VDD、电压产生器VoltGen、合路器MUX、接地端GND、比较器COMPARATOR、逻辑单元LogicGen、信号输出端OUT；所述电压产生器包括电源接口、供电接口、参考电压Vref接口、参考电压Vpre接口、输出电压Vhigh接口，所述电源接口与所述电源端VDD相连，所述供电接口、所述参考电压Vref接口分别与所述比较器COMPARATOR的输入端相连，所述参考电压Vpre接口、所述输出电压Vhigh接口分别与所述合路器MUX的输入端相连，所述比较器COMPARATOR的输出端通过所述逻辑单元LogicGen与所述合路器MUX的输入端相连，所述合路器的输出端与所述信号输出端OUT相连，所述接地端GND接地。

作为优选，该种可集成的大电流开关管过流保护机制还包括NMOS管、开关K，所述NMOS管的源端与所述接地端、所述开关K相连，所述NMOS管的漏端与电源端VDD相连，所述NMOS管的栅端与信号输出端OUT相连。

作为优选，所述信号输出端OUT通过所述NMOS管与应用模块APPLICATION的电源输入端相连，所述供电接口通过所述开关K与所述应用模块APPLICATION的电源输入端相连，所述应用模块APPLICATION的接地端接地。

作为优选，所述电源端VDD上电后，当所述逻辑单元LogicGen接收到开启所述NMOS管的指令时，所述电压产生器VoltGen通过所述参考电压Vpre接口输出电压至所述NMOS管的栅端，使所述NMOS管充电。

作为优选，当所述NMOS管的源端电压接近所述电源端VDD的电压值时，所述逻辑单元LogicGen通过所述合路器MUX控制所述输出电压Vhigh接口输出电压至所述NMOS管的栅端。

作为优选，所述参考电压Vref接口输出电压并通过所述比较器COMPARATOR与所述接地端GND的电压至进行比较，当所述参考电压Vref接口输出的电压小于所述接地端GND的电压时，所述应用模块APPLICATION导通并正常工作；当所述参考电压Vref接口输出的电压大于所述接地端GND的电压时，所述应用模块APPLICATION短路，所述电压产生器VoltGen通过所述信号输出端OUT输出低电压至所述NMOS管。

作为优选，所述逻辑单元LogicGen连接有外接电容C。

有益效果：本申请的可集成的大电流开关管过流保护机制在NMOS管导通时，对NMOS管的栅极进行预充电操作，防止过充电压的产生。在工作时，本申请的可集成的大电流开关管过流保护机制监测应用模块APPLICATION两端的电压，并将该电压值与内部的电压基准进行比较；在正常工作时，应用模块APPLICATION两端具有一定电压，此时电路逻辑不对NMOS管进行控制；在应用模块APPLICATION短路时，电路逻辑判断立即对NMOS管进行关断保护，使NMOS管免于被烧坏。即实现了大电流开关管的过流保护，降低了产品应用的安全风险，同时可集成于芯片内且无需占用芯片的pin脚，无需增加任何成本。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，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是本申请实施例中可集成的大电流开关管过流保护机制的电路原理图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

实施例：参考图1所示的一种可集成的大电流开关管过流保护机制，包括电源端VDD、电压产生器VoltGen、合路器MUX、接地端GND、比较器COMPARATOR、逻辑单元LogicGen、信号输出端OUT，在本实施例中，电压产生器VoltGen、合路器MUX、比较器COMPARATOR、NMOS管均可以是现有技术中的任意一种，逻辑单元LogicGen可以是现有技术中的任意一种逻辑芯片。

具体来说，电压产生器包括电源接口、供电接口、参考电压Vref接口、参考电压Vpre接口、输出电压Vhigh接口，电源接口与电源端VDD相连，供电接口、参考电压Vref接口分别与比较器COMPARATOR的输入端相连，参考电压Vpre接口、输出电压Vhigh接口分别与合路器MUX的输入端相连，比较器COMPARATOR的输出端通过逻辑单元LogicGen与合路器MUX的输入端相连，合路器的输出端与信号输出端OUT相连，接地端GND接地。

作为本实施例的一种优选地实施方式，该种可集成的大电流开关管过流保护机制还包括NMOS管、开关K，NMOS管的源端与接地端、开关K相连，NMOS管的漏端与电源端VDD相连，NMOS管的栅端与信号输出端OUT相连。

作为本实施例的另一种优选地实施方式，信号输出端OUT通过NMOS管与应用模块APPLICATION的电源输入端相连，供电接口通过开关K与应用模块APPLICATION的电源输入端相连，应用模块APPLICATION的接地端接地。

在本实施例中，逻辑单元LogicGen连接有外接电容C。

电源端VDD上电后，当逻辑单元LogicGen接收到开启NMOS管的指令时，电压产生器VoltGen通过参考电压Vpre接口输出电压至NMOS管的栅端，使NMOS管充电。

当NMOS管的源端电压接近电源端VDD的电压值时，逻辑单元LogicGen通过合路器MUX控制输出电压Vhigh接口输出电压至NMOS管的栅端。

参考电压Vref接口输出电压并通过比较器COMPARATOR与接地端GND的电压至进行比较，当参考电压Vref接口输出的电压小于接地端GND的电压时，应用模块APPLICATION导通并正常工作；当参考电压Vref接口输出的电压大于接地端GND的电压时，应用模块APPLICATION短路，电压产生器VoltGen通过信号输出端OUT输出低电压至NMOS管。

本实施例的可集成的大电流开关管过流保护机制的工作原理：

1、在系统没有供电时，存储在外接电容C上的电荷被逻辑单元LogicGen逐渐消耗，最终电容上的电压落到阈值电压以下，集成本申请可集成的大电流开关管过流保护机制的芯片停止工作。

2、在系统开始供电时，电压产生器VoltGen会立即产生参考电压Vpre。当某个时间点逻辑单元LogicGen接收到开启NMOS管的指令时，合路器MUX通过参考电压Vpre接口获取参考电压Vpre并输出至NMOS管的栅端。计时器开始工作，保证足够的时间使外接电容C充满，NMOS管的源端电压趋于稳定，且电压接近电源端VDD的电压。此时，逻辑单元LogicGen再通过合路器MUX选择输出电压Vhigh接口输出电压Vhigh信号至NMOS管的栅端，以保证应用模块APPLICATION的电路正常工作时，NMOS管栅极与源极间的电压是能保证NMOS管开启和提供足够电流的电压。由于是根据应用模块APPLICATION的电路的需求选择合适的NMOS管，因此，应用模块APPLICATION的电路中的电流变化都在NMOS管的额定电流域之内，不会发生烧毁。

3、当应用模块APPLICATION有短路情况发生时，在NMOS管打开后，NMOS管的源端和漏端之间的电压非常大，此时，应用模块APPLICATION的电源端口电压还保持在0V附近，造成有超过NMOS管荷载能力的电流流过，从而导致NMOS管烧毁。

4、电源端VDD和接地端GND之间产生一个参考电压Vref，此电压会因为接地端GND的抬高而有所变化。当应用模块APPLICATION没有短路时，一旦NMOS管开启，那么接地端GND的电压就会抬高。选择一个合适的参考电压Vref，令接地端GND的电压大于参考电压Vref，即应用模块APPLICATION正常工作时，接地端GND的电压大于参考电压Vref。此时，芯片判断应用模块APPLICATION是没有短路的，是不会有大电流流过NMOS管的，于是NMOS管的控制电压保持在高电位。如果应用模块APPLICATION是短路状态，那么参考电压Vref高于接地端GND的电压。此时，芯片会把输出至NMOS管的电压拉低，起到过流保护的作用。在本申请中，由于判断机制是用逻辑单元LogicGen搭建而成，所以反应速度远远短于NMOS管烧毁所需要的时间，这样就在开启过程中起到了有效的过流保护作用

5、如果应用模块APPLICATION在工作过程中，突然短路，在短路的瞬间，应用模块APPLICATION的电源端口就会下降到0V附近，参考电压Vref会突然高于接地端GND的端电压。由于芯片的电压监测是实时工作的，所以马上会拉低输出给NMOS管的控制信号电压，从而保护了NMOS管。

以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施方式和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。因此，本教导的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照所附权利要求以及这些权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。在前述权利要求中省略这里公开的主题的任何方面并不是为了放弃该主体内容，也不应该认为申请人没有将该主题考虑为所公开的申请主题的一部分。

Claims (7)

1.一种可集成的大电流开关管过流保护机制，其特征在于，包括电源端VDD、电压产生器VoltGen、合路器MUX、接地端GND、比较器COMPARATOR、逻辑单元LogicGen、信号输出端OUT；所述电压产生器包括电源接口、供电接口、参考电压Vref接口、参考电压Vpre接口、输出电压Vhigh接口，所述电源接口与所述电源端VDD相连，所述供电接口、所述参考电压Vref接口分别与所述比较器COMPARATOR的输入端相连，所述参考电压Vpre接口、所述输出电压Vhigh接口分别与所述合路器MUX的输入端相连，所述比较器COMPARATOR的输出端通过所述逻辑单元LogicGen与所述合路器MUX的输入端相连，所述合路器的输出端与所述信号输出端OUT相连，所述接地端GND接地。

2.根据权利要求1所述的一种可集成的大电流开关管过流保护机制，其特征在于，该种可集成的大电流开关管过流保护机制还包括NMOS管、开关K，所述NMOS管的源端与所述接地端、所述开关K相连，所述NMOS管的漏端与电源端VDD相连，所述NMOS管的栅端与信号输出端OUT相连。

3.根据权利要求2所述的一种可集成的大电流开关管过流保护机制，其特征在于，所述信号输出端OUT通过所述NMOS管与应用模块APPLICATION的电源输入端相连，所述供电接口通过所述开关K与所述应用模块APPLICATION的电源输入端相连，所述应用模块APPLICATION的接地端接地。

4.根据权利要求2所述的一种可集成的大电流开关管过流保护机制，其特征在于，所述电源端VDD上电后，当所述逻辑单元LogicGen接收到开启所述NMOS管的指令时，所述电压产生器VoltGen通过所述参考电压Vpre接口输出电压至所述NMOS管的栅端，使所述NMOS管充电。

5.根据权利要求4所述的一种可集成的大电流开关管过流保护机制，其特征在于，当所述NMOS管的源端电压接近所述电源端VDD的电压值时，所述逻辑单元LogicGen通过所述合路器MUX控制所述输出电压Vhigh接口输出电压至所述NMOS管的栅端。

6.根据权利要求3所述的一种可集成的大电流开关管过流保护机制，其特征在于，所述参考电压Vref接口输出电压并通过所述比较器COMPARATOR与所述接地端GND的电压至进行比较，当所述参考电压Vref接口输出的电压小于所述接地端GND的电压时，所述应用模块APPLICATION导通并正常工作；当所述参考电压Vref接口输出的电压大于所述接地端GND的电压时，所述应用模块APPLICATION短路，所述电压产生器VoltGen通过所述信号输出端OUT输出低电压至所述NMOS管。

7.根据权利要求1所述的一种可集成的大电流开关管过流保护机制，其特征在于，所述逻辑单元LogicGen连接有外接电容C。

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