CN112491012A

CN112491012A - 一种限流双保护电路及电路的限流双保护方法

Info

Publication number: CN112491012A
Application number: CN202110147494.6A
Authority: CN
Inventors: 吴国栋; 袁小云
Original assignee: Sichuan Ruiyuan Integrated Circuit Technology Co ltd
Current assignee: Sichuan Ruiyuan Integrated Circuit Technology Co ltd
Priority date: 2021-02-03
Filing date: 2021-02-03
Publication date: 2021-03-12
Anticipated expiration: 2041-02-03
Also published as: CN112491012B

Abstract

本发明公开了一种限流双保护电路及电路的限流双保护方法，电路包括一与非门、一反相器、一计时限流模块和一二级限流模块；与非门的输出端连接反相器的输入端，反相器的输出端连接被控第三功率管的栅极；计时限流模块的第一电流采样电路连接其计时限流器的输入端，计时限流器的输出端与PWM信号分别连接与非门的两输入端；二级限流模块的第二电流采样电路连接其NPN三极管的基极，三极管的集电极连接反相器的输出端，三极管的发射极连接低电位；第一电流采样电路和第二电流采样电路分别对第三功率管的电流进行采样。本发明电路对电路起到双重保护作用，既能够有效甄别电流毛刺，又能够对电路过流进行及时保护。

Description

一种限流双保护电路及电路的限流双保护方法

技术领域

本发明涉及过流保护技术领域，尤其是一种限流双保护电路，以及一种电路的限流双保护方法。

背景技术

由于现在IC芯片工艺规则越来越小，导致芯片内部功率管自身抗电流的冲击能力越来越弱，使得以前的一些限流模块不能适用于现在小规则工艺。

目前在IC芯片工艺上，设计有一些开关保护电路来应对元器件过流的情况，但是让沿用的是保险丝熔断的思路，即在电路过流时，机械式断开电路，此种设计存在一些缺陷，比如无法甄别电流毛刺、不具备及时断路和及时恢复电路的条件、不便于集成电路的设计等。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种能够甄别电流毛刺，并且能够及时开启对电路的保护的电路。

本发明采用的技术方案如下：

一种限流双保护电路，包括一与非门、一反相器、一计时限流模块和一二级限流模块；与非门的输出端连接反相器的输入端，反相器的输出端连接被控第三功率管的栅极；计时限流模块包括第一电流采样电路和计时限流器，第一电流采样电路连接计时限流器的输入端，计时限流器在输入信号达到预设门限时，输出低电平信号，计时限流器的输出端与PWM信号分别连接与非门的两输入端；二级限流模块包括第二电流采样电路和NPN型三极管，第二电流采样电路连接三极管的基极，三极管的集电极连接反相器的输出端，三极管的发射极连接低电位；第一电流采样电路和第二电流采样电路分别与第三功率管连接，对第三功率管的电流进行采样。

上述限流双保护电路工作原理为：当第三功率管的电流增大到超过计时限流模块允许的电流，由于其镜像电流被第一电流采样电路采集并传输给计时限流器，触发计时限流器工作，产生一个延迟以防止电流毛刺误检，当采样的大电流持续超过该延迟时长后，计时限流器输出的信号被拉低，对应的反相器输出端的信号被关闭，以起到保护芯片的作用。对于二级限流模块，其第二电流采样电路采集到第三功率管的大电流以开启三极管的V_be电压，三极管被导通，吸收反相器输出上的电流，降低反相器输出电压使得第三功率管上的V_gs电压降低，达到限制第三功率管输出电流能力的作用，该电路的特点是响应时间快速，没有比较器判断产生输出响应延迟，能够在计时限流模块的延迟期间防止第三功率管被烧毁。

进一步的，第一电流采样电路包括第二功率管和第二电阻，第二功率管的源极连接第三功率管的源极，第二功率管的栅极连接第三功率管的栅极，第二功率管的漏极连接第二电阻，第二电阻的另一端连接低电位；计时限流器连接第二电阻靠第二功率管一端。

进一步的，第二电流采样电路包括第一功率管和第一电阻，第一功率管的源极连接第三功率管的源极，第一功率管的栅极连接第三功率管的栅极，第一功率管的漏极连接第一电阻，第一电阻的另一端连接低电位；三极管的基极连接第一电阻靠第一功率管一端。

进一步的，第三功率管的源极和/或漏极串联有电容。

进一步的，计时限流器包括电流镜比较器和数字计时器，数字计时器连接电流镜比较器，电流镜比较器的一个输入端连接第一电流采样电路，电流镜比较器的另一端输入第一电流阈值。

进一步的，数字计时器的功能至少包括具备对应拉低输出的第一时长和对应拉高输出的第二时长两个时间。

进一步的，数字计时器在电流镜比较器输出高电平时开始倒计时第一时长，在倒计时第一时长结束时开始倒计时第二时长。

进一步的，第一时长=1.5uS，第二时长=3mS。

为解决上述全部或部分问题，本发明还提供了一种电路的限流双保护方法，电路包括PWM信号线路和一被控第三功率管，PWM信号线路连接被控第三功率管的栅极，针对电路的限流双保护方法包括：

对第三功率管的电流进行实时检测，根据检测结果执行：

当第三功率管的电流超过第一阈值时，延迟第一预定时长，若延迟第一预定时长结束时，第三功率管的电流仍超过第一阈值，则关断PWM信号线路输出的信号；

当第三功率管的电流超过第二阈值时，立即对PWM信号线路输出的信号进行分流。

优选的，在上述关断PWM信号线路输出的信号预定时长后，重新开启PWM信号线路输出的信号。

进一步的，PWM信号线路包括一与非门和一反相器，与非门的输出端连接反相器的输入端，反相器的输出端连接第三功率管的栅极；

上述当第三功率管的电流超过第一阈值时，延迟第一预定时长，若延迟第一预定时长结束时，第三功率管的电流仍超过第一阈值，则关断PWM信号线路输出的信号，通过以下方式实现：

设计第一电流采样电路连接第三功率管以采集第三功率管的电流，设计计时限流器连接第一电流采样电路，计时限流器的输出端与PWM信号分别连接与非门的两输入端，计时限流器在输入信号达到第一阈值的时长超过第一预定时长后，输出低电平信号。

进一步的，上述当第三功率管的电流超过第二阈值时，立即对PWM信号线路输出的信号进行分流，通过以下方式实现：

设计一NPN型三极管，三极管的发射极连接低电位，三极管的集电极连接PWM信号线路输出的信号，三极管的基极连接第一电流采样电路，在第一电流采样电路采集的电压达到第二阈值时，三极管导通；

或者通过以下方式实现：设计一NPN型三极管，设计第二电流采样电路连接第三功率管以采集第三功率管的电流，三极管的发射极连接低电位，三极管的集电极连接PWM信号线路输出的信号，三极管的基极连接第二电流采样电路，在第二电流采样电路采集的电压达到第二阈值时，三极管导通。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明的限流双保护电路和对应方法能够甄别电流毛刺，且对过流响应及时，没有比较器判断产生输出响应延迟，能够对计时限流模块的过流保护起到辅助作用。

2、本发明的限流双保护电路和对应方法能够应对大电流的过流保护，能够提高对被控功率管电压保护的上限。

3、本发明的限流双保护电路无需对原工作电路进行改造，电路搭接方便快捷。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是限流双保护电路的一个实施例。

图中，M₀为第一功率管，M₁为第二功率管，M₂为第三功率管，R₀为第一电阻，R₁为第二电阻，Q₀为三极管，C₁为反相器，C₂为与非门，LOW_OCP为计时限流模块，L₁为电感。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书（包括任何附加权利要求、摘要）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

实施例一

参见附图1，本实施例公开了一种限流双保护电路，包括一与非门C₂、一反相器C₁、一计时限流模块Low_OCP和一二级限流模块。计时限流模块LOW_OCP包括第一电流采样电路和计时限流器，第一电流采样电路连接所述计时限流器的输入端，计时限流器的输出端与PWM（脉冲宽度调制）信号分别连接与非门C₂的两输入端。计时限流器被触发后，在延迟第一时长后，输出低电平，优选的，在输出低电平后延迟第二时长后，输出高电平。与非门C₂的输出端连接反相器C₁的输入端，反相器C₁的输出端连接被驱动的第三功率管M₂的栅极。二级限流模块包括第二电流采样电路和NPN型三极管Q₀，第二电流采样电路连接三极管Q₀的基极，三极管Q₀的集电极连接反相器C₁的输出端，三极管Q₀的发射极连接低电位。第一电流采样电路、第二电流采样电路分别与被驱动的第三功率管M₂连接以对第三功率管M₂的电流进行采样。

上述限流双保护电路的工作原理为：在具体工作场景中，由于电感的存在，当第三功率管M₂的电流增大到超过Low_OCP允许的电流，由于其镜像电流被第一电流采样电路采集并传输给计时限流器，触发计时限流器工作，产生一个第一时长的延迟（通常第一时长=1.5uS）以防止电流毛刺误检，当采样的大电流持续超过第一时长后，计时限流器输出（即计时限流模块LOW_OCP输出）的LA_OCP信号被拉低，对应的反相器C₁输出端的信号LG被关闭，以起到保护芯片的作用，进一步的，在拉低LA_OCP后计时限流模块Low_OCP（的计时限流器）开始计时，在计时第二时长（通常第二时长=3mS）后重启LA_OCP，传输PWM信号到第三功率管M₂。此为第一级保护电路的作用。

然而，在电路实际工作时，外围电感因某些原因导致短路而引起M₂工作的大电流，计时限流模块LOW_OCP由于第一时长的存在，第三功率管M₂在此时间内的电流远大于Low_OCP的电流值，使得第三功率管M₂在此第一时长时间内被自身产生的大电流烧坏，此情况下则二级限流模块起到保护作用：第二电流采样电路采集到第三功率管M₂的大电流以开启三极管Q₀的V_be电压，三极管Q₀被导通，吸收LG上的电流，降低LG的电压使得第三功率管M₂上的V_gs电压降低，达到限制第三功率管M₂输出电流能力的作用。二级限流模块的优点在于响应时间快速，没有比较器判断产生输出响应延迟。同时它的限流值相对应大于Low_OCP的限流值小于管子M₂自身产生的大电流值，从而让第三功率管M₂在第一时长的时间内不被大电流烧坏。

如图1所示，上述的第一电流采样电路包括第二功率管M₁和第二电阻R₁，第二功率管M₁的源极连接第三功率管M₂的源极，第二功率管M₁的栅极连接第三功率管M₂的栅极，第二功率管M₁的漏极连接第二电阻R₁，第二电阻R₁的另一端连接低电位（如接地PGND），计时限流器连接第二电阻R₁靠第二功率管M₁一端。具体实施时，第一电流采样电路也可以由其他能够对第三功率管M₂的电流进行采样的电路来进行设计。

上述的第二电流采样电路由第一功率管M₀和第一电阻R₀构成，第一功率管M₀的源极连接第三功率管M₂的源极，第一功率管M₀的栅极连接第三功率管M₂的栅极，第一功率管M₀的漏极连接第一电阻R₀，第一电阻R₀的另一端连接低电位（如接地PGND），三极管Q₀的基极连接第一电阻R₀靠第一功率管M₀的一端。

具体实施时，第一电流采样电路和第二电流采样电路也可以由其他能够对第三功率管M₂的电流进行采样的电路来进行设计。

实施例二

如图1所示，本实施例公开了一种限流双保护电路，包括一与非门C₂、一反相器C₁、一计时限流模块Low_OCP和一二级限流模块，反相器C₁连接有电流源，输入信号VM经电感L₁输入到第三功率管M₂的源极。

计时限流模块LOW_OCP包括第二功率管M₁、第二电阻R₁和计时限流器，第二功率管M₁的源极连接第三功率管M₂的源极，第二功率管M₁的栅极连接第三功率管M₂的栅极，第二功率管M₁的漏极连接第二电阻R₁，第二电阻R₁另一端接地，计时限流器的输入端连接第二电阻R₁靠第二功率管M₁一端，计时限流器的输出端与PWM（脉冲宽度调制）信号分别输入与非门C₂的两输入端。与非门C₂的输出端连接反相器C₁的输入端，反相器C₁的输出端连接被驱动的第三功率管M₂的栅极。

二级限流模块包括第一功率管M₀、第一电阻R₀和NPN型三极管Q₀，第一功率管M₀的源极连接第三功率管M₂的源极，第一功率管M₀的栅极连接第三功率管M₂的栅极，第一功率管M₀的漏极连接第一电阻R₀，第一电阻R₀的另一端接地，三极管Q₀的基极连接第一电阻R₀靠第一功率管M₀的一端，三极管Q₀的集电极连接反相器C₁的输出端，三极管Q₀的发射极接地。

上述限流双保护电路的工作原理为：在具体工作场景中，由于电感的存在，当第三功率管M₂的电流增大到Low_OCP允许的电流，由于其镜像电流被第二功率管M₁采集到第二电阻R₁两端，计时限流器内部由一个电流镜比较器和功能为延迟第一时长、第二时长的数字计时器组成，第二电阻R₁的电流达到电流镜比较器设定的阈值时，触发数字计时器工作，产生一个第一时长的延迟（通常第一时长=1.5uS）以防止电流毛刺误检，当采样的大电流持续超过第一时长后，计时限流器输出（即计时限流模块LOW_OCP输出）的LA_OCP信号被拉低，对应的反相器C₁输出端的信号LG被关闭，以起到保护芯片的作用，进一步的，在拉低LA_OCP后计时限流模块Low_OCP开始计时，在计时第二时长（通常第二时长=3mS）后重启LA_OCP，传输PWM信号到第三功率管M₂。此为第一级保护电路的作用。

然而，在电路实际工作时，外围电感因某些原因导致短路而引起M₂工作的大电流，计时限流模块LOW_OCP由于第一时长的存在，第三功率管M₂在此时间内的电流远大于Low_OCP的电流值，使得第三功率管M₂在此第一时长时间内被自身产生的大电流烧坏，此情况下则二级限流模块起到保护作用：第一功率管M₀将第三功率管M₂的电流采集第一电阻R₀两端，第一电阻R₀的电流开启三极管Q₀的V_be电压，三极管Q₀被导通，吸收LG上的电流，降低LG的电压使得第三功率管M₂上的V_gs电压降低，达到限制第三功率管M₂输出电流能力的作用。

实施例三

本实施例公开了一种电路的限流双保护方法，所述的电路包括PWM信号线路和一被控第三功率管M₂，所述PWM信号线路连接被控第三功率管M₂的栅极。第三功率管M₂的源极通过一电感L₁连接有VM信号源。针对该电路的限流双保护方法包括：

对第三功率管M₂的电流进行实时检测，根据检测结果执行：

当第三功率管M₂的电流超过第一阈值时，延迟第一预定时长，若延迟第一预定时长结束时，第三功率管M₂的电流仍超过第一阈值，则关断PWM信号线路输出的信号；并在关断PWM信号线路输出的信号预定时长后，重新开启PWM信号线路输出的信号。

当第三功率管M₂的电流超过第二阈值时，立即对PWM信号线路输出的信号进行分流。

在一些实施例中，PWM信号线路包括一与非门C₂和一反相器C₁，与非门C₂的输出端连接反相器C₁的输入端，反相器C₁的输出端连接第三功率管M₂的栅极。上述的关断PWM信号通过以下方式实现：设计第一电流采样电路连接第三功率管M₂以采集第三功率管M₂的电流，设计计时限流器连接第一电流采样电路，计时限流器的输出端与PWM信号分别连接与非门C₂的两输入端，计时限流器在输入信号达到第一阈值的时长超过第一预定时长（如前述实施例中的第一时长）后，输出低电平信号，以通过延迟第一预定时长甄别电流毛刺。进一步的，计时限流器在输出低电平信号的时间达到第二预定时长（如前述实施例中的第二时长）时，输出高电平信号，以重新传输PWM信号。

参见附图1，上述的第一电流采样电路在一些实施例中，包括第二功率管M₁和第二电阻R₁，所述第二功率管M₁的源极连接所述第三功率管M₂的源极，所述第二功率管M₁的栅极连接所述第三功率管M₂的栅极，所述第二功率管M₁的漏极连接所述第二电阻R₁，所述第二电阻R₁的另一端连接低电位（如接地PGND）；所述计时限流器连接所述第二电阻R₁靠所述第二功率管M₁一端。

上述当所述第三功率管M₂的电流超过第二阈值时，立即对所述PWM信号线路输出的信号进行分流可通过以下方式实现：

使用第一电流采样电路的情况：设计一NPN型三极管Q₀，所述三极管Q₀的发射极连接低电位（如接地PGND），所述三极管Q₀的集电极连接所述PWM信号线路输出的信号，所述三极管Q₀的基极连接所述第一电流采样电路，在所述第一电流采样电路采集的电压达到第二阈值时，所述三极管Q₀导通。

重新设计电流采样电路的情况：参见附图1，设计一NPN型三极管Q₀，设计第二电流采样电路连接所述第三功率管M₂以采集所述第三功率管M₂的电流，所述三极管Q₀的发射极连接低电位（如接地PGND），所述三极管Q₀的集电极连接所述PWM信号线路输出的信号，所述三极管Q₀的基极连接所述第二电流采样电路，在所述第二电流采样电路采集的电压达到第二阈值时，所述三极管Q₀导通。此处的第二电流采样电路在一些实施例中，包括第一功率管M₀和第一电阻R₀，所述第一功率管M₀的源极连接所述第三功率管M₂的源极，所述第一功率管M₀的栅极连接所述第三功率管M₂的栅极，所述第一功率管M₀的漏极连接所述第一电阻R₀，所述第一电阻R₀的另一端连接低电位；所述三极管Q₀的基极连接所述第一电阻R₀靠所述第一功率管M₀一端。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims

1.一种限流双保护电路，其特征在于，包括一与非门（C₂）、一反相器（C₁）、一计时限流模块（LOW_OCP）和一二级限流模块；所述与非门（C₂）的输出端连接所述反相器（C₁）的输入端，所述反相器（C₁）的输出端连接被控第三功率管（M₂）的栅极；

所述计时限流模块（LOW_OCP）包括第一电流采样电路和计时限流器，所述第一电流采样电路连接所述计时限流器的输入端，所述计时限流器在输入信号达到预设门限时，输出低电平信号，所述计时限流器的输出端与PWM信号分别连接与非门（C₂）的两输入端；

所述二级限流模块包括第二电流采样电路和NPN型三极管（Q₀），所述第二电流采样电路连接所述三极管（Q₀）的基极，所述三极管（Q₀）的集电极连接所述反相器（C₁）的输出端，所述三极管（Q₀）的发射极连接低电位；

所述第一电流采样电路和第二电流采样电路分别与所述第三功率管（M₂）连接，对所述第三功率管（M₂）的电流进行采样。

2.如权利要求1所述的限流双保护电路，其特征在于，所述第一电流采样电路包括第二功率管（M₁）和第二电阻（R₁），所述第二功率管（M₁）的源极连接所述第三功率管（M₂）的源极，所述第二功率管（M₁）的栅极连接所述第三功率管（M₂）的栅极，所述第二功率管（M₁）的漏极连接所述第二电阻（R₁），所述第二电阻（R₁）的另一端连接低电位；所述计时限流器连接所述第二电阻（R₁）靠所述第二功率管（M₁）一端。

3.如权利要求1所述的限流双保护电路，其特征在于，所述第二电流采样电路包括第一功率管（M₀）和第一电阻（R₀），所述第一功率管（M₀）的源极连接所述第三功率管（M₂）的源极，所述第一功率管（M₀）的栅极连接所述第三功率管（M₂）的栅极，所述第一功率管（M₀）的漏极连接所述第一电阻（R₀），所述第一电阻（R₀）的另一端连接低电位；所述三极管（Q₀）的基极连接所述第一电阻（R₀）靠所述第一功率管（M₀）一端。

4.如权利要求1~3任一所述的限流双保护电路，其特征在于，所述计时限流器包括电流镜比较器和数字计时器，所述数字计时器连接所述电流镜比较器，所述电流镜比较器的一个输入端连接所述第一电流采样电路，所述电流镜比较器的另一端输入第一电流阈值。

5.如权利要求4所述的限流双保护电路，其特征在于，所述数字计时器的功能至少包括具备拉低输出的第一时长和拉高输出的第二时长两个时间。

6.一种电路的限流双保护方法，所述电路包括PWM信号线路和一被控第三功率管（M₂），所述PWM信号线路连接被控第三功率管（M₂）的栅极，其特征在于，针对所述电路的限流双保护方法包括：

对所述第三功率管（M₂）的电流进行实时检测，根据检测结果执行：

当所述第三功率管（M₂）的电流超过第一阈值时，延迟第一预定时长，若延迟第一预定时长结束时，所述第三功率管（M₂）的电流仍超过第一阈值，则关断所述PWM信号线路输出的信号；

当所述第三功率管（M₂）的电流超过第二阈值时，立即对所述PWM信号线路输出的信号进行分流。

7.如权利要求6所述的电路的限流双保护方法，其特征在于，所述PWM信号线路包括一与非门（C₂）和一反相器（C₁），所述与非门（C₂）的输出端连接所述反相器（C₁）的输入端，所述反相器（C₁）的输出端连接所述第三功率管（M₂）的栅极；

当所述第三功率管（M₂）的电流超过第一阈值时，延迟第一预定时长，若延迟第一预定时长结束时，所述第三功率管（M₂）的电流仍超过第一阈值，则关断所述PWM信号线路输出的信号，通过以下方式实现：

设计第一电流采样电路连接所述第三功率管（M₂）以采集所述第三功率管（M₂）的电流，设计计时限流器连接所述第一电流采样电路，所述计时限流器的输出端与PWM信号分别连接与非门（C₂）的两输入端，所述计时限流器在输入信号达到第一阈值的时长超过第一预定时长后，输出低电平信号。

8.如权利要求6或7所述的电路的限流双保护方法，其特征在于，当所述第三功率管（M₂）的电流超过第二阈值时，立即对所述PWM信号线路输出的信号进行分流，通过以下方式实现：

设计一NPN型三极管（Q₀），所述三极管（Q₀）的发射极连接低电位，所述三极管（Q₀）的集电极连接所述PWM信号线路输出的信号，所述三极管（Q₀）的基极连接所述第一电流采样电路，在所述第一电流采样电路采集的电压达到第二阈值时，所述三极管（Q₀）导通；

或者通过以下方式实现：设计一NPN型三极管（Q₀），设计第二电流采样电路连接所述第三功率管（M₂）以采集所述第三功率管（M₂）的电流，所述三极管（Q₀）的发射极连接低电位，所述三极管（Q₀）的集电极连接所述PWM信号线路输出的信号，所述三极管（Q₀）的基极连接所述第二电流采样电路，在所述第二电流采样电路采集的电压达到第二阈值时，所述三极管（Q₀）导通。

9.如权利要求7所述的电路的限流双保护方法，其特征在于，所述第一电流采样电路包括第二功率管（M₁）和第二电阻（R₁），所述第二功率管（M₁）的源极连接所述第三功率管（M₂）的源极，所述第二功率管（M₁）的栅极连接所述第三功率管（M₂）的栅极，所述第二功率管（M₁）的漏极连接所述第二电阻（R₁），所述第二电阻（R₁）的另一端连接低电位；所述计时限流器连接所述第二电阻（R₁）靠所述第二功率管（M₁）一端。

10.如权利要求8所述的电路的限流双保护方法，其特征在于，所述第二电流采样电路包括第一功率管（M₀）和第一电阻（R₀），所述第一功率管（M₀）的源极连接所述第三功率管（M₂）的源极，所述第一功率管（M₀）的栅极连接所述第三功率管（M₂）的栅极，所述第一功率管（M₀）的漏极连接所述第一电阻（R₀），所述第一电阻（R₀）的另一端连接低电位；所述三极管（Q₀）的基极连接所述第一电阻（R₀）靠所述第一功率管（M₀）一端。