CN112600167B

CN112600167B - 一种高压稳压器的过流保护电路

Info

Publication number: CN112600167B
Application number: CN202011546116.7A
Authority: CN
Inventors: 韩俊杰
Original assignee: Chengdu Siluipu Microelectronics Technology Co ltd
Current assignee: Chengdu Siluipu Microelectronics Technology Co ltd
Priority date: 2020-12-24
Filing date: 2020-12-24
Publication date: 2022-09-27
Anticipated expiration: 2040-12-24
Also published as: CN112600167A

Abstract

本发明揭示了一种高压稳压器的过流保护电路，包括压差钳位单元和电流比较器，其中所述压差钳位单元接入高压输入端PVIN、高压地FGND之间，并由PMOS管PM1、PM2，NMOS管NM1、NM2、NM3、NM5，齐纳二极管D0，P沟道横向双扩散MOS管PLDM1，隔离高压的N沟道横向双扩散MOS管NLDM1、NLDM2相接构成，用于钳位一个5V以内的压差；电流比较器由PMOS管PM3~PM6，NMOS管NM6~NM15相接构成，通过比较PVIN_SNS和SW_SNS两端的输入电流，并触发输出过流保护信号。应用本发明的过流保护电路，通过MOS管和少量电阻、齐纳二极管相接构成兼具ESD防护和限制压差的钳位电路，为5V器件提供了使用条件和可靠性保障，同时减小了电路占用面积和功耗，配合包含源输入的共栅极放大器，也提升了过流保护的响应速度。

Description

一种高压稳压器的过流保护电路

技术领域

本发明涉及一种过流保护电路设计，尤其一种应用于高压稳压器的过流保护电路。

背景技术

随着电子技术的不断发展，开关电源因具有体积小、响应速度快、效率高等优点，被广泛应用于计算机、通信、工业自动化、电子或电工仪器以及各类便携式电子设备中。功率MOS管（简称功率管）是开关电源的重要组成部分。随着半导体工艺的不断进步，功率管的导通电阻越来越小，开关的频率越来越快，功耗越来越低。但是，功率管无法承受过大的电流。为了解决找个问题，在开关电源中增加了过流保护电路，以避免输出短路或防止电流过大时影响功率管的正常工作甚至对功率管造成永久性损坏。

过流保护电路必须具有较快的相应速度，并且不受电源电压和温度的影响。当功率管发生过流时，过流保护电路要及时地将过流信号反馈给系统的控制电路，以关断功率管或者直接关闭整个系统。

在高压稳压器中，为了避免电流过大而导致的器件或设备烧毁或损坏的现象，通常会设置有用于过流保护的相关电路结构。不同于低压电路中的应用场景，高压电路中必须考虑到器件的耐压等特性，防止可靠性问题的出现。而且由于一般高压器件比低压器件面积会大很多，如何巧妙设计达到目的的同时又节省面积是一种考验。

发明内容

鉴于上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的旨在提出一种高压稳压器的过流保护电路，以期实现可靠过流保护的同时节省面积占用。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术解决方案为，一种高压稳压器的过流保护电路，其特征在于：包括压差钳位单元和电流比较器，其中所述压差钳位单元接入高压输入端PVIN、高压地FGND之间，并用于钳位一个5V以内的压差；所述电流比较器通过比较PVIN_SNS和SW_SNS两端的输入电流，并触发输出过流保护信号。

上述高压稳压器的过流保护电路，进一步地，所述压差钳位单元由PMOS管PM1、PM2，NMOS管NM1、NM2、NM3、NM5，齐纳二极管D0，P沟道横向双扩散MOS管PLDM1，隔离高压的N沟道横向双扩散MOS管NLDM1、NLDM2相接构成，其中PM1和PM2共源接入高压输入端PVIN，NM1、NM2、NM3的共源极与PLDM1的漏极接地，NM1、NM2、NM3的共栅极与NM1的漏极相接于偏置电流IBN_1u，NM2的漏极与NLDM1的源极相连接，NLDM1、PM1共漏相接于PM1、PM2的共栅极，NM3的漏极与NLDM2的源极相连接，NLDM2的漏极与PLDM1的栅极相连接，并通过固定压降回路接入高压输入端PVIN，且NLDM1、NLDM2共栅接入定压5V的输入端VDDA，PLDM1的源极和PM2的漏极相接于高压地FGND。

上述高压稳压器的过流保护电路，更进一步地，NLDM1的漏极与PM1的漏极之间相接设有ESD保护电阻R1，NLDM2的漏极与固定压降回路之间相接设有ESD保护电阻R2。

上述高压稳压器的过流保护电路，再进一步地，所述固定压降回路由齐纳二极管D0和NMOS管NM5并联构成，其中D0的阴极与NM5的栅极相接于高压输入端PVIN，D0的阳极与NM5的源极和漏极与电阻R2相连接。

上述高压稳压器的过流保护电路，进一步地，所述PMOS管PM1和NMOS管NM1、NM2、NM3构成了电流镜，且电流镜设有开关管NM16、NM17，其中NM1与NM16共源接地，NM16的漏极与NM1的栅极相连接，NM16的栅极接使能信号ENB，NM1的漏极与NM17的源极相连接，NM17的漏极接入偏置电流IBN_1u，NM17的栅极接使能信号ENA。

上述高压稳压器的过流保护电路，进一步地，所述高压输入端PVIN、高压地FGND之间还接设有由电阻D1和NMOS管NM4并联构成的辅助限压回路，其中D1的阴极与NM4的栅极相接于高压输入端PVIN，D0的阳极与NM4的源极和漏极相接于高压地FGND。

上述高压稳压器的过流保护电路，进一步地，所述电流比较器由PMOS管PM3~PM6，NMOS管NM6~NM15相接构成，其中PM3、NM6、NM7相接成偏置电路，PM4、PM5、NM8~NM11相接成源输入的共栅极放大器，PM6的源极相接于高压输入端PVIN，PM6、NM13共栅接入PM5、MN10的共漏极，PM6、NM13共漏相接且输出为过流保护信号HS_OCP_HV，NM13的源极相接于高压地FGND，NM14、NM15相接成限地支路。

上述高压稳压器的过流保护电路，更进一步地，所述偏置电路中，PM3的源极相接于高压输入端PVIN，PM3与NM6共漏相接，NM6的源极与NM7的漏极相连接，NM7的源极相接于高压地FGND。

上述高压稳压器的过流保护电路，更进一步地，所述共栅极放大器中，PM4、PM5、NM12的共栅极与PM4、NM8的共漏极相连接，NM12的源极和漏极相接于高压地FGND，PM4的源极通过电阻R3相接于输入电流PVIN_SNS，PM5的源极相接于输入电流SW_SNS，NM8的源极与NM9的漏极相连接，NM10的源极与NM11的漏极相连接，NM8、NM10与偏置电路中的NM6共栅相接，NM9、NM11与偏置电路中的NM7共栅相接，且NM9、NM11的共源极相接于高压地FGND。

上述高压稳压器的过流保护电路，更进一步地，所述限地支路中，NM14的源极相接于高压地FGND，并与NM13共栅相连，NM14的漏极与NM15的源极相连接，过流保护信号HS_OCP_HV接入NM15的漏极并通过反相器接入NM15的栅极。

应用本发明的过流保护电路，具备突出的实质性特点和显著的进步性：通过MOS管和少量电阻、齐纳二极管相接构成兼具ESD防护和限制压差的钳位电路，为5V器件提供了使用条件和可靠性保障，同时减小了电路占用面积和功耗，配合包含源输入的共栅极放大器，也提升了过流保护的响应速度。

附图说明

图1是本发明高压稳压器的过流保护电路的完整接线示意图。

具体实施方式

以下便结合实施例附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详述，以使本发明技术方案更易于理解、掌握，从而对本发明的保护范围做出更为清晰的界定。

鉴于高压电路中必须考虑到器件的耐压等特性，防止可靠性问题的出现，而且由于一般高压器件比低压器件面积会大很多，故本发明设计者针对该电路设计要求，进行了电路结构方面的综合分析，结合自身经验和创造性劳动，创新提出了一种高压稳压器的过流保护电路，切实提高过流保护电路在高压电路应用中的可靠性并缩小面积占用。

如图1所示的完整接线示意图，该过流保护电路的概述方案包括压差钳位单元和电流比较器，其中压差钳位单元接入高压输入端PVIN、高压地FGND之间，并用于钳位一个5V以内的压差；其中引入N沟道横向双扩散MOS管NLDM1、NLDM2用于隔离高压，从而使得其它NMOS管可以采用5V器件，降低过流保护电路的占用面积幅度；而电流比较器通过比较PVIN_SNS和SW_SNS两端的输入电流，以响应速度较快的共栅极放大器触发输出过流保护信号，反馈系统并及时作出响应措施。

以下从更进一步细化的电路结构来理解功能实现。该压差钳位单元如图1左半部分所示，其由PMOS管PM1、PM2，NMOS管NM1、NM2、NM3、NM5，齐纳二极管D0，P沟道横向双扩散MOS管PLDM1，N沟道横向双扩散MOS管NLDM1、NLDM2相接构成。其中PM1和PM2共源接入高压输入端PVIN，NM1、NM2、NM3的共源极与PLDM1的漏极接地，NM1、NM2、NM3的共栅极与NM1的漏极相接于偏置电流IBN_1u，NM2的漏极与NLDM1的源极相连接，NLDM1、PM1共漏相接于PM1、PM2的共栅极，NM3的漏极与NLDM2的源极相连接，NLDM2的漏极与PLDM1的栅极相连接，并通过固定压降回路接入高压输入端PVIN，且NLDM1、NLDM2共栅接入定压5V的输入端VDDA，PLDM1的源极和PM2的漏极相接于高压地FGND。这里，通过N沟道横向双扩散MOS管NLDM1、NLDM2隔离高压，因此使得NM1、NM2、NM3和PM1所构成的简单电流镜能够采用5V器件实现。

同时，该钳位电路中还需要兼顾ESD防护的问题，因此，NLDM1的漏极与PM1的漏极之间相接设有ESD保护电阻R1，NLDM2的漏极与固定压降回路之间相接设有ESD保护电阻R2。其阻值都较小，除了占用面积小外，所产生的压降也较小。而在电阻R2偏上位置的固定压降回路则是由齐纳二极管D0和NMOS管NM5并联构成，其中D0的阴极与NM5的栅极相接于高压输入端PVIN，D0的阳极与NM5的源极和漏极与电阻R2相连接。在正常工作中该齐纳二极管处于导通状态，会产生5.8V左右的压降。因此高压地FGND上的电压为高压输入端VPIN减去该固定压降5.8V后再加上PLDM1的源漏电压，其值约为4.8V左右。

上述电流镜还设有用于防止稳压器关断时刻漏电的开关管NM16、NM17，其中NM1与NM16共源接地，NM16的漏极与NM1的栅极相连接，NM16的栅极接使能信号ENB，NM1的漏极与NM17的源极相连接，NM17的漏极接入偏置电流IBN_1u，NM17的栅极接使能信号ENA，且使能信号ENA和ENB互逆。

此外，上述为进一步限制高压输入端PVIN、高压地FGND之间的压差，其间还接设有由电阻D1和NMOS管NM4并联构成的辅助限压回路，其中D1的阴极与NM4的栅极相接于高压输入端PVIN，D0的阳极与NM4的源极和漏极相接于高压地FGND，限压原理与固定压降回路相同。

再来看图1右半部分所示的上述电流比较器，其由PMOS管PM3~PM6，NMOS管NM6~NM15相接构成，其中PM3、NM6、NM7相接成偏置电路，PM4、PM5、NM8~NM11相接成源输入的共栅极放大器，PM6的源极相接于高压输入端PVIN，PM6、NM13共栅接入PM5、MN10的共漏极，PM6、NM13共漏相接且输出为过流保护信号HS_OCP_HV，NM13的源极相接于高压地FGND，NM14、NM15相接成限地支路。

各部分细化的连接结构描述如下，偏置电路中，PM3的源极相接于高压输入端PVIN，PM3与NM6共漏相接，NM6的源极与NM7的漏极相连接，NM7的源极相接于高压地FGND，用于提供偏置电压。

上述源输入的共栅极放大器中，PM4、PM5、NM12的共栅极与PM4、NM8的共漏极相连接，NM12的源极和漏极相接于高压地FGND，PM4的源极通过电阻R3相接于输入电流PVIN_SNS，PM5的源极相接于输入电流SW_SNS，NM8的源极与NM9的漏极相连接，NM10的源极与NM11的漏极相连接，NM8、NM10与偏置电路中的NM6共栅相接，NM9、NM11与偏置电路中的NM7共栅相接，且NM9、NM11的共源极相接于高压地FGND。其响应速度很快。当SW_SNS端的输入电流小于PVIN_SNS端的输入电流时，PM5和NM10直接拉低电压，则HS_OCP_HV拉高到PVIN，即发出提示过流保护的OCP信号。

上述限地支路中，NM14的源极相接于高压地FGND，并与NM13共栅相连，NM14的漏极与NM15的源极相连接，过流保护信号HS_OCP_HV接入NM15的漏极并通过反相器接入NM15的栅极。其作用是在没有发生OCP时把HS_OCP_HV信号固定在高压地FGND的电位。

综上结合图示的实施例详述可见，应用本发明的过流保护电路，尤其当其应用于高压稳压器中，具备突出的实质性特点和显著的进步性：该电路通过MOS管和少量电阻、齐纳二极管相接构成兼具ESD防护和限制压差的钳位电路，为5V器件提供了使用条件和可靠性保障，同时减小了电路占用面积和功耗，配合包含源输入的共栅极放大器，也提升了过流保护的响应速度。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内进行修改或者等同变换，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种高压稳压器的过流保护电路，其特征在于：

包括压差钳位单元和电流比较器，其中所述压差钳位单元接入高压输入端PVIN、高压地FGND之间，并用于钳位一个5V以内的压差；所述电流比较器通过比较PVIN_SNS和SW_SNS两端的输入电流，并触发输出过流保护信号；

所述压差钳位单元由PMOS管PM1、PM2，NMOS管NM1、NM2、NM3、NM5，齐纳二极管D0，P沟道横向双扩散MOS管PLDM1，隔离高压的N沟道横向双扩散MOS管NLDM1、NLDM2相接构成，其中PMOS管PM1和PM2共源接入高压输入端PVIN，NMOS管NM1、NM2、NM3的共源极与PLDM1的漏极接地，NM1、NM2、NM3的共栅极与NM1的漏极相接于偏置电流IBN_1u，NM2的漏极与NLDM1的源极相连接，NLDM1、PM1共漏相接于PM1、PM2的共栅极，NM3的漏极与NLDM2的源极相连接，NLDM2的漏极与PLDM1的栅极相连接，并通过固定压降回路接入高压输入端PVIN，且NLDM1、NLDM2共栅接入定压5V的输入端VDDA，PLDM1的源极和PM2的漏极相接于高压地FGND，齐纳二极管D0和NMOS管NM5并联连接。

2.根据权利要求1所述高压稳压器的过流保护电路，其特征在于：

NLDM1的漏极与PM1的漏极之间相接设有ESD保护电阻R1，NLDM2的漏极与固定压降回路之间相接设有ESD保护电阻R2。

3.根据权利要求2所述高压稳压器的过流保护电路，其特征在于：

所述固定压降回路由齐纳二极管D0和NMOS管NM5并联构成，其中D0的阴极与NM5的栅极相接于高压输入端PVIN，D0的阳极与NM5的源极和漏极与电阻R2相连接。

4.根据权利要求1所述高压稳压器的过流保护电路，其特征在于：

所述PMOS管PM1和NMOS管NM1、NM2、NM3构成了电流镜，且电流镜设有开关管NM16、NM17，其中NM1与NM16共源接地，NM16的漏极与NM1的栅极相连接，NM16的栅极接使能信号ENB，NM1的漏极与NM17的源极相连接，NM17的漏极接入偏置电流IBN_1u，NM17的栅极接使能信号ENA。

5.根据权利要求1所述高压稳压器的过流保护电路，其特征在于：

所述高压输入端PVIN、高压地FGND之间还接设有由齐纳二极管D1和NMOS管NM4并联构成的辅助限压回路，其中D1的阴极与NM4的栅极相接于高压输入端PVIN，D0的阳极与NM4的源极和漏极相接于高压地FGND。

6.根据权利要求1所述高压稳压器的过流保护电路，其特征在于：

所述电流比较器由PMOS管PM3~PM6，NMOS管NM6~NM15相接构成，其中PM3、NM6、NM7相接成偏置电路，PM4、PM5、NM8~NM11相接成源输入的共栅极放大器，PM6的源极相接于高压输入端PVIN，PM6、NM13共栅接入PM5、MN10的共漏极，PM6、NM13共漏相接且输出为过流保护信号HS_OCP_HV，NM13的源极相接于高压地FGND，NM14、NM15相接成限地支路。

7.根据权利要求6所述高压稳压器的过流保护电路，其特征在于：

所述偏置电路中，PM3的源极相接于高压输入端PVIN，PM3与NM6共漏相接，NM6的源极与NM7的漏极相连接，NM7的源极相接于高压地FGND。

8.根据权利要求6所述高压稳压器的过流保护电路，其特征在于：

所述共栅极放大器中，PM4、PM5、NM12的共栅极与PM4、NM8的共漏极相连接，NM12的源极和漏极相接于高压地FGND，PM4的源极通过电阻R3相接于输入电流PVIN_SNS，PM5的源极相接于输入电流SW_SNS，NM8的源极与NM9的漏极相连接，NM10的源极与NM11的漏极相连接，NM8、NM10与偏置电路中的NM6共栅相接，NM9、NM11与偏置电路中的NM7共栅相接，且NM9、NM11的共源极相接于高压地FGND。

9.根据权利要求6所述高压稳压器的过流保护电路，其特征在于：

所述限地支路中，NM14的源极相接于高压地FGND，并与NM13共栅相连，NM14的漏极与NM15的源极相连接，过流保护信号HS_OCP_HV接入NM15的漏极并通过反相器接入NM15的栅极。