CN112701663B - 用于功率mos管的过流检测和保护电路、以及功率mos管组件 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种用于功率MOS管的过流检测和保护电路、以及功率MOS管组件。过流检测和保护电路包括电流采样模块和栅极控制模块，电流采样模块适于采样流过功率MOS管源极的电流；栅极控制模块的输入端耦接功率MOS管的源极、输出端耦接功率MOS管的栅极而向功率MOS管提供栅极驱动电压，以使得电流不超过其电流阈值。使得流过功率MOS管的电流不会出现过流，且精确地计算出电流阈值而不存在电流阈值的偏差，从而可以避免由于该偏差所导致的对功率MOS管的提前保护或者保护失效。

Description

用于功率MOS管的过流检测和保护电路、以及功率MOS管组件

技术领域

本发明涉及电流检测领域，尤其涉及一种用于功率MOS管的过流检测和保护电路、以及功率MOS管组件。

背景技术

功率金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal Oxide Semiconductor EffectTransistor)也称为功率MOS管，其导通时通常有较大的电流流过。如果负载不慎短路，或者电流超过功率MOS管开关的极限值，可能会对其造成永久性损坏。为了保证器件长期工作的可靠性，必须对负载电流进行检测；并且，能够在电流过大时，对功率MOS管进行保护，以避免器件由于过热而损坏。

图1示出了一种典型的检测流过功率MOS管电流的电路结构图，其中，采样MOS管M₂将流经功率MOS管M₁的电流I_O缩小若干倍，经感测电阻R_S采样而获得采样电压V_S，比较器Comp比较采样电压V_S和参考电压V_REF以判断流过M₁的输出电流I_O是否超过极限值。但是，由于R_S的电压降，M₂和M₁的栅源电压并不是完全相等，因此，M₂不能精确地复制流过M₁的输出电流I_O，使得与输出电流I_O相关的过流检测点存在偏差。

发明内容

本发明实施例的目的在于，提供一种用于功率MOS管的过流检测和保护电路和功率MOS管组件。

本发明实施例提供一种用于功率MOS管的过流检测和保护电路，包括：电流采样模块，其适于采样流过功率MOS管源极的电流；栅极控制模块，其输入端耦接功率MOS管的源极、输出端耦接功率MOS管的栅极而向功率MOS管提供栅极驱动电压，以使得电流不超过其电流阈值。

可选地，电流采样模块包括用于电流检测的第一电阻，其第一端耦接功率MOS管的源极，第二端耦接地。

可选地，第一电阻的阻值在0.01至1欧姆之间。

可选地，栅极控制模块包括可提供第一偏置电流和第二偏置电流的偏置电流电路、具有第一MOS管和第二MOS管的电流镜、隔离驱动电路和第二电阻，其中，第一偏置电流和第二偏置电流分别流过第一MOS管和第二MOS管的漏极，第一MOS管的栅极耦接第二MOS管的栅极、源极耦接功率MOS管的源极，隔离驱动电路耦接于第二MOS管的漏极和功率MOS管的栅极之间，第二电阻耦接于第二MOS管的源极与地之间。

可选地，电流阈值包括第一电流阈值，其通过以下公式计算：

I_THRESHOLD1＝(K-N)I₁，

其中，I_THRESHOLD1表示第一电流阈值，K表示第二电阻与第一电阻的比值，N表示第一偏置电流与第二偏置电流的比值、并且为大于0的整数，I₁表示第二偏置电流的值。

可选地，栅极控制模块还包括耦接于第二MOS管的源极并向其提供电流的电流源。

可选地，电流阈值包括第二电流阈值，其通过以下公式计算：

I_THRESHOLD2＝(K-N)I₁+KI₂，

其中，I_THRESHOLD2表示第二电流阈值，K表示第二电阻与第一电阻的比值，N表示第一偏置电流与第二偏置电流的比值、并且为大于0的整数，I₁表示第二偏置电流，I₂表示电流源提供的电流值。

可选地，第一电阻和第二电阻为通过相同工艺制程的、属于相同类型的电阻。

可选地，电流采样模块包括用于电流检测的第一电阻，第二电阻与第一电阻的比值在100至1000000之间。

可选地，包括标志产生模块，其输入端耦接功率MOS管的漏极、输出端适于基于功率MOS管的输出电压而选择性地输出过流标志。

可选地，标志产生模块包括控制电路、检测MOS管、输出MOS管和第三电阻，其中，检测MOS管的栅极耦接控制电路、源极耦接输出MOS管的栅极、漏极耦接功率MOS管的漏极，输出MOS管的栅极耦接第三电阻的第一端、源极耦接第三电阻的第二端、漏极适于选择性地输出过流标志，第三电阻的第二端耦接地。

可选地，标志产生模块包括第四电阻，其第一端耦接电源电压、第二端耦接输出MOS管的漏极。

本发明实施例还提供一种功率MOS管组件，包括功率MOS管和上述任一项所述的过流检测和保护电路。

与现有技术相比，本发明实施例的技术方案具有有益效果。例如，可以使得流过功率MOS管的电流不会出现过流，还可以精确地计算出电流阈值而不存在电流阈值的偏差，从而可以避免由于该偏差所导致的对功率MOS管的提前保护或者保护失效。

附图说明

图1是现有的检测流过功率MOS管电流的电路结构图；

图2为本发明实施例中一种过流检测和保护电路的总体结构示意图，其中该过流检测和保护电路包括电流采样模块和栅极控制模块；

图3为本发明实施例中电流采样模块的结构示意图；

图4为本发明实施例中过流检测和保护电路的具体结构示意图，其中栅极控制模块具有第一电路结构；

图5为本发明实施例中过流检测和保护电路的具体结构示意图，其中栅极控制模块具有第二电路结构；

图6为本发明实施例中另一种过流检测和保护电路的总体结构示意图，其中该过流检测和保护电路包括电流采样模块、栅极控制模块和标志产生模块；

图7为本发明实施例中过流检测和保护电路的具体结构示意图，其中标志产生模块具有具体的电路结构。

具体实施方式

现有技术中，采样MOS管不能精确地复制流过功率MOS管的输出电流，使得所设定的过流检测点(即电流阈值)存在偏差；并且，采样MOS管的体效应、环境温度以及电阻制造精度等因素也会使电流阈值产生进一步的偏差。如果该偏差使得电流阈值设定得过低则会导致在负载较小时提前进行保护；如果该偏差使得电流阈值设定得过高则会导致保护失效，进而可能导致功率MOS管的损坏。

在本发明的实施例中，过流检测和保护电路包括栅极控制模块，其输入端耦接功率MOS管的源极、输出端耦接功率MOS管的栅极而向功率MOS管提供栅极驱动电压，以使得流过功率MOS管的电流不超过其电流阈值，使得流过功率MOS管的电流不会过流。

在本发明的实施例中，电流阈值(I_THRESHOLD1、I_THRESHOLD2)可以通过公式精确地计算。其中，不涉及现有技术中复制流过功率MOS管的电流和采样MOS管的体效应，从而不会存在由此所产生的电流阈值偏差；也不涉及电阻绝对值的参数，从而不会存在由于电阻工艺误差或者应用环境的温度影响所产生的电流阈值偏差。

在本发明的实施例中，电流阈值(I_THRESHOLD1、I_THRESHOLD2)可以通过公式精确地计算，其中，参数K表示所述第二电阻与所述第一电阻的比值，由于这二个电阻为通过相同工艺制程的、属于相同类型的电阻，因此，电阻制造的工艺误差或者应用环境的温度变化不会对比值K产生影响，其可以非常精确。

在本发明的实施例中，电流阈值表示允许流过功率MOS管的电流的极限值，即，流过功率MOS管的电流不超过电流阈值时认为功率MOS管处于正常的工作状态。

在本发明的实施例中，过流检测和保护电路可以包括标志产生模块，其输入端耦接所述功率MOS管的漏极、输出端适于基于所述功率MOS管的输出电压而选择性地输出过流标志，从而可以及时获取关于功率MOS管过流的信息，进而可以采取有效的保护或者维护措施。

为使本发明实施例的目的、特征和有益效果能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。

如图2所示，本发明实施例提供一种过流检测和保护电路100，其用于对功率MOS管110进行过流检测。

负载150的第一端耦接电源电压VCC，第二端耦接功率MOS管(M_POWER)110的漏极。

通过栅极电压V_GATE控制功率MOS管110流经负载150的漏极电流I_OUT，其不能超过功率MOS管110的电流阈值。

过流检测和保护电路100包括电流采样模块120和栅极控制模块130。

电流采样模块120的第一端耦接功率MOS管110的源极，第二端耦接地，其用于采样流过功率MOS管110的电流。

如图3所示，电流采样模块120包括用于电流检测的第一电阻(R₁)121，其第一端耦接所述功率MOS管的源极，第二端耦接地。第一电阻121可以采样流过功率MOS管110源极的电流。

第一电阻121的阻值定义很小，从而对功率MOS管110的输出阻抗影响很小。在具体实施中，第一电阻121的阻值可以在0.01至1欧姆之间。

栅极控制模块130耦接电源电压VDD，并且，其输入端耦接功率MOS管110的源极和电流采样模块120，输入信号为功率MOS管110的源极电势，输出端耦接功率MOS管110的栅极，从而向功率MOS管110提供栅极驱动电压V_GATE，以使得流过功率MOS管110的电流不超过其电流阈值。

栅极控制模块130耦接电源电压VDD，其通常与VCC的电压不同。

在图4所示的实施例中，栅极控制模块130可以为具体的模块230，其包括可提供第一偏置电流131和第二偏置电流132的偏置电流电路、具有第一MOS管(M_A)133和第二MOS管(M_B)134的电流镜、隔离驱动电路135和第二电阻(R₂)136。

第一偏置电流131和第二偏置电流132耦接电源电压VDD并且分别流过第一MOS管133和第二MOS管134的漏极。第一偏置电流131可以为N倍的单位电流(I₁)，第二偏置电流132可以为单位电流I₁，其中，N为大于0的整数，例如，N为1。

第一偏置电流131和第二偏置电流132可以由共同的参考电流源产生，并且，可以采用不受温度变化影响的参考电流源。通过这二方面的设置，可以使得第一偏置电流131与第二偏置电流132的比值N可以非常精确，也使得电流阈值(I_THRESHOLD1、I_THRESHOLD2)不受温度变化的影响。

第一MOS管133的栅极耦接第二MOS管134的栅极、源极耦接功率MOS管110的源极；第二MOS管134的漏极耦接隔离驱动电路135的输入端、源极耦接第二电阻136。

隔离驱动电路135耦接于第二MOS管134的漏极和功率MOS管110的栅极之间。第二MOS管134漏极的电压V_DRV基于流过负载150的输出电流I_OUT的变化而调节其向功率MOS管110提供的栅极驱动电压V_GATE，从而控制功率MOS管110的导通程度。

具体而言，一般地，功率MOS管110的面积非常大，使得其栅极的电容很大，而偏置电流132通常较小，直接驱动的速度很慢而无法满足实际应用中的需求。本发明实施例提供隔离驱动电路135，其可以提供期望的驱动能力以满足驱动功率MOS管110的时序要求。

隔离驱动电路100可以为缓冲器、电平转换器或者恒流源。

第二电阻136耦接于第二MOS管134的源极与地之间。第二电阻136的阻值R₂可以为第一电阻121的阻值R₁的K倍，K可以取自100至1000000之间的范围。

第一电阻121和第二电阻136可以为通过相同工艺制程的、属于相同类型的电阻，例如，两者为由同类金属或合金制程的电阻、具有相同掺杂浓度和晶格方向的多晶硅电阻(Poly Silicon Resistor)、或者为由相同类型并且处于线性区的MOS管制程的电阻，从而使得制造电阻的工艺误差或者应用环境的温度变化不会对比值K产生影响，其可以非常精确。

当驱动功率MOS管110导通时，第一MOS管133的源极电压为(N·I₁+I_OUT)R₁，第二MOS管134的源极电压为I₁·R₂。

当负载150较轻时，功率MOS管110漏极处的输出电流I_OUT很小，则：

(N·I₁+I_OUT)R1<<I₁·R₂ (1)

此时，第二MOS管134的源极电压高于第一MOS管133的源极电压，第二MOS管134的栅源电压小于第一MOS管133的栅源电压。为了使第一MOS管133和第二MOS管134的偏置电流保持N倍的比例，第二MOS管134漏极的电压V_DRV会升高至较高的值，则栅极电压V_GATE较高，使得功率MOS管110处于线性区而具有较低的输出阻抗。

随着负载150加重，功率MOS管110漏极处的输出电压V_OUT升高，功率MOS管110漏极处的输出电流I_OUT将增大，相应地，第一MOS管133的源极电压不断上升。

当满足如下条件时，输出电流I_OUT即为电流阈值I_THRESHOLD1：

(N·I₁+I_OUT)R₁＝I₁·R₂ (2)

即，

I_THRESHOLD1＝(K-N)I₁ (3)

在具体实施中，可以使K>>N以及N＝1，则：

I_THRESHOLD1≈K·I₁ (4)

此时，第一MOS管133和第二MOS管134的栅源电压相等，漏源电压也相等，第二MOS管134漏极的电压V_DRV会下降到较低的值(约为第一MOS管133的栅源电压)，相应地，栅极电压V_GATE较低，使得功率MOS管110进入饱和区而具有较高的输出阻抗，并且输出电流I_OUT恒定，从而实现了过流保护。

根据公式(3)，可以通过修改K、N和I₁的值来获取期望的电流阈值，以满足不同的设计需求。

在图5所示的实施例中，栅极控制模块130可以为具体的模块330。相比于图4中的模块230，模块330还包括耦接于第二MOS管134的源极并向其提供电流的电流源，其提供电流I₂。

当满足如下条件时，输出电流I_OUT即为电流阈值I_THRESHOLD2：

(N·I₁+I_OUT)R₁＝(I₁+I₂)R₂ (5)

即，

I_THRESHOLD2＝(K-N)I₁+KI₂ (6)

在具体实施中，可以使K>>N以及N＝1，则：

I_THRESHOLD2≈K(I₁+I₂) (7)

此时，第一MOS管133和第二MOS管134的栅源电压相等，漏源电压也相等，第二MOS管134漏极的电压V_DRV会下降到较低的值(约为第一MOS管133的栅源电压)，相应地，栅极电压V_GATE较低，使得功率MOS管110进入饱和区而具有较高的输出阻抗，并且输出电流I_OUT恒定，从而实现了过流保护。

根据公式(6)，可以通过修改K、N、I₁和I₂的值来获取期望的电流阈值，以满足不同的设计需求。

例如，可以修改I₂而不修改I₁来获取期望的电流阈值，从而可以将包括第一MOS管133和第二MOS管134的电流镜的尺寸做的比较小，进而降低了整个过流检测和保护电路的功耗；并且，在修改I₂的情形下可以灵活地选取K值，从而避免了K的极端取值在工艺实现上带来的不便。

如图6所示，本发明实施例提供了另一种过流检测和保护电路200，其用于对功率MOS管110进行过流检测。

相比于图1所示的过流检测和保护电路100，过流检测和保护电路200还包括标志产生模块140。

标志产生模块140的输入端耦接功率MOS管110的漏极，输出端适于基于功率MOS管110的输出电压V_OUT而选择性地输出过流标志。

在图7所示的实施例中，标志产生模块140包括控制电路141、检测MOS管142、第三电阻(R₃)143和输出MOS管144。

控制电路141耦接电源电压VDD，并且，其输出端耦接检测MOS管(M_SENSE)142的栅极，以使输出的控制电压V_CON驱动检测MOS管142。例如，控制电路可以由电流源和电阻组成。在功率MOS管栅极电压V_GATE控制下，电流源打开时，输出高电平(其使得检测MOS管142导通)；电流源关闭时，电阻下拉输出低电平(其使得检测MOS管142截止)。

检测MOS管142的源极耦接输出MOS管(M_OCP)144的栅极、漏极耦接功率MOS管110的漏极；检测MOS管142用于检测功率MOS管110的输出电压V_OUT。

输出MOS管144的栅极耦接第三电阻143的第一端、源极耦接第三电阻143的第二端、漏极适于选择性地输出过流标志。

第三电阻(R₃)143作为下拉电阻，其第二端耦接地。

可选地，标志产生模块140还包括第四电阻(R₄)145，其作为上拉电阻，第一端耦接电源电压VDD、第二端耦接输出MOS管144的漏极。

当控制电路141工作时，控制电压V_CON较高，检测MOS管142导通，输出电压V_OUT经过检测MOS管142传输到输出MOS管144的栅极。

如果流过负载的电流I_OUT较小，则输出电压V_OUT较低，不足以使输出MOS管144开启，输出MOS管144的漏极的输出电压V_OCP为高电平。

如果流过负载的电流I_OUT增大，则输出电压V_OUT上升，例如，当输出电流I_OUT等于电流阈值(I_THRESHOLD2或I_THRESHOLD2)而触发过流保护之后，功率MOS管110进入饱和区，输出阻抗较高，输出电流I_OUT恒定，V_OUT会显著上升。此时，输出MOS管144开启，输出MOS管144漏极的输出电压V_OCP为低电平，从而产生过流标志。

在产生过流标志时，输出MOS管144的栅极电压被限制在一定值，其等于控制电压V_CON减去检测MOS管142的栅源电压，通过调节控制电压V_CON而确保输出MOS管144的栅极电压不受V_OUT的高压影响，从而不会超出输出MOS管144的耐压范围。

在本发明的实施例中，功率MOS管可以为N型MOS管(NMOS管)，也可以为P型MOS管(PMOS管)。

本发明实施例还提供一种功率MOS管组件，其包括功率MOS管和以上所述的过流检测和保护电路100或者过流检测和保护电路200。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (12)

1.一种用于功率MOS管的过流检测和保护电路，其特征在于，包括：

电流采样模块，其适于采样流过所述功率MOS管源极的电流；

栅极控制模块，其输入端耦接所述功率MOS管的源极、输出端耦接所述功率MOS管的栅极而向所述功率MOS管提供栅极驱动电压，以使得所述电流不超过其电流阈值；

所述栅极控制模块包括提供第一偏置电流和第二偏置电流的偏置电流电路、具有第一MOS管和第二MOS管的电流镜、隔离驱动电路和第二电阻，其中，所述第一偏置电流和所述第二偏置电流分别流过所述第一MOS管和所述第二MOS管的漏极，所述第一MOS管的栅极耦接所述第二MOS管的栅极、所述第一MOS管的源极耦接所述功率MOS管的源极，所述隔离驱动电路耦接于所述第二MOS管的漏极和所述功率MOS管的栅极之间，所述第二电阻耦接于所述第二MOS管的源极与地之间。

2.根据权利要求1所述的过流检测和保护电路，其特征在于，所述电流采样模块包括用于电流检测的第一电阻，其第一端耦接所述功率MOS管的源极，第二端耦接地。

3.根据权利要求2所述的过流检测和保护电路，其特征在于，所述第一电阻的阻值在0.01至1欧姆之间。

4.根据权利要求2所述的过流检测和保护电路，其特征在于，所述电流阈值包括第一电流阈值，其通过以下公式计算：

I_THRESHOLD1＝(K-N)I₁，

其中，I_THRESHOLD1表示所述第一电流阈值，K表示所述第二电阻与所述第一电阻的比值，N表示所述第一偏置电流与所述第二偏置电流的比值、并且为大于0的整数，I₁表示所述第二偏置电流的值。

5.根据权利要求1所述的过流检测和保护电路，其特征在于，所述栅极控制模块还包括耦接于所述第二MOS管的源极并向其提供电流的电流源。

6.根据权利要求2所述的过流检测和保护电路，其特征在于，所述电流阈值包括第二电流阈值，其通过以下公式计算：

I_THRESHOLD2＝(K-N)I₁+KI₂，

其中，I_THRESHOLD2表示所述第二电流阈值，K表示所述第二电阻与所述第一电阻的比值，N表示所述第一偏置电流与所述第二偏置电流的比值、并且为大于0的整数，I₁表示所述第二偏置电流，I₂表示所述电流源提供的电流值。

7.根据权利要求2所述的过流检测和保护电路，其特征在于，所述第一电阻和所述第二电阻为通过相同工艺制程的、属于相同类型的电阻。

8.根据权利要求1所述的过流检测和保护电路，其特征在于，所述电流采样模块包括用于电流检测的第一电阻，所述第二电阻与所述第一电阻的比值在100至1000000之间。

9.根据权利要求1所述的过流检测和保护电路，其特征在于，包括标志产生模块，其输入端耦接所述功率MOS管的漏极、其输出端适于基于所述功率MOS管的输出电压而选择性地输出过流标志。

10.根据权利要求9所述的过流检测和保护电路，其特征在于，所述标志产生模块包括控制电路、检测MOS管、输出MOS管和第三电阻，其中，所述检测MOS管的栅极耦接所述控制电路、所述检测MOS管的源极耦接所述输出MOS管的栅极、所述检测MOS管的漏极耦接所述功率MOS管的漏极，所述输出MOS管的栅极耦接所述第三电阻的第一端、所述输出MOS管的源极耦接所述第三电阻的第二端、所述输出MOS管的漏极适于选择性地输出所述过流标志，所述第三电阻的第二端耦接地。

11.根据权利要求10所述的过流检测和保护电路，其特征在于，所述标志产生模块包括第四电阻，其第一端耦接电源电压、其第二端耦接所述输出MOS管的漏极。

12.一种功率MOS管组件，其特征在于，包括功率MOS管和如权利要求1至11中任一项所述的过流检测和保护电路。