CN112886544B - 用于过负荷控制的功率选通电路及集成电路芯片 - Google Patents

Abstract

本发明涉及集成电路技术领域，提供一种用于过负荷控制的功率选通电路及集成电路芯片。所述功率选通电路包括设置于供电源与负载之间的通道开关，还包括转换模块、过负荷比较模块以及功率选通控制模块；所述转换模块用于将所述供电源的电压转换为可以量化的通道电阻；所述过负荷比较模块用于基于所述通道电阻计算功率门限，在输出功率达到所述功率门限时触发所述通道开关；所述功率选通控制模块用于对触发所述通道开关的过程进行逻辑控制。本发明通过转换模块和过负荷比较模块实现负荷功率门槛值计算，使得可以直接按照功率限值来配置触发通道开关的过负荷门限，从而实现芯片过负荷保护和功率保护，提高了过负荷保护的安全性。

Description

用于过负荷控制的功率选通电路及集成电路芯片

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，具体地涉及一种用于过负荷控制的功率选通电路以及一种集成电路芯片。

背景技术

功率选通电路是LDO(low dropout regulator，低压差线性稳压器)、开关电源和热插拔控制等电源管理模块的关键元件，是IC芯片(Integrated Circuit Chip，集成电路芯片)阻断过负荷电流、实现过负荷保护的关键功能模块。在设备的复杂电源管理系统中，通过激发功率选通电路阻断电流流通，从而保障IC芯片和控制器在过负荷情景下的安全。

在常规的过负荷保护方法中，一般是通过阻断电流的导通来实现芯片的过负荷保护。图1是现有的过负荷保护电路的功能示意图。如图1所示，现有的过负荷保护电路通过对供电电路的源电流进行实时监测，通过比较器COMP将监测到的电流值与阈值电流进行比较，产生逻辑信号来控制MOS开关管M1的导通或关闭(D1起到反向保护的作用)，从而阻断电流的导通实现过负荷保护。然而，在通常情况下，芯片的供电和热平衡安全由其功耗直接决定，而非负载电流。因此，根据负载电流来判断是否导通电路来实现过负荷保护，这种方式的安全性不高。

发明内容

本发明实施例的目的是提供一种用于过负荷控制的功率选通电路，根据功率限制来实现过负荷保护，提高安全性。

为了实现上述目的，本发明实施例提供一种用于过负荷控制的功率选通电路，包括设置于供电源与负载之间的通道开关，还包括转换模块、过负荷比较模块以及功率选通控制模块；

所述转换模块用于将所述供电源的电压转换为可以量化的通道电阻；

所述过负荷比较模块用于基于所述通道电阻计算功率门限，在输出功率达到所述功率门限时触发所述通道开关；

所述功率选通控制模块用于对触发所述通道开关的过程进行逻辑控制。

可选的，所述通道开关为MOS晶体管。

可选的，所述转换模块包括第一MOS管、运算放大器以及跨导放大器，所述第一MOS管的源极连接到所述供电源，所述第一MOS管的栅极与所述运算放大器的输出端连接；所述跨导放大器的同相输入端连接到所述供电源，所述跨导放大器的反相输入端接地，所述跨导放大器的输出端与所述第一MOS管的漏极以及所述运算放大器的同相输入端连接，所述运算放大器的反相输入端通过第一恒定电流源接地并通过第一电阻与所述通道开关的源极连接。

可选的，所述过负荷比较模块包括第二MOS管和比较器；所述第二MOS管的栅极与所述第一MOS管的栅极连接，所述第二MOS管的源极与所述通道开关的源极连接，所述第二MOS管的漏极与所述比较器的同相输入端连接并通过第二恒定电流源接地；所述通道开关的漏极与所述比较器的反相输入端连接并连接到所述负载，所述比较器的输出端通过所述功率选通控制模块连接到所述通道开关的栅极。

可选的，所述功率选通控制模块包括依次连接的闩锁电路模块、计时器模块、门驱动器模块以及锁存逻辑模块，所述闩锁电路模块与所述比较器的输出端连接，所述门驱动器模块与所述通道开关的栅极连接；所述计时器模块用于探测所述比较器的输出状态；所述闩锁电路模块和所述锁存逻辑模块用于锁存所述比较器输出的逻辑信号。

本发明还提供一种集成电路芯片，包括上述的用于过负荷控制的功率选通电路。

本发明的功率选通电路作为一种过负荷保护架构，通过转换模块和过负荷比较模块实现负荷功率门槛值计算，使得可以直接按照功率限值来配置触发通道开关的过负荷门限，从而实现芯片过负荷保护和功率保护。本发明根据功率限值来实现过负荷保护，且该功率限值不依赖于输入电压，提高了过负荷保护的安全性。

此外，本发明的功率选通电路通过功率选通控制模块实现在过负荷出现时可以按照功率限值直接阻断功率通路，在过负荷清除时自动恢复供电，通过锁存逻辑和时间逻辑避免由于误触发或者启动过冲造成的死锁现象和颤振现象。

本发明实施例的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施例，但并不构成对本发明实施例的限制。在附图中：

图1是现有的过负荷保护电路的功能示意图；

图2是本发明实施例提供的用于过负荷控制的功率选通电路的功能图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施例，并不用于限制本发明实施例。

本文所述的“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。本文所述的“连接”用于表述两个部件/元件之间的电功率连接或信号连接；“连接”可以是两个元件的直接连接，也可以是通过中间媒介(例如导线)相连，还可以是通过第三个元件实现的间接连接。

图2是本发明实施例提供的用于过负荷控制的功率选通电路的功能图。如图2所示，本实施例提供一种用于过负荷控制的功率选通电路，包括设置于供电源与负载之间的通道开关MP₀，还包括转换模块、过负荷比较模块以及功率选通控制模块。所述转换模块用于将供电源的电压转换为可以量化的通道电阻。所述过负荷比较模块用于基于所述通道电阻计算功率门限，在输出功率达到所述功率门限时触发通道开关MP₀。所述功率选通控制模块用于对触发通道开关MP₀的过程进行逻辑控制。所述通道开关MP₀采用MOS晶体管，通过控制MOS晶体管源极与漏极的导通来打开供电源与负载之间的通道。

本实施例中，所述转换模块包括第一MOS管MP_1A、运算放大器A1以及跨导放大器G_M，所述第一MOS管MP_1A的源极连接到供电源，所述第一MOS管MP_1A的栅极与所述运算放大器A1的输出端连接。所述跨导放大器G_M的同相输入端连接到所述供电源，所述跨导放大器G_M的反相输入端接地，所述跨导放大器G_M的输出端与所述第一MOS管MP_1A的漏极以及所述运算放大器A1的同相输入端连接，所述运算放大器A1的反相输入端通过第一恒定电流源I_B1接地并通过第一电阻R₁与所述通道开关MP₀的源极连接。所述转换模块通过运算放大器A1构成一个负反馈环路，使得第一MOS管MP_1A的通道电阻反比于供电源的电压V_SUPPLY，第一MOS管MP_1A上的电压等同于第一电阻R₁上的电压。

所述过负荷比较模块包括第二MOS管MP_1B和比较器COMP。所述第二MOS管MP_1B的栅极与所述第一MOS管MP_1A的栅极连接，所述第二MOS管MP_1B的源极与所述通道开关MP₀的源极连接，所述第二MOS管MP_1B的漏极与所述比较器COMP的同相输入端连接并通过第二恒定电流源I_B接地。所述通道开关MP₀的漏极与所述比较器COMP的反相输入端连接并连接到负载(V_GATED)，所述比较器COMP的输出端通过所述功率选通控制模块连接到所述通道开关MP₀的栅极。

基于上述的转换模块和过负荷比较模块的电路设计，使第一MOS管MP_1A和与之镜像的第二MOS管MP_1B工作在深线性区。由于处于深线性区的MOS管可以作为一个阻值由过驱动电压控制的电阻，第一MOS管MP_1A和第二MOS管MP_1B的通道电阻R_{CH_MP1A}可以按如下公式计算：

R_{CH_MP1A}＝(R₁·I_B1)/(V_SUPPLY·G_M)

其中，R₁为第一电阻R₁的阻值，I_B1为电流源的电流值，V_SUPPLY为供电源的电压，G_M为跨导放大器G_M的输出电流与输入电压的比值。

在过负荷比较模块作用下，通道开关MP₀在开启时工作在深线性区，此时可以采用一个电阻R_MP0来模拟通道开关MP₀的电阻值。那么，能够使比较器COMP的输出电压V_PLIM翻转的负荷电流门槛值I_{SUP_TH}计算如下：

I_{SUP_TH}＝R_{CH_MP1A}·I_B)/(R_MP0)

基于上述公式，得到触发所述通道开关MP₀的负荷功率门槛值P_TH为：

P_TH＝I_{SUP_TH}·_SUPPLY＝(R₁·I_B1·I_B)/(R_MP0·G_M)

通过上述公式可知，触发所述功率选通电路的负荷功率门槛值P_TH由第一电阻R₁、电阻R_MP0和电流源(I_B1、I_B)确定，与输入电压V_SUPPLY无关。

所述功率选通控制模块包括依次连接的闩锁电路模块Latch、计时器模块Timer、门驱动器模块Gate Driver以及锁存逻辑模块Blank。所述闩锁电路模块Latch与所述比较器COMP的输出端连接，所述门驱动器模块Gate Driver与所述通道开关MP₀的栅极连接；所述计时器模块Timer用于探测所述比较器COMP的输出状态；所述闩锁电路模块Latch和所述锁存逻辑模块Blank用于锁存所述比较器COMP输出的逻辑信号V_PLIM。所述闩锁电路模块Latch、计时器模块Timer、门驱动器模块Gate Driver以及锁存逻辑模块Blank均采用现有的功能模块，本发明实施例不对其具体电路结构进行描述。

本实施例的功率选通电路的工作原理为：当输出功率达到功率门限时，通道开关MP₀的V_DS增大到与第二MOS管MP_1B的V_DS相等，触发比较器COMP反转，使比较器COMP的输出V_PLIM信号从低电平变为高电平。V_PLIM信号经过数字逻辑和门驱动器模块Gate Driver输出同向的V_PASSG信号。V_PASSG信号直接控制通道开关MP₀的栅极，进而关闭通道开关MP₀，实现功率保护。当触发功率保护后，经过计时器模块Timer探测比较器COMP的输出状态，同时触发锁存逻辑模块Blank，Blank将比较器COMP输出的V_PLIM信号(逻辑信号)锁存在低电平，并维持一段时间，在保证比较器COMP能够稳定工作的情况下，Blank取消对V_PLIM信号的锁存。然后，计时器模块Timer重新探测是否发生过负荷状态，比较器COMP重新输出V_PLIM信号，闩锁电路模块Latch将V_PLIM信号锁存，避免颤振现象。

本发明实施例提供的功率选通电路，作为一种过负荷保护架构，通过转换模块和过负荷比较模块实现负荷功率门槛值计算，使得可以直接按照功率限值来配置触发通道开关的过负荷门限，从而实现芯片过负荷保护和功率保护。本发明根据功率限值来实现过负荷保护，且该功率限值不依赖于输入电压，提高了过负荷保护的安全性。此外，本实施例的功率选通电路通过功率选通控制模块实现在过负荷出现时可以按照功率限值直接阻断功率通路，在过负荷清除时自动恢复供电，通过锁存逻辑和时间逻辑避免由于误触发或者启动过冲造成的死锁现象和颤振现象。

本发明实施方式还提供一种集成电路芯片，包括上述的用于过负荷控制的功率选通电路。

以上结合附图详细描述了本发明实施例的可选实施方式，但是，本发明实施例并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明实施例的技术构思范围内，可以对本发明实施例的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明实施例的保护范围。

Claims (4)

1.一种用于过负荷控制的功率选通电路，包括设置于供电源与负载之间的通道开关，其特征在于，还包括转换模块、过负荷比较模块以及功率选通控制模块；

所述转换模块用于将所述供电源的电压转换为可以量化的通道电阻；

所述过负荷比较模块用于基于所述通道电阻计算功率门限，在输出功率达到所述功率门限时触发所述通道开关；

所述功率选通控制模块用于对触发所述通道开关的过程进行逻辑控制；

所述通道开关为MOS晶体管；

所述转换模块包括第一MOS管、运算放大器以及跨导放大器，所述第一MOS管的源极连接到所述供电源，所述第一MOS管的栅极与所述运算放大器的输出端连接；

所述跨导放大器的同相输入端连接到所述供电源，所述跨导放大器的反相输入端接地，所述跨导放大器的输出端与所述第一MOS管的漏极以及所述运算放大器的同相输入端连接，所述运算放大器的反相输入端通过第一恒定电流源接地并通过第一电阻与所述通道开关的源极连接。

2.根据权利要求1所述的用于过负荷控制的功率选通电路，其特征在于，所述过负荷比较模块包括第二MOS管和比较器；

所述第二MOS管的栅极与所述第一MOS管的栅极连接，所述第二MOS管的源极与所述通道开关的源极连接，所述第二MOS管的漏极与所述比较器的同相输入端连接并通过第二恒定电流源接地；

所述通道开关的漏极与所述比较器的反相输入端连接并连接到所述负载，所述比较器的输出端通过所述功率选通控制模块连接到所述通道开关的栅极。

3.根据权利要求2所述的用于过负荷控制的功率选通电路，其特征在于，所述功率选通控制模块包括依次连接的闩锁电路模块、计时器模块、门驱动器模块以及锁存逻辑模块，所述闩锁电路模块与所述比较器的输出端连接，所述门驱动器模块与所述通道开关的栅极连接；

所述计时器模块用于探测所述比较器的输出状态；

所述闩锁电路模块和所述锁存逻辑模块用于锁存所述比较器输出的逻辑信号。

4.一种集成电路芯片，其特征在于，包括权利要求1-3中任一项所述的用于过负荷控制的功率选通电路。

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