CN113014234B - 一种应用于半桥高压驱动的过流保护及浮电平移位电路 - Google Patents

一种应用于半桥高压驱动的过流保护及浮电平移位电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种应用于半桥高压驱动的过流保护及浮电平移位电路通过检测外部功率管的导通压降检测负载电流并将判断的浮动逻辑信号传输到系统的低压端，具体包括高压驱动电路、过流保护电路和浮电平移位电路，所述高压驱动电路内集成有过流保护电路和浮电平移位电路，所述过流保护电路用于检测高端功率管的导通压降，所述浮电平移位电路用于检测浮动高压轨的开关信号，将其转换为电流信号，并在低压侧对电流信号进行检测。本发明，能够实现检测外部高端功率管导通压降的过流保护电路，并在低压端输出，同时提供过流和短路保护。本发明可广泛应用在集成电路技术领域。

Description

一种应用于半桥高压驱动的过流保护及浮电平移位电路
技术领域
本发明涉及集成电路技术领域，尤其涉及一种应用于半桥高压驱动的过流保护及浮电平移位电路。
背景技术
高压驱动芯片是一种智能功率集成电路，其通过将逻辑电路和功率电路集成在一起，可以实现更复杂的控制，同时降低了系统的复杂度，减少了互联线和焊点，广泛应用在消费电子、工业控制、通信及军用领域。其通常包括接口电路，自举电路，电平移位电路，内部电源及逻辑电路和栅极驱动器等，高端与低端的两个栅极驱动信号分别与半桥结构的高低两个功率管栅极相连，内部的浮动高压地VS与半桥的输出相连。
一款可靠的高压驱动芯片往往需要更多的辅助电路和保护电路，如过流保护电路。过流保护的基础是采样电流。然而，传统的过流保护采样电阻通常是串联在低压侧，其实际的过流保护意义在于上下两个功率管同时导通的短路情况，并不能检测出更具实际意义的负载电流过流。需要检测负载电流，采样电阻就必须置于高压侧，然而其带来的额外问题是增加了电流通路上的电阻。另外，传统的高压到低压电平移位电路采取一个高压PMOS作为隔离即可顺利地将高压信号转换到低压侧。但是在浮动高压电源轨中，判断节点实际上会因MOS管的寄生电容而随着浮动高压有明显的浮动尖峰，造成结果误判。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种应用于半桥高压驱动的过流保护及浮电平移位电路，能够实现检测外部高端功率管导通压降的过流保护电路，并在低压端输出，同时提供过流和短路保护。
本发明所采用的第一技术方案是：一种应用于半桥高压驱动的过流保护及浮电平移位电路通过检测外部功率管的导通压降检测负载电流并将判断的浮动逻辑信号传输到系统的低压端，具体包括高压驱动电路、过流保护电路和浮电平移位电路，所述高压驱动电路内集成有过流保护电路和浮电平移位电路，其中：
过流保护电路，用于检测高端功率管的导通压降；
浮电平移位电路，用于检测浮动高压轨的开关信号，将其转换为电流信号，并在低压侧对电流信号进行检测。
进一步，所述过流保护电路包括第一支路电压接入支路、第二支路浮动基准电压生成的判断阈值支路和过流比较器。
进一步，所述第一支路电压接入支路包括高压NMOS和低压NMOS，外部高端功率管的栅极驱动电压信号经过反相器分别与低压NMOS的栅极和高压NMOS的栅极连接，所述高压NMOS的源极与低压NMOS的漏极相连并与过流电压比较器的第一输入端连接，所述高压NMOS的漏极还与外部高压电源连接，所述低压NMOS的源极与高压浮动地连接。
进一步，所述第二支路浮动基准电压生成的判断阈值支路包括浮动基准电压源、可调电阻和分压电阻。
进一步，所述浮电平移位电路包括高压PMOS、限流电阻、滤波电容、采样电流镜和第二电流镜，所述高压PMOS的源极与高压自举电源连接，所述高压PMOS的栅极与高压浮动信号连接，所述高压PMOS的漏极与限流电阻的第一端口连接，所述限流电阻的第二端口与采样电流镜连接，所述滤波电容的第一端口与采样电流镜连接，所述滤波电容的第二端口接地。
进一步，所述采样电流镜包括第一电流采样管和第二电流采样管，所述第一电流采样管的漏极与限流电阻的第二端口连接，所述第一电流采样管的栅极与漏极相连，所述第一电流采样管的源极接地，所述第一电流采样管的栅极与第二电流采样管的栅极相连并与滤波电容的第一端口连接，所述第二电流采样管的源极接地，所述第二电流采样管的漏极与判断结果节点连接。
进一步，所述偏置电流镜包括第一偏置电流管和第二偏置电流管，所述第一偏置电流管的栅极与源极相连，所述第一偏置电流管的源极与第二偏置电流管的源极相连并与低端电源连接，所述第二偏置电流管的栅极与第一偏置电流管的栅极相连并与偏置电流源连接，所述第二偏置电流管的漏极与判断结果节点连接。
本发明的有益效果是：本发明通过过流保护在高端部分检测外部功率管的过电流情况，判断结果经由浮动高压电平移位转换到低压进行输出，在本方案中，芯片内部电源也由外部高压电源HVCC产生，故基于本发明的过流检测方案，所需的HVCC和VS端口都已包含在系统内，不需要增加额外的端口，另外通过在浮动点平移位电路接入滤波电容，可控制浪涌电流，避免误判。
附图说明
图1是本发明具体实施例的电路结构图；
图2是现有技术典型的半桥高压驱动芯片结构图；
图3是带有本发明的过流保护及浮动高压电平移位电路的示例图；
图4是加入滤波电容避免浮动电压造成的浪涌电流误判示意图；
图5是本发明具体实施例中的浮动高压电源轨电平移位仿真结果图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
参照图1和图3，本发明提供了一种应用于半桥高压驱动的过流保护及浮电平移位电路，通过检测外部功率管的导通压降检测负载电流并将判断的浮动逻辑信号传输到系统的低压端，具体包括高压驱动电路、过流保护电路和浮电平移位电路，所述高压驱动电路内集成有过流保护电路和浮电平移位电路，其中：
过流保护电路，用于检测高端功率管的导通压降；
浮电平移位电路，用于检测浮动高压轨的开关信号，将其转换为电流信号，并在低压侧对电流信号进行检测。
进一步作为优选实施例，所述过流保护电路包括第一支路电压接入支路、第二支路浮动基准电压生成的判断阈值支路和过流比较器。
具体地，过流电压比较器连接在浮动高压轨之间，即其输出的逻辑电平也在VS到VB之间。然而，通常逻辑处理电路都处于低压侧或芯片外部，此时比较器输出的信号并不能直接处理。
进一步作为优选实施例，所述第一支路电压接入支路包括高压NMOS(HMN)和低压NMOS(MN3)，外部高端功率管的栅极驱动电压信号经过反相器分别与低压NMOS(MN3)的栅极和高压NMOS(HMN)的栅极连接，所述高压NMOS(HMN)的源极与低压NMOS(MN3)的漏极相连并与过流电压比较器的第一输入端连接，所述高压NMOS(HMN)的漏极还与外部高压电源(HVCC)连接，所述低压NMOS的源极与高压浮动地(VS)连接。
进一步作为优选实施例，所述第二支路浮动基准电压生成的判断阈值支路包括浮动基准电压源(VREF)、可调电阻(R4)和分压电阻(R1)。
具体地，根据不同的情况，调节可调电阻(R4)的阻值可以设置过流电压比较器的判断阈值电压。
进一步作为优选实施例，所述浮电平移位电路包括高压PMOS(HMP)、限流电阻、滤波电容、采样电流镜和偏置电流镜，所述高压PMOS(HMP)的源极与高压自举电源(VB)连接，所述高压PMOS(HMP)的栅极与高压浮动信号(过流电压比较器的输出OCP FLOATING)连接，其电压值在VB到VS中浮动，HMP栅源电压不超过VB-VS，所述高压PMOS(HMP)的漏极与限流电阻的第一端口连接，所述限流电阻的第二端口与采样电流镜连接，所述滤波电容(C2)的第一端口与采样电流镜连接，所述滤波电容(C2)的第二端口接地。
具体地，本发明的浮动高压轨电平移位部分原理为检测浮动高压轨的开关信号，将其转换为电流信号，并在低压侧对电流信号进行检测。其包括一个高压PMOS管，一个限流电阻，一组采样电流镜，一组偏置电流镜，一个滤波电容及一个输出缓冲反相器(可不包含)。其优点是1、结构简单稳定，仅需1个高压MOS管。针对特定应用(如高压驱动)，高压电平浮动不会导致其误判，且不需耐栅源高压的厚栅器件。2、在保护电路中超低的静态功耗，当高压侧的逻辑信号为高时，仅消耗偏置电路的小电流(可低至1uA)，且有更快的保护关断时间(开启传输延时可低至1ns)。3、因为只检测电流有无，浮动电压范围对其影响不大，可适用于更广的浮动电压范围。
浮动高压电源轨移位电平电路需要将浮动高压轨中的输出信号转换到低压轨中，给低压侧的逻辑电路处理或者直接输出到外部。对于薄栅器件，最大的栅源耐压值通常只有5V，采取高压PMOS(HMP)作为浮动高压逻辑电平的电压到电流转化器，其源极与高压自举电源(VB)连接，栅极与浮动高压侧的逻辑输出信号相连，漏极与限流电阻(R2)相连，承担高压并与低侧电路通信，可知其栅源电压最大波动仅为浮动高压轨的压差VB-VS(5V)。高压(PMOS)开启后，承担几乎全部高压压降。当高压处的(PMOS)开通，则第三支路有电流通过，其最小值为VDD/R2，最大值为(HVCC+VDD)/R2，当高压处的(PMOS)关断，则第三支路无电流通过。
在低压侧的检测问题转化为有没有电流通过，故仅需一个静态电流很小的电流检测电路。第一电流采样管(MN1)和第二电流采样管(MN2)组成的电流镜将第三支路的电流I1镜像到第四支路，第一电流偏置管(MP1)和第二电流偏置管(MP2)组成的电流镜也将电流源IBIAS的偏置电流I2镜像到第四支路，其实质上组成了一个电流比较电路。当I1＜0时，第二电流采样管(MN2)关断，由于I2＞0，第二电流偏置管(MP2)开启，故(D)点被上拉，反相后逻辑输出为0；当I1＞0时，MN2开启；由于I2<<I1，虽然第二电流偏置管(MP2)也开启，但第二电流采样管(MN2)管被拉至线性区，故(D)点被下拉，反相后逻辑输出为1。此处的反相器(INV3)用作缓冲器，具体的转换逻辑可以根据需要选择。
另外，浮动高压轨浮动时，即使高压PMOS(HMP)已经关闭，但因为高压PMOS(HMP)和第一电流采样管(MN1)的寄生电容，当高压自举电源VB快速上升的时候，会拉高第一电流采样管(MN1)的栅极电压(C点)造成第一电流采样管(MN1)误开启，引起的浪涌电流，引起电流检测误判，造成信号出现尖峰错误。如图示例所示，在没有滤波电容(C2)的情况下，即使浮动高压电平为高(对应高压PMOS处于关断状态)，浮动电压轨向上突变时，输出电平出现了短暂的错误识别。若将滤波电容(C2)，接在第一电流采样管(MN1)的栅极，过滤其电压尖峰，可控制浪涌电流，避免误判。加入滤波电容(C2)后，尖峰则消失，参照图4。
在检测电路检测系统状态正常时，即当高压PMOS关断时，浮动高压轨电平转换电路仅需要低端部分的一个小的偏置电流，可低至1μA，在电路正常工作的时间(占绝大部分时间)里保持很小的功耗。当检测电路检测系统状态异常时，即高压PMOS开启时，第三支路灌入大电流，很快就能充满滤波电容C2并开启MN1，整个传输时间可短至1ns。
参照图5，浮动高压轨移位电平电路可将在浮动高压轨中的变动的逻辑信号准确地识别出来，并转换为给定的低压信号(如5V)，在这期间，高压浮动地VS的电压浮动(示例中VS＝0V60V0V30V40V)不影响识别结果。
此浮动高压轨移位电平电路可以适用但不限于过流保护电路，实际上，对于将浮动高压电源轨的逻辑信号传输到低压侧的电源轨都适用，如半桥高压驱动电路中高端部分的欠压保护电路，也可以采用此方法来进行有效的信号传输。即使浮动高压轨降至了低压轨(即VS＝0V)，本发明电路中的信号仍能正常传输，这对于一些特定功能模块来说是十分重要的的特性。
进一步作为优选实施例，所述采样电流镜包括第一电流采样管(MN1)和第二电流采样管(MN2)，所述第一电流采样管(MN1)的漏极与限流电阻的第二端口连接，所述第一电流采样管(MN1)的栅极与漏极相连，所述第一电流采样管(MN1)的源极接地，所述第一电流采样管(MN1)的栅极与第二电流采样管(MN2)的栅极相连并与滤波电容(C2)的第一端口连接，所述第二电流采样管(MN2)的源极接地，所述第二电流采样管(MN2)的漏极与判断结果节点(D)连接。
进一步作为优选实施例，所述偏置电流镜包括第一电流偏置管(MP1)和第二电流偏置管(MP2)，所述第一电流偏置管(MP1)的栅极与源极相连，所述第一电流偏置管(MP1)的源极与第二电流偏置管(MP2)的源极相连并与低端电源(VDD)连接，所述第二偏置电流管(MP2)的栅极与第一偏置电流管(MP1)的栅极相连并与偏置电流源(IBIAS)连接，所述第二电流偏置管(MP2)的漏极与判断结果节点(D)连接。
具体地，判断结果节点(D)通过反相器缓冲输出。
参照图1，在高压半桥驱动电路中，低压侧有一电源(VDD)给电路进行供电，其通过自举二极管(D1)和自举电容(C1)给高压侧提供稳定的浮动电压轨。其原理为：当高端功率管(PM1)关闭时，浮动高压地(VS)为地电平，电源(VDD)给自举电容(C1)充电，VB＝VDD；当高端功率管(PM1)开启时，浮动高压地(VS)抬升至高压(HVCC)，(VB)提升至HVCC+VDD，(VB)和(VDD)之间的高压差由自举二极管D1承担。浮动高压电源轨给高端部分电路供电，(VS)为其高压浮动地，(VB)为其高压浮动电源。
本发明的过流保护的判断逻辑：首先需要判断高端的功率管是否已经开启，这既是过流检测的必要性，也是本发明的过流检测的前提。因为(VS)是浮动高压地，其可能与外部高压电源(HVCC)只差一个功率管导通压降，也可能与(HVCC)相差整个高压值HVCC，若将HVCC直接接入电路中，会击穿器件，故不能直接接入比较器。判断的逻辑是将高端功率管的栅极驱动信号(HO)引入设计中，当(HO)为高，则代表高端功率管已经开启，即浮动电压轨被拉至了高压。此时，通过反相器(INV1)和(INV2)，高压隔离管(HMN)的控制信号S与(HO)同相，即(HMN)开启，(MN3)关闭，将(HVCC)接入到过流电压比较器(COMP)的一侧。另外，这里的MN3也可以使用较大电阻代替。电压比较器的另一侧连接的是设定好的判定阈值电压(B点处电压)。这个电压可由实际的电路情况计算得到，比如功率管的导通电阻是10mΩ，需要在100A的电流下触发过流保护，则判定电压设置为1V。同样地，不同的外部情况，可以通过改变判定阈值电压来适应，具体的操作可以通过可调电阻调整得到的VREF的分压来实现。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (6)

1.一种应用于半桥高压驱动的过流保护及浮电平移位电路，其特征在于，通过检测外部功率管的导通压降检测负载电流并将判断的浮动逻辑信号传输到系统的低压端，具体包括高压驱动电路、过流保护电路和浮电平移位电路，所述高压驱动电路内集成有过流保护电路和浮电平移位电路，其中：
过流保护电路，用于检测高端功率管的导通压降；
浮电平移位电路，用于检测浮动高压轨的开关信号，将其转换为电流信号，并在低压侧对电流信号进行检测；
所述浮电平移位电路包括高压PMOS、限流电阻、滤波电容、采样电流镜和偏置电流镜，所述高压PMOS的源极与高压自举电源连接，所述高压PMOS的栅极与高压浮动信号连接，所述高压PMOS的漏极与限流电阻的第一端口连接，所述限流电阻的第二端口与采样电流镜连接，所述滤波电容的第一端口与采样电流镜连接，所述滤波电容的第二端口接地。
2.根据权利要求1所述一种应用于半桥高压驱动的过流保护及浮电平移位电路，其特征在于，所述过流保护电路包括第一支路电压接入支路、第二支路浮动基准电压生成的判断阈值支路和过流比较器。
3.根据权利要求2所述一种应用于半桥高压驱动的过流保护及浮电平移位电路，其特征在于，所述第一支路电压接入支路包括高压NMOS和低压NMOS，外部高端功率管的栅极驱动电压信号经过反相器分别与低压NMOS的栅极和高压NMOS的栅极连接，所述高压NMOS的源极与低压NMOS的漏极相连并与过流电压比较器的第一输入端连接，所述高压NMOS的漏极还与外部高压电源连接，所述低压NMOS的源极与高压浮动地连接。
4.根据权利要求3所述一种应用于半桥高压驱动的过流保护及浮电平移位电路，其特征在于，所述第二支路浮动基准电压生成的判断阈值支路包括浮动基准电压源、可调电阻和分压电阻。
5.根据权利要求4所述一种应用于半桥高压驱动的过流保护及浮电平移位电路，其特征在于，所述采样电流镜包括第一电流采样管和第二电流采样管，所述第一电流采样管的漏极与限流电阻的第二端口连接，所述第一电流采样管的栅极与漏极相连，所述第一电流采样管的源极接地，所述第一电流采样管的栅极与第二电流采样管的栅极相连并与滤波电容的第一端口连接，所述第二电流采样管的源极接地，所述第二电流采样管的漏极与判断结果节点连接。
6.根据权利要求5所述一种应用于半桥高压驱动的过流保护及浮电平移位电路，其特征在于，所述偏置电流镜包括第一偏置电流管和第二偏置电流管，所述第一偏置电流管的栅极与源极相连，所述第一偏置电流管的源极与第二偏置电流管的源极相连并与低端电源连接，所述第二偏置电流管的栅极与第一偏置电流管的栅极相连并与偏置电流源连接，所述第二偏置电流管的漏极与判断结果节点连接。
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