CN113036741A - 一种短路保护电路 - Google Patents

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Abstract

一种短路保护电路，通过带栅极串入电阻的双功率管组合，能够借助辅功率管相对于主功率管的滞后关断来短暂泄放寄生电感的能量以避免过大的电压过冲产生，更进一步，通过双NMOS管、双电阻、钳位二极管和保持电容的组合替代比较器和分压电阻结构，能够提高短路响应速度以快速降低短路瞬间的过冲电流，从而有利于避免芯片击穿或芯片损伤或芯片烧毁。

Description

一种短路保护电路
技术领域
本发明涉及芯片电路的短路保护技术，特别是一种短路保护电路，通过带栅极串入电阻的双功率管组合，能够借助辅功率管相对于主功率管的滞后关断来短暂泄放寄生电感的能量以避免过大的电压过冲产生，更进一步，通过双NMOS管、双电阻、钳位二极管和保持电容的组合替代比较器和分压电阻结构，能够提高短路响应速度以快速降低短路瞬间的过冲电流，从而有利于避免芯片击穿或芯片损伤或芯片烧毁。
背景技术
芯片在正常工作中必须要防止短路情况发生，尤其是负载开关类产品。由于开关管子通常会有很小的导通阻抗，短路瞬间，开关两段压差瞬间增大，会产生过大的电流过冲，同时由于输入输出端都会存在寄生电感，瞬间的大电流变化又会产生较大电压过冲。这种极端恶劣情况，可能因过大的电流将芯片烧毁，也可能因过大的电压过冲将芯片击穿等，对芯片的损伤是致命的，所以一定要做好短路保护，因此短路保护电路对芯片来说是至关重要的。
现有技术中的短路保护电路如图1所示，包括连接输入电压端VIN的NMOS功率管Power device漏极和连接所述NMOS功率管Power device源极的输出电压端VOUT，所述输出电压端VOUT通过第一分压电阻R11分别连接比较器COMP的正输入端和第二分压电阻R12的一端，所述第二分压电阻R12的另一端连接接地端GND，所述比较器COMP的负输入端连接参考电压端Vref，所述参考电压端Vref通过电压源连接接地端GND，所述比较器COMP的输出端和所述NMOS功率管Power device的栅极均连接电荷泵Charge pump的输出端，所述电荷泵Charge pump的输入端连接输入电压端VIN。图1所示的短路保护电路采用比较器直接或间接通过分压电阻检测输出端电压VOUT，一旦VOUT低于检测阈值，比较器迅速翻转，关闭功率管Power device。由于比较器存在一定的响应时间，所以短路瞬间的大电流会持续一段时间，同时，由于瞬间大电流的产生以及芯片输入输出端的寄生电感存在，快速关断功率管，会产生较大的电压过冲。较大的电压过冲可能会把芯片击穿，或对芯片造成软损失，导致芯片工作异常。此外，由于短路瞬间电流很大，很有可能将输入电压端VIN的源拉低，一旦源被拉低，比较器便无法工作，功率管Power device会持续导通，这样VIN端的源以及芯片自身会一直持续大电流，很可能对VIN端的源及芯片自身造成损伤，甚至起火烧毁，存在安全隐患。本发明人认为，如果通过带栅极串入电阻的双功率管组合，就能够借助辅功率管相对于主功率管的滞后关断来短暂泄放寄生电感的能量以避免过大的电压过冲产生，更进一步，通过双NMOS管、双电阻、钳位二极管和保持电容的组合替代比较器和分压电阻结构，就能够提高短路响应速度以快速降低短路瞬间的过冲电流，从而有利于避免芯片击穿或芯片损伤或芯片烧毁。有鉴于此，本发明人完成了本发明。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的缺陷或不足，提供一种短路保护电路，通过带栅极串入电阻的双功率管组合，能够借助辅功率管相对于主功率管的滞后关断来短暂泄放寄生电感的能量以避免过大的电压过冲产生，更进一步，通过双NMOS管、双电阻、钳位二极管和保持电容的组合替代比较器和分压电阻结构，能够提高短路响应速度以快速降低短路瞬间的过冲电流，从而有利于避免芯片击穿或芯片损伤或芯片烧毁。
本发明技术方案如下：
一种短路保护电路，其特征在于，包括第一NMOS功率管和第二NMOS功率管，所述第一NMOS功率管的漏极和所述第二NMOS功率管的漏极均连接具有第一寄生电感的输入电压端，所述第一NMOS功率管的源极和所述第二NMOS功率管的源极均连接具有第二寄生电感的输出电压端，所述第一NMOS功率管的栅极通过第一电阻连接所述第二NMOS功率管的栅极，所述第一NMOS功率管的栅极通过电荷泵连接所述输入电压端。
所述第一NMOS功率管的栅极连接第二稳压二极管的阴极，所述第二稳压二极管的阳极连接所述输出电压端。
所述第二NMOS功率管比所述第一NMOS功率管的面积比为1：n，n为大于1的整数。
所述电荷泵的输出端连接第一NMOS管的栅极，所述第一NMOS管的栅极与漏极互连，所述第一NMOS管的源极连接第二NMOS管的漏极，所述第二NMOS管的源极连接所述输出电压端，所述第二NMOS管的栅极通过保持电容连接接地端。
所述第二NMOS管的栅极连接第一稳压二极管的阴极，所述第一稳压二极管的阳极连接所述输出电压端。
所述第二NMOS管的栅极通过第二电阻连接所述输出电压端。
本发明技术效果如下：本发明一种短路保护电路，通过带栅极串入电阻的双功率管组合，使得辅功率管相对于主功率管具有短暂的滞后关断效果，借助该短暂的滞后关断让辅功率管短暂泄放寄生电感的能量，避免过大的电压过冲产生，从而保护芯片，避免芯片击穿。更进一步，通过双NMOS管、双电阻、钳位二极管和保持电容的组合替代比较器和分压电阻结构，能够提高短路响应速度以快速降低短路瞬间的过冲电流，从而保护芯片，避免芯片起火烧毁的安全隐患。因此，本发明是一种快速响应短路保护电路。
附图说明
图1是现有技术中的短路保护电路的结构示意图。
图2是实施本发明一种短路保护电路的结构示意图。
图3是图2中电压节点VIN、VOUT、Vg0、Vg、Vg1的波形示意图(纵坐标为电压，横坐标为时间)和I_IN、I_IN0、I_IN1的波形示意图(纵坐标为电流，横坐标为时间)。图3中的波形说明本发明一种短路保护电路能够达到既可以快速降低短路瞬间的过冲电流又能避免过大的过冲电压产生这样的技术效果。
附图标记列示如下：VIN-输入电压端或输入电压；VOUT-输出电压端或输出电压；GND-接地端；Charge pump-电荷泵；Power device-NMOS功率管；Power device1-第一NMOS功率管(主功率管)；Power device0-第二NMOS功率管(辅功率管)；R0-第一电阻(栅极串入电阻)；R1-第二电阻；R11-第一分压电阻；R12-第二分压电阻；COMP-比较器；IOUT-输出电流；Vref-参考电压或参考电压端；L0-第一寄生电感；L1-第二寄生电感；C0-保持电容；Z0-第一钳位二极管或第一稳压二极管；Z1-第二稳压二极管；Mn0-第一NMOS管；Mn1-第二NMOS管；I_IN-输入电流；I_IN0-第一输入分电流；I_IN1-第二输入分电流；Vg0-第一栅极电压；Vg1-第二栅极电压；Vg-第三栅极电压；1：n-表示第二NMOS功率管Power device0比第一NMOS功率管Power device1的面积比。
具体实施方式
下面结合附图(图2-图3)对本发明进行说明。
图2是实施本发明一种短路保护电路的结构示意图。图3是图2中电压节点VIN、VOUT、Vg0、Vg、Vg1的波形示意图(纵坐标为电压，横坐标为时间)和I_IN、I_IN0、I_IN1的波形示意图。如图2至图3所示，一种短路保护电路，包括第一NMOS功率管Power device1和第二NMOS功率管Power device0，所述第一NMOS功率管Power device1的漏极和所述第二NMOS功率管Power device0的漏极均连接具有第一寄生电感L0的输入电压端VIN，所述第一NMOS功率管Power device1的源极和所述第二NMOS功率管Power device0的源极均连接具有第二寄生电感L1的输出电压端VOUT，所述第一NMOS功率管Power device1的栅极通过第一电阻R0连接所述第二NMOS功率管Power device0的栅极，所述第一NMOS功率管Power device1的栅极通过电荷泵Charge pump连接所述输入电压端VIN。所述第一NMOS功率管Powerdevice1的栅极连接第二稳压二极管Z1的阴极，所述第二稳压二极管Z1的阳极连接所述输出电压端VOUT。所述第二NMOS功率管Power device0比所述第一NMOS功率管Power device1的面积比为1：n，n为大于1的整数。所述电荷泵Charge pump的输出端连接第一NMOS管Mn0的栅极，所述第一NMOS管Mn0的栅极与漏极互连，所述第一NMOS管Mn0的源极连接第二NMOS管Mn1的漏极，所述第二NMOS管Mn1的源极连接所述输出电压端VOUT，所述第二NMOS管Mn1的栅极通过保持电容C0连接接地端GND。所述第二NMOS管Mn1的栅极连接第一稳压二极管Z0的阴极，所述第一稳压二极管Z0的阳极连接所述输出电压端VOUT。所述第二NMOS管Mn1的栅极通过第二电阻R1连接所述输出电压端VOUT。
图2为快速响应短路保护电路，可以替代限流短路保护电路，或者二者一起使用，可以达到更好的保护效果。如图2所示，保护电路并没有采用比较器的结构，由NMOS管Mn0、Mn1、电阻R0、R1、钳位二极管Z0、保持电容C0构成，同时由R0将芯片的功率管Power device分为两份，二者栅极电位之间串入电阻R0，其中电感L0、L1为寄生电感，输入输出两端也存在寄生电阻，这里没有给出。
参考图2和图3所示，芯片正常工作时，由于功率管的导通阻抗很小，通常为毫欧姆级，所以VOUT几乎等于VIN，Mn1管子的栅极通过电阻R1接到输出VOUT上，源极直接接到VOUT上，Vg1等于VOUT，Mn1管子截止，所以功率管栅极没有电流流出，两个功率管的栅极电压Vg0与Vg相等。当芯片发生短路故障时，VOUT迅速变低，由于功率管导通阻抗很小，两端压差迅速变大时，导致输入电流I_IN会迅速增大。此时由于Mn1管子的栅极电压Vg1由保持电容C0保持，并与VOUT隔着电阻R1，所以Vg1的变低速度会滞后于VOUT一个R1*C0级别的时间。因此Mn1管子的栅源电压会迅速大于Mn1管子的阈值电压，使Mn1管子迅速导通。通过Mn0接成二极管形式去拉功率管的栅极，使得功率管栅极电位迅速降低到与VOUT加上一个二极管的电位上，使得输入电流迅速降低。其中Mn0的作用在于不直接将功率管截止，如果迅速将功率管截止，会导致瞬间过大的电流波动，由于寄生电感的存在，在输入输出端都会产生较大的电压过冲，可能会将功率管击穿损坏，或者在芯片内部形成闩锁效应将芯片损坏。此外，电阻RO的作用与Mn0的作用类似，通常为了较快的将功率管关断，Mn0与Mn1的尺寸选取要稍微大一些，让功率关断快一些，因此不可避免的还会在输入输出端产生电压过冲。因此通过R0将功率管一分为二，这样功率管Power device1迅速关断，Power device0稍滞后Powerdevice1，因此可以通过Power device0短暂泄放寄生电感的能量，避免过大的电压过冲产生。这样既可以快速降低短路瞬间的过冲电流，又能避免过大的过冲电压产生。
在此指明，以上叙述有助于本领域技术人员理解本发明创造，但并非限制本发明创造的保护范围。任何没有脱离本发明创造实质内容的对以上叙述的等同替换、修饰改进和/或删繁从简而进行的实施，例如，采用其他振荡器调节电路实现方式等，均落入本发明创造的保护范围。

Claims (6)

1.一种短路保护电路，其特征在于，包括第一NMOS功率管和第二NMOS功率管，所述第一NMOS功率管的漏极和所述第二NMOS功率管的漏极均连接具有第一寄生电感的输入电压端，所述第一NMOS功率管的源极和所述第二NMOS功率管的源极均连接具有第二寄生电感的输出电压端，所述第一NMOS功率管的栅极通过第一电阻连接所述第二NMOS功率管的栅极，所述第一NMOS功率管的栅极通过电荷泵连接所述输入电压端。
2.根据权利要求1所述的短路保护电路，其特征在于，所述第一NMOS功率管的栅极连接第二稳压二极管的阴极，所述第二稳压二极管的阳极连接所述输出电压端。
3.根据权利要求1所述的短路保护电路，其特征在于，所述第二NMOS功率管比所述第一NMOS功率管的面积比为1：n，n为大于1的整数。
4.根据权利要求1所述的短路保护电路，其特征在于，所述电荷泵的输出端连接第一NMOS管的栅极，所述第一NMOS管的栅极与漏极互连，所述第一NMOS管的源极连接第二NMOS管的漏极，所述第二NMOS管的源极连接所述输出电压端，所述第二NMOS管的栅极通过保持电容连接接地端。
5.根据权利要求4所述的短路保护电路，其特征在于，所述第二NMOS管的栅极连接第一稳压二极管的阴极，所述第一稳压二极管的阳极连接所述输出电压端。
6.根据权利要求4所述的短路保护电路，其特征在于，所述第二NMOS管的栅极通过第二电阻连接所述输出电压端。
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