CN114204924A - 功率开关管的保护电路和负载开关电路 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种功率开关管的保护电路和负载开关电路。该保护电路包括限流保护电路和过温保护电路，过温保护电路具有分别表征第一过温保护点和第二过温保护点的第一阈值电压和第二阈值电压，并且第一过温保护点高于第二过温保护点。当芯片未触发限流保护时，过温保护电路将表征芯片温度的检测电压与第一阈值电压进行比较，根据比较结果判断芯片是否发生过热；当芯片触发限流保护时，过温保护电路将检测电压与第二阈值电压进行比较，根据比较结果判断芯片是否发生过热。通过在芯片触发限流保护时降低过温保护点，从而可以在芯片同时发生过流和过温能够及时关闭芯片，有效的保护芯片中的功率器件。
Description
技术领域
本发明涉及集成电路技术领域，更具体地，涉及一种功率开关管的保护电路和负载开关电路。
背景技术
在各种电源管理系统中，负载开关(load switch)经常被用来连接或隔离两个电气端口，例如，负载开关的第一端可以连接电源，第二端连接负载，所述负载开关可以用于为负载切换或接通电源。现有的电源管理系统中的负载开关一般选用MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金属-氧化物半导体场效应晶体管)，通过调节功率开关管的线性阻抗来提供稳定的输出电压。
在实际应用，负载开关经常遇到短路的情况，此时负载开关上长时间的通过大电流，有可能导致电路过热而烧毁。因此现有的负载开关电路一般都会有限流保护电路和过温保护电路，限流保护电路用于在负载端发生过载甚至短路时将负载电流限制在限流阈值处，从而可以降低输出电压，过温保护电路用于对芯片温度进行监控，在芯片温度高于温度保护点时，输出一个过温控制信号以关断电路。
在现有技术的负载开关的保护电路中，过温保护电路只有一个过温保护阈值，当负载开关同时发生过流和过温时，由于此时的过温保护阈值较高，无法对负载开关起到有效的保护，所以仍然可能导致负载开关的损坏。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种功率开关管的保护电路和负载开关电路，可以在芯片同时发生过流和过温能够及时关闭芯片，有效的保护芯片中的功率器件。
根据本发明实施例的一方面，提供了一种功率开关管的保护电路，所述功率开关管用于将输入端的输入电压转换为输出端的输出电压，其中，所述保护电路包括：驱动电路，用于向所述功率开关管提供栅极驱动电压；限流保护电路，连接于所述输出端和所述驱动电路之间，用于在所述功率开关管发生过流时生成有效的限流控制信号，所述驱动电路根据所述有效的限流控制信号限制所述功率开关管的输出电流；以及过温保护电路，与所述驱动电路连接，用于在芯片温度大于过温保护点时，向所述驱动电路输出过温控制信号，所述驱动电路根据所述过温控制信号关断电路，所述过温保护电路还用于在电路未触发限流保护时，将表征芯片温度的检测电压与第一阈值电压进行比较，以及在电路触发限流保护阈值时，将所述检测电压与第二阈值电压进行比较，其中，所述第一阈值电压和第二阈值电压分别表征第一过温保护点和第二过温保护点，且第一过温保护点高于第二过温保护点。
可选的，所述过温保护电路包括：检测电压产生电路，用于产生一检测电压；阈值电压产生电路，用于产生所述第一阈值电压和所述第二阈值电压；比较电路，用于将所述检测电压与所述第一阈值电压或所述第二阈值电压进行比较，并根据比较结果产生所述过温控制信号。
可选的，所述检测电压产生电路包括依次串联连接于电源电压和地之间的第一电流源、第一晶体管和第二晶体管，其中，所述第一晶体管和所述第二晶体管分别连接成二极管结构，所述第一电流源和所述第一晶体管的中间节点用于提供所述检测电压。
可选的，所述第一晶体管和所述第二晶体管分别为NPN型双极性晶体管。
可选的，所述阈值电压产生电路包括：依次串联连接于电源电压和地之间的第三晶体管和第二电流源；以及依次串联连接于所述电源电压和地之间的第四晶体管、第一电阻和第二电阻，其中，所述第三晶体管和所述第四晶体管构成电流镜，所述第四晶体管和所述第一电阻的中间节点用于提供所述第二阈值电压，所述第一电阻和所述第二电阻之间的中间节点用于提供所述第一阈值电压。
可选的，所述检测电压为负温度系数电压，所述第一阈值电压和所述第二阈值电压为正温度系数电压。
可选的，所述第一阈值电压小于所述第二阈值电压。
可选的，所述比较电路包括第五晶体管、第六晶体管、一比较器以及第一反相器和第二反相器，其中，所述第五晶体管连接于所述第一阈值电压和所述比较器的正相输入端之间，所述第六晶体管连接于所述第二阈值电压和所述比较器的正相输入端之间，所述第五晶体管和所述第六晶体管的控制端用于接收所述限流控制信号，所述比较器的反相输入端用于接收所述检测电压，所述第一反相器的输入端与所述比较器的输出端连接，所述第一反相器的输出端与所述第二反相器的输入端连接，所述第二反相器的输出端用于输出所述过温控制信号，其中，所述第五晶体管和所述第六晶体管互为导电类型相反的晶体管。
可选的，所述第五晶体管为P型金属氧化物半导体场效应晶体管，所述第六晶体管为N型金属氧化物半导体场效应晶体管。
根据本发明实施例的另一方面，提供了一种负载开关电路，包括：功率开关管，连接于所述负载开关电路的输入端和输出端之前，用于将输入端的输入电压转换为输出端的输出电压；以及上述的保护电路。
本发明实施例的功率开关管的保护电路包括限流保护电路和过温保护电路，过温保护电路具有分别表征第一过温保护点和第二过温保护点的第一阈值电压和第二阈值电压，并且第一过温保护点高于第二过温保护点。当芯片未触发限流保护时，过温保护电路将表征芯片温度的检测电压与第一阈值电压进行比较，根据比较结果判断芯片是否发生过热；当芯片触发限流保护时，过温保护电路将检测电压与第二阈值电压进行比较，根据比较结果判断芯片是否发生过热。通过在芯片触发限流保护时降低过温保护点，从而可以在芯片同时发生过流和过温能够及时关闭芯片，有效的保护芯片中的功率器件。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1示出根据本发明实施例的一种负载开关电路的电路示意图；
图2示出根据本发明实施例的一种过温保护电路的电路示意图；
图3示出本发明实施例的过温保护电路的电压波形图。
具体实施方式
以下将参照附图更详细地描述本发明的各种实施例。在各个附图中，相同的元件采用相同或类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。
应当理解，在以下的描述中，“电路”可包括单个或多个组合的硬件电路、可编程电路、状态机电路和/或能存储由可编程电路执行的指令的元件。当称元件或电路“连接到”另一元件或称元件/电路“连接在”两个节点之间时，它可以直接耦合或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。相反，当称元件“直接耦合到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。
在本申请中，开关管是工作开关模式以提供电流路径的晶体管，包括选自双极晶体管或场效应晶体管的一种。开关管的第一端和第二端分别是电流路径上的高电位端和低电位端，控制端用于接收驱动信号以控制开关管的导通和关断。MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金属氧化物半导体场效应晶体管)包括第一端、第二端和控制端，在MOSFET的导通状态，电流从第一端流至第二端。P型MOSFET的第一端、第二端和控制端分别为源极、漏极和栅极，N型MOSFET的第一端、第二端和控制端分别为漏极、源极和栅极。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1示出根据本发明实施例的一种负载开关电路的电路示意图。如图1所示，负载开关电路100包括集成在同一集成电路芯片中的功率开关管Mnp和保护电路。功率开关管Mnp为芯片的主要输出管，连接在输入端和输出端之间。功率开关管Mnp例如选用N型MOSFET，其第一端接收输入电压Vin，第二端向后级负载提供输出电压Vout，负载电流从功率开关管Mnp的第一端流向第二端。
在其他实施例中，功率开关管Mnp也可以选自NPN达林顿管、NPN型双极性晶体管、PNP型双极性晶体管、或者N型MOSFET等。
具体的，保护电路包括驱动电路110、限流保护电路120以及过温保护电路130。驱动电路110用于向功率开关管Mnp提供栅极驱动电压Vgate，通过控制功率开关管Mnp的栅极电压，来控制功率开关管Mnp的第一端和第二端之间的导通电阻，从而控制所述功率开关管Mnp的源漏压降，以使得功率开关管Mnp可以向后级负载提供负载电流。
限流保护电路120和过温保护电路130用于为芯片提供限流保护、短路保护以及过热保护等，以保护芯片中的功率器件。
具体的，限流保护电路120用于限制功率开关管Mnp的负载电流以及提供短路保护。在一个实施例中，限流保护电路120将流经功率开关管Mnp的负载电流与限流阈值进行比较。当负载电流大于限流阈值时，限流保护电路120向驱动电路11提供有效的限流控制信号Limit(例如为高电平)，驱动电路11根据有效的限流控制信号Limit控制功率开关管Mnp的栅极电压，将输出电流钳位于第一预设电流，从而可在芯片的输出端接较大负载时恒定功率开关管Mnp中流过的电流，降低芯片以及后级负载损坏的风险。
过温保护电路130利用温度敏感器件对芯片温度进行监控，当芯片温度高于温度保护点时，输出一个过温控制信号OTP，驱动电路11根据该过温控制信号OTP关断电路，以使得芯片停止工作，防止芯片中的功率器件受到损坏。
进一步的，过温保护电路130具有分别表征第一过温保护点和第二过温保护点的第一阈值电压Vth1和第二阈值电压Vth2，并且第一过温保护点高于第二过温保护点。当芯片未触发限流保护时，过温保护电路130将表征芯片温度的检测电压与第一阈值电压Vth1进行比较，根据比较结果判断芯片是否发生过热；当芯片触发限流保护时，过温保护电路130将检测电压与第二阈值电压Vth2进行比较，根据比较结果判断芯片是否发生过热。通过在芯片触发限流保护时降低过温保护点，从而可以在芯片同时发生过流和过温能够及时关闭芯片，有效的保护芯片中的功率器件。
如图2示出根据本发明实施例的一种过温保护电路的电路示意图。如图2所示，过温保护电路130包括检测电压产生电路131、阈值电压产生电路132和比较电路133。
检测电压产生电路131包括依次串联连接于电源电压VDD和地之间的电流源I1、晶体管B1和晶体管B2，电流源I1和晶体管B1的中间节点用于输出一检测电压VBE。其中，晶体管B1和晶体管B2为NPN型双极性晶体管，所以检测电压VBE为负温度系数电压。
阈值电压产生电路132包括晶体管Mp1、晶体管Mp2、电流源IPTAT以及电阻R1和电阻R2。晶体管Mp1和电流源IPTAT依次串联连接于电源电压VDD和地之间，晶体管Mp2、电阻R1和电阻R2依次串联连接于电源电压VDD和地之间，晶体管Mp2和电阻R1的中间节点用于输出第二阈值电压Vth2，电阻R1和电阻R2的中间节点用于输出第一阈值电压Vth1。晶体管Mp1和晶体管Mp2构成电流镜，晶体管Mp1和晶体管Mp2选自P型MOSFET，且晶体管Mp1和晶体管Mp2的宽长比之比为1:1。因为电流源IPTAT为正温度系数电流源，所以第一阈值电压Vth1和第二阈值电压Vth2为正温度系数电压，且第一阈值电压Vth1小于第二阈值电压Vth2。其中，第一阈值电压Vth1表征芯片温度检测的第一过温保护点，第二阈值电压Vth2表征芯片温度检测的第二过温保护点。
比较电路133包括比较器comp、反相器INV1、反相器INV2以及晶体管Mp3和晶体管Mn1。比较器comp的正相输入端用于接收第一阈值电压Vth1或第二阈值电压Vth2，比较器comp的反相输入端用于接收检测电压VBE。反相器INV1的输入端与比较器comp的输出端连接，反相器INV2的输入端与反相器INV1的输出端连接，反相器INV2的输出端用于输出过温控制信号OTP。晶体管Mp3连接在第一阈值电压Vth1和比较器comp的正相输入端之间，晶体管Mn1连接在第二阈值电压Vth2和比较器comp的正相输入端之间，晶体管Mp3和晶体管Mn1的控制端用于接收限流控制信号Limit。
其中，晶体管Mp3和晶体管Mn1分别为导电类型相反的晶体管。在一种实施例中，晶体管Mp3选自P型MOSFET，晶体管Mn1选自N型MOSFET。当限流控制信号Limit无效(限流控制信号Limit为低电平)时，晶体管Mp3导通，当限流控制信号Limit有效(限流控制信号Limit为高电平)时，晶体管Mn1导通。
图3示出本发明实施例的过温保护电路的电压波形图，在图3中，横轴表示温度(单位为℃)，纵轴表示电压(单位为V)。检测电压VBE为负温度系数电压，其电压随着温度的升高而逐渐降低，第一阈值电压Vth1和第二阈值电压Vth2为正温度系数电压，其电压随着温度的升高而逐渐增大，且第一阈值电压Vth1小于第二阈值电压Vth2。
本实施例的过温保护电路130的工作原理如下：电流源I1流过三极管B1和三极管B2得到负温度系数的检测电压VBE，电流源IPTAT流过电阻R1和电阻R2，得到正温度系数的第一阈值电压Vth1和第二阈值电压Vth2。第一阈值电压Vth1或第二阈值电压Vth2与检测电压VBE经过比较器comp，然后再经过反相器INV1和反相器INV2的整形，得到过温控制信号OTP。当芯片未触发限流保护时，晶体管Mp3导通，晶体管Mn1关断，A点电位等于第一阈值电压Vth1，常温下第一阈值电压Vth1小于检测电压VBE，比较器comp输出低电平，过温控制信号OTP为低电平。随着芯片温度的上升，检测电压VBE减小，第一阈值电压Vth1增大，当芯片温度高于第一过温保护点T1时，检测电压VBE小于第一阈值电压Vth1，比较器comp输出发生翻转，过温控制信号OTP变为高电平，芯片进入过温保护。当芯片触发限流保护时，晶体管Mp3关断，晶体管Mn1导通，A点电位等于第二阈值电压Vth2。常温下第二阈值电压Vth2小于检测电压VBE，比较器comp输出低电平，过温控制信号OTP为低电平。随着芯片温度的上升，检测电压VBE减小，第二阈值电压Vth2增大，当芯片温度高于第二过温保护点T2时，检测电压VBE小于第二阈值电压Vth2，比较器comp输出发生翻转，过温控制信号OTP变为高电平，芯片进入过温保护。
需要说明，上述实施例中的限流保护电路120可以通过本领域的常用结构实现，在此不再赘述。
综上所述，本发明实施例的功率开关管的保护电路包括限流保护电路和过温保护电路，过温保护电路具有分别表征第一过温保护点和第二过温保护点的第一阈值电压和第二阈值电压，并且第一过温保护点高于第二过温保护点。当芯片未触发限流保护时，过温保护电路将表征芯片温度的检测电压与第一阈值电压进行比较，根据比较结果判断芯片是否发生过热；当芯片触发限流保护时，过温保护电路将检测电压与第二阈值电压进行比较，根据比较结果判断芯片是否发生过热。通过在芯片触发限流保护时降低过温保护点，从而可以在芯片同时发生过流和过温能够及时关闭芯片，有效的保护芯片中的功率器件。
应当说明，尽管在本文中，将器件说明为某种N沟道或P沟道器件、或者某种N型或者P型掺杂区域，然而本领域的普通技术人员可以理解，根据本发明，互补器件也是可以实现的。本领域的普通技术人员可以理解，导电类型是指导电发生的机制，例如通过空穴或者电子导电，因此导电类型不涉及掺杂浓度而涉及掺杂类型，例如P型或者N型。本领域普通技术人员可以理解，本文中使用的与电路运行相关的词语“期间”、“当”和“当……时”不是表示在启动动作开始时立即发生的动作的严格术语，而是在其与启动动作所发起的反应动作(reaction)之间可能存在一些小的但是合理的一个或多个延迟，例如各种传输延迟等。本文中使用词语“大约”或者“基本上”意指要素值(element)具有预期接近所声明的值或位置的参数。然而，如本领域所周知的，总是存在微小的偏差使得该值或位置难以严格为所声明的值。本领域已恰当的确定了，至少百分之十(10％)(对于半导体掺杂浓度，至少百分之二十(20％))的偏差是偏离所描述的准确的理想目标的合理偏差。当结合信号状态使用时，信号的实际电压值或逻辑状态(例如“1”或“0”)取决于使用正逻辑还是负逻辑。
此外，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
依照本发明的实施例如上文，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。
Claims (10)
1.一种功率开关管的保护电路，所述功率开关管用于将输入端的输入电压转换为输出端的输出电压，其特征在于，所述保护电路包括：
驱动电路，用于向所述功率开关管提供栅极驱动电压；
限流保护电路，连接于所述输出端和所述驱动电路之间，用于在所述功率开关管发生过流时生成有效的限流控制信号，所述驱动电路根据所述有效的限流控制信号限制所述功率开关管的输出电流；以及
过温保护电路，与所述驱动电路连接，用于在芯片温度大于过温保护点时，向所述驱动电路输出过温控制信号，所述驱动电路根据所述过温控制信号关断电路，
所述过温保护电路还用于在电路未触发限流保护时，将表征芯片温度的检测电压与第一阈值电压进行比较，以及在电路触发限流保护阈值时，将所述检测电压与第二阈值电压进行比较，
其中，所述第一阈值电压和第二阈值电压分别表征第一过温保护点和第二过温保护点，且第一过温保护点高于第二过温保护点。
2.根据权利要求1所述的保护电路，其特征在于，所述过温保护电路包括：
检测电压产生电路，用于产生一检测电压；
阈值电压产生电路，用于产生所述第一阈值电压和所述第二阈值电压；
比较电路，用于将所述检测电压与所述第一阈值电压或所述第二阈值电压进行比较，并根据比较结果产生所述过温控制信号。
3.根据权利要求2所述的保护电路，其特征在于，所述检测电压产生电路包括依次串联连接于电源电压和地之间的第一电流源、第一晶体管和第二晶体管，
其中，所述第一晶体管和所述第二晶体管分别连接成二极管结构，
所述第一电流源和所述第一晶体管的中间节点用于提供所述检测电压。
4.根据权利要求3所述的保护电路，其特征在于，所述第一晶体管和所述第二晶体管分别为NPN型双极性晶体管。
5.根据权利要求3所述的保护电路，其特征在于，所述阈值电压产生电路包括：
依次串联连接于电源电压和地之间的第三晶体管和第二电流源；以及
依次串联连接于所述电源电压和地之间的第四晶体管、第一电阻和第二电阻，
其中，所述第三晶体管和所述第四晶体管构成电流镜，
所述第四晶体管和所述第一电阻的中间节点用于提供所述第二阈值电压，所述第一电阻和所述第二电阻之间的中间节点用于提供所述第一阈值电压。
6.根据权利要求5所述的保护电路，其特征在于，所述检测电压为负温度系数电压，所述第一阈值电压和所述第二阈值电压为正温度系数电压。
7.根据权利要求5所述的保护电路，其特征在于，所述第一阈值电压小于所述第二阈值电压。
8.根据权利要求2所述的保护电路，其特征在于，所述比较电路包括第五晶体管、第六晶体管、一比较器以及第一反相器和第二反相器，
其中，所述第五晶体管连接于所述第一阈值电压和所述比较器的正相输入端之间，
所述第六晶体管连接于所述第二阈值电压和所述比较器的正相输入端之间，
所述第五晶体管和所述第六晶体管的控制端用于接收所述限流控制信号，
所述比较器的反相输入端用于接收所述检测电压，
所述第一反相器的输入端与所述比较器的输出端连接，所述第一反相器的输出端与所述第二反相器的输入端连接，所述第二反相器的输出端用于输出所述过温控制信号，
其中，所述第五晶体管和所述第六晶体管互为导电类型相反的晶体管。
9.根据权利要求8所述的保护电路，其特征在于，所述第五晶体管为P型金属氧化物半导体场效应晶体管，所述第六晶体管为N型金属氧化物半导体场效应晶体管。
10.一种负载开关电路，其特征在于，包括：
功率开关管，连接于所述负载开关电路的输入端和输出端之前，用于将输入端的输入电压转换为输出端的输出电压；以及权利要求1-9任一项所述的保护电路。
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