CN114545177A - 一种功率管的漏源电压检测电路和开关电路 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种功率管的漏源电压检测电路和开关电路。漏源电压检测电路包括检测电路和钳位补偿电路，检测电路用于采集功率管的漏端电压和源端电压，并将二者的电压差转换为检测电流，钳位补偿电路用于在该功率管的源端电压较小时钳位检测电路中的第二晶体管源端，以使得检测电路可以正常工作在反馈状态，并向所述检测电路提供一补偿电流，对所述检测电流进行补偿，可以使得补偿后的检测电流准确的表征功率管的漏源电压，可以实现全电压范围对功率管的高精度检测，有利于提高系统的整体性能指标。
Description
技术领域
本发明涉及集成电路技术领域，更具体地，涉及一种功率管的漏源电压检测电路和开关电路。
背景技术
在电源系统中，通过控制开关型功率管，例如通过IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor，绝缘栅双极型晶体管)或者MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金属氧化物半导体场效应晶体管来实现)的导通和关断来实现电能的变换和输出电压的稳定。
在许多应用中，通常需要对功率管的漏源电压进行检测，并将其转换为与漏源压差呈线性关系的电流，以使得功率管可以安全的运行和/或用于其他功能。
图1示出了根据现有技术的一种功率管的漏源电压检测电路的示意性电路图。如图1所示，待测功率管P1的漏端和源端分别与输入电压Vin和输出电压Vout连接，漏源电压检测电路100包括电阻R1和R2、晶体管MP1至MP3以及晶体管MN1和MN2。电阻R1、晶体管MP1和晶体管MN1依次连接于待测功率管P1的漏端和地之间，电阻R2、晶体管MP2和晶体管MN2依次连接于待测功率管P1的源端和地之间。其中，晶体管MP1和晶体管MP2的尺寸比例为1:1，晶体管MP1和晶体管MP2为共栅连接，晶体管MN1和晶体管MN2为共栅-共源连接，且二者的栅端都与偏置电压Vbias连接。晶体管MP3的栅端与晶体管MP2和晶体管MN2的公共端连接，源端与电阻R1和晶体管MP1之间的节点A连接。
当漏源电压检测电路100正常工作时，晶体管MP1和晶体管MP2分别用于检测输入电压Vin和输出电压Vout，并将二者的电压差转换成电流，从而得到检测电流Isen。其中，流过晶体管MP1和晶体管MP2的电流相等，且流过晶体管MP1和晶体管MP2的电流等于晶体管MN1和晶体管MN2提供的镜像电流Ia，即：
IMP1＝IMP2＝Ia 公式1
通过晶体管MP3的负反馈连接，使得晶体管MP1和晶体管MP2的源端电压相等，即晶体管MP2的源级电压等于：
V1＝Vout-Ia×R2＝VA 公式2
其中，V1表示晶体管MP2的源端电压，Ia表示晶体管MN1和MN2提供的镜像电流，VA表示节点A的电压。
又因为流过电阻R1的电流为：
IR1＝(Vin-VA)/R1 公式3
假设电阻R1和电阻R2的阻值(即R1＝R2＝R)相等，则结合公式2和公式3可以得到流过R1的电流为：
IR1＝(Vin-Vout+Ia×R2)/R1＝(Vin-Vout)/R+Ia 公式4
又因为流过晶体管MP3的电流等于：
IMP3＝IR1-IMP1 公式5
结合公式1和公式4可以得到，流过晶体管MP3的电流，即检测电流Isen为：
Isen＝(Vin-Vout)/R 公式6
但是要使得漏源电源检测电路100正常工作，需要电路中的所有晶体管都工作在饱和区，当输出电压Vout电压低于晶体管MP2和晶体管MN1的漏源饱和电压之和时，晶体管MN2将工作在线性区，随着输出电压Vout的继续减小，晶体管MN2的漏电压减小至0，晶体管MP2截止，此时检测电流Isen等于：
Isen＝(Vin-VGS)/R 公式7
其中，VGS表示晶体管MP3的栅源电压。由上述可知，现有技术的漏源电压检测电路100受共模工作范围的限制，当输出电压Vout较低时，可能导致电路无法正常工作，降低漏源电压检测的精度，从而影响系统的整体性能指标。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种功率管的漏源电压检测电路和开关电路，可以实现全电压范围内对功率管的高精度检测，提高了系统的整体性能指标。
根据本发明的一方面，提供了一种功率管的漏源电压检测电路，包括：检测电路，包括第一电阻、第二电阻以及第一至第三晶体管，所述第一电阻和所述第二电阻的一端分别连接至所述功率管的源端和漏端，另一端分别与所述第一晶体管和所述第二晶体管的源端连接，所述第一晶体管和所述第二晶体管为共栅连接，所述第一晶体管的栅极与漏极相连，所述第三晶体管的源端连接至所述第一电阻和所述第一晶体管之间的第一节点，栅端连接至所述第二晶体管的漏端，漏端输出一检测电流；以及钳位补偿电路，连接至所述第二电阻和所述第二晶体管之间的第二节点，所述钳位补偿电路用于在第二节点电压小于一参考电压的情况下，将所述第二节点电压钳位至预设电压，以使得所述检测电路正常工作于反馈状态。
可选的，所述钳位补偿电路还用于在所述第二节点电压小于所述参考电压的情况下，向所述检测电路提供一补偿电流，以对所述检测电流进行补偿。
可选的，所述参考电压的电压值大于所述第三晶体管的栅源电压的电压值。
可选的，所述钳位补偿电路用于在所述第二节点电压小于所述参考电压的情况下，钳位所述第二节点电压与所述参考电压相等，并基于所述第二节点电压与所述参考电压的电压差得到所述补偿电流。
可选的，所述检测电路还包括：第四晶体管和第五晶体管，所述第四晶体管和所述第五晶体管的漏端分别连接至所述第一晶体管和所述第二晶体管的漏端，所述第四晶体管和所述第五晶体管的源端接地，所述第四晶体管与所述第五晶体管的栅端接收一偏置电压。
可选的，所述钳位补偿电路包括：运算放大器，正相输入端连接至所述第二节点，反相输入端接收所述参考电压；第六晶体管，源端连接至电源电压，栅端连接至所述运算放大器的输出端，漏端连接至所述运算放大器的正相输入端；以及第七晶体管，源端连接至所述电源电压，栅端连接至所述运算放大器的输出端，漏端连接至所述第三晶体管的源端或漏端以提供所述补偿电流。
可选的，所述运算放大器和所述第六晶体管构成负反馈结构。
可选的，所述第一晶体管、所述第二晶体管、所述第三晶体管分别选自P型金属氧化物半导体场效应晶体管，所述第四晶体管和所述第五晶体管分别选自N型金属氧化物半导体场效应晶体管。
可选的，所述第六晶体管和所述第七晶体管分别选自P型金属氧化物半导体场效应晶体管。
根据本发明的另一方面，提供了一种开关电路，包括上述的功率管的漏源电压检测电路。
在本发明的功率管的漏源电压检测电路和开关电路中，漏源电压检测电路包括检测电路和钳位补偿电路，检测电路采集功率管的漏端电压和源端电压，并将二者的电压差转换为检测电流。钳位补偿电路用于在功率管的漏端电压较低时钳位检测电路中第二晶体管的源端电压，保证检测电路可以正常工作在反馈状态。同时，钳位补偿电路还根据该参考电压和功率管的源端电压提供准确的补偿电流，以对所述检测电流进行补偿，可以使得补偿后的检测电流准确的表征功率管的漏源电压，可以实现全电压范围对功率管的高精度检测，有利于提高系统的整体性能指标。进一步的，当功率管的源端电压大于预设电压时，钳位补偿电路不起作用，从而不会影响检测电路的输出结果。
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示出了根据现有技术的一种功率管的漏源电压检测电路的示意性电路图；
图2示出了根据本发明实施例的一种功率管的漏源电压检测电路的示意性电路图。
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。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图2示出了根据本发明实施例的一种功率管的漏源电压检测电路的示意性电路图。在图2中，功率管P1为芯片的主要输出管，连接在输入端和输出端之间。功率管P1例如选自N型MOSFET，其漏端与芯片的输入端连接以接收输入电压Vin，源端与芯片的输出端连接以向后级电路提供输出电压Vout。栅极驱动信号Vgate用于控制功率管P1的导通和关断，以控制芯片输入端至芯片输出端之间的电能传输。
其中，所述漏源电压检测电路200包括检测电路210和钳位补偿电路220，检测电路210与功率管P1的漏端和源端连接，用于分别采集功率管的漏端电压和源端电压，并将所述漏端电压和源端电压的电压差转换为检测电流Isen。钳位补偿电路220用于在功率管P1的源端电压较小时，钳位检测电路210中的MP2的源端电压，保证检测电路210可以正常工作，同时钳位补偿电路220还用于向检测电路210提供一补偿电流Icom，以对检测电流Isen进行补偿。
进一步的，检测电路210还包括电阻R1和R2、晶体管MP3以及晶体管MN1和MN2。电阻R1、晶体管MP1和晶体管MN1依次连接于待测功率管P1的漏端和地之间，电阻R2、晶体管MP2和晶体管MN2依次连接于待测功率管P1的源端和地之间。其中，晶体管MP1和晶体管MP2的尺寸比例为1:1，晶体管MP1和晶体管MP2为共栅连接，晶体管MN1和晶体管MN2为共栅-共源连接，且二者的栅端都与偏置电压Vbias连接。晶体管MP3的栅端与晶体管MP2和晶体管MN2的公共端连接，源端与电阻R1和晶体管MP1之间的节点A连接，漏端用于输出检测电流Isen。
假设电阻R1和R2的电阻值相等(即R1＝R2＝R)，则可以得到当功率管P1的源端电压(即输出电压Vout)大于/等于晶体管MP3的栅源电压VGS时，检测电流Isen等于：
Isen＝(Vin-Vout)/R 公式8
但是当功率管P1的源端电压(即输出电压Vout)小于晶体管MP3的栅源电压时，此时输出电压Vout电压低于晶体管MP2和晶体管MN1的漏源饱和电压之和，晶体管MN2将工作在线性区，随着输出电压Vout的继续减小，晶体管MN2的漏电压减小至0，晶体管MP2截止，此时检测电流Isen等于：
Isen＝(Vin-VGS)/R 公式9
其中，VGS表示晶体管MP3的栅源电压。
由公式9可知当功率管P1的源端电压小于晶体管MP3的栅源电压时，检测电路210无法正常工作，此时检测电流Isen无法正常表征功率管漏端电压和源端电压的电压差。通过设置电压值大于晶体管MP3的栅源电压的参考电压VC，使得钳位补偿电路220可以在功率管P1的源端电压小于参考电压VC时钳位晶体管MP2和电阻R2之间的节点B，从而保证检测电路210中的各个晶体管均工作于饱和区，使得检测电路210可以正常工作在反馈状态。同时钳位补偿电路220还生成与功率管P1的源端电压相关的补偿电流，并将该补偿电流对检测电流进行补偿，可以使得补偿后的检测电流准确表征功率管P1的漏端电压和源端电压的电压差。
进一步的，钳位补偿电路220包括运算放大器201以及晶体管MP4和MP5。其中，运算放大器201的反相输入端接收参考电压VC，正相输入端连接至节点B，输出端连接至晶体管MP4和MP5的栅端。晶体管MP4的源端连接至电源电压VCC，漏端连接至运算放大器201的正相输入端。晶体管MP5和晶体管MP4构成电流镜，源端连接至电源电压VCC，漏端连接至晶体管MP3的漏端，以提供所述补偿电流Icom。在另一些实施例中，也可将晶体管MP5的漏端连接至晶体管MP3的源端，以提供所述补偿电流Icom。
其中，参考电压VC大于晶体管MP3的栅源电压，当功率管P1的源端电压(即输出电压Vout)较高时，此时节点B的电压VB大于/等于参考电压VC，运算放大器201相当于一个比较器，输出高电平以使得晶体管MP4和MP5关断，此时补偿电流Icom＝0，钳位补偿电路220不起作用。
当功率管P1的源端电压(即输出电压Vout)降低至以使得节点B的电压VB小于参考电压VC时，此时利用运算放大器201和晶体管MP4构成的负反馈结构，可以钳位节点B的电压与参考电压VC相等，而由于节点B被钳位，检测电路210中各晶体管均处于饱和区得以正常工作，从而通过检测电路210的反馈结构，使得节点A和节点B的电压也相等，即：
VA＝VB＝VC 公式10
其中，VA为节点A的电压，VB为节点B的电压。此时晶体管MP4的漏端电流为：
IMP4＝(VB-Vout)/R+Ia＝(VC-Vout)/R+Ia 公式11
又因为晶体管MP4和晶体管MP5构成电流镜，所以晶体管MP4的漏端电流等于晶体管MP5的漏端电流，即补偿电流Icom等于：
Icom＝(VB-Vout)/R+Ia＝(VC-Vout)/R+Ia 公式12
又因为运算放大器201和晶体管MP4构成的负反馈结构钳位节点A的电压和节点B的电压相等，所以此时检测电路210仍可以正常工作，则可以得到流过电阻R1的电流为：
IR1＝(Vin-VA)/R＝(Vin-VC)/R 公式13
其中，R表示电阻R1和电阻R2的阻值。
又因为流过晶体管MP3的电流等于：
IMP3＝IR1-IMP1 公式14
且流过晶体管MP1和晶体管MP2的电流相等，即：
IMP1＝IMP2＝Ia 公式15
结合公式13至公式15可以得到，此时流过晶体管MP3的电流，即当功率管P1的源端电压小于参考电压VC时的检测电流Isen为：
Isen＝(Vin-VC)/R-Ia 公式16
结合公式12和公式16可以得到补偿之后的检测电流为：
Isen’＝Isen+Icom＝(Vin-Vout)/R 公式17
由公式17可以看出，本实施例的钳位补偿电路220在功率管P1的源端电压较小时钳位节点B的电压，使得检测电路210可以正常的工作在反馈状态，并根据参考电压VC和输出电压Vout提供准确的补偿电流，使得补偿后的检测电流准确表征功率管P1的漏端电压和源端电压的电压差，提高漏源电压检测电路的准确度。
在上述实施例中，晶体管MP1至MP5例如为P型MOSFET(P-Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，P型金属氧化物半导体场效应晶体管)，晶体管MN1和MN2例如为N型MOSFET(N-Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，N型金属氧化物半导体场效应晶体管)。
综上所述，在本发明实施例的功率管的漏源电压检测电路和开关电路中，漏源电压检测电路包括检测电路和钳位补偿电路，检测电路采集功率管的漏端电压和源端电压，并将二者的电压差转换为检测电流。钳位补偿电路用于在功率管的漏端电压较低时钳位检测电路中第二晶体管的源端电压，保证检测电路可以正常工作在反馈状态。同时钳位补偿电路还根据该参考电压和功率管的源端电压提供准确的补偿电流，以对所述检测电流进行补偿，可以使得补偿后的检测电流准确的表征功率管的漏源电压，可以实现全电压范围对功率管的高精度检测，有利于提高系统的整体性能指标。进一步的，当功率管的源端电压大于预设电压时，钳位补偿电路不起作用，从而不会影响检测电路的输出结果。
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)
1.一种功率管的漏源电压检测电路，包括：
检测电路，包括第一电阻、第二电阻以及第一至第三晶体管，所述第一电阻和所述第二电阻的一端分别连接至所述功率管的源端和漏端，另一端分别与所述第一晶体管和所述第二晶体管的源端连接，所述第一晶体管和所述第二晶体管为共栅连接，所述第一晶体管的栅极与漏极相连，所述第三晶体管的源端连接至所述第一电阻和所述第一晶体管之间的第一节点，栅端连接至所述第二晶体管的漏端，漏端输出一检测电流；以及
钳位补偿电路，连接至所述第二电阻和所述第二晶体管之间的第二节点，所述钳位补偿电路用于在第二节点电压小于一参考电压的情况下，将所述第二节点电压钳位至预设电压，以使得所述检测电路正常工作于反馈状态。
2.根据权利要求1所述的漏源电压检测电路，其中，所述钳位补偿电路还用于在所述第二节点电压小于所述参考电压的情况下，向所述检测电路提供一补偿电流，以对所述检测电流进行补偿。
3.根据权利要求2所述的漏源电压检测电路，其中，所述参考电压的电压值大于所述第三晶体管的栅源电压的电压值。
4.根据权利要求3所述的漏源电压检测电路，其中，所述钳位补偿电路用于在所述第二节点电压小于所述参考电压的情况下，钳位所述第二节点电压与所述参考电压相等，并基于所述第二节点电压与所述参考电压的电压差得到所述补偿电流。
5.根据权利要求1所述的漏源电压检测电路，其中，所述检测电路还包括：
第四晶体管和第五晶体管，所述第四晶体管和所述第五晶体管的漏端分别连接至所述第一晶体管和所述第二晶体管的漏端，所述第四晶体管和所述第五晶体管的源端接地，所述第四晶体管与所述第五晶体管的栅端接收一偏置电压。
6.根据权利要求2所述的漏源电压检测电路，其中，所述钳位补偿电路包括：
运算放大器，正相输入端连接至所述第二节点，反相输入端接收所述参考电压；
第六晶体管，源端连接至电源电压，栅端连接至所述运算放大器的输出端，漏端连接至所述运算放大器的正相输入端；以及
第七晶体管，源端连接至所述电源电压，栅端连接至所述运算放大器的输出端，漏端连接至所述第三晶体管的源端或漏端以提供所述补偿电流。
7.根据权利要求6所述的漏源电压检测电路，其中，所述运算放大器和所述第六晶体管构成负反馈结构。
8.根据权利要求5所述的漏源电压检测电路，其中，所述第一晶体管、所述第二晶体管、所述第三晶体管分别选自P型金属氧化物半导体场效应晶体管，
所述第四晶体管和所述第五晶体管分别选自N型金属氧化物半导体场效应晶体管。
9.根据权利要求6所述的漏源电压检测电路，其中，所述第六晶体管和所述第七晶体管分别选自P型金属氧化物半导体场效应晶体管。
10.一种开关电路，其中，包括如权利要求1-9任一项所述的功率管的漏源电压检测电路。
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2020
- 2020-11-24 CN CN202011330734.8A patent/CN114545177A/zh active Pending
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