CN114814530A - 一种用于高边智能功率ic的负载开路检测电路及方法、应用 - Google Patents

一种用于高边智能功率ic的负载开路检测电路及方法、应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于高边智能功率IC的负载开路检测电路及方法、应用，所述检测电路包括双重检测电路，包括：由功率管Mp与滞回比较器OP1构成的第一重检测电路，用于检测功率器件两端的电压降；由检测管Ms与其支路上的电阻RS和比较器OP2构成的第二重检测电路，用于检测电阻Rs上的电流。该电路采用双重判决模式和滞回比较器，解决传统电流检测引起的冗余电压和检测误差的问题，以及外部干扰导致功率管反复开关的问题，提高了负载开路检测的精确度和可靠性。

Description

一种用于高边智能功率IC的负载开路检测电路及方法、应用
技术领域
本发明涉及电气、电子设备控制技术领域，具体涉及一种用于高边智能功率IC的负载开路检测电路及方法、应用。
背景技术
高边功率驱动芯片通过将控制模块、驱动模块及其它保护电路模块与功率器件集成在一起，可以实现更多的功能，在新能源汽车、自动化控制及其它电子产品等领域得到广泛应用。为了保证驱动芯片的正常工作，需要加入各种保护电路，其中，负载开路检测电路通过对负载状态进行实时检测反馈，在负载发生开路故障时及时向系统发出反馈信号。此类电路一般是对负载上的电流进行检测，第一种方法是在主通路上检测分压电阻上的电流，但这会带来冗余的电压消耗。另外一种方法是采用一个与主功率管尺寸成比例的检测管，对检测管支路流过的电流进行检测。这种方法虽然不会给主通路带来冗余的电压消耗，但在负载电流很小的情况下，镜像复制的电流精度会降低，导致误差过大，使检测电路的可靠性下降。
发明内容
针对上述技术背景中的问题，本发明的目的在于针对高边功率驱动芯片，设计优化了一种新型负载开路检测电路。该电路采用双重判决模式和滞回比较器，解决传统电流检测引起的冗余电压和检测误差的问题，以及外部干扰导致功率管反复开关的问题，提高了负载开路检测的精确度和可靠性。
为了实现以上目的，本发明采用的技术方案为：
一种用于高边智能功率IC的负载开路检测电路，所述检测电路包括双重检测电路，包括：
由功率管Mp与滞回比较器OP1构成的第一重检测电路，用于检测功率器件两端的电压降；
由检测管Ms与其支路上的电阻RS和比较器OP2构成的第二重检测电路，用于检测电阻Rs上的电流。
因在比较器运行时，如果有噪声或干扰出现，都会使比较器在两个不同的输出状态之间产生额外的频繁跳变，这种情况会造成功率管不必要的开关功耗和信号振荡。而滞回比较器的Vout在上升和下降时输入端的数值不同，这样可以避免误信号的干扰，提高检测的有效性，降低功率管的无效开关功耗，因此在本发明的技术方案中，设计在第一重检测电路上采用滞回比较器规避这类问题的发生。
本发明的技术方案中，设计双重的检测电路，当第一重检测电路输出低电平时会提示电路可能存在故障，只有当双重电路都输出低电平时才会直接关断电路并输出故障信号，解决传统电流检测引起的冗余电压和检测误差的问题。
本发明的另一目的在于，提供一种如上所述的用于高边智能功率IC的负载开路检测方法，具体步骤如下：
S1、由功率管Mp与滞回比较器OP1构成的第一重检测电路，检测功率器件两端的电压降；
S2、当滞回比较器OP1输出为低电平时，通过逻辑运算功率管MP被关闭，输出可能出现负载开路的信号指令，提示电路可能存在故障；
S3、而后由检测管Ms支路上电阻RS和比较器OP2构成的第二重检测电路，对电阻Rs上的电流进行检测；
S4、当比较器OP2输出为低电平时，两个比较器信号都满足开路检测，输出高电平，表示负载开路，通过逻辑运算进行信号输出和电路关断处理。
进一步地，步骤S2，对于第一重检测电路，VMP为功率管MP上的电压降，设定判断阈值电压为VMP0，即
VREF＝VCC-VMP0，
当VMP>VMP0时，有Vout<VREF，滞回比较器OP1输出高电平，芯片正常工作；当VMP<VMP0时，有Vout>VREF，滞回比较器OP1输出低电平，第一重检测电路判断负载处于开路状态，芯片负载可能处于开路，电路输出提示信号；
其中，VREF为基准电压，VCC为内部电源电压，Vout为检测电路输出电压。
进一步地，步骤S4，对于第二重检测电路，IL为负载RL上流过的电流，IL0为设定的判断阈值电流：
IL0＝V1/RS，
当IL>IL0时，VRs＝IL0·RS<V1，比较器OP2输出为高电平，芯片正常工作；当IL<IL0时，比较器OP2输出为低电平，第二重检测电路判断负载处于开路状态；
其中，V1为第二重检测电路中比较器的输入基准电压，RS为检测电阻；VRs为电阻RS上的电压降。
进一步地，在本发明的技术方案中：当双重检测电路同时满足开路判断，输出高电平，表示负载开路；为保证第二重检测电路在第一重检测电路检测结束后进行检测，需要保证：
VMP0>IL0·[RonP//(RonS+RS)]，
其中，VMP0为功率管MP上的电压降，RonP为功率管MP的导通电阻，RonS为检测管MS的导通电阻，RS为检测电阻。
本发明的第三个目的在于，提供一种应用如上所述的负载开路检测电路的高边驱动电路系统。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)功率管的导通电阻RonP不会对负载阈值电流的检测造成影响；
(2)检测电阻RS只在检测通路中消耗压降，不会消耗主通路上的电压降；
(3)比较器的失调电压不会限制检测电流阈值的大小；
(4)采用双重判决模式，规避了负载电流和温度的波动造成干扰信号的可能性；
(5)采用滞回比较器，降低了输入波动，或其他噪声、干扰对检测准确度的影响，整体提高了检测的有效性和系统的稳定性。
附图说明
图1为本发明负载开路检测电路的示意图；
图2为滞回比较器的示意图；
图3为高边驱动电路系统框图；
图4为负载电流IL及电路输出Openload与负载电阻RL的关系曲线图；
图5为OP1输出VO1及电路输出Openload与负载电压Vout的关系曲线；
图6为驱动电路的电压输出曲线。
具体实施方式
以下结合附图对本发明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，并不用于限制本发明。
如图1所示，用于高边智能功率IC的负载开路检测电路，包括双重检测电路：
由功率管Mp与滞回比较器OP1构成的第一重检测电路，用于检测功率器件Mp两端的电压降；
由检测管Ms与其支路上的电阻RS和比较器OP2构成的第二重检测电路，用于检测电阻Rs上的电流。
本发明的技术方案中，设计双重的检测电路，当第一重检测电路输出低电平时会提示电路可能存在故障，只有当双重电路都输出低电平时才会直接关断电路并输出故障信号，解决传统电流检测引起的冗余电压和检测误差的问题。
如图2所示滞回比较器，在比较器的输出端和同相输入端之间连接电阻，在正反馈的作用下会出现滞回现象。VP＝[R2/(R1+R2)]g(VREF-Vout)，根据虚短VN＝VP，即可得出两个阈值电压：在Vout的上升沿处(0到VCC)，VP1＝[R2/(R1+R2)]gVREF，在Vout的下降沿处(VCC到0)，VP2＝[R2/(R1+R2)]g(VREF-VCC)。
因在比较器运行时，如果有噪声或干扰出现，都会使比较器在两个不同的输出状态之间产生额外的频繁跳变，这种情况会造成功率管不必要的开关功耗和信号振荡。而滞回比较器的Vout在上升和下降时输入端的数值不同，这样可以避免误信号的干扰，提高检测的有效性，降低功率管的无效开关功耗，因此在本发明的技术方案中，设计在第一重检测电路上采用滞回比较器QP1规避这类问题的发生。
如上所述的用于高边智能功率IC的负载开路检测方法，具体步骤如下：
S1、由功率管Mp与滞回比较器OP1构成的第一重检测电路，检测功率器件Mp两端的电压降；
S2、当OP1输出为低电平时，通过逻辑运算MP被关闭，输出可能出现负载开路的信号指令Possible fault，提示电路可能存在故障；
S3、而后由检测管Ms支路上电阻RS和比较器OP2构成的第二重检测电路，对电阻Rs上的电流进行检测；
S4、当比较器OP2输出为低电平时，两个比较器信号都满足开路检测，Openload输出高电平，表示负载开路，通过逻辑运算进行信号输出和电路关断处理。
具体分析如下：
对于第一重检测电路，VMP为功率管MP上的电压降，设定判断阈值电压为VMP0，即
VREF＝VCC-VMP0，
当VMP>VMP0时，有Vout<VREF，OP1输出高电平，芯片正常工作；当VMP<VMP0时，有Vout>VREF，OP1输出低电平，第一重检测电路判断负载处于开路状态，芯片负载可能处于开路，电路输出提示信号。
其中，VREF为基准电压，VCC为内部电源电压，Vout为检测电路输出电压。
对于第二重检测电路，IL为负载RL上流过的电流，IL0为设定的判断阈值电流：
IL0＝V1/RS，
当IL>IL0时，VRs＝IL0·RS<V1，OP2输出为高电平，芯片正常工作；当IL<IL0时，OP2输出为低电平，第二重检测电路判断负载处于开路状态。当双重检测电路同时满足开路判断，Openload输出高电平，表示负载开路；为保证第二重检测电路在第一重检测电路检测结束后进行检测，需要保证：
VMP0>IL0·[RonP//(RonS+RS)]，
其中，V1为第二重检测电路中比较器的输入基准电压，RS为检测电阻；VRs为电阻RS上的电压降，VMP0为功率管MP上的电压降，RonP为功率管MP的导通电阻，RonS为检测管MS的导通电阻。
以下是本发明负载开路检测电路的应用：
如图3所示为本发明设计电路的应用系统。
对于高边驱动功率芯片，其工作环境往往很恶劣，从图3可以看到有诸多保护电路确保芯片不会因外界干扰丧失功能，保证芯片正常工作。本应用中的栅极保护，主要是确保电路工作时栅极电压大于漏极电压，功率管工作在正确的状态；过压保护电路实现48V的过压保护，在电源电压高于48V时，过压保护电路输出高电平，经过逻辑电路运算，关闭芯片，待电压低于38V时再次启动芯片；过温保护电路实现150℃的过温保护，在芯片温度达到150℃时，过温保护电路输出高电平，经过逻辑电路运算，关闭芯片，待温度回落至140℃时再次启动芯片，避免震荡；欠压保护电路实现3.5V的欠压保护，在电源电压低于3.5V时欠压保护电路输出高电平，经过逻辑电路运算，关闭芯片，待电压高于4.5V时再次启动芯片；负载开路检测电路实现检测负载电流3mA，98.5％的检测精度，当负载电流低于3mA时，负载开路检测电路输出高电平，经过逻辑运算，关闭芯片，待故障解除后，芯片自启动。正常工作时，功率管处于线性导通区，为了实现此目的，需要将功率管的栅极电压抬升至高于漏极电压，这里采用交叉耦合电荷泵对栅极电压进行抬升，本应用中采用的电荷泵实现了电压从12V抬升至14.5V，使功率管工作在线性导通区。
在Cadence 617环境下对图1、图3中的电路进行仿真，电源电压VCC＝12V。
如图4所示为负载电流IL及输出信号Openload与负载电阻RL阻值的关系曲线。
随着RL的增大(开路模拟)，IL不断减小，功率管上的压降也在不断减小，当其小于300mV时，OP1的输出端VO1为低电平，MP通过逻辑电路被关断，此时第二重检测电路进行检测，当IL<IL0＝3mA时，OP2的输出端VO2为低电平，此时Openload输出高电平，表示负载开路。
如图5所示为OP1输出VO1及电路输出Openload与负载电压Vout的关系曲线。
在开路检测过程中，VO1降至低电平，当有信号干扰时，VO1从低电平跳变到高电平会导致Vgate从低电平变为高电平，为了防止干扰导致功率管反复开关，采用了滞回比较器，存在2V电压的跳变缓冲带，可以有效避免此类问题发生。
图6为驱动电路的电压输出曲线。通过电荷泵将栅极驱动电压升压至14.5V，驱动功率管工作在线性导通区，驱动电压达到稳定的时间需要50us。
表1对比了本发明设计电路和其他参考文献电路性能，比较发现，本发明设计的电路具有较好的综合处理性能。
表1本发明设计电路和其他参考文献电路性能对比结果
Figure BDA0003577105960000051
Figure BDA0003577105960000061
[1]Davis B,Wellnitz K.Intelligent diagnostic features available forhigh side power switching[C]//Proceedings of 1994IEEE Workshop on PowerElectronics in Transportation.IEEE,1994:23-31.
[2]Givelin P,Bafleur M,Laopoulos T,et al.On-chip over current andopen load detection for a power MOS high-side switch:A CMOS current modeapproach[C]//1993Fifth European Conference on Power Electronics andApplications.IET,1993:197-200.
[3]张小琴,蔡小五,曾传滨,等.一种用于智能高边功率IC的负载开路检测电路[J].微电子学与计算机,2020,37(12):17-21.
结论：本发明设计优化了一款用于高边驱动芯片的负载开路检测电路，通过采用双重检测电路和滞回比较器，避免电压检测中功率管导通电阻变化引起的误差，以及信号干扰或电压抖动导致的功率管开关损耗，同时也降低了对比较器精度的要求。本文的负载开路检测电路，在电路阈值电流为3mA时，检测精度高达98.5％；保证有2V的抗干扰冗余电压，满足了本文的设计要求。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (6)

1.一种用于高边智能功率IC的负载开路检测电路，其特征在于，所述检测电路包括双重检测电路，包括：
由功率管Mp与滞回比较器OP1构成的第一重检测电路，用于检测功率器件两端的电压降；
由检测管Ms与其支路上的电阻RS和比较器OP2构成的第二重检测电路，用于检测电阻Rs上的电流。
2.一种用于高边智能功率IC的负载开路检测方法，其特征在于，具体步骤如下：
S1、由功率管Mp与滞回比较器OP1构成的第一重检测电路，检测功率器件两端的电压降；
S2、当滞回比较器OP1输出为低电平时，通过逻辑运算功率管MP被关闭，输出可能出现负载开路的信号指令，提示电路可能存在故障；
S3、而后由检测管Ms支路上电阻RS和比较器OP2构成的第二重检测电路，对电阻Rs上的电流进行检测；
S4、当比较器OP2输出为低电平时，两个比较器信号都满足开路检测，输出高电平，表示负载开路，通过逻辑运算进行信号输出和电路关断处理。
3.根据权利要求2所述的一种用于高边智能功率IC的负载开路检测方法，其特在在于，步骤S2，对于第一重检测电路，VMP为功率管MP上的电压降，设定判断阈值电压为VMP0，即
VREF＝VCC-VMP0，
当VMP>VMP0时，有Vout<VREF，滞回比较器OP1输出高电平，芯片正常工作；当VMP<VMP0时，有Vout>VREF，滞回比较器OP1输出低电平，第一重检测电路判断负载处于开路状态，芯片负载可能处于开路，电路输出提示信号；
其中，VREF为基准电压，VCC为内部电源电压，Vout为检测电路输出电压。
4.根据权利要求2所述的一种用于高边智能功率IC的负载开路检测方法，其特在在于，步骤S4，对于第二重检测电路，IL为负载RL上流过的电流，IL0为设定的判断阈值电流：
IL0＝V1/RS，
当IL>IL0时，VRs＝IL0·RS<V1，比较器OP2输出为高电平，芯片正常工作；当IL<IL0时，比较器OP2输出为低电平，第二重检测电路判断负载处于开路状态；
其中，V1为第二重检测电路中比较器的输入基准电压，RS为检测电阻；VRs为电阻RS上的电压降。
5.根据权利要求2所述的一种用于高边智能功率IC的负载开路检测方法，其特在在于，当双重检测电路同时满足开路判断，输出高电平，表示负载开路；为保证第二重检测电路在第一重检测电路检测结束后进行检测，需要保证：
VMP0>IL0·[RonP//(RonS+RS)]，
其中，VMP0为功率管MP上的电压降，RonP为功率管MP的导通电阻，RonS为检测管MS的导通电阻，RS为检测电阻。
6.一种应用如权利要求1所述的负载开路检测电路的高边驱动电路系统。
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