CN115792348A - 一种用于高边nmos驱动的电压检测电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于高边NMOS驱动的电压检测电路；该检测电路可应用于采用泵电路方式实现的驱动电路系统；该系统包括有高边驱动、泵电路、电压检测电路和功率管NM1_H；所述高边驱动上电性连接有所述泵电路，所述泵电路上电性连接有所述功率管NM1_H，所述电压检测电路的输入端与所述功率管NM1_H的栅极和源极分别电性连接，所述电压检测电路的输出端与所述泵电路电性连接；所述电压检测电路中包括有高压管PM1、高压管PM2、高压管NM3、高压管NM4、偏置电流I1、偏置电流I2、偏置电流I3、稳压二极管Z1和反相器INV1；本发明利用稳压二极管的反向击穿电压作为判断阈值，对两个输入信号之间的压差进行检测，实现对高边功率管的保护，使用器件少，成本低，功耗很低。
Description
技术领域
本发明属于集成电路技术领域，具体涉及一种用于高边NMOS驱动的电压检测电路。
背景技术
随着电子技术的不断发展，电子设备需要满足小型化、高性能、低功耗的要求。开关电源得以广泛应用，而驱动电路作为开关电源中重要的一部分，也在不断优化。目前驱动电路功率管常采用NMOS功率管，根据NMOS功率管接在电源端还是地端，可分为高边管和低边管两种。在高边NMOS驱动电路中，NMOS管漏极接电源端，其栅极电压必须高于电源电压一个导通电压，否则功率管上将产生很大的导通压降。
目前给功率管提供足够大的栅极电压，主要采用自举电路和电荷泵电路，这两种方式会带来电路结构复杂，功耗大，成本高的问题。如果采用泵电路的方式，将电源电压实现倍压，其输出可作为高边NMOS功率管的栅极电压，并且泵电路只在高边NMOS功率管需要导通时工作，其它情况关闭，可降低功耗。集成电路中常选用薄栅氧的NMOS功率管，其栅源耐压值约为5.5V。NMOS功率管栅极电压不能过大，否则会烧坏功率管，因此需要一个结构简单、低功耗的检测电路，检测高边功率管的栅极电压和源端电压的压差，进而控制泵电路的工作状态，使功率管栅源电压不超过其栅源耐压值。
比如现有技术如图3所示，在驱动电路中，需要产生一个高于电源电压的电压为高边驱动供电，通常采用电荷泵的方式实现。
主要包括稳压电路、电荷泵、高边栅极驱动和功率管NM1_H。
稳压电路：产生一个小于MOS管栅源耐压值的电压VH1。
电荷泵：产生一个高于电源电压VM的电压VH，VH＝VH1+VM。
高边栅极驱动：将输入信号VIN_UP进行电平转换，逻辑判断等，输出VG_UP，用于驱动高边功率管栅极。
功率管NM1_H：根据栅极电压VG_UP的高低，功率管导通或关断。
上述驱动电路，首先需要一个稳压电路，产生不高于器件栅源耐压的电压；再通过电荷泵产生一个比电源电压高的电压作为高边栅极驱动的电源，电路系统较复杂。并且电荷泵一直处于工作状态，功耗较大。另外电荷泵的输出电压是时刻变化的动态电压，且电荷泵只在时钟信号高电平时对电容充电，效率较慢，能量损耗较大。
其具有以下缺点，在传统的驱动电路中，采用自举电路和电荷泵电路方式，存在功耗较大，电路结构复杂，成本高的缺点。若采用泵电路直接产生高边功率管栅极控制信号的方式，则需要一个电压检测电路对高边功率管的栅极电压和源端电压的压差进行检测，保证其栅源电压不会超过器件耐压(5.5V)，该电压检测电路需具备电路结构简单、功耗低的特点。
做电压检测的常用方式就是使用传统的比较器，但是传统比较器使用的器件很多，还需要额外的偏置电路来产生参考电压，因此电路复杂度较大，功耗也较大。
本发明提出了一种用于高边NMOS驱动的电压检测电路，以期能在使用泵电路直接产生高边功率管栅极控制信号的驱动电路中实现对高边功率管的保护，同时解决传统电压检测电路功耗大、电路结构复杂的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于高边NMOS驱动的电压检测电路，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种用于高边NMOS驱动的电压检测电路，包括有电压检测电路，可应用于采用泵电路方式实现的驱动电路系统，该系统包括有高边驱动、泵电路、电压检测电路和功率管NM1_H；所述电压检测电路通过对高边功率管的栅极电压VG_UP和源极电压V_SW之间的压差进行检测，判断该压差是否超过功率管栅源耐压值，输出判断信号VOUT，对泵电路的工作状态进行控制调节；
所述功率管NM1_H根据栅极电压VG_UP的高低实现导通或关断的控制调节；
所述电压检测电路中包括有高压管PM1、高压管PM2、高压管NM3、高压管NM4、偏置电流I1、偏置电流I2、偏置电流I3、稳压二极管Z1和反相器INV1。
优选的，采用泵电路方式实现的驱动电路系统包括有高边驱动、泵电路、电压检测电路和功率管NM1_H；
所述高边驱动上电性连接有输入信号VIN_UP，所述高边驱动上电性连接有所述泵电路，所述泵电路上电性连接有所述功率管NM1_H，所述电压检测电路的输入端与所述功率管NM1_H的栅极和源极分别电性连接，所述电压检测电路的输出端与所述泵电路电性连接，所述高边驱动、所述泵电路和所述功率管NM1_H的漏极分别电性连接有电源电压VM；
所述高边驱动用于接收所述输入信号VIN_UP，并且将所述输入信号VIN_UP进行电平转换，逻辑判断，然后输出VG_H；
所述泵电路用于产生一个高于所述电源电压VM的电压VG_UP，并且电压VG_UP和电源电压VM的关系如下：VG_UP＝2*VM。
优选的，所述电源电压VM为功率管电源电压，变化范围较大，会出现高压情况；所述功率管NM1_H的栅源耐压值一般为5.5V，且所述功率管NM1_H的导通阻抗很小，在所述功率管NM1_H导通时，输出V_SW近似等于所述电源电压VM；所述功率管NM1_H导通时，所述泵电路的输出VG_UP＝2*VM，所述功率管NM1_H的栅源电压约为VG_UP-V_SW＝VM，当所述电源电压VM大于器件栅源耐压时，所述功率管NM1_H的栅源电压将超出耐压，造成器件损坏。
优选的，所述电压检测电路对所述泵电路进行控制调节；所述电压检测电路对所述泵电路的输出VG_UP、所述功率管NM1_H的输出V_SW的压差进行检测，当VG_UP-V_SW<5.5V时，所述泵电路正常工作；当VG_UP-V_SW达到栅源耐压5.5V时，输出信号VOUT跳变，关闭所述泵电路，所述泵电路的输出VG_UP不再继续上升。
优选的，所述功率管NM1_H的栅源电压下降到小于其栅源耐压值时，所述电压检测电路的输出信号VOUT恢复为原来电位，再次开启所述泵电路；所述泵电路根据所述电压检测电路的输出信号VOUT的变化，一直处于关闭、开启的循环状态，使输出VG_UP最终稳定在所述电源电压VM与所述功率管NM1_H的栅源耐压值之和，即为VM+5.5V，从而保证功率管NM1_H的栅源电压维持在5.5V，实现在高电源电压时对高边功率管的保护。
优选的，所述电压检测电路中的VDD为低压逻辑电源，并且输入的V_SW和VG_UP为待检测的信号，输出的VOUT为检测结果，偏置电流I1和偏置电流I2采用的是nA级别，且I1＝I2。
优选的，所述电压检测电路中的VDD上电性连接所述高压管NM3的栅极，所述高压管NM3的源极连接所述偏置电流I1，所述高压管NM3的漏极电性连接所述高压管PM1的漏极和栅极，所述高压管PM1的源极输入待检测信号V_SW，所述高压管PM1的栅极与所述高压管PM2的栅极电性连接，所述高压管PM2的源极电性连接所述稳压二极管Z1的正极，所述稳压二极管Z1的负极电性输入待检测信号VG_UP。
优选的，所述高压管NM4的栅极与所述逻辑电源VDD电性连接，所述高压管NM4的漏极与所述高压管PM2的漏极电性连接，所述高压管NM4的源极连接偏置电流I2，所述反相器INV1的输入端与所述高压管PM2的漏极电性连接，并与所述反相器INV1的输出端输出VOUT，所述偏置电流I3串联在逻辑电源VDD和所述反相器INV1的电源端之间，所述反相器INV1的另一端与GND电性连接。
优选的，所述偏置电流I1和所述偏置电流I2与GND电性连接，所述偏置电流I1输入端与所述高压管NM3的源极连接于D点。
优选的，所述偏置电流I2的输入端与所述高压管NM4源极连接于C点，所述高压管NM4的漏极与所述高压管PM2的漏极串联交于A。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明的电压检测电路，通过检测高边功率管的栅端和源端之间的压差是否超过稳压二极管的反向击穿电压(5.5V)，对泵电路进行控制，从而实现对高边功率管的保护；电路利用稳压二极管的反向击穿电压作为判断阈值，与传统电压检测电路相比，无需额外的偏置电路，检测原理及电路实现方式简单，使用器件极少，面积很小，成本低，且该电路结构可采用较小偏置电流(nA级别)，功耗很低。
附图说明
图1为本发明的系统结构示意图；
图2为本发明的电压检测电路原理图；
图3为本发明的现有技术系统结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-图2，本发明提供一种技术方案：一种用于高边NMOS驱动的电压检测电路，可应用于采用泵电路方式实现的驱动电路系统，该系统包括有高边驱动、泵电路、电压检测电路和功率管NM1_H；
所述高边驱动上电性连接有输入信号VIN_UP，所述高边驱动上电性连接有所述泵电路，所述泵电路上电性连接有所述功率管NM1_H，所述电压检测电路的输入端与所述功率管NM1_H的栅极和源极分别电性连接，所述电压检测电路的输出端与所述泵电路电性连接，所述高边驱动、所述泵电路和所述功率管NM1_H的漏极分别电性连接有电源电压VM；
所述高边驱动用于接收所述输入信号VIN_UP，并且将所述输入信号VIN_UP进行电平转换，逻辑判断，然后输出VG_H；
所述泵电路用于产生一个高于所述电源电压VM的电压VG_UP，并且电压VG_UP和电源电压VM的关系如下：VG_UP＝2*VM；
所述电压检测电路用于对所述泵电路输出的电压VG_UP和所述功率管NM1_H的输出V_SW之间的压差进行检测，判断该压差是否超过功率管栅源耐压值，输出判断信号VOUT，并且再实现对所述泵电路的工作状态进行控制调节；
所述功率管NM1_H根据栅极电压VG_UP的高低实现导通或关断的控制调节；
所述电压检测电路中包括有高压管PM1、高压管PM2、高压管NM3、高压管NM4、偏置电流I1、偏置电流I2、偏置电流I3、稳压二极管Z1和反相器INV1。
为了实现对系统进行供电运行，并且实现对功率管NM1_H进行导通控制，本实施例中，优选的，所述电源电压VM为功率管电源电压，变化范围较大，会出现高压情况，所述功率管NM1_H的栅源耐压值一般为5.5V，且所述功率管NM1_H的导通阻抗很小，在所述功率管NM1_H导通时，输出V_SW近似等于所述电源电压VM。
为了实现实现对功率管NM1_H进行导通控制，本实施例中，优选的，所述泵电路在所述功率管NM1_H导通时，产生一个比电源电压VM高的电压，所述泵电路的输出VG_UP的电压最高可达到2*VM，所述功率管NM1_H的栅源电压约为VG_UP-V_SW＝VM，当所述电源电压VM大于器件栅源耐压时，所述功率管NM1_H的栅源电压将超出耐压，造成器件损坏。
为了实现对功率管NM1_H的栅源电压进行检测，实现对泵电路的反向控制调节，本实施例中，优选的，所述电压检测电路对所述泵电路的输出VG_UP、所述功率管NM1_H的输出V_SW的压差进行检测，当VG_UP-V_SW<5.5V时，所述泵电路正常工作；当VG_UP-V_SW达到栅源耐压5.5V时，输出信号VOUT跳变，关闭所述泵电路，所述泵电路的输出VG_UP不再继续上升。
为了使得电压检测电路通过输出信号VOUT的电位实现对泵电路进行控制，本实施例中，优选的，所述功率管NM1_H的栅源电压下降到小于其栅源耐压值时，所述电压检测电路的输出信号VOUT恢复为原来电位，再次开启所述泵电路，所述泵电路根据所述电压检测电路的输出信号VOUT的变化，一直处于关闭、开启的循环状态，使输出VG_UP最终稳定在所述电源电压VM与所述功率管NM1_H的栅源耐压值之和，即为VM+5.5V，从而保证功率管的栅源电压维持在5.5V，实现在高电源电压时对高边功率管的保护。
为了实现对电压检测电路进行供电，并且实现对检测信号进行输入，本实施例中，优选的，所述电压检测电路中的VDD为低压逻辑电源，并且输入的V_SW和VG_UP为待检测的信号，输出的VOUT为检测结果，偏置电流I1和偏置电流I2采用的是nA级别，且I1＝I2。
为了实现对两个待检测信号进行输入，本实施例中，优选的，所述电压检测电路中的VDD上电性连接所述高压管NM3的栅极，所述高压管NM3的源极连接所述偏置电流I1，所述高压管NM3的漏极电性连接所述高压管PM1的漏极和栅极，所述高压管PM1的源极输入待检测信号V_SW，所述高压管PM1的栅极和漏极与所述高压管PM2的栅极电性连接，所述高压管PM2的源极电性连接所述稳压二极管Z1的正极，所述稳压二极管Z1的负极电性输入待检测信号VG_UP。
通过反相器INV1实现对输出信号进行输出，本实施例中，优选的，所述高压管NM4的栅极与所述逻辑电源VDD电性连接，所述高压管NM4的漏极与所述高压管PM2的漏极电性连接，所述高压管NM4的源极连接偏置电流I2，并与所述反相器INV1的输入端电性连接，所述反相器INV1的输出端输出VOUT，所述偏置电流I3串联在逻辑电源VDD和所述反相器INV1的电源端之间，所述反相器INV1的另一端与GND电性连接。
为了实现对偏置电流I1与高压管NM3进行连接，本实施例中，优选的，所述偏置电流I1和所述偏置电流I2与GND电性连接，所述偏置电流I1输入端与所述高压管NM3的源极连接于D点。
为了实现对偏置电流I2与高压管NM4进行连接，本实施例中，优选的，所述偏置电流I2的输入端与所述高压管NM4源极连接于C点，所述高压管NM4的漏极与所述高压管PM2的漏极串联交于A。
本发明的工作原理及使用流程：当功率管NM1_H需要导通时，泵电路开始工作，VG_UP电压开始上升，当VG_UP高于功率管NM1_H的开启电压时，其输出V_SW将跟随VG_UP一起上升；
当VG_UP-V_SW较小，且小于稳压二极管Z1的反向击穿电压VZ1时，B点电压低于V_SW电压，高压管PM2截止，稳压二极管Z1不会导通，即稳压二极管Z1中没有电流流过，此时C点电压(VC)较低，输出VOUT为高电平，泵电路正常工作；
当VG_UP-V_SW较大，且大于稳压二极管Z1的反向击穿电压VZ1时，稳压二极管Z1中有电流流过，B点电压上升；当B点电压高于V_SW时，高压管PM2的栅源电压高于高压管PM1的栅源电压，又因为高压管PM1和高压管PM2的尺寸相同，流过高压管PM2的电流大于流过高压管PM1的电流；高压管PM1流过的电流为偏置电流I1，I1＝I2，也即流过高压管PM2的电流大于偏置电流I2，C点电压升高(VC)，当到达反相器INV1的正向阈值时，输出VOUT跳变为低电平，泵电路关闭，VG_UP不再升高，VG_UP-V_SW将维持在稳压二极管Z1的反向击穿电压VZ1附近；
在该电路中，偏置电流I1和偏置电流I2所使用的管子类型为低压管，而V_SW和VG_UP均为高压信号，因此增加栅极接逻辑电源VDD的高压管NM3和高压管NM4来承受高压，使C点和D点的电压较低，为VDD减去其栅源电压，从而保护偏置电流I1和偏置电流I2的低压管，反相器INV1上串联的偏置电流I3，用于限制其电流，减小电路功耗。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种用于高边NMOS驱动的电压检测电路，其特征在于：包括有电压检测电路，可应用于采用泵电路方式实现的驱动电路系统，该系统包括有高边驱动、泵电路、电压检测电路和功率管NM1_H；所述电压检测电路通过对高边功率管的栅极电压VG_UP和源极电压V_SW之间的压差进行检测，判断该压差是否超过功率管栅源耐压值，输出判断信号VOUT，对泵电路的工作状态进行控制调节；
所述功率管NM1_H根据栅极电压VG_UP的高低实现导通或关断的控制调节；
所述电压检测电路中包括有高压管PM1、高压管PM2、高压管NM3、高压管NM4、偏置电流I1、偏置电流I2、偏置电流I3、稳压二极管Z1和反相器INV1。
2.根据权利要求1所述的一种用于高边NMOS驱动的电压检测电路，其特征在于：采用泵电路方式实现的驱动电路系统包括有高边驱动、泵电路、电压检测电路和功率管NM1_H；
所述高边驱动上电性连接有输入信号VIN_UP，所述高边驱动上电性连接有所述泵电路，所述泵电路上电性连接有所述功率管NM1_H，所述电压检测电路的输入端与所述功率管NM1_H的栅极和源极分别电性连接，所述电压检测电路的输出端与所述泵电路电性连接，所述高边驱动、所述泵电路和所述功率管NM1_H的漏极分别电性连接有电源电压VM；
所述高边驱动用于接收所述输入信号VIN_UP，并且将所述输入信号VIN_UP进行电平转换，逻辑判断，然后输出VG_H；
所述泵电路用于产生一个高于所述电源电压VM的电压VG_UP，并且电压VG_UP和电源电压VM的关系如下：VG_UP＝2*VM。
3.根据权利要求2所述的一种用于高边NMOS驱动的电压检测电路，其特征在于：所述电源电压VM为功率管电源电压，变化范围较大，会出现高压情况；所述功率管NM1_H的栅源耐压值一般为5.5V，且所述功率管NM1_H的导通阻抗很小，在所述功率管NM1_H导通时，输出V_SW近似等于所述电源电压VM；所述功率管NM1_H导通时，所述泵电路的输出VG_UP＝2*VM，所述功率管NM1_H的栅源电压约为VG_UP-V_SW＝VM，当所述电源电压VM大于器件栅源耐压时，所述功率管NM1_H的栅源电压将超出耐压，造成器件损坏。
4.根据权利要求3所述的一种用于高边NMOS驱动的电压检测电路，其特征在于：所述电压检测电路对所述泵电路进行控制调节；所述电压检测电路对所述泵电路的输出VG_UP、所述功率管NM1_H的输出V_SW的压差进行检测，当VG_UP-V_SW<5.5V时，所述泵电路正常工作；当VG_UP-V_SW达到栅源耐压5.5V时，输出信号VOUT跳变，关闭所述泵电路，所述泵电路的输出VG_UP不再继续上升。
5.根据权利要求4所述的一种用于高边NMOS驱动的电压检测电路，其特征在于：所述功率管NM1_H的栅源电压下降到小于其栅源耐压值时，所述电压检测电路的输出信号VOUT恢复为原来电位，再次开启所述泵电路；所述泵电路根据所述电压检测电路的输出信号VOUT的变化，一直处于关闭、开启的循环状态，使输出VG_UP最终稳定在所述电源电压VM与所述功率管NM1_H的栅源耐压值之和，即VM+5.5V，从而保证功率管NM1_H的栅源电压维持在5.5V，实现在高电源电压时对高边功率管的保护。
6.根据权利要求1所述的一种用于高边NMOS驱动的电压检测电路，其特征在于：所述电压检测电路中的VDD为低压逻辑电源，并且输入的V_SW和VG_UP为待检测的信号，输出的VOUT为检测结果，偏置电流I1和偏置电流I2采用的是nA级别，且I1＝I2。
7.根据权利要求6所述的一种用于高边NMOS驱动的电压检测电路，其特征在于：所述电压检测电路中的VDD上电性连接所述高压管NM3的栅极，所述高压管NM3的源极连接所述偏置电流I1，所述高压管NM3的漏极电性连接所述高压管PM1的漏极和栅极，所述高压管PM1的源极输入待检测信号V_SW，所述高压管PM1的栅极与所述高压管PM2的栅极电性连接，所述高压管PM2的源极电性连接所述稳压二极管Z1的正极，所述稳压二极管Z1的负极电性输入待检测信号VG_UP。
8.根据权利要求7所述的一种用于高边NMOS驱动的电压检测电路，其特征在于：所述高压管NM4的栅极与所述逻辑电源VDD电性连接，所述高压管NM4的漏极与所述高压管PM2的漏极电性连接，所述高压管NM4的源极连接偏置电流I2，并与所述反相器INV1的输入端电性连接，所述反相器INV1的输出端输出VOUT，所述偏置电流I3串联在逻辑电源VDD和所述反相器INV1的电源端之间，所述反相器INV1的另一端与GND电性连接。
9.根据权利要求8所述的一种用于高边NMOS驱动的电压检测电路，其特征在于：所述偏置电流I1和所述偏置电流I2与GND电性连接，所述偏置电流I1输入端与所述高压管NM3的源极连接于D点。
10.根据权利要求9所述的一种用于高边NMOS驱动的电压检测电路，其特征在于：所述偏置电流I2的输入端与所述高压管NM4源极连接于C点，所述高压管NM4的漏极与所述高压管PM2的漏极串联交于A。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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