CN115856411A - 功率驱动管及其过流检测电路及过流检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种功率驱动管及其过流检测电路及过流检测方法，过流检测电路包括高端功率管过流检测电路、低端功率管过流检测电路及过流报警电路；高端功率管过流检测电路检测高端功率管是否过流，并给出报警信号；低端功率管过流检测电路检测低端功率管是否过流，并给出报警信号；过流报警电路对高端功率管过流检测电路、低端功率管过流检测电路给出的报警信号进行处理，防止误报警。相对电阻检测，本发明可提高检测精度；高端与低端功率管均做过流检测，可避免某些情况的过流不可检测性；高端过流检测电路增加了悬浮电源，相比直接使用高压器件，面积得到了优化，成本得以降低。此外，本发明可同时对高低端功率管检测，可对过流情况快速响应。

Description

功率驱动管及其过流检测电路及过流检测方法

技术领域

本发明属于检测电路技术领域，涉及一种过流检测电路，尤其涉及一种功率驱动管及其过流检测电路及过流检测方法。

背景技术

在对扬声器、电机等设备驱动时，常采用电路拓扑结构类似于字母“H”的功率驱动电路，即H桥电路。功率驱动管本身的电阻比较小，在驱动负载时，流经功率管的电流基本就是负载所决定。当负载电阻过小、短路或者供电电源过大时，会导致功率驱动管过流而引起热烧毁之类的损害、因而需要检测流经功率驱动管的电流并在达到阈值后关闭功率驱动管，从而起到保护的作用。

图1为现有H桥驱动电路的电路示意图；在图1中，MLHS、MRHS为高端NMOS功率管，MLLS、MRLS是低端NMOS功率管，四者构成了常见的H桥驱动电路。VM是其工作电压，为高压，如12V、24V、36V或48V。R、L为负载的等效电路模型，一般是扬声器、电机等。MLHS、MRHS、MLLS与MRLS功率管由对应的栅极驱动电路与PWM控制信号控制。

电路工作一般在如下状态下：a、MLHS与MRLS导通，MRHS与MLLS截止，电流从OUTA流向OUTB b、MLHS与MRLS截止，MRHS与MLLS导通，电流从OUTB流向OUTA c、MLLS与MRLS导通，MLHS与MRHS截止，负载中电流逐渐减小直到0。可以看出，功率管在a、b两种状态下，如果负载电阻变小，OUTA或OUTB被短接到电源或地，都有可能使得功率管出现过流的情况。

图2为现有H桥过流检测电路的电路示意图；通常的过流检测方式如图2所示，在H桥底部增加一个感测电阻Rs，当出现过流的情况时，Rs上的电压Vs就会变大直到大于设定阈值Vt时，比较器就会翻转，给出报警信号Vc，后续电路在根据Vc信号做出相应对功率管的保护动作。

由此可见，现行结构存在如下问题：(1)在正常工作模式下，Rs上也会有电流，会引进功率损耗，且Vs>0会使得低端功率管的栅源电压变小使得低端功率管导通电阻变大，驱动能力减弱；(2)由于过流电流过大，一般感测电阻会选择较小的阻值，而小阻值电阻易受工艺、温度电压等因素影响，会大大影响过流检测电路的精度；(3)若驱动的负载被拉到另外一个通路的低电平上，高端驱动管过流，此时该检测电路无法检测出来并做及时的保护处理，可能会导致功率管失效。

有鉴于此，如今迫切需要设计一种新的过流检测电路，以便克服现有过流检测电路存在的上述至少部分缺陷。

发明内容

本发明提供一种功率驱动管及其过流检测电路及过流检测方法，相对电阻检测，可提高检测精度；高端与低端功率管均做过流检测，可避免某些情况的过流不可检测性；高低端同时检测，可对过流情况更快响应；高端过流检测电路增加了悬浮电源，相比直接使用高压器件，面积得到了优化，成本得以降低。

为解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，采用如下技术方案：

一种功率驱动管过流检测电路，所述过流检测电路包括：高端功率管过流检测电路、低端功率管过流检测电路及过流报警电路。

高端功率管过流检测电路，用于检测高端功率管是否过流，并给出报警信号；

低端功率管过流检测电路，用于检测低端功率管是否过流，并给出报警信号；

过流报警电路，分别连接高端功率管过流检测电路、低端功率管过流检测电路，对所述高端功率管过流检测电路、低端功率管过流检测电路给出的报警信号进行处理，防止误报警。

作为本发明的一种实施方式，所述高端功率管过流检测电路包括悬浮电源、第一比较器、第一电流源IHP、第一MOS管M1、第二MOS管M2、第五MOS管MHM、第一二极管ZN1、第二二极管ZN2；

所述悬浮电源的第一端连接电源电压VM，所述电源电压VM分别连接第一MOS管M1的漏极、第五MOS管的漏极、第一二极管ZN1的负极及第一比较器的第四端；

所述第一MOS管M1的栅极连接电源电压VBST、第二二极管ZN2的负极，所述第一MOS管M1的源极分别连接第二二极管ZN2的正极、第二MOS管M2的漏极、第一二极管ZN1的正极、第一比较器的反相输入端；

所述第五MOS管MHM的栅极连接第二MOS管M2的栅极，第五MOS管MHM的源极分别连接第一比较器的正相输入端、第一电流源IHP的第一端；所述悬浮电源的第二端分别连接第一比较器的第五端、第一电流源IHP的第二端。

作为本发明的一种实施方式，所述低端功率管过流检测电路包括第二比较器、第二电流源ILP、第三MOS管M3、第四MOS管M4、第六MOS管MLM、第三二极管ZN3、第四二极管ZN4；

所述第二MOS管M2的源极连接第三MOS管M3的漏极；

所述第三MOS管M3的栅极分别连接第四二极管ZN4的负极、第六MOS管MLM的栅极，第三MOS管M3的源极分别连接第四MOS管M4的漏极、第四二极管ZN4的正极、第三二极管ZN3的负极、第二比较器的正相输入端；

所述第四MOS管M4的栅极连接电源电压VDDL，所述第四MOS管M4的源极接地；第六MOS管MLM的漏极分别连接第二比较器的反相输入端、第二电流源ILP的第二端；第六MOS管MLM的源极接地；

所述第二电流源ILP的第一端分别连接电源电压VDDL、第二比较器的第四端；第二比较器的第五端接地，第三二极管ZN3的正极接地。

作为本发明的一种实施方式，所述过流报警电路包括电平转换器、防抖动电路、RS锁存电路及或门；

所述第一比较器的输出端连接所述电平转换器的第一端，所述电平转换器的第二端连接或门的第一输入端，所述第二比较器的输出端连接或门的第二输入端；或门的第四端连接电源电压VDDL，或门的第五端接地；或门的输出端连接防抖动电路，所述防抖动电路连接RS锁存电路。

作为本发明的一种实施方式，所述过流检测电路包括第一过流检测电路、第二过流检测电路；所述第一过流检测电路、第二过流检测电路均包括高端功率管过流检测电路、低端功率管过流检测电路及过流报警电路。

根据本发明的另一个方面，采用如下技术方案：一种功率驱动管，所述功率驱动管包括上述的功率驱动管过流检测电路。

根据本发明的又一个方面，采用如下技术方案：一种功率驱动管过流检测方法，所述过流检测方法包括：

高端功率管过流检测电路检测高端功率管是否过流，并给出报警信号；

低端功率管过流检测电路检测低端功率管是否过流，并给出报警信号；

过流报警电路对所述高端功率管过流检测电路、低端功率管过流检测电路给出的报警信号进行处理，防止误报警。

本发明的有益效果在于：本发明提出的功率驱动管及其过流检测电路及过流检测方法，相对电阻检测，可提高检测精度；高端与低端功率管均做过流检测，可避免某些情况的过流不可检测性；高端过流检测电路增加了悬浮电源，相比直接使用高压器件，面积得到了优化，成本得以降低。此外，本发明可同时对高低端功率管检测，可对过流情况快速响应。

本发明可采用电流镜像检测的方式，相对电阻检测方式更精确，同时H桥高端与低端功率管均做了检测电路，可更快地对过流响应，及时输出报警信号，开启保护处理。

本发明为高端电流检测设计了悬浮电源，避免大部分高端检测电路使用高压管，减小了芯片面积，降低了成本。

本发明针对过流检测电路做了对应的保护电路，保证异常短路情况下的正常工作，鲁棒性更强。

附图说明

图1为现有H桥驱动电路的电路示意图。

图2为现有H桥过流检测电路的电路示意图。

图3为本发明一实施例中功率驱动管过流检测电路的电路示意图。

图4为本发明一实施例中悬浮电源的电路示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。

该部分的描述只针对几个典型的实施例，本发明并不仅局限于实施例描述的范围。相同或相近的现有技术手段与实施例中的一些技术特征进行相互替换也在本发明描述和保护的范围内。

说明书中各个实施例中的步骤的表述只是为了方便说明，本申请的实现方式不受步骤实现的顺序限制。

说明书中的“连接”既包含直接连接，也包含间接连接，如通过一些有源器件、无源器件或电传导媒介进行的连接；还可包括本领域技术人员公知的在可实现相同或相似功能目的的基础上通过其他有源器件或无源器件的连接，如通过开关、跟随电路等电路或部件的连接。

本发明揭示了一种功率驱动管过流检测电路，图3为本发明一实施例中功率驱动管过流检测电路的电路示意图；请参阅图3，所述过流检测电路包括：高端功率管过流检测电路、低端功率管过流检测电路及过流报警电路。

所述高端功率管过流检测电路包括悬浮电源11、第一比较器12、第一电流源IHP、第一MOS管M1、第二MOS管M2、第五MOS管MHM、第一二极管ZN1、第二二极管ZN2；所述低端功率管过流检测电路包括第二比较器21、第二电流源ILP、第三MOS管M3、第四MOS管M4、第六MOS管MLM、第三二极管ZN3、第四二极管ZN4；所述过流报警电路包括电平转换器31、防抖动电路33、RS锁存电路34及或门32。

所述悬浮电源11的第一端连接电源电压VM，所述电源电压VM分别连接第一MOS管M1的漏极、第五MOS管的漏极、第一二极管ZN1的负极及第一比较器12的第四端。

所述第一MOS管M1的栅极连接电源电压VBST、第二二极管ZN2的负极，所述第一MOS管M1的源极分别连接第二二极管ZN2的正极、第二MOS管M2的漏极、第一二极管ZN1的正极、第一比较器12的反相输入端。

所述第五MOS管MHM的栅极连接第二MOS管M2的栅极，第五MOS管MHM的源极分别连接第一比较器12的正相输入端、第一电流源IHP的第一端；所述悬浮电源11的第二端分别连接第一比较器12的第五端、第一电流源IHP的第二端。

所述第二MOS管M2的源极连接第三MOS管M3的漏极，第一比较器的输出端连接所述电平转换器31。所述第三MOS管M3的栅极分别连接第四二极管ZN4的负极、第六MOS管MLM的栅极，第三MOS管M3的源极分别连接第四MOS管M4的漏极、第四二极管ZN4的正极、第三二极管ZN3的负极、第二比较器的正相输入端。

所述第四MOS管M4的栅极连接电源电压VDDL，所述第四MOS管M4的源极接地；第六MOS管MLM的漏极分别连接第二比较器21的反相输入端、第二电流源ILP的第二端；第六MOS管MLM的源极接地。

所述第二电流源ILP的第一端分别连接电源电压VDDL、第二比较器的第四端；第二比较器21的第五端接地，第三二极管ZN3的正极接地。

所述电平转换器31的第二端连接或门的第一输入端，所述第二比较器21的输出端连接或门32的第二输入端；或门的第四端连接电源电压VDDL，或门32的第五端接地；或门32的输出端连接防抖动电路33，所述防抖动电路33连接RS锁存电路34。

本发明还揭示一种功率驱动管，所述功率驱动管包括上述的功率驱动管过流检测电路。

本发明进一步揭示一种功率驱动管过流检测方法，所述过流检测方法包括：

高端功率管过流检测电路检测高端功率管是否过流，并给出报警信号；

低端功率管过流检测电路检测低端功率管是否过流，并给出报警信号；

过流报警电路对所述高端功率管过流检测电路、低端功率管过流检测电路给出的报警信号进行处理，防止误报警。

为了避免现行结构带来的问题，在本发明的一种使用场景中，本发明采用电流镜像的方式检测功率管的过流情况；且在高端功率管和低端功率管上均做了电流检测，当出现过流时，可更快地响应。

图3虚线框内仅给出了H桥的左半桥电路以及相应的过流检测与保护电路，右半桥电路与之相同，在右侧虚线框内省略号表示。

图3中MLHS、MLLS为H桥左半桥的功率驱动管，PWM信号通过栅极驱动电路控制MLHS管与MLLS管的开启与关闭。其中，电荷泵电路产生VBST＝VM+VDDL的高压，用于开启MLHS管，VM是H桥的工作电压，为高压，如12V、24V、36V或48V。虚线框为本文提出的功率驱动管检测以及保护电路,PART A为高端功率管过流检测电路，PART B为低端功率管过流检测电路，PART C为过流报警电路。

在PART A高端过流检测电路中，M1与M2管串联在VM与OUTA之间并输出VSH，MHM为MLHS功率管的镜像管，偏置在设定电流IHP下输出VTHRH。当VSH小于VTHRH时，第一比较器翻转，给出过流报警信号。

具体工作情况如下，当VGH被栅极驱动拉到VBST时，高端功率管MLHS开启，OUTA电压为(1)，

V_OUTA＝VM-I*Rds_MLHS (1)

I为通过功率管MLHS与负载R、L的电流，即为检测的电流，Rds_MLHS为MLHS的导通电阻。

M1与M2宽长比的比值为α，α一般设为1，M1的栅极连接到VBST，M2的栅极连接到VGH。当VGH被拉到VBST时，M2导通，此时M1与M2的栅源电压大致相同，且M1与M2由于均处于线性区。由MOS管处于线性区的电阻公式(2)可得VSH的大小，见公式(3)。VSH跟检测电流I有关。

MHM与MLHS为相同类型功率管，与MLHS在版图上是匹配的，宽长比大小是MLHS的1/β倍，与电流源IHP用于设置功率驱动管的电流阈值。参考上述推导，可得VTHRH为式(4)。

VTHRH＝IHP*Rds_MLHS*β (4)

当VSH＝VTHRH时，

电路选择合适的IHP、β以及α参数，可设定合适的过流限制阈值。当VSH<VTHRH时，第一比较器翻转输出报警信号。

在PART A高端过流检测电路中，第一比较器与MHM支路的电路工作在高压下，若均直接使用高压器件，会使得芯片过大，成本增加。因而，此处增加了悬浮电源电路，该电路仅使用了3个高压器件，大大减小了面积，而第一比较器与MHM支路在悬浮电源电路中提供的VFG与VM电源下，使用普通器件即可。如图4所示，为本文提出的悬浮电源电路结构，PM0、NM0与NM1为高压器件，电路输出电压VFG＝VM-VDDL。第一比较器以及MHM支路工作电压在VFG与VM之间。设置的偏置电流Ib通过NM0管镜像到NM1管，其中NM0与NM1宽长比的比值为1：N。因而电阻R所获得电流大小为N*Ib，VFL＝VM-N*Ib*R。电容C用于滤除电源VM上带来的高频抖动。当VFG与VM间存在负载时，VFG＝VFL+VTHP＝VM-N*Ib*R+VTHP,其中VTHP为PM0的阈值电压，通过选择合适R值，可使得VFG＝VM-VDDL。

在PART A高端过流检测电路中，添加了齐纳二极管ZN1与ZN2对电路进行保护，当功率驱动管正常工作未过流时，ZN1与ZN2不工作，但当OUTA被拉到地时，ZN1与ZN2钳位VSH，防止VSH被拉到较低电平使第一比较器输入管与M1管过压，从而实现在这类情况下的正常报警。

在PART B低端过流检测电路中，M3与M4管串联在地与OUTA之间并输出VSL，MLM为MLLS功率管的镜像管，偏置在设定电流ILP下输出VTHRL。当VSL大于VTHRL时，第二比较器翻转，给出过流报警信号。

具体工作情况如下，当VGL被栅极驱动拉到VDDL时，低端功率管MLLS开启，OUTA电压为(5)，

V_OUTA＝I*Rds_MLLS (5)

I为通过功率管MLLS与负载R、L的电流，即为检测的电流，Rds_MLLS为MLLS的导通电阻。

M3与M4宽长比的比值为γ，γ一般设为1，M4的栅极连接到VDDL，M4的栅极连接到VGL。当VGH被拉到VDDL时，M3导通，此时M3与M4的栅源电压大致相同，且M3与M4由于均处于线性区。由MOS管处于线性区的电阻公式(2)可得VSL的大小，见公式(6)。VSL跟检测电流I有关。

MLM与MLLS为相同类型功率管，与MLLS在版图上是匹配的，宽长比大小是MLLS的1/δ倍，与电流源IHP用于设置功率驱动管的电流阈值。参考上述推导，可得VTHRL为式(7)。

VTHRL＝ILP*Rds_MLHS*δ (7)

当VSL＝VTHRL时，

电路选择合适的IHP、δ以及λ参数，可设定合适的过流限制阈值。当VSL>VTHRL时，第一比较器翻转输出报警信号。

在PART A高端过流检测电路中，添加齐纳二极管ZN3与ZN4对电路进行保护，当功率驱动管正常工作未过流时，ZN3与ZN3不工作，但当OUTA被拉到VM时，ZN3与ZN4钳位VSL，防止VSL被拉到较高电平使第二比较器输入管与M3管过压，从而实现在这类情况下的正常报警。

在PART C过流报警电路中，PART A的过流报警信号经由一个高压转低压的电平转换器转换后与PART B的过流报警信号做或运算后输出到防抖动电路。通过防抖动电路，去除报警信号的毛刺，防止误报警。然后信号被RS触发器锁存稳定下来，在传递给栅极驱动电路去关闭功率驱动管，从而起到保护功率驱动管的作用。

综上所述，本发明提出的功率驱动管及其过流检测电路及过流检测方法，相对电阻检测，可提高检测精度；高端与低端功率管均做过流检测，可避免某些情况的过流不可检测性；高端过流检测电路增加了悬浮电源，相比直接使用高压器件，面积得到了优化，成本得以降低。此外，本发明可同时对高低端功率管检测，可对过流情况快速响应。

本发明可采用电流镜像检测的方式，相对电阻检测方式更精确，同时H桥高端与低端功率管均做了检测电路，可更快地对过流响应，及时输出报警信号，开启保护处理。本发明为高端电流检测设计了悬浮电源，避免大部分高端检测电路使用高压管，减小了芯片面积，降低了成本。本发明针对过流检测电路做了对应的保护电路，保证异常短路情况下的正常工作，鲁棒性更强。

需要注意的是，本申请可在软件和/或软件与硬件的组合体中被实施；例如，可采用专用集成电路(ASIC)、通用目的计算机或任何其他类似硬件设备来实现。在一些实施例中，本申请的软件程序可以通过处理器执行以实现上文步骤或功能。同样地，本申请的软件程序(包括相关的数据结构)可以被存储到计算机可读记录介质中；例如，RAM存储器，磁或光驱动器或软磁盘及类似设备。另外，本申请的一些步骤或功能可采用硬件来实现；例如，作为与处理器配合从而执行各个步骤或功能的电路。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。实施例中所涉及的效果或优点可因多种因素干扰而可能不能在实施例中体现，对于效果或优点的描述不用于对实施例进行限制。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。

Claims (7)

1.一种功率驱动管过流检测电路，其特征在于，所述过流检测电路包括：

高端功率管过流检测电路，用于检测高端功率管是否过流，并给出报警信号；

低端功率管过流检测电路，用于检测低端功率管是否过流，并给出报警信号；

过流报警电路，分别连接高端功率管过流检测电路、低端功率管过流检测电路，对所述高端功率管过流检测电路、低端功率管过流检测电路给出的报警信号进行处理，防止误报警。

2.根据权利要求1所述的功率驱动管过流检测电路，其特征在于：

所述高端功率管过流检测电路包括悬浮电源、第一比较器、第一电流源IHP、第一MOS管M1、第二MOS管M2、第五MOS管MHM、第一二极管ZN1、第二二极管ZN2；

所述悬浮电源的第一端连接电源电压VM，所述电源电压VM分别连接第一MOS管M1的漏极、第五MOS管MHM的漏极、第一二极管ZN1的负极及第一比较器的第四端；

所述第一MOS管M1的栅极连接电源电压VBST、第二二极管ZN2的负极，所述第一MOS管M1的源极分别连接第二二极管ZN2的正极、第二MOS管M2的漏极、第一二极管ZN1的正极、第一比较器的反相输入端；

所述第五MOS管MHM的栅极连接第二MOS管M2的栅极，第五MOS管MHM的源极分别连接第一比较器的正相输入端、第一电流源IHP的第一端；所述悬浮电源的第二端分别连接第一比较器的第五端、第一电流源IHP的第二端。

3.根据权利要求2所述的功率驱动管过流检测电路，其特征在于：

所述低端功率管过流检测电路包括第二比较器、第二电流源ILP、第三MOS管M3、第四MOS管M4、第六MOS管MLM、第三二极管ZN3、第四二极管ZN4；

所述第二MOS管M2的源极连接第三MOS管M3的漏极；

所述第三MOS管M3的栅极分别连接第四二极管ZN4的负极、第六MOS管MLM的栅极，第三MOS管M3的源极分别连接第四MOS管M4的漏极、第四二极管ZN4的正极、第三二极管ZN3的负极、第二比较器的正相输入端；

所述第四MOS管M4的栅极连接电源电压VDDL，所述第四MOS管M4的源极接地；第六MOS管MLM的漏极分别连接第二比较器的反相输入端、第二电流源ILP的第二端；第六MOS管MLM的源极接地；

所述第二电流源ILP的第一端分别连接电源电压VDDL、第二比较器的第四端；第二比较器的第五端接地，第三二极管ZN3的正极接地。

4.根据权利要求3所述的功率驱动管过流检测电路，其特征在于：

所述过流报警电路包括电平转换器、防抖动电路、RS锁存电路及或门；

所述第一比较器的输出端连接所述电平转换器的第一端，所述电平转换器的第二端连接或门的第一输入端，所述第二比较器的输出端连接或门的第二输入端；或门的第四端连接电源电压VDDL，或门的第五端接地；或门的输出端连接防抖动电路，所述防抖动电路连接RS锁存电路。

5.根据权利要求1至4任一所述的功率驱动管过流检测电路，其特征在于：

所述过流检测电路包括第一过流检测电路、第二过流检测电路；所述第一过流检测电路、第二过流检测电路均包括高端功率管过流检测电路、低端功率管过流检测电路及过流报警电路。

6.一种功率驱动管，其特征在于：所述功率驱动管包括权利要求1至5任一所述的功率驱动管过流检测电路。

7.一种功率驱动管过流检测方法，其特征在于，所述过流检测方法包括：

高端功率管过流检测电路检测高端功率管是否过流，并给出报警信号；

低端功率管过流检测电路检测低端功率管是否过流，并给出报警信号；

过流报警电路对所述高端功率管过流检测电路、低端功率管过流检测电路给出的报警信号进行处理，防止误报警。

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