CN202794314U

CN202794314U - 一种功率开关管的过流检测电路

Info

Publication number: CN202794314U
Application number: CN 201220358755
Authority: CN
Inventors: 黄雷
Original assignee: Fairchild Semiconductor Suzhou Co Ltd
Current assignee: Fairchild Semiconductor Suzhou Co Ltd
Priority date: 2012-07-19
Filing date: 2012-07-19
Publication date: 2013-03-13
Anticipated expiration: 2022-07-19

Abstract

本实用新型公开了一种功率开关管的过流检测电路，该过流检测电路的采样电路利用采样MOS管和放大器对功率开关管进行电流采样，将采样电流转换为采样电压传输到比较电路，并通过串接钳位MOS管对所述放大器的输出端电路和比较电路的工作电压进行钳位；所述比较电路比较采样电压与参考电压的大小，输出过流检测结果；通过本实用新型的方案，能够实现功率开关管的过流检测，使采样电路中放大器的输出端电路和比较电路能够采用低压器件构成，所述放大器还可以采用以电流镜的PMOS源极为输入端的结构，通过PMOS钳位输出端的NMOS的栅极电压，能够有效提高放大器的增益。

Description

一种功率开关管的过流检测电路

技术领域

本实用新型涉及电流检测技术，尤其涉及一种功率开关管的过流检测电路。

背景技术

功率开关管即功率金属氧化物半导体场效应晶体管(MOS)，其导通和关断特性通常用于实现开关电源、开关放大器、电荷泵等的信号和能量的高效率转换。功率MOS管在导通时，通常有较大的电流流过，如果流过的电路超过了该功率MOS管的承受极限，该功率MOS管可能会发生永久性损坏。因此，为了保证功率MOS管的可靠性，必须对流过功率MOS管的电流进行连续检测，并且能够在流过的电流过大时对功率MOS管进行过流保护。

图1给出了N型金属氧化物半导体场效应晶体管(NMOS)作为功率开关管的过流检测电路。如图1所示，NMOS N1作为功率开关管，与NMOS N2的尺寸比例为N：1，NMOS N1与NMOS N2为共栅-共漏连接，栅极均连接第一偏置电压CP1，漏极均连接输入电压Vin，NMOS N1的源极连接放大器A1的负输入端，NMOS N2的源极连接所述放大器A1的正输入端和NMOS N3的漏极，放大器A1的输出端连接NMOS N3的栅极，NMOS N3与NMOS N4共栅共源连接，源极均接地，NMOS N4的漏极连接电阻R1和比较器OP1的负输入端，电阻R1的一端连接NMOS N4的漏极，另一端连接输入电压Vin，电阻R2的一端连接比较器OP1的正输入端和参考电流源Q1，另一端连接输入电压Vin，比较器OP1的供电端连接输入电压Vin，输出信号为OCP。

图1所示的过流检测电路在工作时，由于放大器A1的连接为负反馈连接，放大器A1的虚短效应使自身正、负输入端的电压相等，NMOS N2对流过NMOSN1的电流进行采样，流过NMOS N2的电流为流过NMOS N1的电流的1/N，NMOS N3上流过的电流为流过NMOS N2的电流，NMOS N4对NMOS N3进行电流镜像，得到流过自身的电流为Is，电阻R1上的压降为R1*Is，电阻R2上的压降为R2*Ir，所述Ir为参考电流源Q1提供的电流，当流过NMOS N1的电流较小时，流过NMOS N2的电流也较小，R1*Is＜R2*Ir，比较器OP1的输出信号OCP为低电平，表示NMOS N1没有过流；当流过NMOS N1的电流达到过流保护的阈值时，R1*Is＞R2*Ir，比较器OP1的输出信号OCP为高电平，表示NMOS N1已经过流。

图1所示的过流检测电路中，输入电压Vin一般为高压，各器件均需考虑耐高压的情况，并且通过电流镜像得到流过NMOS N4的电流Is会有较大误差，降低了过流检测的精度。

另外，图1中的放大器A1所采用的结构一般为图2所示的放大器的结构，NMOS N21的栅极为负输入端，NMOS N21的源极连接NMOS N22的源极，并对地连接电流源Q21，NMOS N21的漏极连接P型金属氧化物半导体场效应晶体管(PMOS)P21的漏极和栅极、以及PMOS P22的栅极，PMOS P21与PMOSP22共源共栅连接，构成电流镜像电路，NMOS N22的栅极为正输入端，NMOSN22的漏极连接PMOS P22的漏极和PMOS P23的栅极，PMOS P23的漏极为输出端，对地连接电流源Q22。图2所示的放大器在正、负输入端的电压与电源电压接近或相等时，NMOS N21的漏极和源极电压非常接近，使NMOS N21工作在线性区，降低了放大器的增益。

实用新型内容

为解决现有技术中的问题，本实用新型的主要目的在于提供一种功率开关管的过流检测电路。

为达到上述目的，本实用新型的技术方案是这样实现的：

本实用新型提供的一种功率开关管的过流检测电路，该过流检测电路包括：

利用采样MOS管和放大器对功率开关管进行电流采样，将采样电流转换为采样电压传输到比较电路，并通过串接钳位MOS管对所述放大器的输出端电路和比较电路的工作电压进行钳位的采样电路；

比较采样电压与参考电压的大小，输出过流检测结果的比较电路。

本实用新型提供的功率开关管的过流检测电路，过流检测电路的采样电路利用采样MOS管和放大器对功率开关管进行电流采样，将采样电流转换为采样电压传输到比较电路，并通过串接钳位MOS管对所述放大器的输出端电路和比较电路的工作电压进行钳位；所述比较电路比较采样电压与参考电压的大小，输出过流检测结果；如此，能够实现功率开关管的过流检测，使采样电路中放大器的输出端电路和比较电路能够采用低压器件构成。

本实用新型的放大器还采用以电流镜的PMOS源极为输入端的结构，且通过PMOS钳位输出端的NMOS的栅极电压，如此，可以有效提高放大器的增益。

附图说明

图1为现有技术中NMOS作为功率开关管的过流检测电路的示意图；

图2为图1中的放大器A所采用的结构示意图；

图3为本实用新型实现的一种功率开关管的过流检测电路示意图；

图4为本实用新型提供的一种以NMOS作为功率开关管的过流检测电路示意图；

图5为本实用新型提供的另一种以NMOS作为功率开关管的过流检测电路示意图；

图6为本实用新型过流检测电路中的放大器的结构示意图；

图7为本实用新型过流检测电路中功率开关管过流保护的阈值与参考电流的关系示意图。

具体实施方式

本实用新型的基本思想是：采样电路利用采样MOS管和放大器对功率开关管进行电流采样，将采样电流转换为采样电压传输到比较电路，并通过串接钳位MOS管对所述放大器的输出端电路和比较电路的工作电压进行钳位；所述比较电路比较采样电压与参考电压的大小，输出过流检测结果。

下面通过附图及具体实施例对本实用新型做进一步的详细说明。

本实用新型实现一种功率开关管的过流检测电路，如图3所示，该功率开关管的过流检测电路包括：采样电路10和比较电路11；其中，

采样电路10，配置为利用采样MOS管和放大器对功率开关管进行电流采样，将采样电流转换为采样电压传输到比较电路11，并通过串接钳位MOS管对所述放大器的输出端电路和比较电路11的工作电压进行钳位；

比较电路11，配置为比较采样电压与参考电压的大小，输出过流检测结果；

所述功率开关管可以是NMOS或PMOS；

所述钳位MOS管为NMOS。

图4为本实用新型提供的功率开关管N41的过流检测电路，包括采样电路10和比较电路11；其中，

采样电路10包括：采样MOS管N42、放大器A2、钳位MOS管N43、负反馈控制MOS管N44、分压电阻R41；所述采样MOS管N42与功率开关管N41共栅共漏连接，栅极均连接第一偏置电压CP1，漏极均连接输入电压Vin，所述采样MOS管N42的源极连接放大器A2的正输入端和钳位MOS管N43的漏极，所述功率开关管N41的源极连接放大器A2的负输入端；放大器A2的输出端连接负反馈控制MOS管N44的栅极；钳位MOS管N43的栅极连接第二偏置电压CP2，源极连接分压电阻R41；分压电阻R41的一端连接钳位MOS管N43的源极、比较电路中的参考电阻R42和比较器OP2的供电端，另一端连接负反馈控制MOS管N44的漏极及比较电路中比较器OP2的负输入端；负反馈控制MOS管N44的源极接地；

比较电路11包括：参考电阻R42、参考电流源Q41、比较器OP2；所述参考电阻R42与参考电流源Q41的公共端连接比较器OP2的正输入端；

所述功率开关管N41与采样MOS管N42的尺寸比例为N∶1；

图4所示的过流检测电路在工作时，放大器A2的连接为负反馈连接，放大器A2的虚短效应使自身正、负输入端的电压相等，采样MOS管N42对流过功率开关管N41的电流进行采样，流过采样MOS管N42的电流为流过功率开关管N41的电流的1/N，钳位MOS管N43、负反馈控制MOS管N44、分压电阻R41上流过的电流为流过采样MOS管N42的电流Is，分压电阻R41上的压降为R41*Is，参考电阻R42上的压降为R42*Ir，所述Ir为参考电流源Q41提供的参考电流，比较器OP2正输入端输入的参考电压Vref为钳位MOS管N43的源极电压Vs减去R42*Ir，比较器OP2负输入端输入的采样电压Vsam为钳位MOS管N43的源极电压Vs减去R41*Is；

当流过功率开关管N41的电流较小时，流过采样MOS管N42的电流Is也较小，R41*Is＜R42*Ir，Vsam＞Vref，比较器OP2的输出信号OCP为低电平，表示功率开关管N41没有过流；当流过功率开关管N41的电流达到过流保护的阈值时，R41*Is＞R42*Ir，Vsam＜Vref，比较器OP2的输出信号OCP为高电平，表示功率开关管N41过流；

由于钳位MOS管N43的源极电压Vs为第二偏置电压CP2减去栅极-源极电压Vgs，所述第二偏置电压CP2可以采用远远小于输入电压Vin的低压，如6V，因此，负反馈控制MOS管N44和分压电阻R41构成的放大器A2的输出端电路的工作电压、及比较电路的工作电压均为低压，负反馈控制MOS管N44、分压电阻R41、参考电阻R42、参考电流源Q41、比较器OP2均可以采用低压器件。

图5为本实用新型提供的功率开关管N51的过流检测电路，包括采样电路10和比较电路11；其中，

采样电路10包括：采样MOS管N52、放大器A3、两个钳位MOS管分别为第一钳位MOS管N53和第二钳位MOS管N55、负反馈控制MOS管N54、分压电阻R51、镜像MOS管N56；所述采样MOS管N52与功率开关管N51共栅共漏连接，栅极均连接第一偏置电压CP1，漏极均连接输入电压Vin，所述采样MOS管N52的源极连接放大器A3的正输入端和第一钳位MOS管N53的漏极，所述功率开关管N51的源极连接放大器A3的负输入端；放大器A3的输出端连接负反馈控制MOS管N54的栅极；第一钳位MOS管N53的栅极连接第二偏置电压CP2，源极连接负反馈控制MOS管N54的漏极；第二钳位MOS管N55的漏极连接输入电压Vin，栅极连接第二偏置电压CP2，源极连接分压电阻R51、比较电路中的参考电阻R52和比较器OP3的供电端；分压电阻R51的一端连接第二钳位MOS管N55的源极、比较电路中的参考电阻R52和比较器OP3的供电端，另一端连接镜像MOS管N56的漏极及比较电路中比较器OP3的负输入端；镜像MOS管N56与负反馈控制MOS管N54共源共栅连接，源极均接地；

比较电路11包括：参考电阻R52、参考电流源Q51、比较器OP3；所述参考电阻R52与参考电流源Q51的公共端连接比较器OP3的正输入端；

所述功率开关管N51与采样MOS管N52的尺寸比例为N：1；

所述功率开关管N51、采样MOS管N52、第一钳位MOS管N53、第二钳位MOS管N55、负反馈控制MOS管N54、镜像MOS管N56均为NMOS；

图5所示的过流检测电路在工作时，放大器A3的连接为负反馈连接，放大器A3的虚短效应使自身正、负输入端的电压相等，采样MOS管N52对流过功率开关管N51的电流进行采样，流过采样MOS管N52的电流为流过功率开关管N51的电流的1/N，第一钳位MOS管N53、负反馈控制MOS管N54上流过的电流为流过采样MOS管N52的电流Is，镜像MOS管N56对负反馈控制MOS管N54进行电流镜像，得到流过自身的电流为Is，分压电阻R51上的压降为R51*Is，参考电阻R52上的压降为R52*Ir，所述Ir为参考电流源Q51提供的参考电流，比较器OP3正输入端输入的参考电压Vref为第二钳位MOS管N55的源极电压Vs减去R52*Ir，比较器OP3负输入端输入的采样电压Vsam为第二钳位MOS管N55的源极电压Vs减去R51*Is；

当流过功率开关管N51的电流较小时，流过采样MOS管N52的电流Is也较小，R51*Is＜R52*Ir，Vsam＞Vref，比较器OP3的输出信号OCP为低电平，表示功率开关管N51没有过流；当流过功率开关管N51的电流达到过流保护的阈值时，R51*Is＞R52*Ir，Vsam＜Vref，比较器OP3的输出信号OCP为高电平，表示功率开关管N51过流；

由于第一钳位MOS管N53和第二钳位MOS管N55的源极电压Vs为第二偏置电压CP2减去栅极-源极电压Vgs，所述第二偏置电压CP2可以采用远远小于输入电压Vin的低压，如6V，因此，负反馈控制MOS管N54、分压电阻R51和镜像MOS管N56构成的放大器A3的输出端电路的工作电压、及比较电路的工作电压均为低压，负反馈控制MOS管N54、分压电阻R51、镜像MOS管N56、参考电阻R52、参考电流源Q51、比较器OP3均可以采用低压器件。

上述放大器A2和放大器A3采用以电流镜的PMOS源极为输入端的结构，且通过PMOS钳位输出端的NMOS的栅极电压，如图6所示，包括：第一PMOSP61、第二PMOS P62、第三PMOS P63、第四PMOS P64、第五PMOS P65、第一参考电流源Q61、第二参考电流源Q62、第三参考电流源Q63、钳位二极管D1、第一NMOS N61；其中，

第一PMOS P61与第二PMOS P62为电流镜级，第三PMOS P63与第四PMOS P63为串叠式级，能提高放大器增益，第一PMOS P61的源极为正输入端，栅极连接自身漏极和第二PMOS P62的栅极，漏极连接第三PMOS P63的源极；第二PMOS P62的源极为负输入端，漏极连接钳位二极管D1的负极和第四PMOS P64的源极；第三PMOS P63的栅极连接自身的漏极和第四PMOSP64的栅极，漏极连接第一参考电流源Q61；第四PMOS P64的栅极还连接钳位二极管D1的正极，漏极连接第五PMOS P65的源极、第二参考电流源Q62和第一NMOS N61的栅极；第五PMOS P65的栅极连接钳位电压Vclamp，漏极接地；第一NMOS N61的源极接地，漏极作为输出端，连接第三参考电流源Q63；

所述钳位二极管D1配置为对第二PMOS P62的漏极即第四PMOS P64源极进行电压钳位保证该点电压不会过低而使得第二PMOS P62和第四PMOSP64超出许可工作电压范围；

所述第五PMOS P65配置为钳位第一NMOS N61的栅极电压，保护第一NMOS N61的栅极不会过压。

上述第三PMOS P63与第四PMOS P64连接的串叠式电路的结构仅为举例说明，而且也不是必需的，并不限定其他结构的串叠式电路连接形式，如在第三PMOS P63的漏极串接电阻R61，第一PMOS P61的栅极连接第二PMOS P62的栅极和第三PMOS P63的漏极与电阻R61的公共端，第三PMOS P63的栅极连接电阻R61的另一端和第四PMOS P64的栅极。

本实用新型中功率开关管的过流检测方法，该方法包括：采样电路利用采样MOS管和放大器对功率开关管进行电流采样，将采样电流转换为采样电压传输到比较电路，并通过串接钳位MOS管对所述放大器的输出端电路和比较电路的工作电压进行钳位；所述比较电路比较采样电压与参考电压的大小，输出过流检测结果；

所述功率开关管可以是NMOS或PMOS；

所述钳位MOS管为NMOS；

所述采样电路包括：采样MOS管、放大器、钳位MOS管、负反馈控制MOS管、分压电阻；所述钳位MOS管和分压电阻串接在放大器的负反馈线路上，分压电阻与负反馈控制MOS管的公共端输出采样电压；

或者，所述采样电路包括：采样MOS管、放大器、两个钳位MOS管分别为第一钳位MOS管和第二钳位MOS管、负反馈控制MOS管、分压电阻、镜像MOS管；所述第一钳位MOS管串接在放大器的负反馈线路上，所述第二钳位MOS管串接在分压电阻与镜像MOS管所在支路的工作电压线路上，镜像MOS管对负反馈控制MOS管进行电流镜像，分压电阻与镜像MOS管的公共端输出采样电压。

所述放大器采用以电流镜的PMOS源极为输入端的结构，且通过PMOS钳位输出端的NMOS的栅极电压，如图6所示，包括：第一PMOS P61、第二PMOSP62、第三PMOS P63、第四PMOS P64、第五PMOS P65、第一参考电流源Q61、第二参考电流源Q62、第三参考电流源Q63、钳位二极管D1、第一NMOS N61；其中，

第一PMOS P61与第二PMOS P62为电流镜级，第三PMOS P63与第四PMOS P64为串叠式级，能提高放大器增益，第一PMOS P61的源极为正输入端，栅极连接自身漏极和第二PMOS P62的栅极，漏极连接第三PMOS P63的源极；第二PMOS P62的源极为负输入端，漏极连接钳位二极管D1的负极和第四PMOS P64的源极；第三PMOS P63的栅极连接自身的漏极和第四PMOSP64的栅极，漏极连接第一参考电流源Q61；第四PMOS P64的栅极还连接钳位二极管D1的正极，漏极连接第五PMOS P65的源极、第二参考电流源Q62和第一NMOS N61的栅极；第五PMOS P65的栅极连接钳位电压Vclamp，漏极接地；第一NMOS N61的源极接地，漏极作为输出端，连接第三参考电流源Q63。

本实用新型提供的功率开关管的过流检测电路，可以通过调整参考电流来调整功率开关管过流保护的阈值，如图7所示，x轴表示参考电流，y轴表示功率开关管过流保护的阈值，可以看出，参考电流与功率开关管过流保护的阈值呈线性关系。

综上所述，本实用新型的技术方案能够实现功率开关管的过流检测，并能够使采样电路中放大器的输出端电路和比较电路采用低压器件实现，而且，所述放大器还采用以电流镜的PMOS源极电路为输入端的结构，通过PMOS钳位输出端的NMOS的栅极电压，有效的提高了放大器的增益。

以上所述，仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用于限定本实用新型的保护范围。

Claims

1.一种功率开关管的过流检测电路，其特征在于，该过流检测电路包括：

利用采样金属氧化物半导体场效应晶体管(MOS)和放大器对功率开关管进行电流采样，将采样电流转换为采样电压传输到比较电路，并通过串接钳位MOS管对所述放大器的输出端电路和比较电路的工作电压进行钳位的采样电路；

2.根据权利要求1所述的过流检测电路，其特征在于，所述功率开关管为N型金属氧化物半导体场效应晶体管(NMOS)、或P型金属氧化物半导体场效应晶体管(PMOS)。

3.根据权利要求1所述的过流检测电路，其特征在于，所述钳位MOS管为NMOS。

4.根据权利要求1所述的过流检测电路，其特征在于，所述采样电路包括：采样MOS管、放大器、钳位MOS管、负反馈控制MOS管、分压电阻；其中，

所述采样MOS管与功率开关管共栅共漏连接，栅极均连接第一偏置电压，漏极均连接输入电压，所述采样MOS管的源极连接放大器的正输入端和钳位MOS管的漏极，所述功率开关管的源极连接放大器的负输入端；放大器的输出端连接负反馈控制MOS管的栅极；钳位MOS管的栅极连接第二偏置电压，源极连接分压电阻；分压电阻的一端连接钳位MOS管的源极、比较电路中的参考电阻和比较器的供电端，另一端连接负反馈控制MOS管的漏极及比较电路中比较器的负输入端；负反馈控制MOS管的源极接地；

比较电路包括：参考电阻、参考电流源、比较器；所述参考电阻与参考电流源的公共端连接比较器的正输入端。

5.根据权利要求1所述的过流检测电路，其特征在于，所述采样电路包括：采样MOS管、放大器、两个钳位MOS管分别为第一钳位MOS管和第二钳位MOS管、负反馈控制MOS管、分压电阻、镜像MOS管；所述采样MOS管与功率开关管共栅共漏连接，栅极均连接第一偏置电压，漏极均连接输入电压，所述采样MOS管的源极连接放大器的正输入端和第一钳位MOS管的漏极，所述功率开关管的源极连接放大器的负输入端；放大器的输出端连接负反馈控制MOS管的栅极；第一钳位MOS管的栅极连接第二偏置电压，源极连接负反馈控制MOS管的漏极；第二钳位MOS管的漏极连接输入电压，栅极连接第二偏置电压，源极连接分压电阻、比较电路中的参考电阻和比较器的供电端；分压电阻的一端连接第二钳位MOS管的源极、比较电路中的参考电阻和比较器的供电端，另一端连接镜像MOS管的漏极及比较电路中比较器的负输入端；镜像MOS管与负反馈控制MOS管共源共栅连接，源极均接地；

所述比较电路包括：参考电阻、参考电流源、比较器；所述参考电阻与参考电流源的公共端连接比较器的正输入端。

6.根据权利要求1所述的过流检测电路，其特征在于，所述放大器包括：第一PMOS、第二PMOS、第三PMOS、第四PMOS、第五PMOS、第一参考电流源、第二参考电流源、钳位二极管、第一NMOS；其中，

第一PMOS与第二PMOS为电流镜级，第三PMOS与第四PMOS为串叠式级，第一PMOS的源极为正输入端，栅极连接自身漏极和第二PMOS的栅极，漏极连接第三PMOS的源极；第二PMOS的源极为负输入端，漏极连接钳位二极管的负极和第四PMOS的源极；第三PMOS的栅极连接自身的漏极和第四PMOS的栅极，漏极连接第一参考电流源；第四PMOS的栅极还连接钳位二极管的正极，漏极连接第五PMOS的源极、第二参考电流源和第一NMOS的栅极；第五PMOS的栅极连接钳位电压，漏极接地；第一NMOS的源极接地，漏极作为输出端，连接第三参考电流源。