CN211239318U - 一种功率开关的过温保护电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种功率开关的过温保护电路，包括功率管、控制器和电阻，还包括，第一监控器，用于根据所述功率管温度变化，输出表征所述功率管温度的监控电流至所述控制器；以及电压感测节点，与第二监控器连接，用于当接收的镜像放大的所述监控电流通过所述电阻过程中，由所述第二监控器感测产生比较电压，从而进一步提高了功率开关的过温保护的准确性。

Description

一种功率开关的过温保护电路

技术领域

本申请涉及开关电源技术领域，更具体地，涉及一种功率开关的过温保护电路。

背景技术

功率开关是指能承受较大电流，漏电流较小，在一定条件下有较好饱和导通及截止特性的三极管，一般包括功率管和控制器部分，其在以航空为代表的武器装备应用领域中，作为控制电动机、继电器、照明等电路的关键器件，对航空装备飞控系统、电力系统、照明系统等不同子系统的可靠性等起着举足轻重的作用。

传统的为了确保功率开关在大电流情况下工作的稳定性，通过三极管BE结负温度特性来感测功率管的温度变化，该方式并未直接对功率开关中功率管的电流进行监控，因此不能准确的监控功率开关的温度变化情况，使功率开关的稳定性受到挑战。

实用新型内容

本实用新型提供一种功率开关的过温保护电路，用以解决现有技术中无法准确的监控功率开关的温度变化情况的技术问题，该过温保护电路包括功率管、控制器和电阻，还包括，

第一监控器，用于根据所述功率管温度变化，输出表征所述功率管温度的监控电流至所述控制器；以及

电压感测节点，与第二监控器连接，用于当接收的镜像放大的所述监控电流通过所述电阻过程中，由所述第二监控器感测产生比较电压。

优选的，

所述第一监控器包括输入端和输出端；

其中，所述输入端与所述功率管源极连接，所述输出端与所述控制器连接。

优选的，

所述第二监控器，用于当所述功率管温度大于第一温度阈值，所述比较电压大于阈值电压时，输出高电平逻辑信号，以使所述功率管获得截止逻辑信号。

优选的，

当控制器温度大于第二温度阈值，所述比较电压大于阈值电压时，输出高电平逻辑信号，以使所述控制器获得截止逻辑信号。

优选的，还包括第一电流镜和第二电流镜，

所述第一电流镜，用于对接收的所述监控电流进行镜像放大，并输出第一镜像电流；以及

所述第二电流镜，用于根据接收的第一镜像电流输出第二镜像电流。

与现有技术对比，本实用新型具备以下有益效果：

本实用新型公开了一种功率开关的过温保护电路，包括功率管、控制器和电阻，还包括，第一监控器，用于根据所述功率管温度变化，输出表征所述功率管温度的监控电流至所述控制器；以及电压感测节点，与第二监控器连接，用于当接收的镜像放大的所述监控电流通过所述电阻过程中，由所述第二监控器感测产生比较电压，从而进一步提高了功率开关的过温保护的准确性，提高了功率开关的稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了本申请实施例提出的一种功率开关的过温保护电路的结构示意图；

图2示出了第一监控器的连接位置示意图；

图3示出了本申请实施例中采温二极管位置示意图；

图4示出了本申请实施例提出的一种功率开关的过温保护方法的原理示意图；

图5示出了本申请实施例提出的一种功率开关的过温保护方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

如背景技术所述，现有技术中通过三极管BE结负温度特性来感测功率管的温度变化，该方式并未直接对功率开关中功率管的电流进行监控，因此不能准确的监控功率开关的温度变化情况。

为解决上述问题，本申请实施例提出了一种功率开关的过温保护电路，包括功率管、控制器和电阻，还包括，

第一监控器，用于根据所述功率管温度变化，输出表征所述功率管温度的监控电流至所述控制器；以及

电压感测节点，与第二监控器连接，用于当接收的镜像放大的所述监控电流通过所述电阻过程中，由所述第二监控器感测产生比较电压。

为了实现对功率管的控制，在本申请优选的实施例中，

所述第一监控器包括输入端和输出端；

其中，所述输入端与所述功率管漏极连接，所述输出端与所述控制器连接。

为了进一步提高功率开关的稳定性和可靠性，在本申请优选的实施例中，所述第二监控器，用于当所述功率管温度大于第一温度阈值，所述比较电压大于阈值电压时，输出高电平逻辑信号，以使所述功率管获得截止逻辑信号。

为了进一步提高功率开关的稳定性和可靠性，在本申请优选的实施例中，当控制器温度大于第二温度阈值，所述比较电压大于阈值电压时，输出高电平逻辑信号，以使所述控制器获得截止逻辑信号。

为了产生准确的镜像电流，在本申请优选的实施例中，还包括第一电流镜和第二电流镜，

第一电流镜，用于对接收的所述监控电流进行镜像放大，并输出第一镜像电流；以及

第二电流镜，用于根据接收的第一镜像电流输出第二镜像电流。

通过应用以上技术方案，功率开关的过温保护电路包括功率管、控制器和电阻，还包括，第一监控器，用于根据所述功率管温度变化，输出表征所述功率管温度的监控电流至所述控制器；以及电压感测节点，与第二监控器连接，用于当接收的镜像放大的所述监控电流通过所述电阻过程中，由所述第二监控器感测产生比较电压，从而进一步提高了功率开关的过温保护的准确性，提高了功率开关的稳定性。

为了进一步阐述本实用新型的技术思想，现结合具体的应用场景，对本实用新型的技术方案进行说明。

现有技术通过三极管BE结负温度特性来感测功率管的温度变化，即不直接对功率开关中功率管的电流进行监控。

本申请实施例的电路中设计有与功率管连接功率管温度监控器，即第一监控器，并根据功率管温度变化产生表征功率管温度变化的监控电流，即直接对功率开关中功率管的电流变化进行监控，可以达到准确监控的目的，进一步提高了功率开关的稳定性，温度监控的准确性。

如图1所示，第一监控器输出表征功率管温度的监控电流；控制器通过接收监控电流产生比较电压；控制器中的第二监控器将比较电压与其阈值电压进行比较，使功率开关输出逻辑信号控制功率管或控制器截止，使功率开关进入过温保护模式，提高了功率开关的稳定性和可靠性。

温度传感器用来检测功率管工作时的温度，当功率管温度超过设置的温度时，采取温度保护动作。在这类产品中比较常见的有两种：

(1)利用多晶二极管的正向压降随温度的变化原理，用一个多晶硅二极管来检测温度。虽然能比较精确地检测温度，但占用芯片面积大，额外增加光刻版，工艺比较复杂，因此成本会比较高。

(2)利用二极管(或发射极和基极短接的三极管)反向漏电流随温度增加明显增大的原理来检测温度。

本申请实施例中采用的是第(2)种，在功率管的有源区外形成二极管(或发射极和基极短接的三极管)，工艺上是和功率管同时形成，不需要额外的光刻版，成本上有优势。同时在芯片的不同位置可以同时制备多个这种二极管，用来检测不同芯片位置的温度，可以保证采集功率管温度的广泛性和准确性。

参考图2，第一监控器可以为二级管D，功率管M1漏极与二级管D阴极连接后与电源VBB连接，当功率管M1导通后，其二极管D将产生正温度系数的漏电流，将该漏电流作为功率管的监控电流，该监控电流的变化则表征了功率管M1电流变化，可以准确及时的反应功率管M1的温度情况。另外，M1是主功率管，M2是采样管，鉴于二级管D为功率管中的寄生二极管，工艺上可以和主功率管同时形成，不需要额外的光刻版，如图3所示为采温二极管位置示意图。M2和M1存在一定的电流比例关系，通过采集M2上的电流可以知道主功率管M1上的电流，二极管D上有一定的漏电流，和功率管温度成正相关。

为了实现功率管M1的控制，即当功率管M1温度大于第一温度阈值时，其功率管M1可以截止而防止过温情况的发生，那么其输出的监控电流则需要与接收高低电平的逻辑电路连接。也就是说其产生表征功率管M1温度变化的监控电流的第一监控器需要与控制器连接，产生逻辑电平。

本公开设计的第一监控器目的就是检测功率管M1在工作时的电流大小，当电流超过设计值时采取保护动作，关闭功率管M1，从而达到保护功率开关的效果。然而为了提高功率开关的效率，产生的监控电流相对较小达到nA级别，然而直接用如此小的电流产生的比较电压也相对较小，当比较电压过小，即当功率管温度已经达到其所能承受的上限，而比较电压仍小于阈值电压，那么无高电平逻辑信号产生，功率管M1则无法截止，因此无法实现过温保护的功能。

为了解决上述问题，将第一监控器输出端，即二级管D阳极与监控器中的电流镜组输入端连接，电流镜组输出端与电阻R1和第二监控器连接，如图1中所示，由第一监控器输出的监控电流经有M3和M4组成的第一电流镜放大产生原监控电流2倍的第一镜像电流，由于第一镜像电流的输出方向不能满足后续电路的需求，因而再将第一镜像电流输入由M5和M6组成的第二电流镜产生第二镜像电流，再将输出方向正确的第二镜像电流输入电阻R1和控制器中的第二监控器，从而产生较大的比较电压。

正常工作时电流镜和功率管是并联的，根据电路并联原理，流过电流镜和功率管的电流是和它们的电阻值呈反比的，也就是说电流镜的导通电阻大，但流过它的电流小，而功率管的电阻小，流过它的电流大。这样通过检测电流镜的小电流，就可以感知功率管的大电流。流过功率管的电流与流过电流镜的电流比是一个比较重要的量。一个好的设计要求这个电流比随温度的变化，栅极电压的变化和漏极电流变化都较小。

如图1所示，当功率开关温度上升时，功率管中寄生二极管漏电流temp增大。二极管漏电流temp通过电流镜镜像关系从M7流向电阻R1和R2，三极管Q1基极电压升高，三极管Q1的VBE结为负温度系数，当温度升高到一定值时三极管Q1导通，输出信号otp(OverTenperature Protection，过温度保护)变为高电平。

M8引入正反馈，未发生过温时，otp为低电平，M8导通将电阻R2短路。当发生过温保护时，otp为高电平，M8关断，将电阻R2接入电路，进一步抬高A点电压。正反馈会引入一定的迟滞量，避免在过温点附近发生热振荡。

从而通过以上过程，依靠两个温度系数相反的温度变量(监控电流和VBE结压)来完成温度检测，保证了温度采样更加准确。

本申请实施例还提出了一种功率开关的过温保护方法，如图4所示为上述功率开关的过温保护方法的原理示意图，包括以下步骤：

步骤一，当功率管温度大于第一温度阈值时，输出监控电流；

步骤二，对监控电流镜像放大获得第一镜像电流；

步骤三，根据第一镜像电流获得第二镜像电流；

步骤四，根据所述镜像电流获得比较电压；

步骤五，当比较电压大于阈值电压，输出使所述功率管截止的高电平逻辑信号；或当控制器温度大于第二温度阈值，比较电压大于阈值电压时，输出使所述控制器截止的高电平逻辑信号；

步骤六，功率开关进入温度保护模式。

为了达到以上技术目的，本申请实施例还提出了一种功率开关的过温保护方法，应用于包括功率管、控制器和功率管温度监控器的功率开关中，如图5所示为本申请实施例提出的一种功率开关的过温保护方法的流程示意图，包括以下步骤：

步骤S501：当功率管温度大于第一温度阈值，比较电压大于阈值电压时，输出使所述功率管截止的高电平逻辑信号，以使所述功率开关进入温度保护模式；

其中，所述比较电压为在所述控制器接收到从所述功率管温度监控器输出的监控电流后产生的，所述监控电流表征所述功率管温度。

具体的，当功率管工作电流过大时，则易出现过温情况并且对功率管的影响很大，若不能及时准确的监控其因电流增大而引起的温度变化情况，会影响功率开关的稳定性和可靠性。因此在功率开关中，利用一个与功率管相连接的功率管监控器对功率管电流变化进行监控，当功率管温度大于第一温度阈值时，输出表征功率管温度变化的监控电流，并将监控电流转换为比较电压与阈值电压进行比较，当比较电压大于阈值电压时，输出使功率管截止的高电平逻辑信号，以使功率开关进入温度保护模式，避免因温度监控不准确或温度监控延时而导致的功率管损坏，从而影响到整个系统的稳定。

为提高功率开关的稳定性和可靠性，在本申请的优选实施例中，当所述功率管温度大于所述第一温度阈值时，产生所述监控电流；

根据所述监控电流产生所述比较电压；

当所述比较电压大于所述阈值电压时，输出使所述功率管截止的高电平逻辑信号，以使所述功率开关进入温度保护模式。

具体的，对承受较大电流的功率开关，极易因电流增大而出现过温情况，而出现功率管的损坏，严重影响到功率开关的正常使用。因此，有必要对功率管的温度情况进行准确的监控，即将表征功率管温度的监控电流转换为比较电压，当比较电压大于阈值电压时，输出使功率管截止的高电平逻辑信号，以使功率开关进入温度保护模式。

本领域技术人员可根据实际情况灵活选用不同的监控功率管温度的方式，举例来说，可利用多晶二极管的正向压降随温度的变化原理，用一个多晶硅二极管来检测温度，还可利用二极管(或发射极和基极短接的三极管)反向漏电流随温度增加明显增大的原理来检测温度，还可监控表征功率管温度的电压，通过监控电压获取比较电压。

为了进一步提高功率开关的稳定性和可靠性，在本申请的优选实施例中，当控制器温度大于第二温度阈值，所述比较电压大于所述阈值电压时，输出使所述控制器截止的高电平逻辑信号，以使所述功率开关进入温度保护模式。

具体的，功率开关包括功率管和控制器两大部分，当控制器温度过高也会对功率开关的稳定性和可靠性造成影响，因此，当控制器温度上升时，其内设的阈值电压随着温度的升高而发生而降低，当阈值电压降低到比较电压以下，即比较电压大于阈值电压时，输出使控制器截止的高电平逻辑信号，以使所述功率开关进入温度保护模式。

为了获得准确的比较电压，在本申请的优选实施例中，获得所述比较电压，具体过程包括：

当所述功率管温度大于所述第一温度阈值时，输出所述监控电流；

根据所述监控电流产生镜像电流；

根据所述镜像电流获得所述比较电压。

具体的，因产生的监控电流相对较小，若不对监控电流进行放大处理则会使产生的比较电压较小，很难满足比较电压大于阈值电压的情况，即当功率管温度大于第一温度阈值时，其比较电压仍然小于阈值电压。为了在nA级的监控电流情况下，使产生的比较电压满足过温保护的需求，根据监控电流产生放大的镜像电流，根据产生的镜像电流获得比较电压。

本领域技术人员可灵活选用不同的镜像电流产生方式，可采用其他能够实现监控电流放大，并通过控制器中的电阻产生比较电压的方式以及采用外接电路根据镜像电流产生比较电压的方式。

为了产生准确的镜像电流，在本申请的优选实施例中，产生所述镜像电流，具体过程包括：

基于对所述监控电流镜像放大的结果产生第一镜像电流；

根据所述第一镜像电流获得第二镜像电流；

将所述第二镜像电流确定为所述镜像电流。

具体的，产生比较电压之前需要获得放大的镜像电流，根据接受的监控电流，产生第一镜像电流，实现监控电流的放大，但经过一次镜像的第一镜像电流其输出方向不能满足后续电路的需求，因此根据产生的第一镜像电流获得输出方向正确的第二镜像电流。

本领域技术人员可灵活选用不同的电流放大比例来产生镜像电流。

通过应用以上技术方案，当功率管温度大于第一温度阈值，比较电压大于阈值电压时，输出使所述功率管截止的高电平逻辑信号，以使所述功率开关进入温度保护模式；其中，所述比较电压为在所述控制器接收到从所述功率管温度监控器输出的监控电流后产生的，所述监控电流表征所述功率管温度，从而通过直接感测功率管电流的变化实现对功率开关温度的监控，提高了对功率开关温度变化控制的准确性，同时将功率开关温度监控与控制器温度监控相结合，进一步提高了功率开关的稳定性和可靠性。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不驱使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种功率开关的过温保护电路，包括功率管、控制器和电阻，其特征在于，还包括，

第一监控器，用于根据所述功率管温度变化，输出表征所述功率管温度的监控电流至所述控制器；以及

电压感测节点，与第二监控器连接，用于当接收的镜像放大的所述监控电流通过所述电阻过程中，由所述第二监控器感测产生比较电压。

2.根据权利要求1所述的一种功率开关的过温保护电路，其特征在于，

所述第一监控器包括输入端和输出端；

其中，所述输入端与所述功率管源极连接，所述输出端与所述控制器连接。

3.根据权利要求1所述的一种功率开关的过温保护电路，其特征在于，

所述第二监控器，用于当所述功率管温度大于第一温度阈值，所述比较电压大于阈值电压时，输出高电平逻辑信号，以使所述功率管获得截止逻辑信号。

4.根据权利要求1所述的一种功率开关的过温保护电路，其特征在于，

当控制器温度大于第二温度阈值，所述比较电压大于阈值电压时，输出高电平逻辑信号，以使所述控制器获得截止逻辑信号。

5.根据权利要求1所述的一种功率开关的过温保护电路，其特征在于，还包括第一电流镜和第二电流镜，

所述第一电流镜，用于对接收的所述监控电流进行镜像放大，并输出第一镜像电流；以及

所述第二电流镜，用于根据接收的第一镜像电流输出第二镜像电流。

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