CN219351271U - 一种功率半导体的保护电路及电子烟 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种功率半导体的保护电路及电子烟，功率半导体的保护电路包括驱动单元、电压控制单元、功率半导体、电感、负载，驱动单元一端用于输入检测信号，电压控制单元一端分别连接驱动单元另一端、检测信号端，另一端连接功率半导体的控制端；功率半导体为单个晶体管M或包括N个并联的晶体管M₁～M_N，电压控制单元用于产生驱动电压并驱动相应功率半导体关断或开启，电子烟包括雾化器，雾化器包括壳体、封装于壳体的基板及贴装于基板的芯片、凸出于壳体的引脚，芯片包括功率半导体、功率半导体的保护电路，芯片与引脚通过金属凸块电连接。

Description

一种功率半导体的保护电路及电子烟

技术领域

本实用新型涉及功率半导体技术领域，具体为一种功率半导体的保护电路及电子烟。

背景技术

功率半导体是构成电力电子装置的核心器件之一，目前常用的功率半导体器件包括二极管、晶闸管、功率场效应晶体管、绝缘栅双极型晶体管等。功率半导体器件通常工作于开关状态，电力电子装置根据不同的应用条件，采用功率半导体器件组合成不同的功率开关电路拓扑，但受电力电子装置结构及其使用场景影响，功率开关电路中极易存在过热、过载、过压等异常情况，因此，需要在功率开关电路中设置保护电路，通过保护电路控制驱动单元及时关断功率开关管(即功率半导体器件)，不再继续输出电流，以免造成电路烧毁甚至主板损坏等严重后果。

例如，电子烟是一种常见的电力电子装置，电子烟主要通过加热雾化产生具有特定气味的气溶胶，其雾化器加热主要由电发热丝实现，为确保加热效果，发热丝两端的电压一般大于3V，在一些大功率电子烟中通过发热丝的电流可以达到7A，甚至更高，大电流的存在使得电子烟中短路风险增加。另外，受电子烟本体结构与使用场景影响，例如唾液、烟油等液体进入电子烟中对其内部开关等电路造成影响，也使得电子烟中存在一定短路风险。因此在电子烟设计、制造过程中，需要进行过载或短路保护设计，当电子烟中开关电路发生异常时，保护电路触发使开关快速关断。

但传统的过流保护电路的保护效果较差，当电路中发生短路或过载时，功率半导体器件中存在较大电流，通过传统的过流保护电路驱动功率半导体器件关断时，极易在电路中寄生电感的影响下引起输出电压V_OUT的震荡拖尾现象，这也使得功率半导体器件两端的电压差超出安全工作电压而损坏。

实用新型内容

针对现有技术中存在的上述技术问题，本实用新型提供了一种功率半导体的驱动控制方法，其可抑制高电流变化速率引起的电压振荡，可确保功率半导体在关断过程中两端电压处于安全工作电压范围，可提高过流保护效果和效率。

为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种功率半导体的保护电路，其包括驱动单元，所述驱动单元一端为检测信号端，所述检测信号端用于输入检测信号，其特征在于，其还包括电压控制单元、功率半导体、电感L1、电感L2、负载R1，所述电压控制单元一端分别连接所述驱动单元另一端、检测信号端，所述电压控制单元另一端连接所述功率半导体的控制端，所述功率半导体的一端通过电感L1连接电压源VDD，所述功率半导体的另一端依次串联电感L2、负载R1后接地；

所述功率半导体为单个晶体管M或包括N个并联的晶体管M₁～M_N，N≥2；

所述驱动单元用于产生控制电压；

所述电压控制单元将控制电压转换为驱动电压并驱动相应的功率半导体关断或开启。

当检测信号端的检测信号为正常信号时，所述电压控制单元根据驱动单元产生的控制电压直接控制功率半导体；

当检测信号端的检测信号为异常信号时，所述电压控制单元根据驱动单元的控制电压产生分段式阶梯变化的驱动电压，通过分段式阶梯变化的驱动电压驱动单个晶体管M分步关断或驱动并联的晶体管M₁～M_N逐个依次关断；

所述分段式阶梯变化的驱动电压为按分段时序依次增大的单个驱动电压或按分段时序依次输出的由零转换为电源电压VDD的驱动电压。

其进一步特征在于，

进一步的，所述异常信号为欠压信号、短路信号或过载信号。

进一步的，当所述晶体管包括若干并联的晶体管M₁～M_N时，所述电压控制单元包括时序电路、N个并联的逻辑电路，所述时序电路的一端连接所述检测信号端，另一端分别连接所述逻辑电路的输入端，所述逻辑电路包括第一逻辑电路～第N逻辑电路，所述时序电路通过所述第一逻辑电路～第N逻辑电路与所述晶体管M₁～M_N的栅极一一对应连接；

进一步的，所述第一逻辑电路～第N逻辑电路均包括串联的或非门、第一非门，所述逻辑电路的第一输入端分别连接所述时序电路的输出端，所述逻辑电路的第二输入端分别连接控制电压V_Drive，所述第一逻辑电路～第N逻辑电路的输出端与所述晶体管M₁～M_N的栅极一一对应连接；

进一步的，所述电压控制单元还包括偏置电压产生电路、开关SA_1～SA_N-1、

所述第一逻辑电路～第N逻辑电路均包括串联的第三非门，所述第一逻辑电路～第N逻辑电路的输入端分别连接所述时序电路，所述第一逻辑电路～第N逻辑电路的输出端与开关/>

的控制端一一对应连接，所述开关/>

的一端均连接控制电压V_Drive、输出端V_{G_N}，所述开关/>

的另一端分别与开关SA_1～SA_N-1一端、输出端V_{G_1}～V_{G_N}-1一一对应连接，所述开关SA_1～SA_N-1的另一端连接偏置电压产生电路；

进一步的，所述偏置电压产生电路包括MOS管M4、电流源I，所述开关SA_1～SA_N-1的另一端均连接MOS管M4的栅极、漏端及电流源I一端，所述MOS管M4源极连接电压源VDD，所述电流源I另一端接地；

进一步的，所述晶体管为单个晶体管M时，所述电压控制单元包括时序电路、偏置电压产生电路、第N+1逻辑电路，所述时序电路的输入端连接所述检测信号端，所述时序电路的输出端通过所述偏置电压产生电路、第N+1逻辑电路连接所述晶体管M的栅极；

进一步的，所述第N+1逻辑电路包括开关S1、开关

第二非门、第四非门、第二与非门，所述第二非门的输入端连接所述检测信号端，所述第二非门的输出端连接所述第二与非门的第一输入端，所述第二与非门的第二输入端连接时序电路的输出端，所述第二与非门的输出端连接所述第四非门的输入端，所述第四非门的输出端输出电压V_W并与所述开关S1的控制端连接，所述开关S1的一端分别连接所述偏置电压产生电路、MOS管M4栅极和漏极，所述MOS管M4的源极连接电压源VDD；

进一步的，所述偏置电压产生电路包括MOS管M4、开关SB_1～开关SB_N、电流源I₁～电流源I_N，所述开关SB_1～开关SB_N的一端、MOS管M4的栅极、漏极与开关S1另一端连接，所述时序电路分别连接开关SB_1～开关SB_N的控制端，所述开关SB_1～开关SB_N的另一端与所述电流源I₁～电流源I_N一端一一对应连接，所述电流源I₁～电流源I_N的另一端接地；

进一步的，所述保护电路还包括泄放电路，所述泄放电路包括单脉冲产生器、开关单元，所述单脉冲产生器的一端连接所述电压控制单元，所述单脉冲产生器的另一端通过所述开关单元连接所述晶体管的漏极，所述开关单元包括开关S_D、与开关S_D并联的二极管D1，所述单脉冲产生器用于产生高电平脉冲并控制所述开关S_D导通或关闭。

一种电子烟，其包括雾化器，所述雾化器包括壳体、封装于壳体的基板及贴装于基板的芯片、凸出于壳体的引脚，所述芯片包括功率半导体、功率半导体的保护电路，所述芯片与所述引脚通过金属凸块电连接，所述金属凸块采用半导体bumping工艺制成，其特征在于，所述保护电路为上述功率半导体的保护电路。

采用本实用新型上述结构可以达到如下有益效果：(1)功率半导体的保护电路中，当电路中出现异常信号时，通过电压控制单元依次关断或依次开启的分时控制方式对功率半导体器件进行关断或开启控制，即通过分段式阶梯变化的驱动电压依次关闭或开启单个晶体管M，或采用分段式阶梯变化的驱动电压依次关闭或开启晶体管M1～MN。采用这种分时控制的方式关断功率半导体器件，可以减小功率半导体器件中电流变化速率，从而有效抑制高电流变化速率引起的电压振荡，提高了功率半导体器件在关断时的可靠性，避免了功率半导体损坏。同理，这种分时控制方式有效抑制了功率半导体在开启的过程中产生的过充电压。

(2)该功率半导体的保护电路中设置有泄放电路，泄放电路连接于功率半导体器件输出端与地之间，因此，功率半导体器件关断时，泄放电路中单脉冲产生器产生的控制电压Vc控制开关SD短暂打开，辅助器件输出端的输出电压V_OUT快速放电，进一步削弱输出电压V_OUT的震荡拖尾，该泄放电路中开关SD并联有二极管D1，二极管D1具有续流作用，有利于降低输出电压V_OUT的负电压幅值，从而进一步削弱输出电压V_OUT的震荡拖尾。

(3)将上述功率半导体的保护电路应用于电子烟中，功率半导体器件在开启或关断时，电压震荡被有效抑制，从而提升了半导体器件开启或关断时的可靠性，避免了功率半导体损坏，功率半导体损坏率的降低，有利于提升电子烟雾化器的使用寿命。

(4)相比于现有的通过引线键合将芯片与引脚电连接的方式，在不增加芯片面积的前提下，本申请电子烟中，包含功率半导体的保护电路的芯片通过金属凸块与引脚电连接，使得功率半导体与引脚之间的等效电阻减小，这有利于减小芯片工作时产生的热量，从而有效缓解功率半导体在工作时因寄生电阻或电感产生的热，提高了功率半导体的可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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为传统过载保护电路(即过流保护电路)的电路原理图；

图2为传统过载保护电路设计下过载检测单元输出电压V_OCP、MOS管M的栅极电压V_G、电压源VDD、MOS管M漏端输出电压V_OUT的波形图；

图3为本实用新型功率半导体的保护电路实施例一的电路原理图；

图4为本实用新型功率半导体的保护电路实施例一中电压控制单元的电路原理图；

图5为本实用新型功率半导体的保护电路实施例一中时序单元的输出电压V_{T_X}的波形图及检测信号V_FAULT的波形图；

图6为本实用新型功率半导体的保护电路实施例一时序单元的输出电压V_{G_X}、检测信号V_FAULT及输出电压V_OUT的波形图；

图7为本实用新型功率半导体的保护电路实施例二设置泄放电路的电路原理图；

图8为本实用新型功率半导体的保护电路实施例二中设置泄放电路后的输出电压V_{T_N}、开关S_D的控制信号V_C及输出电压V_OUT的波形图；

图9为本实用新型功率半导体的保护电路实施例三的电路原理图；

图10为本实用新型功率半导体的保护电路实施例三中电压控制单元的电路原理图；

图11为本实用新型功率半导体的保护电路实施例三中时序单元的输出电压VB_X、电压控制单元输出的驱动电压V_G、检测信号V_FAULT、第N+1逻辑电路输出电压V_W及输出电压V_OUT的波形图；

图12为本实用新型功率半导体的保护电路实施例四中设置泄放电路的电路原理图；

图13为本实用新型功率半导体的保护电路实施例四中设置泄放电路后的电压源VB_N、单脉冲产生器输出电压V_C、晶体管M漏极电压V_OUT的波形图；

图14为本实用新型功率半导体的保护电路实施例五的电路原理图；

图15为本实用新型功率半导体的保护电路实施例五中电压控制单元的电路原理图；

图16为本实用新型功率半导体的保护电路实施例五中时序单元的输出电压VP_1～VP_N-1、检测信号V_FAULT的波形图；

图17为本实用新型功率半导体的保护电路实施例五中检测信号V_FAULT、晶体管输出电压V_OUT及经过负载R1的电流IR₁的波形图；

图18为本实用新型功率半导体的保护电路实施例六中设置泄放电路的电路原理图；

图19为本实用新型功率半导体的保护电路实施例六中设置泄放电路后的输出电压V_OUT的波形图、时序电路输出电压VP_N-1及单脉冲产生器输出电压V_C的波形图；

图20为目前常用芯片与引脚连接结构示意图；

图21为本实用新型芯片与引脚连接结构示意图。

附图标记：驱动单元1、电压控制单元2、时序电路3、逻辑电路4、偏置电压产生电路5、单脉冲产生器6、第N+1逻辑电路7、泄放电路9、基板101、芯片102、引脚103、金属凸块104、金属引线105。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都应当属于本实用新型保护的范围。

需要说明的是，本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、装置、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

图1提供了一种传统过载保护电路，该过载保护电路包括串联的过载检测单元和驱动单元1(例如目前常用的栅极驱动电路)、并联寄生二极管的晶体管、寄生电感L1、寄生电感L2、与寄生电感L2串联的负载(电子烟中负载为发热丝)，寄生电感L1的一端连接电压源VDD，通过电压源VDD为整个电路提供高电平VDD。其中，过载检测单元主要包括电流传感器，通过电流传感器来检测过载保护电路(即过流保护电路)中是否有过电流通过。假如检测到负载超出设定值，则通过驱动单元1将晶体管的栅极电压上拉到高电平VDD，晶体管关闭，不再给发热丝提供电流，从而实现过载保护。

但图1所示传统过载保护电路中晶体管存在烧损风险，原因在于，这种过载保护电路中，发热丝(即电阻R1)一般都是绕制的，同时具有电阻与电感的特性，晶体管关断时发热丝中电流快速变化，会产生高压，高压V＝L×dI/dt，式中L为电感值，dI/dt为电流变化速率，晶体管漏极电压V_OUT呈现出震荡现象，这极易导致晶体管击穿而损坏。传统过流保护电路的输出波形如图2所示，当晶体管漏端输出电压V_OUT震荡幅度过于激烈，电压V_OUT的高电平会经过晶体管的寄生二极管D传导至电压源VDD端，通常电压源VDD对地没有通畅的放电路径(电子烟的待机电流一般很小)，此时，电压源VDD表现为一个缓慢放电的过程；特别是电压V_OUT震荡为负电压(相对地)时，晶体管的漏极电压V_OUT与源极电压VDD的电势差很大，存在晶体管被击穿而烧损的风险，从而导致电路烧伤或烧毁。

针对现有技术中存在的传统的功率半导体的保护电路中，功率半导体的输出电压易呈现出电压震荡现象，导致功率半导体器件被击穿而损坏的技术问题，以下提供了几种功率半导体的保护电路的具体实施例。

实施例一，见图3，一种功率半导体的保护电路，其包括驱动单元1、电压控制单元2、N个并联的晶体管M₁～M_N、电感L1、电感L2、电阻R1(即负载)，N≥2，本实施例中驱动单元1一端为检测信号端，检测信号端用于输入检测信号V_FAULT，电压控制单元2一端分别连接驱动单元1另一端、检测信号端，电压控制单元2另一端分别连接晶体管M₁～M_N的栅极，晶体管M₁～M_N的源极均通过电感L1连接电压源VDD，晶体管M₁～M_N的漏极依次串联电感L2、负载R1后接地，驱动单元1用于产生控制电压，电压控制单元2将控制电压转换为分时的高电平电压VG_X,X＝1、2……N。

当检测信号端的检测信号为正常信号时，电压控制单元2根据驱动单元产生的控制电压直接控制功率半导体；

当检测信号端的检测信号为异常信号时，电压控制单元2根据驱动单元的控制电压产生分时驱动电压VG_X，通过驱动电压VG_X驱动相应的晶体管M₁～M_N逐个依次关断，分时驱动电压VG_X即按分段时序依次输出的由零转换为电源电压VDD的驱动电压。

见图4，电压控制单元2的具体结构包括：时序电路3、N个并联的逻辑电路，时序电路3的一端连接检测信号端，另一端分别连接逻辑电路的输入端，逻辑电路4包括第一逻辑电路～第N逻辑电路，时序电路3通过第一逻辑电路～第N逻辑电路与晶体管M₁～M_N的栅极一一对应连接，时序电路3为由电流源、电容、逻辑门等组成的延迟电路，该延迟电路可采用现有技术。

第一逻辑电路～第N逻辑电路均包括串联的或非门、第一非门，逻辑电路4的第一输入端分别连接时序电路3的输出端，逻辑电路4的第二输入端分别连接控制电压V_Drive，第一逻辑电路～第N逻辑电路的输出端与晶体管M₁～M_N的栅极一一对应连接。

该保护电路的工作原理为：S1、当电路中出现短路或过载等异常情况时，检测信号端的检测信号为异常信号，此时，异常信号由高电平变为低电平；

S2、异常信号V_FAULT经驱动单元1使控制电压V_Drive从低电平变为高电平，同时，异常信号V_FAULT在下降沿时，通过时序电路3产生N个高电平信号VT_X，VT_X包括VT_1、VT_2……VT_N-1、VT_N，见图5，图5中，td2为相邻两个晶体管M1、M2关断的时间间隔；

S3、高电平信号VT_X分别通过相应的逻辑电路运算(第一逻辑电路～第N逻辑电路与高电平信号VT_1、VT_2……VT_N-1、VT_N一一对应进行运算)，获得分时的高电平电压VG_X,X＝1、2……N。

S4、通过分时的高电平电压VG_X,X＝1、2……N驱动晶体管M₁～M_N逐个依次关闭。

该保护电路中，将现有的一个晶体管拆分为若干晶体管M₁～M_N，并通过电压控制单元2分别控制晶体管M₁～M_N分时依次关断，从而调整晶体管在关断过程中产生的电流变化速率，见图6，从图6可以看出，相比于传统的保护电路的输出电压V_OUT的波形，该实施例一中的晶体管关断控制方式，使得输出电压V_OUT负电压的幅值变化更为平稳，削弱了寄生电感L1、L2带来的电压震荡现象。

实施例二，该实施例中，功率半导体的保护电路结构与实施例一致，并且在该保护电路中还设置了泄放电路9，见图7，泄放电路9包括单脉冲产生器6、开关单元，单脉冲产生器6的一端连接电压控制单元2，单脉冲产生器6的另一端通过开关单元连接晶体管的漏极，开关单元包括开关S_D、与开关S_D并联的二极管D₁，单脉冲产生器6用于产生高电平脉冲并控制开关S_D导通或关闭。本实施例中单脉冲产生器6由电流源、电容、逻辑门电路等组成，单脉冲产生器6可以采用现有技术。

该泄放电路9中开关S_D为一个有放电功能的开关器件，V_C信号为开关S_D的控制信号，当电压V_{T_N}处于上升沿时，通过单脉冲产生器6产生单脉冲信号V_C，在相应的晶体管M₁～M_N关断过程中，短暂打开开关S_D，辅助输出电压V_OUT快速放电，本实施例中，二极管D₁为寄生二极管，作用是续流，用于控制输出电压V_OUT负电压的幅值，输出电压V_OUT的波形见图8，图8中VMX表示分N段关断晶体管时输出电压V_OUT从VDD减小到0V过程中的从大到小的N-1个中间电位，VMX＝R1*I_{VDD_X}，其中I_{VDD_X}指V_{T_X}上升沿时刻VDD中的电流。从图8可以看出，相比于传统的保护电路的输出电压V_OUT的波形，泄放电路9的设置，使得输出电压V_OUT负电压的幅值不超过二极管D₁的正向导通电压幅值，从而进一步削弱了输出电压V_OUT的震荡拖尾，输出电压V_OUT的关断过程更为平稳。

实施例三，见图9，一种功率半导体的保护电路，其包括驱动单元1、电压控制单元2、功率半导体、电感L1、电感L2、电阻R1(即负载R1)，本实施例中功率半导体为晶体管M，驱动单元1一端为检测信号端，检测信号端用于输入检测信号V_FAULT，电压控制单元2一端分别连接驱动单元1另一端、检测信号端，电压控制单元2另一端连接晶体管M的栅极，晶体管M的源极均通过电感L1连接电压源VDD，晶体管M的漏极依次串联电感L2、负载R1后接地，驱动单元1用于驱动电压控制单元2开启或关闭，电压控制单元2用于产生呈阶梯状变换的电压VG，晶体管M关断过程中，电压VG呈阶梯状逐渐升高。

当检测信号端的检测信号为正常信号时，电压控制单元2根据驱动单元产生的控制电压直接控制功率半导体；

当检测信号端的检测信号为异常信号时，本实施例中异常信号为过载信号，电压控制单元2将驱动单元产生的控制电压转换为分段式阶梯变换的电压VG，通过分段式阶梯变化的电压VG驱动晶体管M逐渐关断。

本实施例中，电压控制单元2包括时序电路3、偏置电压产生电路5、第N+1逻辑电路，时序电路3的输入端连接检测信号端，时序电路3的输出端通过偏置电压产生电路、第N+1逻辑电路7连接晶体管M的栅极，时序电路3为由电流源、电容、逻辑门等组成的延迟电路，该延迟电路可采用现有技术。

见图10，第N+1逻辑电路7包括开关S1、开关

第二非门、第四非门、第二与非门，偏置电压产生电路5包括MOS管M4、开关SB_1～开关SB_N、电流源I₁～电流源I_N，第二非门的输入端连接检测信号端，第二非门的输出端连接第二与非门的第一输入端，第二与非门的第二输入端连接时序电路的输出端(时序电路的输出端输出电压为VB_N)，第二与非门的输出端连接第四非门的输入端，第四非门的输出端输出电压V_W并与开关S1的控制端连接，开关S1的一端分别连接开关SB_1～开关SB_N的一端、MOS管M4栅极和漏极，MOS管M4的源极连接电压源VDD，时序电路3分别连接开关SB_1～开关SB_N的控制端，开关SB_1～开关SB_N的另一端与电流源I₁～电流源I_N一端一一对应连接，电流源I₁～电流源I_N的另一端接地。

该保护电路的工作原理为：S1、当电路中出现短路或过载等异常情况时，检测信号端的检测信号为异常信号，此时，异常信号V_FAULT由高电平变为低电平；

S2、异常信号V_FAULT经驱动单元1使控制电压V_Drive从低电平变为高电平，同时，利用异常信号V_FAULT下降沿，通过时序电路3产生N个低电平信号VB_X，VB_X包括VB_1、VB_2……VB_N-1、VB_N，低电平信号依设计分时关断开关SB_1～开关SB_N，获得呈阶梯状变高的偏置电压VG_B，图11中，td2为晶体管M关断过程中，分时关断相邻两个开关(例如开关SB_1、SB_2)的时间间隔；

S3、异常信号V_FAULT由高电平变为低电平，开关S1闭合，呈阶梯状变高的中间电压(即偏置电压VG_B)传递至输出电压V_G，通过输出电压V_G逐步限制晶体管M中流过的电流；

S4、当时序电路3产生的电压信号VB_N也变为低电平时，开关

闭合，控制电压V_Drive的高电平传递至输出电压V_G，使晶体管M完全关断。

该保护电路中，通过电压控制单元2调整晶体管M在关断过程中产生的电流变化速率，见图11，图11中VM2～VMN表示分N段关断晶体管时输出电压V_OUT从VDD减小到0V过程中的从大到小的N-1个中间电位，VMX＝R1*I_{VDD_X}，其中I_{VDD_X}指V_{B_X}上升沿时刻VDD中的电流。从图11可以看出，相比于传统的保护电路的输出电压V_OUT的波形，该实施例三中晶体管的关断控制方式，使得输出电压V_OUT电压的幅值变化更为平稳，削弱了寄生电感L1、L2带来的电压震荡现象。

实施例四，见图12，该实施例中，功率半导体的保护电路结构与实施例一致，并且在该保护电路中还设置了泄放电路9，泄放电路9的结构与实施例二中泄放电路9的结构一致，泄放电路9连接于晶体管M的输出端与地之间，且该泄放电路9与电感L2及电阻R1并联，输出电压V_OUT的波形见图13，从图13可以看出，相比于传统的保护电路的输出电压V_OUT的波形，泄放电路9的设置，使得输出电压V_OUT负电压的幅值变化更为平稳，输出电压V_OUT负电压的幅值不超过二极管D₁的正向导通电压幅值，进一步削弱了输出电压V_OUT的震荡拖尾。

实施例五，见图14，一种功率半导体的保护电路，其包括驱动单元1、电压控制单元2、N个并联的晶体管M₁～M_N、电感L₁、电感L₂、电阻R1(即负载)，N≥2，本实施例中驱动单元1一端为检测信号端，检测信号端用于输入检测信号V_FAULT，电压控制单元2一端分别连接驱动单元1另一端、检测信号端，电压控制单元2另一端分别连接晶体管M₁～M_N的栅极，晶体管M₁～M_N的源极均通过电感L1连接电压源VDD，晶体管M₁～M_N的漏极依次串联电感L2、负载R1后接地，驱动单元1用于驱动电压控制单元2开启或关闭，电压控制单元2用于产生分时的驱动电压VG_X,X＝1、2……N，各驱动电压VG_1、VG_2……VG_N均呈阶梯状变化。

当检测信号端的检测信号为正常信号时，电压控制单元2根据驱动单元产生的控制电压直接控制功率半导体；

当检测信号端的检测信号为异常信号时，本实施例中异常信号为短路信号，电压控制单元2将驱动单元输出的控制电压转换为分时驱动电压，通过分时驱动电压VG_X驱动相应的晶体管M₁～M_N逐个依次逐步关断，分时驱动电压VG_X即分段式阶梯变化的驱动电压。

见图15，电压控制单元2的具体结构包括：时序电路3、N个并联的逻辑电路4、偏置电压产生电路5、开关SA_1～SA_N-1、

时序电路3的一端连接检测信号端，另一端分别连接逻辑电路3的输入端，逻辑电路3包括第一逻辑电路～第N逻辑电路，时序电路3通过第一逻辑电路～第N逻辑电路与晶体管M₁～M_N的栅极一一对应连接，时序电路3为由电流源、电容、逻辑门等组成的延迟电路，该延迟电路可采用现有技术。

其中，第一逻辑电路～第N逻辑电路均包括串联的缓冲器与第三非门，偏置电压产生电路5包括MOS管M4、电流源I，第一逻辑电路～第N逻辑电路的输入端分别连接时序电路3，第一逻辑电路～第N-1逻辑电路的输出端与开关

的控制端一一对应连接，开关/>

的一端均连接控制电压V_Drive、输出端V_{G_N}，开关/>

的另一端分别与开关SA_1～SA_N-1一端、输出端V_{G_1}～V_{G_N}-1一一对应连接，开关SA_1～SA_N-1的另一端连接偏置电压产生电路中MOS管M4的栅极、漏极及电流源I一端，MOS管M4源极连接电压源VDD，电流源I另一端接地。

该保护电路的工作原理为：S1、当电路中出现短路或过载等异常情况时，检测信号端的检测信号为异常信号，此时，异常信号V_FAULT由高电平变为低电平；

S2、异常信号V_FAULT经驱动单元1使控制电压V_Drive从低电平变为高电平，VG_N也跟随控制电压V_Drive从低电平变为高电平，同时，异常信号V_FAULT在下降沿时，通过时序电路3产生N-1个高电平脉冲信号VP_X，VP_X包括VP_1、VP_2……VP_N-1，见图16，td2为相邻两个脉冲信号(例如VP_1与VP_2)的时间间隔；

S3、异常信号V_FAULT由高电平变为低电平时，脉冲信号VP_X立即变为高电平，使电压控制单元2的输出电压VG_X等于偏置电压产生电路的内部偏置电压VG_B；

S4、经过时间T_OFF后，电压控制单元2的输出电压VP_1、VP_2～VP_N-1依次变为低电平，即使输出电压VG_1、VG_2～VG_N-1依次由内部偏置电压VG_B切换到控制电压V_Drive，关断晶体管M₁～M_N-1。

该保护电路中，将现有的一个晶体管拆分为若干晶体管M₁～M_N，并通过电压控制单元2分别控制晶体管M₁～M_N分时依次逐步关断，从而调整晶体管在关断过程中产生的电流变化速率，见图17，图17中VM_1～VM_N-1表示分N段关断晶体管时输出电压V_OUT从VDD减小到0V过程中的从大到小的N-1个中间电位，VM_X＝R1*I_{VDD_X}，其中I_{VDD_X}指V_{P_X}上升沿时刻VDD中的电流。从图17可以看出，相比于传统的保护电路的输出电压V_OUT的波形，该实施例五中的晶体管关断控制方式，使得输出电压V_OUT电压的幅值变化更为平稳，削弱了寄生电感L1、L2带来的电压震荡现象。

实施例六，该实施例中，功率半导体的保护电路结构与实施例五的保护电路结构一致，并且在该保护电路中还设置了泄放电路9，见图18，泄放电路9的结构与实施例二、四中泄放电路9的结构一致，该泄放电路9连接于晶体管M的输出端与地之间，且该泄放电路9与电感L2及电阻R1并联，输出电压V_OUT的波形见图19，图19中VM_1～VM_N-1表示分N段关断晶体管时输出电压V_OUT从VDD减小到0V过程中的从大到小的N-1个中间电位，VM_X＝R1*I_{VDD_X}，其中I_{VDD_X}指V_{P_X}上升沿时刻VDD中的电流。从图19可以看出，相比于传统的保护电路的输出电压V_OUT的波形，泄放电路9的设置，使得输出电压V_OUT负电压的幅值变化更为平稳，输出电压V_OUT负电压的幅值不超过二极管D₁的正向导通电压幅值，进一步削弱了输出电压V_OUT的震荡拖尾。

将上述实施例一～实施例六任一项的功率半导体的保护电路应用于电子烟中，电子烟包括雾化器，雾化器包括壳体(图中未示出)、封装于壳体的基板101及贴装于基板101的芯片102、凸出于壳体的引脚103，芯片102包括功率半导体、上述实施例一～实施例六中的任意一种功率半导体的保护电路，芯片102与引脚103通过金属凸块104电连接，见图21，金属凸块104采用半导体bumping工艺制成。目前，常用的功率半导体的键合工艺为金属引线105键合，见图20，通过导电的金属引线105，将芯片102与引脚103电连接，但功率半导体(功率开关)一般输出电流很大，引线键合的方式，功率半导体的等效电阻较大，导致芯片工作时产生的热量较多，这不仅影响了芯片的性能，而且消耗了额外的电能。在不增加芯片面积的前提下，本申请通过金属凸块104与功率半导体连接的bumping工艺，代替引线键合，大大减小了功率半导体的等效电阻，从而有效缓解功率开关在工作时由寄生电阻或寄生电感产生的热引起的芯片可靠性差问题。

以上的仅是本申请的优选实施方式，本实用新型不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离实用新型的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种功率半导体的保护电路，其包括驱动单元，所述驱动单元一端为检测信号端，所述检测信号端用于输入检测信号，其特征在于，其还包括电压控制单元、功率半导体、电感L1、电感L2、负载R1，所述电压控制单元一端分别连接所述驱动单元另一端、检测信号端，所述电压控制单元另一端连接所述功率半导体的控制端，所述功率半导体的一端通过电感L1连接电压源VDD，所述功率半导体的另一端依次串联电感L2、负载R1后接地；

所述功率半导体为单个晶体管M或包括N个并联的晶体管M₁～M_N，N≥2；

所述驱动单元用于产生控制电压；

所述电压控制单元将控制电压转换为驱动电压并驱动相应的功率半导体关断或开启。

2.根据权利要求1所述的功率半导体的保护电路，其特征在于，当所述晶体管包括若干并联的晶体管M₁～M_N时，所述电压控制单元包括时序电路、N个并联的逻辑电路，所述时序电路的一端连接所述检测信号端，另一端分别连接所述逻辑电路的输入端，所述逻辑电路包括第一逻辑电路～第N逻辑电路，所述时序电路通过所述第一逻辑电路～第N逻辑电路与所述晶体管M₁～M_N的栅极一一对应连接。

3.根据权利要求2所述的功率半导体的保护电路，其特征在于，所述第一逻辑电路～第N逻辑电路均包括串联的或非门、第一非门，所述逻辑电路的第一输入端分别连接所述时序电路的输出端，所述逻辑电路的第二输入端分别连接控制电压V_Drive，所述第一逻辑电路～第N逻辑电路的输出端与所述晶体管M₁～M_N的栅极一一对应连接。

4.根据权利要求2所述的功率半导体的保护电路，其特征在于，所述电压控制单元还包括偏置电压产生电路、开关SA_1～SA_N-1、

所述第一逻辑电路～第N逻辑电路均包括串联的缓冲器与第三非门，所述第一逻辑电路～第N逻辑电路的输入端分别连接所述时序电路，所述第一逻辑电路～第N逻辑电路的输出端与开关/>

的控制端一一对应连接，所述开关/>

的一端均连接控制电压V_Drive、输出端V_{G_N}，所述开关/>

的另一端分别与开关SA_1～SA_N-1一端、输出端V_{G_1}～V_{G_N}-1一一对应连接，所述开关SA_1～SA_N-1的另一端连接偏置电压产生电路，所述开关SA_1～SA_N-1的控制端的信号与开关/>

的控制端的信号为相反信号。

5.根据权利要求4所述的功率半导体的保护电路，其特征在于，所述偏置电压产生电路包括MOS管M4、电流源I，所述开关SA_1～SA_N-1的另一端均连接MOS管M4的栅极、漏极及电流源I一端，所述MOS管M4源极连接电压源VDD，所述电流源I另一端接地。

6.根据权利要求1所述的功率半导体的保护电路，其特征在于，所述晶体管为单个晶体管M时，所述电压控制单元包括时序电路、偏置电压产生电路、第N+1逻辑电路，所述时序电路的输入端连接所述检测信号端，所述时序电路的输出端通过所述偏置电压产生电路、第N+1逻辑电路连接所述晶体管M的栅极。

7.根据权利要求6所述的功率半导体的保护电路，其特征在于，所述第N+1逻辑电路包括开关S1、开关

第二非门、第四非门、第二与非门，所述第二非门的输入端连接所述检测信号端，所述第二非门的输出端连接所述第二与非门的第一输入端，所述第二与非门的第二输入端连接时序电路的输出端，所述第二与非门的输出端连接所述第四非门的输入端，所述第四非门的输出端输出电压V_W并与所述开关S1的控制端连接，所述开关S1的一端分别连接所述偏置电压产生电路、MOS管M4栅极和漏极，所述MOS管M4的源极连接电压源VDD。

8.根据权利要求7所述的功率半导体的保护电路，其特征在于，所述偏置电压产生电路包括MOS管M4、开关SB_1～开关SB_N、电流源I₁～电流源I_N，所述开关SB_1～开关SB_N的一端、MOS管M4的栅极、漏极与开关S1另一端连接，所述时序电路分别连接开关SB_1～开关SB_N的控制端，所述开关SB_1～开关SB_N的另一端与所述电流源I₁～电流源I_N一端一一对应连接，所述电流源I₁～电流源I_N的另一端接地。

9.根据权利要求1、3、4或8所述的功率半导体的保护电路，其特征在于，所述保护电路还包括泄放电路，所述泄放电路包括单脉冲产生器、开关单元，所述单脉冲产生器的一端连接所述电压控制单元，所述单脉冲产生器的另一端通过所述开关单元连接所述晶体管的漏极，所述开关单元包括开关S_D、与开关S_D并联的二极管D1或寄生二极管D1，所述单脉冲产生器用于产生高电平脉冲并控制所述开关S_D导通或关闭。

10.一种电子烟，其包括雾化器，所述雾化器包括壳体、封装于壳体的基板及贴装于基板的芯片、凸出于壳体的引脚，所述芯片包括功率半导体、功率半导体的保护电路，所述芯片与所述引脚通过金属凸块电连接，所述金属凸块采用半导体bumping工艺制成，其特征在于，所述保护电路为权利要求9所述的功率半导体的保护电路。

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