WO2020156160A1

WO2020156160A1 - 升压芯片及其短路保护电路

Info

Publication number: WO2020156160A1
Application number: PCT/CN2020/072163
Authority: WO
Inventors: 黄建刚; 程剑涛; 王云松; 吴传奎; 董渊; 孙洪军
Original assignee: 上海艾为电子技术股份有限公司
Priority date: 2019-01-30
Filing date: 2020-01-15
Publication date: 2020-08-06
Also published as: CN109756116A; CN109756116B

Abstract

一种升压芯片及其短路保护电路，在升压芯片的输出端发生短路故障时，通过所述短路保护电路可以使得第一开关管（M1）关断，使得第二开关管（M2）的栅极电位由其栅极开启电位逐渐过渡到目标控制电位，以使得所述第二开关管（M2）中的电流逐渐降低，而且第二开关管（M2）的第二电极通过输出端接地，这样，短路电流可以通过第二开关管（M2）形成的回路释放，从而避免发生短路故障时完全断开所述第一开关管（M1）以及所述第二开关管（M2）导致的第一节点（A）电压过冲问题，避免电感（L）电流击穿第一开关管（M1），所述短路保护电路可以在升压芯片发生短路故障时，避免其内部开关管发生烧坏的问题。

Description

升压芯片及其短路保护电路

本申请要求于2019年01月30日提交中国专利局、申请号为201910091785.0、发明创造名称为“升压芯片及其短路保护电路”的中国专利申请的优先权，其全部内容通过引用结合在本申请中。

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，更具体的说，涉及一种升压芯片及其短路保护电路。

背景技术

便携式电子产品的流行，促进了以锂离子电池作为供电源的芯片的快速发展，其中DCDC类芯片更是被应用在各种场景中。升压芯片是DCDC芯片的一种，实现输出直流电平比输入直流电平高。OTG(On the going)电路是升压类芯片的一种典型应用，而且市场极其广大。因为便携式电子产品都支持驱动外置设备了，比如手机可以驱动USB电风扇，可以点亮USB灯，还可以给另外一个手机进行充电等这些都是OTG应用的体现。升压芯片还应用在电子设备的内部，比如给功放类等模块提供电源等。

升压芯片的输出容易发生短路故障，尤其是作为OTG电路使用时。因为升压芯片的输出就是我们通常见到的USB端口，那么我们在进行操作时，是有很大概率导致其输出端发生短路故障的。

发生短路故障时如何保护芯片不被损坏是一个越来越引起重视的话题，现有技术是芯片内部检测到输出端发生短路故障了，直接关闭芯片内部的开关管，但是这样会导致芯片内部开关管的烧坏。

发明内容

有鉴于此，本发明技术方案提供了一种升压芯片及其短路保护电路，避免了升压芯片发生短路故障时，内部开关管发生烧坏的问题。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种升压芯片的短路保护电路，所述短路保护电路包括：

第一开关管、第二开关管以及电流源模块；

所述第一开关管的第一电极连接第一节点，其第二电极接地，所述第一节点与一电感的一端连接，其栅极用于输入第一控制信号；所述电感的另一端用于输入电源电压；

所述第二开关管的第一电极连接所述第一节点，其第二电极连接所述升压芯片的输出端；

在所述升压芯片的输出端发生短路故障时，所述输出端接地，所述第一控制信号用于所述第一开关管关断，所述电流源模块用于控制所述第二开关管的栅极电位由其栅极开启电位逐渐过渡到目标控制电位，以使得所述第二开关管中的电流逐渐降低。

可选的，在上述短路保护电路中，所述电流源模块包括：第三开关管以及预设电流源；

所述第三开关管的栅极与其第一电极连接，其第一电极通过所述预设电流源接地，其第二电极用于输入所述电源电压；

在所述升压芯片的输出端发生短路故障时，所述第三开关管的栅极与所述第二开关管的栅极导通，以通过所述预设电流源将所述第二开关管的栅极电位由其栅极开启电位过渡到所述目标控制电位。

可选的，在上述短路保护电路中，所述第二开关管的栅极与所述第三开关管的栅极通过一开关元件连接；

所述开关元件具有第一开关状态以及第二开关状态，所述升压芯片的输出端未发生短路故障时，所述开关元件处于所述第一开关状态，所述第二开关管的栅极用于输入第二控制信号，所述升压芯片的输出端发生短路故障时，所述开关元件处于所述第二开关状态，所述第二开关管的栅极与所述第三开关管的栅极导通。

可选的，在上述短路保护电路中，所述第三开关管与所述第二开关管均为PMOS管，且所述第二开关管具有较大的栅极对地电容。

可选的，在上述短路保护电路中，所述第一开关管为NMOS管，在所述升压芯片的输出端发生短路故障时，所述第一控制信号为低电位，以控制所述第一开关管关断。

可选的，在上述短路保护电路中，所述目标控制电位位于所述第二开关管的栅极开启电位与所述栅极截止电位之间。

可选的，在上述短路保护电路中，所述升压芯片的输出端发生短路故障时，所述第二开关管的衬底与其第一电极导通。

可选的，在上述短路保护电路中，所述第二开关管的衬底连接有开关组件，所述开关组件具有第一开关状态和第二开关状态，当所述升压芯片处于短路状态时，所述开关组件处于第一开关状态，所述第二开关管的衬底与其第一电极导通，当所述升压芯片处于非短路状态时，所述开关组件处于第二开关状态，所述第二开关管的衬底与其第一电极导通。

本发明还提供了一种升压芯片，其特征在于，所述升压芯片包括：上述任一项所述的短路保护电路。

可选的，在上述升压芯片中，所述升压芯片包括检测电路以及BST环路控制电路，所述检测电路用于将所述升压芯片输出端的输出电压与设定参考电压比较，输出比较结果，所述BST环路控制电路用于基于所述比较结果为所述短路保护电路的第一开关管的栅极以及第二开关管的栅极提供控制信号。

通过上述描述可知，本发明技术方案提供的升压芯片及其短路保护电路至少具有如下有益效果：

在升压芯片的输出端发生短路故障时，通过所述短路保护电路可以使得第一开关管关断，使得第二开关管的栅极电位由其栅极开启电位逐渐过渡到目标控制电位，以使得所述第二开关管中的电流逐渐降低，而且第二开关管的第二电极通过输出端接地，这样，短路电流可以通过第二开关管形成的回路释放，从而避免发生短路故障时完全断开所述第一开关管以及所述第二开关管导致的第一节点电压过冲问题，避免电感电流击穿第一开关管，故本发明技术方案可以在升压芯片发生短路故障时，避免其内部开关管发生烧坏的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为常规升压芯片的电路图；

图2为图1所示升压芯片的内部控制时序图；

图3为图1所示升压芯片的输出端发生短路故障时的局部时序放大图；

图4为图1所示升压芯片的输出端发生短路故障时的控制原理示意图；

图5为本发明实施例提供的一种升压芯片的短路保护电路的结构示意图；

图6为图5所示短路保护电路在发生短路故障时的等效电路；

图7为图5所示短路保护电路在发生短路故障时的时序图；

图8为本发明实施例提供的一种升压芯片的结构示意图。

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。

发明人对现有技术的分析如下。

参考图1，图1为常规升压芯片的电路图，该升压芯片至少包括：第一端口、第二端口、使能端、接地端以及输出端。电源E的正极通过电感L连接第一端口，电源E的正极直接与第二端口连接，电源E的正极通过一电阻R与使能端连接。第一端口对应电压信号SW，第二端口对应电源E的电源电压VIN，使能端对应使能信号EN，接地端接地GND，输出端对应输出电压VOUT。

芯片内部至少包括：BST(BOOST，升压)环路控制电路11、第一开关管M1、第二开关管M2和检测电路12。检测电路12用于采集输出端的输出电压VOUT，将输出电压VOUT与一参考电压。该参考电压可以根据需设定，一般小于电源电压VIN，如可以为0.9*VIN。可以根据需求设定参考电压的值，不限于为0.9*VIN。其中，输出端通过电容Cout接地。

检测电12路为比较器，具有负相输入端、正相输入端以及比较输出端，其采集输出电压VOUT作为反馈信号en_det输入负相输入端，参考电压输入正相输入端。在反馈信号en_det小于0.9*VIN时，输出信号vout_short，BST环路控制电路11基于该信号vout_short确定芯片的输出端发生短路故障，进而控制第一开关管M1和第二开关管M2均关断，并通过开关信号sel_vout控制一个开关使得第二开关管M2的衬底与其第二电极断开，通过开关信号sel_voutb控制另一个开关使得第二开关管M2的衬底与其第一电极导通。

图1所示升压芯片的时序图如图2和图3所示，图2为图1所示升压芯片的内部控制时序图，图3为图1所示升压芯片的输出端发生短路故障时的局部时序放大图。发生短路故障时，等效电路图如图4所示，图4为图1所示升压芯片的输出端发生短路故障时的控制原理示意图。

第一开关管M1为NMOS管，其栅极输入电压信号为ngate，第二开关管M2为PMOS管，其栅极输入电压信号为pgate。

由图2-图4可知，发生短路故障时，如图3中虚线位置所示时刻发生短路故障，输出电压VOUT小于参考电压(如参考电压为0.9*VIN)，信号vout_short持续为高电位，表明出现短路故障，开关信号sel_vout持续为低电位，以使得第二开关管M2的衬底与其第一电极断开，电压信号ngate持续为低电位，电压信号pgate持续为高电位，以使得第一开关管M1和第二开关管M2均关断。

发生短路故障时，第二开关管M2的衬底与其第一电极断开，通过开关信号sel_voutb使得第二开关管M2的衬底与其第一电极导通，使得第二开关管M2的体二极管指向第一端口，防止第一端口对应电感电流IL持续增大到不可控制的程度。

虽然，发生短路故障时，通过同时关断第一开关管M1和第二开关管M2，可以使得电感电流IL不会持续增大，减少了升压芯片损坏的概率，但是升压芯片还是可能损坏，这是由于检测电路12检测到输出端口发生短路故障后，由于第二开关管M2的体二极管指向第一端口，第一开关管M1和第二开关管M2均关断，使得电感L瞬间断路，电感具有电流不能突变的特性，没有电流泄放通路，电感电流IL会冲击第一端口，会将第一节点SW电位冲高，使得第一端口的电压信号SW的电位抬升很高，会使得第一开关管M1很容易到达击穿电压，所有电流从第一开关管M1流走，导致第一开关管M1承受很大的功率，容易被烧坏。

通过上述描述可知，当发生短路故障时，如果完全切断电流的回路，将导致开关管烧坏。

基于此，本发明技术方案提供了一种升压芯片的短路保护电路，当发生短路故障时，第一开关管M1关断，第二开关管M2开启，并将第二开关管M2的栅极电位逐步从其栅极开启电位过渡到预设电流源的目标控制电位，使得其流过的电流逐渐降低，这样，无论短路故障发生在第一开关管M1的导通期间还是发生在第二开关管的导通期间，都可以避免第一端口的电压信号SW发生过冲问题，从根本上解决了输出端发生短路故障时导致升压芯片烧坏的问题。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参考图5，图5为本发明实施例提供的一种升压芯片的短路保护电路的结构示意图，所述短路保护电路包括：第一开关管M1、第二开关管M2以及电流源模块21。所述第一开关管M1的第一电极连接第一节点A，其第二电极接地，所述第一节点A与一电感L的一端连接，其栅极用于输入第一控制信号V1；所述电感L的另一端用于输入电源电压VIN。所述第二开关管M2的第一电极连接所述第一节点A，其第二电极连接所述升压芯片的输出端。输出端对应输出电压VOUT。第一节点A对应电压信号SW。

其中，所述升压芯片的输出端通过一电容Cout接地。如图5所示，电感L与电源E连接，以输入电源电压VIN。第一开关管M1和第二开关管M2均为功率开关管。第二开关管M2具有较大的栅极对地电容，可以在由栅极开启电位逐步过渡到目标控制电位时，导通程度逐渐降低，限流作用逐渐增大，故可以使得其流过电流逐渐降低。发生短路故障时，第二开关管M2的栅极电位是连续的逐渐变换过程，电流是连续的逐渐减小，短路故障时相当于与芯片的输出端接地，故可以实现释放短路电流的目的。而且相对于直接关断所有开关管，本方案具有释放短路电流的回路，使得电感电流按照设定的通路释放，故避免了电感电流IL走到不希望走的地方，如冲高第一节点SW，导致第一开关管M1击穿。

在所述升压芯片的输出端发生短路故障时，所述输出端接地，所述第一控制信号V1用于所述第一开关管M1关断，所述电流源模块21用于控制所述第二开关管M2的栅极电位由其栅极开启电位逐渐过渡到目标控制电位，以使得所述第二开关管M2中的电流逐渐降低。各个开关管均为MOS管，可以通过控制其栅极电位实现各个开关管开关状态的控制。

如图5所示，所述电流源模块21包括：第三开关管M3以及预设电流源I0；所述第三开关管M3的栅极与其第一电极连接，其第一电极通过所述预设电流源I0接地，其第二电极用于输入所述电源电压VIN。

在所述升压芯片的输出端发生短路故障时，所述第三开关管M3的栅极与所述第二开关管M2的栅极导通，以通过所述预设电流源I0将所述第二开关管M2的栅极电位由其栅极开启电位过渡到所述目标控制电位。

可选的，所述第二开关管M2的栅极与所述第三开关管M3的栅极通过一开关元件K1连接；所述开关元件K1具有第一开关状态以及第二开关状态，所述升压芯片的输出端未发生短路故障时，所述开关元件处于所述第一开关状态，所述第二开关管的栅极用于输入第二控制信号V2，所述升压芯片的输出端发生短路故障时，所述开关元件K1处于所述第二开关状态，所述第二开关管M2的栅极与所述第三开关管M3的栅极导通。

图5所示实施例中，所述第三开关管M3与所述第二开关管M2均为PMOS管，且所述第二开关管M2具有较大的栅极对地电容。所述第一开关管M1为NMOS管。当所述第一开关管为NMOS管时，在所述升压芯片的输出端发生短路故障时，所述第一控制信号V1为低电位，以控制所述第一开关管M1关断。

本发明实施例中，各个开关管的类型不局限于图5所示方式，可以根据需求设定各个开关管为NMOS管或是PMOS管，通过对应的栅极电压信号控制发生短路故障时，第一开关管M1断开，第二开关管M2由其栅极开启电位逐渐过渡到目标控制电位，以使得其流过电流逐渐降低，即可以实现防止第一开关管M1烧坏的目的。

可选的，所述升压芯片的输出端发生短路故障时，所述第二开关管M2的衬底与其第一电极导通。可以设置所述第二开关管M2的衬底连接有开关组件，所述开关组件具有第一开关状态和第二开关状态，当所述升压芯片处于短路状态时，所述开关组件处于第一开关状态，所述第二开关管M2的衬底与其第一电极导通，当所述升压芯片处于非短路状态时，所述开关组件处于第二开关状态，所述第二开关管M2的衬底与其第一电极导通。例如，可以设置所述开关组件包括开关元件K2和开关元件K3，所述第二开关管M2的衬底与其第一电极之间连接有开关元件K2，其衬底与其第二电极之间连接有开关元件K3，开关组件处于第一开关状态时，开关元件K2导通，开关元件K3断开，开关组件处于第二开关状态时，开关元件K2断开，开关元件K3导通。

以第一开关管为NMOS管，第二开关管M2和第三开关管M3均为PMOS管为例，当所述升压芯片发生的输出端发生短路故障时，图5所示保护电路的等效电路如图6所示，其发生短路故障时的时序图如图7所示。

参考图6和图7，图6为图5所示短路保护电路在发生短路故障时的等效电路，图7为图5所示短路保护电路在发生短路故障时的时序图。发生短路故障时：第一开关管M1的栅极输入低电位，第一开关管M1关断，相当于与其第二电极连接，二者接地；第二开关管M2的衬底与其第一电极连接，其栅极与第三开关管M3的栅极连接，第二开关管M2的栅极电位由其栅极开启电位逐步过渡到目标控制电位，升压芯片的输出端直接接地，电源E正极依次通过第一节点A、第二开关管M2，与地形成回路，释放电流。

输出端发生短路故障的位置如图7中虚线所示，输出电压VOUT小于参考电压，如上述可以为0.9VIN。检测电路输出信号vout_short持续为高电位，表明出现短路故障，电压信号ngate持续为低电位，第一开关管M1关断，第二开关管M2的栅极电压信号pgate无论在发生短路时刻是处于栅极开启电位(设定低电位，如可以为0电位)还是处于栅极关断电位(设定高电位)，均转换为0电位，并在电流源模块21控制下由0电位逐渐上升到目标控制电位。所述目标控制电位位于所述第二开关管M2的栅极开启电位与所述栅极截止电位之间，在该过渡变化过程中，第二开关管处于导通状态，且导通程度逐渐降低，流过电流逐渐减小。

可选的，本发明实施例中，所述升压芯片为低压升压芯片，第二开关管M2的衬底电位可以切换。相比于传统短路保护方案，本发明技术方案只需要改变开关管的关闭时序，并通过一电流源模块21控制第二开关管M2的栅极电位就可以实现，电路易于实现，成本低，便于推广使用。

基于上述实施例，本发明另一实施例还提供了一种升压芯片，该升压芯片如图8所示，图8为本发明实施例提供的一种升压芯片的结构示意图，所示升压芯片包括上述实施例所述短路保护电路。所述升压芯片包括检测电路12以及BST环路控制电路11，所述检测电路12用于将所述升压芯片输出端的输出电压与设定参考电压比较，输出比较结果，所述BST环路控制电路11用于基于所述比较结果为所述短路保护电路的第一开关管M1的栅极以及第二开关管M2的栅极提供控制信号。

图8所示方式在图1所示方式基础上，增加开关元件K1以及电流源模块21，以在芯片内部构建上述短路保护电路。通过BST环路控制电路11为第一开关管M1的栅极提供第一控制信号V1，为第二开关管M2的栅极提供第二控制信号V2。

BST环路控制电路11可以作为一BST电压产生模块，在未发生短路故障时，用于以产生周期性变化的电压信号SW。发生短路故障时，在故障持续时间内，其通过第一控制信号V1持续控制第一开关管M1关断，为第二开关管M2输入栅极开启电位后，将开关元件K2切换到第二开关状态。可以通过控制BST环路控制电路11内部控制时序实现其对开关管栅极电位的控制以及开关元件的开关状态的控制。

本发明实施例所述升压芯片采用上述实施例所述短路保护电路，只需要改变开关管的关闭时序，并通过一电流源模块21控制第二开关管M2的栅极电位就可以实现，电路易于实现，成本低，便于推广使用。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的升压芯片而言，由于其与实施例公开的短路保护电路相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见短路保护电路对应部分说明即可。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括上述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims

一种升压芯片的短路保护电路，其特征在于，所述短路保护电路包括：

第一开关管、第二开关管以及电流源模块；

所述第一开关管的第一电极连接第一节点，其第二电极接地，所述第一节点与一电感的一端连接，所述第一开关管的栅极用于输入第一控制信号；所述电感的另一端用于输入电源电压；

所述第二开关管的第一电极连接所述第一节点，其第二电极连接所述升压芯片的输出端；

在所述升压芯片的输出端发生短路故障时，所述输出端接地，所述第一控制信号用于控制所述第一开关管关断，所述电流源模块用于控制所述第二开关管的栅极电位由所述第二开关管的栅极开启电位逐渐过渡到目标控制电位，以使得所述第二开关管中的电流逐渐降低。
根据权利要求1所述的短路保护电路，其特征在于，所述电流源模块包括：第三开关管以及预设电流源；

所述第三开关管的栅极与其第一电极连接，其第一电极通过所述预设电流源接地，其第二电极用于输入所述电源电压；

在所述升压芯片的输出端发生短路故障时，所述第三开关管的栅极与所述第二开关管的栅极导通，以通过所述预设电流源将所述第二开关管的栅极电位由所述第二开关管的栅极开启电位过渡到所述目标控制电位。
根据权利要求2所述的短路保护电路，其特征在于，所述第二开关管的栅极与所述第三开关管的栅极通过一开关元件连接；

所述开关元件具有第一开关状态以及第二开关状态，所述升压芯片的输出端未发生短路故障时，所述开关元件处于所述第一开关状态，所述第二开关管的栅极用于输入第二控制信号，所述升压芯片的输出端发生短路故障时，所述开关元件处于所述第二开关状态，所述第二开关管的栅极与所述第三开关管的栅极导通。
根据权利要求2所述的短路保护电路，其特征在于，所述第三开关管与所述第二开关管均为PMOS管，且所述第二开关管具有较大的栅极对地电容。
根据权利要求1所述的短路保护电路，其特征在于，所述第一开关管为NMOS管，在所述升压芯片的输出端发生短路故障时，所述第一控制信号为低电位，以控制所述第一开关管关断。
根据权利要求1所述的短路保护电路，其特征在于，所述目标控制电位位于所述第二开关管的栅极开启电位与所述栅极截止电位之间。
根据权利要求1所述的短路保护电路，其特征在于，所述升压芯片的输出端发生短路故障时，所述第二开关管的衬底与其第一电极导通。
根据权利要求7所述的短路保护电路，其特征在于，所述第二开关管的衬底连接有开关组件，所述开关组件具有第一开关状态和第二开关状态，当所述升压芯片处于短路状态时，所述开关组件处于第一开关状态，所述第二开关管的衬底与其第一电极导通，当所述升压芯片处于非短路状态时，所述开关组件处于第二开关状态，所述第二开关管的衬底与其第一电极导通。
一种升压芯片，其特征在于，所述升压芯片包括：如权利要求1-8任一项所述的短路保护电路。
根据权利要求9所述的升压芯片，其特征在于，所述升压芯片包括检测电路以及BST环路控制电路，所述检测电路用于将所述升压芯片输出端的输出电压与设定参考电压比较，输出比较结果，所述BST环路控制电路用于基于所述比较结果为所述短路保护电路的第一开关管的栅极以及第二开关管的栅极提供控制信号。