CN102208802B - 功率开关管过流检测和过流保护电路 - Google Patents

功率开关管过流检测和过流保护电路 Download PDF

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Abstract

本发明提供的功率开关管过流检测和过流保护电路包括：过流检测电路和过流保护电路。其中，过流检测电路包括：栅、源端分别与待检测的功率开关管的栅、源端相连接的采样管；能使采样管的漏端电压与功率开关管的漏端电压趋于一致的负反馈电路；用于接入流经采样管电流的采样电阻；和将采样电阻的电压或电流与过流参考电压或电流进行比较以便判断是否过流的比较器，由此可实现高精度过流检测。过流保护电路包括：用于接收并锁存检测到的过流信号的锁存器；功率开关管驱动电路；和带开关的镜像电流管电路，当开关闭合时，镜像电流管电路采样功率开关管驱动电路的电流，并镜像成流过功率开关管的电流，由此实现对功率开关管的限流保护。

Description

功率开关管过流检测和过流保护电路
技术领域
本发明涉及一种功率开关管过流检测和过流保护电路。
背景技术
开关放大器、开关电源、电荷泵利用功率MOS管开关的导通和关断来实现信号和能量的高效率转换，具有越来越广泛的用途。这种功率MOS管开关在导通时通常有较大的电流流过，如果电流超过了该功率MOS管开关的承受极限，该功率MOS管开关可能会发生永久性损坏。因此，为了保证器件的可靠性，必须对流过功率MOS管开关的电流进行连续检测，并且能够在电流过大时对功率MOS管开关进行保护。
关于对流过功率MOS管开关的电流的检测，目前使用最为广泛的方法如图1所示，其核心思想由美国专利US4553019提出。在图1中，P型功率MOS管开关1和采样MOS管2的栅端7和漏端8各自相连，采样MOS管2的源端10通过一个电阻值为RS1的采样电阻3连接到电源VDD，功率MOS管开关1的源端直接连接到电源电压VDD。功率MOS管开关1和采样MOS管2的尺寸比例为N∶1。采样MOS管2和采样电阻3的公共端10连到一个比较器6的负向输入端，电流值为IREF1的电流源5与电阻值为RREF1的电阻4的公共端11上产生参考电压VREF1，这个电压加到比较器6的正向输入端。当流过功率MOS管开关1的电流较小时，流过采样MOS管2的电流也较小，比较器6负向输入端的电压VS1高于正向输入端的电压VREF1，因此比较器6输出低电平。当流过功率MOS管开关1的电流较高时，流过采样MOS管2的电流也较高，导致VS1下降；当比较器6负向输入端的电压VS1低于正向输入端的电压VREF1时，比较器6输出高电平，表示功率MOS管开关发生过流。这种实现方法的缺点是，由于存在采样电阻3，使得功率MOS管开关1和采样MOS管2的源端电压不一致，导致流过采样MOS管2的电流与流过功率MOS管开关1的电流不成线性关系，因此它不是真正的等比例采样电流；采样的实际上是功率MOS管开关1漏端8上的电压，并把这个电压与参考电压VREF1比较，通过MOS管线性区电流公式估算出流过功率MOS管开关1的电流。美国专利US5670227阐述了上述原理。这样带来的问题是，RREF1和IREF1绝对值的偏差、MOS管的工艺偏差、以及MOS管线性区电流公式的精确性都会带来对流过功率MOS管开关的电流的相当大的检测误差。最重要的是，检测到的电压VS1与流过功率MOS管开关1的电流不是线性关系，因此无法用程序对VS1进行修正从而精确调整功率MOS管开关1的过流点。同样的问题存在于美国专利US6479975和US7403365。过大的检测误差会引起设计上的难以把握，如果将过流检测点设定得过低，会导致在较大负载时的过早保护，如音频放大器输出较大音量时会自动关机；如果将过流检测点设定的过高，又会导致保护失效，致使器件损坏。因此，可靠的功率MOS管开关过流保护装置需要具备更高精度、更高可控性的过流检测方法。
关于对功率MOS管开关检测到过流后的保护措施，通常采用关断功率MOS管开关的方法，使流过功率MOS管开关的大电流立即消失。这种方法对于短路等故障有比较好的保护效果，但对于***中可能发生的瞬时过载情况不利。当瞬时过载发生时，一个短暂的过流信号就会触发保护机制，切断功率MOS管开关，使***停止工作。一种改进的方法是加入自恢复装置，其原理是延时一定时间后再次打开功率MOS管开关，检测过流状况是否消失。然而，即使加入了自恢复手段，功率MOS管依然存在中断输出的状态，这种刚性的保护方法会严重影响一些对连续性要求较高的***的正常工作。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高精度的功率开关管过流检测和过流保护电路。
为了达到上述目的及其他目的，本发明提供的功率开关管过流检测和过流保护电路包括：过流检测电路和连接在所述过流检测电路输出端的过流保护电路。
过流检测电路包括：栅、源端分别与待检测的功率开关管的栅、源端相连接的采样管；包含放大器的负反馈电路，其中，所述采样管和待检测的功率开关管的漏端分别连接在所述放大器的两输入端，用于将接入的两漏端电压差放大后反馈回所述采样管以使所述采样管的漏端电压与所述待检测的功率开关管的漏端电压趋于一致；用于接入流经所述采样管的电流的采样电阻；以及与所述采样电阻相连接，以便将所述采样电阻的电压或电流与接入的过流参考电压或电流进行比较以便判断所述待检测的功率开关管是否过流的比较器；
较佳的，所述采样电阻可为数位可调电阻；由此，功率开关管过流检测电路还可包括一与所述数位可调电阻相连接且用于调节电阻的可编程控制器。
过流保护电路包括：连接在过流检测电路输出端且用于接收并锁存检测到的过流信号的锁存器；包括电流源的功率开关管驱动电路，其与待检测的功率开关管及所述检测的功率开关管的使能端相连接，用于根据所述使能端接入的控制信号，以一确定电流对所述待检测的功率开关管的栅端进行充电或放电；以及带开关的镜像电流管电路，其中，所述开关连接在所述锁存器的输出端，以便根据所述锁存器输出的控制信号进行开闭，而当所述开关闭合时，所述镜像电流管电路采样所述功率开关管驱动电路的确定电流，并镜像成流过所述待检测的功率开关管的电流，以实现对所述待检测的功率开关管的限流保护。
较佳的，当功率开关管为P型MOS管时，所述锁存器包括：将所述使能端接入的信号反相的第一反相器、复位端连接在所述第一反相器输出端、时钟输入端与所述比较器的输出端相连接、信号输入端接高电平的D触发器、和将D触发器输出信号反相后作为所述开关的控制信号的第二反相器。
较佳的，所述功率开关管驱动电路包括：电流确定的第一电流源和第二电流源、受所述使能端接入的信号控制以使所述第一电流源向所述待检测的功率开关管的栅端充电的第一受控开关、及受所述使能端接入的信号控制以使所述待检测的功率开关管的栅端通过所述第二电流源放电的第二受控开关。
综上所述，本发明的功率开关管过流检测和过流保护电路通过负反馈技术使采样管的漏端电压和功率开关管的漏端电压趋于一致，由此可提高过流检测的精度，而在检测到过流的同时，采用镜像电流来对功率管进行限流，可有效实现过流保护。
附图说明
图1为现有技术的P型功率MOS管开关的过流检测电路的电路图。
图2为本发明的P型功率开关管过流检测和过流保护电路的电路示意图。
图3为本发明的P型功率开关管过流检测电路的电路原理图。
图4为本发明的P型功率开关管过流检测电路的电路示意图。
图5为本发明的P型功率开关管过流保护电路的电路示意图。
图6为本发明的N型功率开关管过流检测和过流保护电路的电路示意图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明的功率开关管过流检测和过流保护电路进行详细描述。
实施例一：在本实施例中，功率开关管P型MOS管。
请参阅图2，本发明的功率开关管过流检测和过流保护电路至少包括：过流检测电路和连接在所述过流检测电路输出端的过流保护电路。
如图3所示，其为所述过流检测电路的示意图。采样MOS管14的栅端25和源端(VDD)分别与P型功率MOS管开关13的栅端和源端相连。功率MOS管开关13的漏端27和采样MOS管14的漏端28分别连接到放大器18的两个输入端。放大器18的输出端通过负反馈控制器19反馈到采样MOS管14的漏端28，负反馈的“虚短”效应会使采样MOS管14的漏端电压和功率MOS管开关13的漏端电压接近一致。此时由于采样MOS管14和功率MOS管开关13的三端电压都接近一致，根据MOS管的线性区电流公式可以得出：流过采样MOS管14的电流与流过功率MOS管开关13的电流成线性关系，它们的比值接近于采样MOS管14与功率MOS管开关13的尺寸之比(在图中设为1/N)。流过采样MOS管14的电流IS2流入电阻值为RS2的采样电阻21，并在采样电阻21上形成大小为IS2*RS2的电压VS2。电流值为IREF2的电流源23与电阻值为RREF2的电阻22形成大小为IREF2*RREF2的电压VREF2。这两个电压分别输入比较器24的两个输入端30和31。比较器24的输出端32上产生过流检测信号。当流过采样MOS管14的电流IS2大于IREF2*RREF2/RS2时，比较器24的输出端32上的电平发生翻转，显示发生过流，此时流过功率MOS管开关13的电流为N*IREF2*RREF2/RS2。通过上式可以看出，功率MOS管开关13的过流点电流与电阻的绝对值无关，因此当集成电路版图上电阻RREF2和RS2的匹配良好时，可以设定非常准确的过流点。同时，因为检测到的电压VS2与流过功率MOS管开关13的电流是线性关系，因此可以用程序对VS2进行修正从而精确调整功率MOS管开关13的过流点。为了便于实现，可以将采样电阻21设置成数位可调电阻，用可编程控制器20222通过程序对采样电阻21的电阻值RS2进行数字化调整，从而对功率MOS管开关13的过流点进行数字化调整。
有多种实施方式可以实现上述技术方案中采用的负反馈控制器，以达到使采样MOS管的漏端电压和功率MOS管开关的漏端电压接近一致的目的。图4给出了一种本发明优选的P型功率MOS管开关的可编程过流检测装置技术方案中采用的负反馈控制器的具体电路。参照图4所示，P型功率MOS管开关13的漏端连接到放大器18的正向输入端27。放大器18的反向输入端28和P型采样MOS管14的漏端相连。放大器18的输出端29连到P型MOS管19的栅端。在图4所示的具体实施方式中，P型MOS管19作为负反馈控制器，它的源端反馈到放大器18的反向输入端28。P型MOS管19的漏端30连到采样电阻21的一端，使流过采样MOS管14的电流通过P型MOS管19全部流入采样电阻21。假设放大器18的正向输入端27上的电压高于反向输入端28上的电压，且放大器18的放大倍数足够大，则放大器18的输出端29上的电压变高，使流过P型MOS管19的电流变小，从而使放大器18的反向输入端28上的电压升高直至接近正向输入端27上的电压。假设放大器18的反向输入端28上的电压高于正向输入端27上的电压，且放大器18的放大倍数足够大，则放大器18的输出端29上的电压变小，使流过P型MOS管19的电流变大，从而使放大器18的反向输入端28上的电压降低直至接近正向输入端27上的电压。因此，该负反馈回路会使放大器18正向输入端27上的电压和反向输入端28上的电压趋近于一致，从而使采样MOS管14的漏端电压和功率MOS管开关13的漏端电压趋近于一致。
如图5所示，其为所述过流保护电路示意图。电流值为IP的电流源66和67的公共端连到P型功率MOS管开关13的栅端25。电流源66的一端通过P型MOS管56连到电源电位(VDD)。电流源67的一端通过N型MOS管57连到地。P型功率MOS管开关的使能端55分别连到MOS管56和57栅端。66、67、56、57共同组成P型功率MOS管开关驱动电路。当P型功率MOS管开关的使能端55输入高电平时，P型MOS管56截止，N型MOS管57导通，电流源67给P型功率MOS管开关13的栅端25放电直至地电位，从而使P型功率MOS管开关13导通。当P型功率MOS管开关的使能端55输入低电平时，P型MOS管56导通，N型MOS管57截止，电流源66给P型功率MOS管开关13的栅端25充电直至电源电位，从而使P型功率MOS管开关13截止。P型功率MOS管开关的使能端55通过反向器58连到D触发器(作为锁存器)60的复位(Reset)端59。D触发器60的时钟(Clk)端32接收来自过流检测电路的过流信号。D触发器60的数据(D)端61连接到电源电位。当D触发器60的复位端59上出现高电平时，D触发器60的输出(Q)端61上输出低电平。当D触发器60的复位端59上出现低电平，且D触发器60的时钟端32上出现上升沿时，D触发器60的输出端62上输出高电平；当D触发器60的复位端59上出现低电平，且D触发器60的时钟端32上没有出现上升沿时，D触发器60的输出端62上的电平保持不变。P型镜像电流管65的栅端和漏端相连，并与P型功率MOS管开关13的栅端25相连。P型MOS管64的一端与P型镜像电流管65的源端相连，另一端与电源电位相连。D触发器60的输出端62通过反向器连到P型MOS管64的栅端63。当P型功率MOS管开关的使能端55输入低电平时，P型功率MOS管开关13截止，此时D触发器60的复位端59上出现高电平，D触发器60的输出端62上输出低电平，从而使P型MOS管64栅端63上为高电平，P型MOS管64截止，因此P型镜像电流管65不发生作用。综上，在P型功率MOS管开关13截止时，P型镜像电流管65不发生作用。当P型功率MOS管开关的使能端55输入高电平时，P型功率MOS管开关13导通，此时D触发器60的复位端59上出现低电平。当过流发生时，D触发器60的时钟端32上出现上升沿，D触发器60的输出端62上输出高电平，使P型MOS管64栅端63上变为低电平，P型MOS管64导通，从而使电流源67的电流IP流过P型镜像电流管65，限制了P型功率MOS管开关13的栅端25上电压的进一步下降，因而限制了流过P型功率MOS管开关13的电流的进一步增加。根据镜像电流关系，流过P型功率MOS管开关13的电流与流过P型镜像电流管65的电流之比接近于P型功率MOS管开关13与P型镜像电流管65的尺寸之比(在图中设为M/1)。综上，在P型功率MOS管开关13导通时，一旦检测到过流，流过P型功率MOS管开关13的电流会始终被限制在M*IP，直到P型功率MOS管开关的使能端55输入低电平将D触发器60复位。
实施例二：
本实施例和实施例一不同在于功率开关管为N型MOS管。
如图6所示，功率开关管过流检测和过流保护电路包括：过流检测电路和连接在所述过流检测电路输出端的过流保护电路。
其中，过流检测电路包括：采样管35、负反馈电路、采样电阻42和比较器45。采样管35的栅、源端分别与功率开关管34的栅、源端相连接；负反馈电路包含放大器39和负反馈控制器(即N型MOS管)40，所述采样管35和功率开关管34的漏端分别连接在所述放大器39的输入端48和47，N型MOS管40的栅端连接放大器39的输出端、源端和采样管35的漏端连接、漏端和采样电阻42的一端连接；采样电阻42的另一端连接电源VDD，其阻值为Rs3，其也可以是数位可调电阻，由可编程控制器202来控制其阻值；比较器45的反相输入端40和采样电阻42连接，正相输入端连接在参考电阻43和电流源44的公共端51与所述采样电阻相连接。
过流保护电路包括：锁存器、功率开关管驱动电路、和带开关的镜像电流管电路。所述锁存器即D触发器75，D触发器75的复位端74连接在功率开关管的使能端69、时钟输入端Clk与所述比较器45的输出端52相连接、信号输入端76接高电平(即VDD)；功率开关管驱动电路中P型MOS管70(即第一受控开关)的栅端接使能端69、漏端接电源、源端和电流源72连接；电流源72的另一端53连接功率开关管的栅端53；电流源73的一端连接功率开关管的栅端53，另一端连接N型MOS管71(即第二受控开关)的漏端；N型MOS管71的栅端连接使能端69、源端接地(即GND)；带开关的镜像电流管电路中的开关78的栅端接D触发器75的输出端77、源端接地、漏端接N型镜像电流管79的源端；N型镜像电流管79的漏端、栅端都与采样管35和功率开关管34的公共栅端53连接。
上述电路的工作原理和实施例一类似，故在此不再详述。
综上所述，本发明的功率开关管过流检测和过流保护电路通过负反馈技术使采样管的漏端电压和功率开关管的漏端电压趋于一致，由此可实现过流检测的高精度性，而在检测出过流状态同时，通过镜像电流来限制流过功率开关管的电流，由此可实现对功率开关管的过流保护。
上述实施例仅列示性说明本发明的原理及功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此项技术的人员均可在不违背本发明的精神及范围下，对上述实施例进行修改。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims (11)

1.一种功率开关管过流检测和过流保护电路，其特征在于包括：过流检测电路和连接在所述过流检测电路输出端的过流保护电路，其中，
所述过流检测电路包括：
栅、源端分别与待检测的功率开关管的栅、源端相连接的采样管；
包含放大器的负反馈电路，所述采样管和待检测的功率开关管的漏端分别连接在所述放大器的两输入端，用于将接入的两漏端电压差放大后反馈回所述采样管以使所述采样管的漏端电压与所述待检测的功率开关管的漏端电压趋于一致；
采样电阻，用于接入流经所述采样管的电流；和
比较器，与所述采样电阻相连接，以便将所述采样电阻的电压或电流与接入的过流参考电压或电流进行比较以便判断所述待检测的功率开关管是否过流；
所述过流保护电路包括：
锁存器，连接在所述比较器的输出端，用于接收并锁存检测到的过流信号；
包括电流源的功率开关管驱动电路，与所述待检测的功率开关管及所述检测的功率开关管的使能端相连接，用于根据所述使能端接入的控制信号，以一确定电流对所述待检测的功率开关管的栅端进行充电或放电；和
带开关的镜像电流管电路，所述开关连接在所述锁存器的输出端，以便根据所述锁存器输出的控制信号进行开闭，而当所述开关闭合时，所述镜像电流管电路采样所述功率开关管驱动电路的确定电流，并镜像成流过所述待检测的功率开关管的电流，以实现对所述待检测的功率开关管的限流保护。
2.如权利要求1所述的功率开关管过流检测和过流保护电路，其特征在于：所述采样电阻为数位可调电阻。
3.如权利要求2所述的功率开关管过流检测和过流保护电路，其特征在于还包括：与所述数位可调电阻相连接且用于调节电阻的可编程控制器。
4.如权利要求1所述的功率开关管过流检测和过流保护电路，其特征在于：当功率开关管为P型MOS管时，所述锁存器包括：将所述使能端接入的信号反相的第一反相器、复位端连接在所述第一反相器输出端、时钟输入端与所述比较器的输出端相连接、信号输入端接高电平的D触发器、和将D触发器输出信号反相后作为所述开关的控制信号的第二反相器。
5.如权利要求1所述的功率开关管过流检测和过流保护电路，其特征在于：所述功率开关管驱动电路包括：电流确定的第一电流源和第二电流源、受所述使能端接入的信号控制以使所述第一电流源向所述待检测的功率开关管的栅端充电的第一受控开关、及受所述使能端接入的信号控制以使所述待检测的功率开关管的栅端通过所述第二电流源放电的第二受控开关。
6.一种功率开关管过流检测电路，其特征在于包括：
栅、源端分别与待检测的功率开关管的栅、源端相连接的采样管；
包含放大器的负反馈电路，所述采样管和待检测的功率开关管的漏端分别连接在所述放大器的两输入端，用于将接入的两漏端电压差放大后反馈回所述采样管以使所述采样管的漏端电压与所述待检测的功率开关管的漏端电压趋于一致；
采样电阻，用于接入流经所述采样管的电流；和
比较器，与所述采样电阻相连接，以便将所述采样电阻的电压或电流与接入的过流参考电压或电流进行比较以便判断所述待检测的功率开关管是否过流。
7.如权利要求6所述的功率开关管过流检测电路，其特征在于：所述采样电阻为数位可调电阻。
8.如权利要求7所述的功率开关管过流检测电路，其特征在于还包括：与所述数位可调电阻相连接且用于调节电阻的可编程控制器。
9.一种功率开关管过流保护电路，其特征在于包括：
锁存器，连接在待检测的功率开关管的过流检测电路的输出端，用于接收并锁存检测到的过流信号；
包括电流源的功率开关管驱动电路，与所述待检测的功率开关管及所述检测的功率开关管的使能端相连接，用于根据所述使能端接入的控制信号，以一确定电流对所述待检测的功率开关管的栅端进行充电或放电；和
带开关的镜像电流管电路，所述开关连接在所述锁存器的输出端，以便根据所述锁存器输出的控制信号进行开闭，而当所述开关闭合时，所述镜像电流管电路采样所述功率开关管驱动电路的确定电流，并镜像成流过所述待检测的功率开关管的电流，以实现对所述待检测的功率开关管的限流保护。
10.如权利要求9所述的功率开关管过流保护电路，其特征在于：当功率开关管为P型MOS管时，所述锁存器包括：将所述使能端接入的信号反相的第一反相器、复位端连接在所述第一反相器输出端、时钟输入端与比较器的输出端相连接、信号输入端接高电平的D触发器、和将D触发器输出信号反相后作为所述开关的控制信号的第二反相器。
11.如权利要求9所述的功率开关管过流保护电路，其特征在于：所述功率开关管驱动电路包括：电流确定的第一电流源和第二电流源、受所述使能端接入的信号控制以使所述第一电流源向所述待检测的功率开关管的栅端充电的第一受控开关、及受所述使能端接入的信号控制以使所述待检测的功率开关管的栅端通过所述第二电流源放电的第二受控开关。
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