CN103346537A

CN103346537A - 短路保护结构

Info

Publication number: CN103346537A
Application number: CN2013102307005A
Authority: CN
Inventors: 陶平; 李海松; 庄华龙; 易扬波
Original assignee: Suzhou Poweron IC Design Co Ltd
Current assignee: Suzhou Poweron IC Design Co Ltd
Priority date: 2013-06-09
Filing date: 2013-06-09
Publication date: 2013-10-09
Also published as: US20140362488A1

Abstract

本发明涉及短路保护结构，包括第一晶体管、第二晶体管、控制电路、第一晶体管电流采样电阻和第二晶体管电流采样电阻，控制电路控制第一晶体管和第二晶体管的开关时间长度及占空比，第一晶体管的漏端连接第二晶体管的漏端，第一晶体管的源端接一采样电阻，第二晶体管的源端接另一采样电阻，第一晶体管的栅端连接第二晶体管的栅端并与控制电路的驱动级连接，第一晶体管和第二晶体管均为高压晶体管，第二晶体管的尺寸小于第一晶体管尺寸，第二晶体管采样第一晶体管的电流。该结构在电源***中能够有效保护输出级晶体管，避免由于电流采样电阻短路造成的芯片或***元器件损坏。

Description

短路保护结构

技术领域

本发明涉及适合于电源管理集成电路的短路保护结构，属于功率半导体技术领域。

背景技术

传统开关电源芯片结构如图1所示，由控制电路1和输出级晶体管2组成。控制电路1采样电阻Rs1上的电压Vs1，以及***级反馈Vfb，通过内部环路算法控制输出级晶体管2开通时间长度以及占空比，最终实现***稳定的电压电流输出。无论输出级晶体管2与控制电路1集成或不集成在一芯片中，采样电阻Rs1通常是不与芯片集成到一起的，这样能够实现更稳定的采样电流，因为芯片外置电阻的温度特性和生产批次稳定性要明显优于内置电阻。然而当采样电阻Rs1不与控制电路1或输出级晶体管2集成在一起时，实际生产过程中引入的采样电阻Rs1的短路问题就变得不可避免，短路的原因可能是焊锡连条、电阻损坏、PCB连条、芯片管脚短路等。

当Rs1短路后，阻值变得非常小，Vs1无法达到内部比较器基准电压Vref1，控制电路对输出级晶体管过流保护(OCP)失效，输出级晶体管将会以最大占空比工作，并且晶体管会工作在饱和区(高Vds和大Ids)，超出自身安全工作区范围，最终造成输出级晶体管损坏，严重时会造成整个***损坏。采样电阻短路时传统无短路保护电路波形如图2所示。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种高可靠性、***成本低的开关电源用短路保护结构，避免输出级功率管电流采样电阻短路时损坏***或芯片。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

短路保护结构，特点是：包括第一晶体管、第二晶体管、控制电路、第一晶体管电流采样电阻和第二晶体管电流采样电阻，其中控制电路控制第一晶体管和第二晶体管的开关时间长度及占空比，第二晶体管采样第一晶体管的电流，所述第一晶体管的漏端连接第二晶体管的漏端，所述第一晶体管的源端接一采样电阻，所述第二晶体管的源端接另一采样电阻，所述第一晶体管的栅端连接第二晶体管的栅端并与控制电路的驱动级连接，所述第一晶体管和第二晶体管均为高压晶体管，第二晶体管的尺寸小于第一晶体管尺寸。

进一步地，上述的短路保护结构，所述第二晶体管及第二晶体管电流采样电阻与控制电路相集成。

更进一步地，上述的短路保护结构，所述第一晶体管电流采样电阻与控制电路相独立。

更进一步地，上述的短路保护结构，所述第一晶体管与控制电路相集成，第一晶体管为纵向高压晶体管或横向高压晶体管。

更进一步地，上述的短路保护结构，所述第一晶体管与控制电路相集成，第一晶体管为纵向高压晶体管，第一晶体管与第二晶体管集成在同一硅片上，其结构相同以得到固定的K因子。

更进一步地，上述的短路保护结构，所述第一晶体管与第二晶体管之间设有隔离结构。

更进一步地，上述的短路保护结构，所述第一晶体管与控制电路相集成，第一晶体管为横向高压晶体管，第一晶体管与第二晶体管集成在同一硅片上，其结构相同以得到固定的K因子。

再进一步地，上述的短路保护结构，所述第一晶体管与控制电路相独立，第一晶体管为纵向高压晶体管或横向高压晶体管。

再进一步地，上述的短路保护结构，所述第一晶体管与控制电路相独立，第一晶体管为纵向高压晶体管，第二晶体管为横向耐压结构。

再进一步地，上述的短路保护结构，所述第一晶体管与控制电路相独立，第一晶体管为横向高压晶体管，第二晶体管为横向耐压结构。

本发明技术方案突出的实质性特点和显著的进步主要体现在：

①在电源***中能够有效保护输出级晶体管，避免由于电流采样电阻短路造成的芯片或***元器件损坏；输出级晶体管电流采样电阻短路后，采样晶体管电流采样电阻上会检测到短路信号，使芯片锁死，同时由于采样晶体管电流采样电阻集成在芯片内部，不会发生短路；这样最终实现对AC-DC芯片的采样电阻短路保护功能，从而提升芯片的可靠性，降低芯片***失效率；

②采用该技术的电源芯片生产失效率低，产品可靠性显著提高；

③保护结构简洁，采用该技术的电源芯片用于电源***，不需要增加额外的***元器件，既可实现采样电阻短路保护，成本优势明显。

附图说明

下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明：

图1：背景技术开关电源芯片的结构示意图；

图2：背景技术采样电阻短路时无短路保护波形图；

图3：是本发明短路保护结构的示意图；

图4：本发明短路保护结构正常工作时波形图；

图5：本发明短路保护结构短路工作时波形图；

图6：与控制电路集成的纵向晶体管结构示意图；

图7：与控制电路集成的纵向晶体管剖面示意图；

图8：与控制电路集成的横向晶体管结构示意图；

图9：与控制电路集成的横向采样晶体管示意图。

具体实施方式

如图3所示，短路保护电路结构包括一个输出级晶体管2(M1)，及其电流采样电阻(Rs1)；一个尺寸远小于输出级晶体管2的采样晶体管3(M2)，及其电流采样电阻(Rs2)；一个控制电路1。其中，输出级晶体管2(M1)作为电路输出级功率开关，控制电路1控制输出级晶体管2和采样晶体管3的开关时间长度及占空比，输出级晶体管2的漏端连接采样晶体管3的漏端，输出级晶体管2的源端接一采样电阻(Rs1)，采样晶体管3的源端接另一采样电阻(Rs2)，输出级晶体管2的栅端连接采样晶体管3的栅端并与控制电路1的驱动级连接，输出级晶体管2和采样晶体管3均为高压晶体管，采样晶体管3的尺寸小于输出级晶体管2尺寸，采样晶体管3采样输出级晶体管2的电流。采样晶体管3与输出级晶体管2的尺寸比例和控制电路采样电阻值共同决定所述短路保护结构的电流阈值。

其中采样晶体管3、采样晶体管电流采样电阻(Rs2)和控制电路1集成在一个芯片中；输出级晶体管2(M1)即可以集成在芯片中，也可以作为分立器件独立在芯片外部；输出级晶体管电流采样电阻(Rs1)不与其他结构集成，独立在芯片外部。

当输出级晶体管电流采样电阻(Rs1)短路后，采样晶体管电流采样电阻(Rs2)上会检测到短路信号，使芯片锁死，同时由于采样晶体管电流采样电阻(Rs2)集成在芯片内部，不会发生短路。这样最终实现对AC-DC芯片的采样电阻短路保护功能，从而提升芯片的可靠性，降低芯片***失效率。

当Gate输出高电平，输出级晶体管2(M1)和采样晶体管3(M2)同时打开，IdsM1流过输出级晶体管2(M1)，IdsM2流过采样晶体管3(M2)，此时流过Drain端的总电流Idrain＝IdsM1+IdsM2，芯片内部通过晶体管设计使IdsM1＝K×IdsM2，由于采样晶体管3(M2)的尺寸远小于输出级晶体管2(M1)，所以K远大于1，此时Idrain≈IdsM1。Drain端电流在电感负载作用下，以近似固定斜率变化。电流斜率：

\frac{{dI}_{drain}}{dt} = \frac{V_{IN}}{L}

其中V_IN为ACDC***输入电压，L为源边电感。

在这个过程中，流经输出级晶体管2(M1)的电流IdsM1在输出级晶体管电流采样电阻(Rs1)上分压产生Vs1＝IdsM1×Rs1，流经采样晶体管3(M2)的电流IdsM1在采样晶体管电流采样电阻(Rs2)上分压产生Vs2＝IdsM2×Rs2。Vs1和Vs2反馈回控制电路分别与内部基准电压Vref1和Vref2比较。

当Vs1＝Vref1时，Idmax1≈Vref1/Rs1，芯片进入过流保护状态。

当Vs2＝Vref2时，Idmax2≈K×Vref2/Rs2，芯片进入短路保护状态。

通过设计合适的Vref1、Vref2、Rs1、Rs2和K，使芯片正常工作时Idmax2＞Idmax1。

当***正常时，工作波形如图4所示。当Gate输出高电平，此时Drain端电压拉低，Drain端电流在电感负载作用下，以近似固定斜率增大。由于***设计保证Idmax2＞Idmax1，当Vs1＝Vref1时，Vs2＜Vref2，芯片优先进入过流保护状态，控制电路使Gate输出低电平，此时Drain端电压拉高，Drain端电流降低为“0”。直到下一个开关周期重新使Gate为高电平。

当***中输出级晶体管电流采样电阻(Rs1)短路为“0ohm”或短路为一个较小电阻时，工作波形如图5所示。当Gate输出高电平，此时Drain端电压拉低，Drain端电流在电感负载作用下，以近似固定斜率增大。由于输出级晶体管电流采样电阻(Rs1)短路，当Vs2＝Vref2时，Vs1＜Vref1，芯片进入短路保护状态，控制电路关闭，Gate保持低电平，不再开关输出级功率晶体管，避免输出级功率晶体管由于长时间超安全工作区工作而损坏。

按照第一晶体管和第二晶体管结构及集成方式不同，以下给出三种具体实现方式：

第一种是纵向晶体管与控制芯片集成方案，当集成纵向输出级晶体管时，在纵向输出级晶体管上设计采样晶体管结构，如图6所示。采样晶体管3结构与输出级晶体管2结构相同，以保证采样晶体管3与输出级晶体管2电流因子K为恒定常数。如图7示意了该器件结构的纵向剖面图，采样晶体管3与输出级晶体管2原胞结构相同，中间设置隔离结构4，避免由于两个器件间漏电引起K因子漂移。

第二种是横向晶体管与控制芯片集成方案，当集成横向输出级晶体管时，在横向输出级晶体管上设计采样晶体管3结构，如图8所示。采样晶体管3结构与输出级晶体管2结构相同，以保证采样晶体管3与输出级晶体管2电流因子K为恒定常数。

第三种是输出级晶体管不与控制芯片集成方案，此时输出级晶体管是独立的分立器件，既可以是横向耐压晶体管也可以是纵向耐压晶体管。此时把控制电路与采样晶体管3(M2)和采样晶体管电流采样电阻(Rs2)集成，其中采样晶体管3采用横向结构如图9所示，该结构中仅有采样晶体管3而无输出级晶体管。使用该实现方式，K因子不固定，需要根据***需求调整采样晶体管电流采样电阻(Rs2)阻值或Vref2电压值。

综上所述，本发明在电源***中能够有效保护输出级晶体管，避免由于电流采样电阻短路造成的芯片或***元器件损坏；采用该技术的电源芯片生产失效率低，产品可靠性显著提高；保护结构简洁，采用该技术的电源芯片用于电源***，不需要增加额外的***元器件，既可实现采样电阻短路保护，成本优势明显。

需要理解到的是：以上所述仅是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1. 短路保护结构，其特征在于：包括第一晶体管、第二晶体管、控制电路、第一晶体管电流采样电阻和第二晶体管电流采样电阻，其中控制电路控制第一晶体管和第二晶体管的开关时间长度及占空比，第二晶体管采样第一晶体管的电流，所述第一晶体管的漏端连接第二晶体管的漏端，所述第一晶体管的源端接一采样电阻，所述第二晶体管的源端接另一采样电阻，所述第一晶体管的栅端连接第二晶体管的栅端并与控制电路的驱动级连接，所述第一晶体管和第二晶体管均为高压晶体管，第二晶体管的尺寸小于第一晶体管尺寸。

2.根据权利要求1所述的短路保护结构，其特征在于：所述第二晶体管及第二晶体管电流采样电阻与控制电路相集成。

3.根据权利要求1所述的短路保护结构，其特征在于：所述第一晶体管电流采样电阻与控制电路相独立。

4.根据权利要求1所述的短路保护结构，其特征在于：所述第一晶体管与控制电路相集成，第一晶体管为纵向高压晶体管或横向高压晶体管。

5.根据权利要求1所述的短路保护结构，其特征在于：所述第一晶体管与控制电路相集成，第一晶体管为纵向高压晶体管，第一晶体管与第二晶体管集成在同一硅片上，其结构相同以得到固定的K因子。

6.根据权利要求5所述的短路保护结构，其特征在于：所述第一晶体管与第二晶体管之间设有隔离结构。

7.根据权利要求1所述的短路保护结构，其特征在于：所述第一晶体管与控制电路相集成，第一晶体管为横向高压晶体管，第一晶体管与第二晶体管集成在同一硅片上，其结构相同以得到固定的K因子。

8.根据权利要求1所述的短路保护结构，其特征在于：所述第一晶体管与控制电路相独立，第一晶体管为纵向高压晶体管或横向高压晶体管。

9.根据权利要求1所述的短路保护结构，其特征在于：所述第一晶体管与控制电路相独立，第一晶体管为纵向高压晶体管，第二晶体管为横向耐压结构。

10.根据权利要求1所述的短路保护结构，其特征在于：所述第一晶体管与控制电路相独立，第一晶体管为横向高压晶体管，第二晶体管为横向耐压结构。