CN114594357B - 一种功率管的漏源电压检测电路和开关电路 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种功率管的漏源电压检测电路和开关电路。漏源电压检测电路包括电压采样模块、补偿模块和输出模块，电压采样模块用于采集功率管的漏端电压和源端电压，以获得采样电流，补偿模块用于根据该采样电流获得补偿电流，输出模块根据所述采样电流和补偿电流获得表征功率管的漏源电压的检测电流。补偿模块可对电压检测模块中的晶体管的栅源电压造成的失调进行补偿，从而使得补偿后的检测电流准确表征功率管的漏源电压，有利于提高检测的准确度。
Description
技术领域
本发明涉及集成电路技术领域，更具体地，涉及一种功率管的漏源电压检测电路和开关电路。
背景技术
在电源***中，通过控制开关型功率管，例如通过IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor，绝缘栅双极型晶体管)或者MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金属氧化物半导体场效应晶体管来实现)的导通和关断来实现电能的变换和输出电压的稳定。
由于功率管需要流过很大的电流，其工作环境比较复杂，因此需要很多保护电路对功率管进行保护，所以在许多应用中，通常需要对功率管的漏源电压进行检测，并将其转换为与漏源压差呈线性关系的电流，以使得功率管可以安全的运行和/或用于其他功能。
现有技术采用运放电路对功率管的漏源电压进行检测，而现有的运放电路一方面由于运放自身负载电流的影响，会造成检测电流出现失调，降低检测的精度，另一方面受共模工作范围的限制，当功率管的输出电压较低时，可能导致电路无法正常工作，造成检测失真，从而影响***的整体性能指标。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种功率管的漏源电压检测电路和开关电路，可以更简单的实现对功率管漏源电压的高精度检测，提高了***的整体性能指标。
根据本发明的一方面，提供了一种功率管的漏源电压检测电路，包括：电压采样模块，用于采集所述功率管的漏端电压和源端电压，以获得采样电流；补偿模块，用于根据所述采样电流获得补偿电流；以及输出模块，用于根据所述补偿电流和所述采样电流输出表征所述功率管的漏源电压的检测电流。
可选的，所述漏源电压检测电路还包括：电流镜模块，所述电流镜模块用于根据所述采样电流分别向所述补偿模块和所述输出模块提供第一镜像电流和第二镜像电流。
可选的，所述电压采样模块包括：第一检测电阻，第一端与所述功率管的漏端连接；以及第一晶体管，第一端与所述第一检测电阻的第二端连接，控制端与所述功率管的源端连接，第二端用于输出所述采样电流。
可选的，所述补偿模块包括：第二晶体管，第一端与电源电压连接，第二端接收所述第一镜像电流；第二检测电阻，第一端与所述电源电压连接，第二端与所述第二晶体管的控制端连接；以及第三晶体管，第一端与所述第二检测电阻和所述第二晶体管的公共端连接，控制端与所述第二晶体管的第二端连接，第二端用于输出所述补偿电流。
可选的，所述输出模块包括：第四晶体管，第一端与所述电源电压连接，控制端与第二端连接，接收所述第二镜像电流；以及第五晶体管，第一端与所述电源电压连接，控制端与所述第四晶体管的控制端连接，第二端与所述第三晶体管的第二端连接，其中，所述第五晶体管将所述第二镜像电流与所述补偿电流叠加以输出所述检测电流。
可选的，所述电流镜模块包括：第六晶体管，第一端和控制端连接，以接收所述采样电流，第二端接地；第七晶体管，控制端与所述第六晶体管的控制端连接，第一端用于输出所述第一镜像电流，第二端接地；以及第八晶体管，控制端与所述第六晶体管的控制端连接，第一端用于输出所述第二镜像电流，第二端接地。
可选的，所述第一检测电阻和所述第二检测电阻的阻值相等，所述第一晶体管和所述第二晶体管选自相同尺寸的晶体管。
可选的，所述第一晶体管、所述第二晶体管、所述第三晶体管、所述第四晶体管、所述第五晶体管分别选自P型金属氧化物半导体场效应晶体管
可选的，所述第六晶体管、所述第七晶体管、所述第八晶体管分别选自N型金属氧化物半导体场效应晶体管。
根据本发明的另一方面，提供了一种开关电路，包括上述的功率管的漏源电压检测电路。
本发明实施例的功率管的漏源电压检测电路和开关电路具有以下的有益效果。
漏源电压检测电路包括电压采样模块、补偿模块和输出模块，电压采样模块用于采集功率管的漏端电压和源端电压，以获得采样电流，补偿模块用于根据该采样电流获得补偿电流，输出模块根据所述采样电流和补偿电流获得表征功率管的漏源电压的检测电流。本发明实施例的补偿模块可对电压检测模块中的晶体管的栅源电压造成的失调进行补偿，从而使得补偿后的检测电流准确表征功率管的漏源电压，有利于提高检测的准确度。进一步的，与现有的检测电路相比，本发明的漏源电压检测电路仅采用单个晶体管进行检测，简化了检测电路的结构，降低了电路成本。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1示出了一种传统的功率管的漏源电压检测电路的示意性电路图；
图2示出了根据本发明实施例的一种功率管的漏源电压检测电路的示意性电路图。
具体实施方式
以下将参照附图更详细地描述本发明的各种实施例。在各个附图中，相同的元件采用相同或类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。
应当理解，在以下的描述中，“电路”可包括单个或多个组合的硬件电路、可编程电路、状态机电路和/或能存储由可编程电路执行的指令的元件。当称元件或电路“连接到”另一元件或称元件/电路“连接在”两个节点之间时，它可以直接耦合或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。相反，当称元件“直接耦合到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1示出了一种传统的功率管的漏源电压检测电路的示意性电路图。如图1所示，待测功率管P1的漏端和源端分别与输入电压Vin和输出电压Vout连接，漏源电压检测电路100包括电阻R1和R2、晶体管MP1至MP3以及晶体管MN1和MN2。电阻R1、晶体管MP1和晶体管MN1依次连接于待测功率管P1的漏端和地之间，电阻R2、晶体管MP2和晶体管MN2依次连接于待测功率管P1的源端和地之间。其中，晶体管MP1和晶体管MP2的尺寸比例为1:1，晶体管MP1和晶体管MP2为共栅连接，晶体管MN1和晶体管MN2为共栅-共源连接，且二者的栅端都与偏置电压Vbias连接。晶体管MP3的栅端与晶体管MP2和晶体管MN2之间的节点B连接，源端与电阻R1和晶体管MP1之间的节点A连接。
当漏源电压检测电路100正常工作时，晶体管MP1和晶体管MP2分别用于检测输入电压Vin和输出电压Vout，并将二者的电压差转换成电流，从而得到检测电流Isen。其中，流过晶体管MP1和晶体管MP2的电流相等，且流过晶体管MP1和晶体管MP2的电流等于晶体管MN1和晶体管MN2提供的镜像电流Ia，即：
IMP1＝IMP2＝Ia 公式1
通过晶体管MP3的负反馈连接，使得晶体管MP1和晶体管MP2的源端电压相等，即晶体管MP2的源级电压等于：
V1＝Vout-Ia×R2＝VA 公式2
其中，V1表示晶体管MP2的源端电压，Ia表示晶体管MN1和MN2提供的镜像电流，VA表示节点A的电压。
又因为流过电阻R1的电流为：
IR1＝(Vin-VA)/R1 公式3
假设电阻R1和电阻R2的阻值(即R1＝R2＝R)相等，则结合公式2和公式3可以得到流过R1的电流为：
IR1＝(Vin-Vout+Ia×R2)/R1＝(Vin-Vout)/R+Ia 公式4
又因为流过晶体管MP3的电流等于：
IMP3＝IR1-IMP1 公式5
结合公式1和公式4可以得到，流过晶体管MP3的电流，即检测电流Isen为：
Isen＝(Vin-Vout)/R 公式6
但是要使得漏源电源检测电路100正常工作，需要电路中的所有晶体管都工作在饱和区，当输出电压Vout电压低于晶体管MP2和晶体管MN1的漏源饱和电压之和时，晶体管MN2将工作在线性区，随着输出电压Vout的继续减小，晶体管MN2的漏电压减小至0，晶体管MP2截止，此时检测电流Isen等于：
Isen＝(Vin-VGS)/R 公式7
其中，VGS表示晶体管MP3的栅源电压。由上述可知，现有技术的漏源电压检测电路100受共模工作范围的限制，当输出电压Vout较低时，可能导致电路无法正常工作，降低漏源电压检测的精度，从而影响***的整体性能指标。
本发明实施例提供了一种结构简单的漏源电压检测电路，采用单个晶体管进行检测，简化了检测电路的结构，降低了电路成本。同时，本发明实施例的漏源电压检测电路中还包括补偿模块，补偿模块用于对检测晶体管的栅源电压造成的失调进行补偿，有利于提高检测的精度。
图2示出了根据本发明实施例的一种功率管的漏源电压检测电路的示意性电路图。在图2中，功率管P1为芯片的主要输出管，连接在输入端和输出端之间。功率管P1例如选自N型MOSFET，其漏端与芯片的输入端连接以接收输入电压Vin，源端与芯片的输出端连接以向后级电路提供输出电压Vout。栅极驱动信号Vgate用于控制功率管P1的导通和关断，以控制芯片输入端至芯片输出端之间的电能传输。
其中，漏源电压检测电路200包括电压检测模块210、电流镜模块220、补偿模块230和输出模块240。
其中，电压检测模块210与功率管P1的漏端和源端连接，用于分别采集功率管的漏端电压和源端电压，以获得采样电流Is1。电流镜模块220用于根据采样电流Is1生成第一镜像电流Is2和第二镜像电流Is3。补偿模块230用于根据与采样电流Is1相关的第一镜像电流Is2获得补偿电流Icom。输出模块240用于将所述补偿电流Icom和与采样电流Is1相关的第二镜像电流Is3叠加以获得表征功率管P1的漏源电压的检测电流Isen。
进一步的，电压检测模块210包括检测电阻Rs1和晶体管MP1。检测电阻Rs1的第一端与功率管P1的漏端连接，第二端与晶体管MP1的第一端连接，晶体管MP1的控制端与功率管P1的源端连接，第二端用于输出所述采样电流Is1。
电流镜模块220包括晶体管MN1-MN3。晶体管MN1的第一端与晶体管MP1的第二端连接以接收所述采样电流Is1，第二端接地。晶体管MN2的控制端与晶体管MN1的控制端连接，第一端用于输出所述第一镜像电流Is2，第二端接地。晶体管MN3的控制端与晶体管MN1的控制端连接，第一端用于输出所述第二镜像电流Is3，第二端接地。晶体管MN1-MN3构成电流镜，从而将采样电流Is1等比例镜像得到第一镜像电流Is2和第二镜像电流Is3。
补偿模块230包括晶体管MP2、晶体管MP3以及检测电阻Rs2。晶体管MP2的第一端与电源电压VDD连接，第二端与晶体管MN2的第一端连接以接收第一镜像电流Is2，检测电阻Rs2的第一端与电源电压VDD连接，第二端与晶体管MP2的控制端连接，晶体管MP3的第一端与检测电阻Rs2和晶体管MP2的公共端连接，控制端与晶体管MP2的第二端连接，第二端用于输出所述补偿电流Icom。
输出模块240包括晶体管MP4和MP5，晶体管MP4的第一端与电源电压VDD连接，控制端和第二端与晶体管MN3的第一端连接以接收第二镜像电流Is3，晶体管MP5的第一端与电源电压VDD连接，控制端与晶体管MP4的控制端连接，第二端与晶体管MP3的第二端连接。晶体管MP4和MP5构成电流镜，从而可将第二镜像电流Is3等比例镜像出，并与补偿电流Icom叠加以获得检测电流Isen。
下面结合图2对本发明实施例的漏源电压检测电路的工作原理进行详细的说明。
晶体管MP1和检测电阻Rs1对功率管P1进行采样，并将检测的电压转换成采样电流Is1：
Is1＝(Vin-Vout-VGS1)/Rs1 公式8
其中，VGS1表示晶体管MP1的栅源电压，Rs1表示检测电阻Rs1的阻值。又因为晶体管MP2、晶体管MP3以及检测电阻Rs2构成局部负反馈结构，所以补偿电流Icom为：
Icom＝VGS2/Rs2 公式9
其中，VGS2表示晶体管MP2的栅源电压，Rs2表示检测电阻Rs2的阻值。又因为晶体管MN1-MN3构成电流镜，并将采样电流Is1等比例镜像得到第一镜像电流Is2和第二镜像电流Is3，即：
Is1＝Is2＝Is3 公式10
又因为晶体管MP5将第二镜像电流Is3和补偿电流Icom叠加得到检测电流Isen，即：
Isen＝Icom+Is3 公式11
结合公式8-公式11可得到，检测电流Isen为：
Isen＝(Vin-Vout-VGS1)/Rs1+VGS2/Rs2 公式12
又因为晶体管MP1和MP2采用相同类型且尺寸相等的晶体管，二者流过的电流相等，所以VGS1＝VGS2。同时另检测电阻Rs1和Rs2的阻值相等，即可得到：
Isen＝(Vin-Vout)/Rs1 公式13
由公式13可以看出，本实施例的补偿模块230可对晶体管MP1的栅源电压造成的失调进行补偿，使得补偿后的检测电流准确表征功率管P1的漏端电压和源端电压的电压差，有利于提高检测的准确度。
在上述实施例中，晶体管MP1至MP5例如为P型MOSFET(P-Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，P型金属氧化物半导体场效应晶体管)，P型MOSFET的第一端、第二端和控制端分别为源极、漏极和栅极。
晶体管MN1至MN3例如为(N-Metal-Oxide-Semiconductor Field-EffectTransistor，N型金属氧化物半导体场效应晶体管)，N型MOSFET的第一端、第二端和控制端分别为漏极、源极和栅极。
综上所述，在本发明实施例的功率管的漏源电压检测电路和开关电路中，漏源电压检测电路包括电压采样模块、补偿模块和输出模块，电压采样模块用于采集功率管的漏端电压和源端电压，以获得采样电流，补偿模块用于根据该采样电流获得补偿电流，输出模块根据所述采样电流和补偿电流获得表征功率管的漏源电压的检测电流。本发明实施例的补偿模块可对电压检测模块中的晶体管的栅源电压造成的失调进行补偿，从而使得补偿后的检测电流准确表征功率管的漏源电压，有利于提高检测的准确度。进一步的，与现有的检测电路相比，本发明的漏源电压检测电路仅采用单个晶体管进行检测，简化了检测电路的结构，降低了电路成本。
应当说明，尽管在本文中，将器件说明为某种N沟道或P沟道器件、或者某种N型或者P型掺杂区域，然而本领域的普通技术人员可以理解，根据本发明，互补器件也是可以实现的。本领域的普通技术人员可以理解，导电类型是指导电发生的机制，例如通过空穴或者电子导电，因此导电类型不涉及掺杂浓度而涉及掺杂类型，例如P型或者N型。本领域普通技术人员可以理解，本文中使用的与电路运行相关的词语“期间”、“当”和“当……时”不是表示在启动动作开始时立即发生的动作的严格术语，而是在其与启动动作所发起的反应动作(reaction)之间可能存在一些小的但是合理的一个或多个延迟，例如各种传输延迟等。本文中使用词语“大约”或者“基本上”意指要素值(element)具有预期接近所声明的值或位置的参数。然而，如本领域所周知的，总是存在微小的偏差使得该值或位置难以严格为所声明的值。本领域已恰当的确定了，至少百分之十(10％)(对于半导体掺杂浓度，至少百分之二十(20％))的偏差是偏离所描述的准确的理想目标的合理偏差。当结合信号状态使用时，信号的实际电压值或逻辑状态(例如“)的或““的)取决于使用正逻辑还是负逻辑。
此外，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过程、方法、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过程、方法、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，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
依照本发明的实施例如上文，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。
Claims (7)
1.一种功率管的漏源电压检测电路，包括：
电压采样模块，用于采集所述功率管的漏端电压和源端电压，以获得采样电流，所述电压采样模块包括第一检测电阻和第一晶体管，所述第一检测电阻的第一端与所述功率管的漏端连接，所述第一晶体管的第一端与所述第一检测电阻的第二端连接，所述第一晶体管的控制端与所述功率管的源端连接，所述第一晶体管的第二端用于输出所述采样电流；
补偿模块，用于根据所述采样电流获得补偿电流；以及
输出模块，用于根据所述补偿电流和所述采样电流输出表征所述功率管的漏源电压的检测电流，
其中，所述漏源电压检测电路还包括：
电流镜模块，所述电流镜模块用于根据所述采样电流分别向所述补偿模块和所述输出模块提供第一镜像电流和第二镜像电流，
所述补偿模块包括：
第二晶体管，第一端与电源电压连接，第二端接收所述第一镜像电流；
第二检测电阻，第一端与所述电源电压连接，第二端与所述第二晶体管的控制端连接；以及
第三晶体管，第一端与所述第二检测电阻和所述第二晶体管的公共端连接，控制端与所述第二晶体管的第二端连接，第二端用于输出所述补偿电流。
2.根据权利要求1所述的漏源电压检测电路，其中，所述输出模块包括：
第四晶体管，第一端与所述电源电压连接，控制端与第二端连接，接收所述第二镜像电流；以及
第五晶体管，第一端与所述电源电压连接，控制端与所述第四晶体管的控制端连接，第二端与所述第三晶体管的第二端连接，
其中，所述第五晶体管将所述第二镜像电流与所述补偿电流叠加以输出所述检测电流。
3.根据权利要求1所述的漏源电压检测电路，其中，所述电流镜模块包括：
第六晶体管，第一端和控制端连接，以接收所述采样电流，第二端接地；
第七晶体管，控制端与所述第六晶体管的控制端连接，第一端用于输出所述第一镜像电流，第二端接地；以及
第八晶体管，控制端与所述第六晶体管的控制端连接，第一端用于输出所述第二镜像电流，第二端接地。
4.根据权利要求1所述的漏源电压检测电路，其中，所述第一检测电阻和所述第二检测电阻的阻值相等，所述第一晶体管和所述第二晶体管选自相同尺寸的晶体管。
5.根据权利要求2所述的漏源电压检测电路，其中，所述第一晶体管、所述第二晶体管、所述第三晶体管、所述第四晶体管、所述第五晶体管分别选自P型金属氧化物半导体场效应晶体管。
6.根据权利要求3所述的漏源电压检测电路，其中，所述第六晶体管、所述第七晶体管、所述第八晶体管分别选自N型金属氧化物半导体场效应晶体管。
7.一种开关电路，其中，包括如权利要求1-6任一项所述的功率管的漏源电压检测电路。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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