CN118100083A - 温升保护电路及功率开关芯片 - Google Patents

Abstract

一种温升保护电路及功率开关芯片，温升保护电路包括：温度传感单元，适于检测功率开关芯片中功率管的实时温度，并输出表征实时温度的第一电信号；第一开关单元，其控制端与温度传感单元的第一端耦接；第一阻抗单元，其第一端与比较单元的第一输入端耦接，其第二端与第一电流源的第一端、平滑滤波单元的第一端耦接；第一阻抗单元，其第一端与比较单元的第一输入端耦接，其第二端与第一电流源的第一端、平滑滤波单元的第一端耦接；第一电流源的第二端接地；比较单元，其输出端输出比较结果至控制单元；控制单元，适于基于比较结果，输出控制信号至功率管的控制端以控制功率管的通断状态。上述方案，仅需要一个温度传感单元即可实现温升保护功能。

Description

温升保护电路及功率开关芯片

技术领域

本发明涉及电子电路技术领域，尤其涉及一种温升保护电路及功率开关芯片。

背景技术

功率开关芯片通过控制内部的功率管（MOSFET管）的导通向负载电路提供电流、电压通路。当负载电路发生短路或过流故障时，功率管需要承担较大的功率，导致功率管的结温迅速升高，进而导致功率管发生过热损坏。

现有技术中，常见的功率开关芯片温升保护方案中，在功率开关芯片的功率管附近，设置第一温度传感器，检测功率管的温度；在离功率管较远的位置设置第二温度传感器。当功率管的温度迅速升高时，第一温度传感器的输出电压迅速变化。由于第二温度传感器与功率管的距离较远，故短时间内的输出电压的变化幅度较小。通过检测第一温度传感器的输出电压与第二温度传感器的输出电压的差值确定温度差值，当温度差值大于一定阈值时关闭功率管，以保护功率管。当温度差值小于一定阈值时，功率管继续工作。

现有的用于功率开关芯片的温升保护电路，通常需要设置至少两个温度传感器才能够实现温度保护功能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种温升保护电路，采用一个温度传感器实现对功率开关芯片中的功率管进行温升保护。

第一方面，本发明提供了一种温升保护电路，包括：温度传感单元、第一开关单元、第一阻抗单元、第一电流源、平滑滤波单元、比较单元以及控制单元；其中：所述温度传感单元，适于检测功率开关芯片中功率管的实时温度，并输出表征所述实时温度的第一电信号；所述第一开关单元，其控制端与所述温度传感单元的第一端耦接，其第一端输入电源电压，其第二端与所述第一阻抗单元的第一端耦接；所述第一阻抗单元，其第一端与所述比较单元的第一输入端耦接，其第二端与所述第一电流源的第一端、所述平滑滤波单元的第一端耦接；所述第一电流源的第二端接地；所述平滑滤波单元，适于对所述第一电信号进行平滑滤波处理，平滑滤波处理后得到的平滑滤波电信号输入至所述比较单元的第二输入端；所述比较单元，其输出端输出比较结果至所述控制单元；所述控制单元，适于基于所述比较结果，输出控制信号至所述功率管的控制端以控制所述功率管的通断状态。

通过温度传感单元检测功率开关芯片中的功率管的实时温度，并将表征实时温度的第一电信号输出至平滑滤波电路，得到平滑滤波电信号。通过第一比较单元对平滑滤波电信号与第一电阻的第一端的电信号（也即温度传感单元的第一端的电信号）进行比较，向控制单元输出比较结果。控制单元基于比较结果，确定控制功率管导通或断开的逻辑，进而生成相应的控制信号并输出至功率管的控制端，控制功率管的通断状态，从而采用一个温度传感单元即可实现对功率管的温升保护。

可选的，所述平滑滤波单元包括无源滤波器或有源滤波器。

可选的，所述无源滤波器包括RC滤波器，所述RC滤波器包括滤波电阻以及滤波电容。

可选的，所述滤波电阻，其第一端与所述第一阻抗单元的第二端耦接，其第二端与所述滤波电容的第一端耦接；所述滤波电容，其第二端接地。

可选的，温升保护电路还包括：第二开关单元以及第二电流源，其中：所述第二开关单元，其第一端输入所述电源电压，其第二端与所述第二电流源的第一端耦接，其控制端与所述温度传感单元的第二端耦接；所述第二电流源，其第二端接地。

可选的，所述滤波电阻，其第一端与所述第一阻抗单元的第二端耦接，其第二端与所述滤波电容的第一端耦接；所述滤波电容，其第二端与所述第二开关单元的第二端耦接。

可选的，所述第二开关单元包括第二NMOS管，所述第二NMOS管的漏极为所述第二开关单元的第一端，所述第二NMOS管的栅极为所述第二开关单元的控制端，所述第二NMOS管的源极为所述第二开关单元的第二端。

可选的，所述温度传感单元包括二极管，所述二极管的压降与所述功率管的温度线性负相关。

可选的，所述第一开关单元包括第一NMOS管，所述第一NMOS管的漏极为所述第一开关单元的第一端，所述第一NMOS管的栅极为所述第一开关单元的控制端，所述第一NMOS管的源极为所述第一开关单元的第二端。

第二方面，本发明还提供了一种功率开关芯片，包括上述任一种所述的温升保护电路。

附图说明

图1是现有的一种功率开关芯片的结构示意图；

图2是本发明实施例中的一种温升保护电路的结构示意图。

具体实施方式

参照图1，给出了现有的一种功率开关芯片的结构示意图。图1中，在靠近功率管M1的位置，设置温度传感器D1；在距离功率管M1较远的位置，设置温度传感器D2。温度传感器D1与温度传感器D2采用相同大小的电流源I3进行偏置，使其处于正向导通状态。当功率管M1上通过的功率较小时，温度传感器D1与温度传感器D2的正向压降相近。

图1中，温度传感器D1与温度传感器D2靠近电源电压VS侧，通常设置一个高于电源电压VS的电压VCP对温度传感器D1与温度传感器D2进行偏置。电流源I1的输出电流与电流源I2的输出电流相等，在电阻R1上产生压降I2×R1。当功率管M1的功耗较小时，温度传感器D1与温度传感器D2的正向压降相近，比较器comp的反向输入端（即-端）的输入电压高于正向输入端（即+端）输入电压，比较器comp输出低电平，不触发过温保护。当功率管M1短时间内的功率较大时，功率管M1的温度迅速升高，因而温度传感器D1的压降迅速降低。

由于温度传感器D2与功率管M1的距离较远，故温度传感器D2的压降短时间内保持不变，由此，比较器comp的反向输入端的输入电压逐渐降低，直至比较器comp的反向输入端的输入电压小于正向输入端的输入电压。此时，比较器comp输出高电平，触发过温保护。当触发过温保护时，功率管M1从导通状态被切换至断开状态，从而有效保护功率管M1。

基于图1中提供的功率开关芯片，需要设置两个温度传感器（温度传感器D1及温度传感器D2）才能够实现温度保护功能。

而在本发明实施例中，通过温度传感单元检测功率开关芯片中的功率管的实时温度，并将表征实时温度的第一电信号输出至平滑滤波电路，得到平滑滤波电信号。通过第一比较单元对平滑滤波电信号与第一电阻的第一端的电信号（也即温度传感单元的第一端的电信号）进行比较，向控制单元输出比较结果。控制单元基于比较结果，确定控制功率管导通或断开的逻辑，进而生成相应的控制信号并输出至功率管的控制端，控制功率管的通断状态，从而采用一个温度传感单元即可实现对功率管的温升保护。

为使本发明的上述目的、特征和有益效果能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

本发明实施例提供了一种温升保护电路，包括：温度传感单元、第一开关单元、第一阻抗单元、第一电流源、平滑滤波单元、比较单元以及控制单元，其中：

温度传感单元，适于检测功率开关芯片中功率管的实时温度，并输出表征功率管的实时温度的第一电信号；

第一开关单元的第一端输入电源电压，第一开关单元的第二端与第一阻抗单元的第一端耦接，第一开关单元的控制端与温度传感单元的第一端耦接；

第一阻抗单元的第一端与比较单元的第一输入端耦接，第一阻抗单元的第二端与第一电流源的第一端、平滑滤波单元的第一端耦接；

第一电流源的第二端接地；

平滑滤波单元的第二端与比较单元的第二输入端耦接，适于对第一电信号进行平滑滤波处理，并将平滑滤波处理后得到的平滑滤波电信号输入至比较单元的第二输入端；

比较单元的输出端与控制单元的输入端耦接，适于对第一输入端的输入电压以及第二输入端的输入电压进行比较，并将比较结果输出至控制单元；

控制单元的输出端与功率管的控制端耦接，适于基于比较单元输出的比较结果，输出相应的控制信号至功率管的控制端，以控制功率管的通断状态。

参照图2，给出了本发明实施例中的一种温升保护电路的结构示意图。以下结合图2进行详细说明。

在具体实施中，温度传感单元适于检测功率开关芯片中的功率管的实时温度，将功率管的实时温度转换成相应的第一电信号并输出。换言之，温度传感单元可以输出表征功率管的实时温度的第一电信号。

在一些实施例中，第一电信号可以通过电压的形式表征。也就是说，温度传感单元的输出电压关联于实时温度，不同的实时温度对应于不同的输出电压。

若温度传感单元的温度系数为正温度系数，则实时温度越高，则温度传感单元的输出电压越大；反之，实时温度越低，则温度传感单元的输出电压越小。若温度传感单元的温度系数为负温度系数，则实时温度越高，则输出电压越小；反之，实时温度越低，则输出电压越大。

在另一些实施例中，第一电信号可以通过电流的形式表征。也就是说，温度传感单元的输出电流关联于实时温度，不同的实时温度对应于不同的输出电流。

若温度传感单元的温度系数为正温度系数，则实时温度越高，则温度传感单元的输出电流越大；反之，实时温度越低，则温度传感单元的输出电流越小。若温度传感单元的温度系数为负温度系数，则实时温度越高，则输出电流越小；反之，实时温度越低，则输出电流越大。

在具体实施中，温度传感单元可以内置在功率开关芯片中，且可以设置在功率开关芯片中的功率管附近，以检测功率管的实时温度。温度传感单元也可以与功率开关芯片相互独立设置，如，温度传感单元设置在功率开关芯片的外部，且靠近功率开关芯片，以检测功率开关芯片中的功率管的实时温度。

在具体实施中，温度传感单元可以为常规的温度传感器，能够将检测到的温度转换成对应大小的第一电信号并输出。

在一些实施例中，温度传感单元可以为二极管，二极管可以内置在功率开关芯片中。二极管的压降与功率管的温度线性负相关。也就是说，随着功率管的温度升高，二极管的压降相应下降；随着功率管的温度降低，二极管的压降相应增加。

如图2所示，温度传感单元为二极管D1。二极管D1可以内置在功率开关芯片中。二极管D1的压降可以与功率管MOSFET的实时温度负相关。也就是说，随着功率管MOSFET的温度升高，二极管D1的压降相应下降；随着功率管MOSFET的温度降低，二极管D1的压降相应增加。二极管D1的第一端即为二极管D1的阳极，二极管D1的第二端即为二极管D1的阴极。

可以理解的是，温度传感单元也可以为其他能够实现温度检测功能的器件或电路模块。

在具体实施中，第一开关单元在导通时，与第一阻抗单元、第一电流源形成通路。

在一些实施例中，第一开关单元为第一NMOS管。具体地，第一NMOS管的漏极为第一开关单元的第一端，第一NMOS管的源极为第一开关单元的第二端，第一NMOS管的栅极为第一开关单元的控制端。

在具体实施中，当第一开关单元导通时，第一阻抗单元可以提供压降I1×R1，R1为第一阻抗单元的阻值，I1为第一电流源的输出电流。

如图2所示，第一开关单元为第一NMOS管MN1，第一阻抗单元为第一电阻R1。第一NMOS管MN1的漏极接电源电压VS，第一NMOS管MN1的源极与第一电阻R1的第一端耦接，第一NMOS管MN1的栅极与二极管D1的第一端耦接。当二极管D1导通时，其第一端的电压大于第一NMOS管MN1的导通电压，故第一NMOS管MN1导通。

在具体实施中，平滑滤波单元的第一端与第一阻抗单元的第一端耦接，平滑滤波单元的第二端与比较单元的第二输入端耦接。平滑滤波单元的第一端也可以称之为平滑滤波单元的输入端，平滑滤波单元的第二端也可以称之为平滑滤波单元的输出端。第一电信号输入至平滑滤波器单元，平滑滤波单元输出第一电信号对应的平滑滤波电信号。

平滑滤波电信号可以用于表征第二温度，第二温度即为一段时间内的实时温度的均值。也就是说，平滑滤波单元可以为能够求取第一电信号均值的电路单元或器件。在此场景下，当表征功率管的实时温度的第一电信号在短时间内发生较大变化时，第二温度在相应时间内几乎不发生变化，或者第二温度的变化幅度小于实时温度的变化幅度。

或者说，平滑滤波单元可以具有较大的时间常数。当短时间内第一电信号发生较大变化时，在该时间段内平滑滤波单元的第二端并不受第一电信号的变化影响，或者受第一电信号的变化的影响较小。

在具体实施中，平滑滤波单元可以包括有源滤波器或无源滤波器。

在一些实施例中，有源滤波器可以包括开关电容滤波器等。

在一些实施例中，无源滤波器可以包括RC滤波器，RC滤波器可以包括滤波电阻以及滤波电容。

具体地，滤波电阻的第一端可以与第一阻抗单元的第二端耦接，滤波电阻的第二端可以与滤波电容的第一端耦接；滤波电容的第二端可以接地。

参照图2，滤波电阻R2的第一端与第一电阻R1的第二端耦接，滤波电阻R2的第二端与滤波电容C1的第一端耦接；滤波电容C1的第二端可以接地。

对于比较单元，其第一输入端输入第一电信号，其第二输入端输入平滑滤波电信号。比较单元可以对第一电信号与平滑滤波电信号进行比较，并输出相应的比较结果。比较单元的第一输入端可以为反向输入端，比较单元的第二输入端可以为正向输入端。

以第一电信号为第一电压，平滑滤波电信号为平滑滤波电压为例，若第一电压大于平滑滤波电压，则比较单元输出的比较结果为低电平；若第一电压小于平滑滤波电压，则比较单元输出的比较结果为高电平。

控制单元基于比较结果，生成相应电平的控制信号。若比较结果为低电平，则控制单元生成的控制信号可以为低电平；若比较结果为高电平，则控制单元生成的控制信号可以为高电平。

控制单元可以将控制信号输入至功率管的控制端。当控制信号为低电平时，功率管导通；相应地，当控制信号为高电平时，功率管断开。或者，当控制信号为低电平时，功率管断开；相应地，当控制信号为高电平时，功率管导通。

参照图2，比较单元为比较器comp。比较器comp的第一输入端（-端）与第一电阻R1的第一端耦接，比较器comp的第二输入端（+端）与滤波电阻R2的第二端耦接，比较器comp的输出端与控制单元的输入端耦接。控制单元的输出端与功率管MOSFET的栅极耦接。功率管MOSFET为NMOS管，当控制单元输出的控制信号为高电平时，功率管MOSFET导通；当控制单元输出的控制信号为低电平时，功率管MOSFET断开。

在本发明实施例中，温升保护电路还可以包括第二开关单元以及第二电流源，其中：第二开关单元的第一端输入电源电压，第二开关单元的第二端与第二电流源的第一端耦接，第二开关单元的控制端与温度传感单元的第二端耦接；第二电流源的第二端接地。

当平滑滤波电路为RC滤波器时，滤波电阻的第一端与第一阻抗单元的第二端耦接，滤波电阻的第二端与滤波电容的第一端耦接；滤波电容的第二端与第二开关单元的第二端耦接。

在具体实施中，第二开关单元为NMOS管。具体地，第二NMOS管的漏极为第二开关单元的第一端，第二NMOS管的源极为第二开关单元的第二端，第二NMOS管的栅极为第二开关单元的控制端。

第二NMOS管的栅极与温度传感单元的第二端耦接，滤波电容的第二端与第二NMOS管的源极、第二电流源的第一端耦接。通过滤波电容的耦合作用，可以提高温升保护电路的抗干扰能力。

参照图2，第二NMOS管MN2的漏极输入电源电压VS，第二NMOS管MN2的源极与第二电流源I2的第一端耦接，第二NMOS管MN2的栅极与二极管D1的第二端耦接。滤波电容C1的第二端与第二电流源I2的第一端、第二NMOS管MN2的源极耦接。第二电流源I2的第二端接地。

在功率开关芯片中，二极管D1（也即温度传感单元）的阴极与功率管MOSFET的漏极、漏端电阻Rd的第二端耦接，漏端电阻Rd的第一端输入电源电压VS。功率管MOSFET的源极为功率开关芯片的输出端OUT。

二极管D1的阳极输入电压VCP，VCP经由第三电流源I3输出至二极管D1的阳极。VCP＞VS，故能够实现对二极管D1的偏置。

结合图2，由于存在漏端电阻Rd，当功率管MOSFET导通时，漏端电阻Rd会产生压降，导致二极管D1的阳极电压降低，从而可能会导致比较器comp的误触发。将滤波电容C1的第二端与第二NMOS管MN2的源极耦接，漏端电阻Rd上的压降会同时造成第二NMOS管MN2的栅极电压的降低，通过滤波电容C1的耦合，比较器comp的两个输入端的电压均下降。由此，比较器comp的两个输入端的电压变化是共模变化，故能够有效避免比较器comp的误翻转，提高温升保护电路的抗干扰能力。

下面结合图2，对本发明上述实施例中提供的温升保护电路的工作原理进行说明。

在功率开关芯片中，二极管D1设置在靠近功率管MOSFET的位置。当功率管MOSFET消耗的功率较小时，功率管MOSFET的温度较低。由于第一电阻R1的存在，比较器comp的第一输入端的输入电压大于第二输入端的输入电压，比较器comp的输出端输出低电平的比较结果。控制单元接收到比较结果，确定无需对功率管MOSFET进行温升保护，功率管MOSFET继续正常工作。

当功率管MOSFET消耗的功率迅速增加时，功率管MOSFET的温度迅速上升。二极管D1的压降与功率管MOSFET的温度线性负相关，故当功率管MOSFET的温度迅速上升时，二极管D1的压降迅速下降。相应地，第一电阻R1的第一端的电压迅速下降，也即比较器comp的第一输入端的输入电压迅速下降。由于第一电阻R1的第二端设置有RC滤波器，RC滤波器具有较大的时间常数，故比较器comp的第二输入端的输入电压近似不变。当功率管MOSFET的温度达到一定值时，比较器comp的第一输入端的输入电压小于第二输入端的输入电压，故比较器comp的输出端输出高电平的比较结果。控制单元基于高电平的比较结果，生成低电平的控制信号并输出至功率管MOSFET的栅极，以控制功率管MOSFET断开，从而实现对功率管MOSFET的温升保护。

功率管MOSFET断开后，温度逐渐下降，比较器comp的第一输入端的电压逐渐增加。当比较器comp的第一输入端的输入电压大于第二输入端的输入电压时，比较器的输出结果从高电平跳变至低电平，控制单元输出高电平的控制信号，控制功率管MOSFET重新导通。

本发明实施例还提供了一种功率开关芯片，包括上述任一实施例提供的温升保护电路。上述的温升保护电路可以集成在功率开关芯片中。

可以理解的是，除上述的温升保护电路之外，功率开关芯片还可以包括如功率管、漏端电阻等其他器件。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (9)

1.一种温升保护电路，其特征在于，包括：温度传感单元、第一开关单元、第一阻抗单元、第一电流源、平滑滤波单元、比较单元、第二开关单元、第二电流源以及控制单元；其中：

所述温度传感单元，适于检测功率开关芯片中功率管的实时温度，并输出表征所述实时温度的第一电信号；

所述第一开关单元，其控制端与所述温度传感单元的第一端耦接，其第一端输入电源电压，其第二端与所述第一阻抗单元的第一端耦接；

所述第一阻抗单元，其第一端与所述比较单元的第一输入端耦接，其第二端与所述第一电流源的第一端、所述平滑滤波单元的第一端耦接；所述第一电流源的第二端接地；

所述平滑滤波单元，适于对所述第一电信号进行平滑滤波处理，平滑滤波处理后得到的平滑滤波电信号输入至所述比较单元的第二输入端；

所述比较单元，其输出端输出比较结果至所述控制单元；

所述控制单元，适于基于所述比较结果，输出控制信号至所述功率管的控制端以控制所述功率管的通断状态；

所述第二开关单元，其第一端输入所述电源电压，其第二端与所述第二电流源的第一端耦接，其控制端与所述温度传感单元的第二端耦接；所述第二电流源的第二端接地。

2.如权利要求1所述的温升保护电路，其特征在于，所述平滑滤波单元包括无源滤波器或有源滤波器。

3.如权利要求2所述的温升保护电路，其特征在于，所述无源滤波器包括RC滤波器，所述RC滤波器包括滤波电阻以及滤波电容。

4.如权利要求3所述的温升保护电路，其特征在于，所述滤波电阻，其第一端与所述第一阻抗单元的第二端耦接，其第二端与所述滤波电容的第一端耦接；

所述滤波电容，其第二端接地。

5.如权利要求4所述的温升保护电路，其特征在于，所述滤波电阻，其第一端与所述第一阻抗单元的第二端耦接，其第二端与所述滤波电容的第一端耦接；

所述滤波电容，其第二端与所述第二开关单元的第二端耦接。

6.如权利要求1所述的温升保护电路，其特征在于，所述第二开关单元包括第二NMOS管，所述第二NMOS管的漏极为所述第二开关单元的第一端，所述第二NMOS管的栅极为所述第二开关单元的控制端，所述第二NMOS管的源极为所述第二开关单元的第二端。

7.如权利要求1~6任一项所述的温升保护电路，其特征在于，所述温度传感单元包括二极管，所述二极管的压降与所述功率管的温度线性负相关。

8.如权利要求7所述的温升保护电路，其特征在于，所述第一开关单元包括第一NMOS管，所述第一NMOS管的漏极为所述第一开关单元的第一端，所述第一NMOS管的栅极为所述第一开关单元的控制端，所述第一NMOS管的源极为所述第一开关单元的第二端。

9.一种功率开关芯片，其特征在于，包括如权利要求1~8任一项所述的温升保护电路。