TWI827456B

TWI827456B - 具有過溫保護機制的全橋電路模組與電路系統

Info

Publication number: TWI827456B
Application number: TW112103160A
Authority: TW
Inventors: 劉俊欣
Original assignee: 新唐科技股份有限公司
Priority date: 2023-01-30
Filing date: 2023-01-30
Publication date: 2023-12-21

Abstract

用於驅動電感負載之具有過溫保護機制的全橋電路模組，其包括全橋電路與比較器模組。於全橋電路模組的過溫保護機制被觸發時，全橋電路的四個開關電晶體被關閉，且四個開關電晶體中電感負載而電性連接的對應兩者的兩個體二極體導通，並形成流經電感負載的負載電流。若負載電流使得全橋電路之第一輸出端的第一輸出電壓下降至第一比較電壓與使得全橋電路之第二輸出端的第二輸出電壓上升至第二比較電壓，則比較器模組控制四個開關電晶體中透過電感負載而電性連接的對應兩者被導通。

Description

具有過溫保護機制的全橋電路模組與電路系統

本發明是有關於一種具有過溫保護機制的全橋電路模組與電路系統，且特別是一種可以避免功率消耗增加，無需增加額外的外部元件，有效保護全橋電路模組之晶片不會燒毀，且能夠最佳化全橋電路模組之晶片之應用範圍的具有過溫保護機制的全橋電路模組與電路系統。

馬達可以由全橋電路進行驅動，但由於馬達是一種電感負載，因此在啟動過溫保護機制時，雖然全部的開關電晶體已經關閉，但因為負載電流通過電感負載的原因，部分開關電晶體的體二極體會接著被導通，反而造成消耗功率增加，導致溫度上升，進而可能燒毀全橋電路的晶片。

請參照圖1A，圖1A是先前技術的馬達系統的示意電路圖。馬達系統1包括由開關電晶體M1~M4組成的全橋電路與馬達MOT，全橋電路的第一輸入端與第二輸入端分別接收輸入電壓VIN1與VIN2，輸入電壓VIN1與VIN2可能是邏輯高準位或邏輯低準位且是時變的電壓。根據輸入電壓VIN1與VIN2的電壓值，開關電晶體M1~M4會被控制為導通或關閉。正常運作的模式下，開關電晶體M1、M4會導通且開關電晶體M2、 M3會關閉，以及輸出電壓VOUT1、VOUT2分別為邏輯高準位與邏輯低準位；或者，開關電晶體M2、M3會導通且開關電晶體M1、M4會關閉，以及輸出電壓VOUT1、VOUT2分別為邏輯低準位與邏輯高準位。此時，馬達系統1的消耗功率P_normal=I_L ²×R_DSON×2，其中I_L是流過馬達MOT的負載電流，以及R_DSON是開關電晶體M1~M4的導通電阻。

請參照圖1B，圖1B是圖1A之馬達系統觸發過溫保護機制的示意作動圖。在觸發過溫保護機制時，所有的開關電晶體M1~M4會關閉，但開關電晶體M2、M3的體二極體(body diode)BD2、BD3；或者，另一種狀況是開關電晶體M1、M1的體二極體BD1、BD4，但此狀況未繪於圖式中。假設R_DSON為100mΩ，全橋電路之晶片封裝的熱阻θ_JA為40℃/W，晶片內部設定最高溫度T_J為145℃(即過溫保護機制觸發時的溫度為145℃)，所以晶片於室溫(25℃)時操作，最高只能有3W的功耗P_Dmax(註：T_J=T_A+P_Dmax×θ_JA，145℃=25℃+P_Dmax×40℃/W，求得P_Dmax為3W)。馬達系統1於正常模式下操作的消耗功率為P_normal=I_L ²×R_DSON×2，令P_normal為3W，3W=I_L ²×0.1Ω×2，可以求得I_L為3.87A，即觸發過溫保護機制的負載電流I_L為3.87A。

假設體二極體BD1~BD4的導通門檻電壓Vth1~Vth4皆為V_F，且例如為0.7V，在過溫保護機制觸發的情況下，馬達系統1的消耗功率為P_OTP，且P_OTP=V_F×I_L×2，即P_OTP=0.7V×3.87A×2=5.418W。換言之，在觸發過溫保護機制時，由一開始功率消耗的3W上升到5.418W，全橋電路之晶片的內部溫度也將由145℃上升到達214.72℃，故會造成全橋電路之晶片損傷甚至燒毀。

請參照圖2A與圖2B，圖2A是先前技術的另一馬達系統的示意電路圖，以及圖2B是圖2A之馬達系統觸發過溫保護機制的示意作動圖。馬達系統2跟圖1A的馬達系統1之間的差異在於，獨立於全橋電路之晶片的多個二極體D1~D4分別並聯於多個開關電晶體M1~M4。如圖2B所示，負載電流I_L由原本多個開關電晶體M1~M4的體二極體BD1~BD4，改走全橋電路之晶片的外部的二極體D1~D4，雖然消耗的功耗沒有減少，但熱由全橋電路之晶片的內部移轉到外部元件之二極體D1~D4，故可以有效地降低全橋電路之晶片的內部溫度，但這並不是一個較佳的解決方法。若以上述假設情況，最大消耗功率P_Dmax為3W，且二極體D1~D4之導通門檻電壓V_F皆為0.7V，帶入過溫保護機制觸發時的消耗功率P_OTP之公式(P_OTP=V_F×I_L×2，3W=0.7V×I_L×2)，可以得到負載電流I_L為2.14A，原來全橋電路之晶片可應用之最大負載電流為3.87A將下修為2.14A，只剩下55%，也就是降低了全橋電路之晶片之負載電流的應用範圍。

由上述描述可以理解，本發明需要解決的技術問題是先前技術的馬達系統無法有效地保護全橋電路之晶片而使其燒毀，或者，先前技術的馬達系統無法最佳化全橋電路之晶片之應用範圍。據此，本發明實施例提供一種創新之具有過溫保護機制的全橋電路模組與電路系統，除了有效解決上述技術問題外，更具有可以避免功率消耗增加與無需增加額外的外部元件等技術效果。

為了解決上述的習知問題，本發明實施例提供一種係用於驅動電感負載之具有過溫保護機制的全橋電路模組，且全橋電路模組包括全橋電路與比較器模組，其中比較器模組電性連接全橋電路。全橋電路包括四個開關電晶體，並具有第一輸出端與第二輸出端，其中電感負載電性連接於第一輸出端與第二輸出端之間。於全橋電路模組的過溫保護機制被觸發時，全橋電路的四個開關電晶體被關閉，且四個開關電晶體中透過電感負載而電性連接的對應兩者的兩個體二極體形成路徑以產生使形成流經電感負載的負載電流。當負載電流使得第一輸出端的第一輸出電壓低於第一比較電壓以及使得第二輸出端的第二輸出電壓高於第二比較電壓，則比較器模組控制四個開關電晶體中透過電感負載而電性連接的對應兩者被導通。

為了解決上述的習知問題，本發明實施例提供一種電路系統，電路系統包括上述全橋電路模組與上述電感負載。

承上所述，本發明提供之具有過溫保護機制之全橋電路模組與電路系統可以避免功率消耗增加，無需增加額外的外部元件，能有效保護全橋電路模組之晶片不會燒毀，且能夠最佳化全橋電路模組之晶片之應用範圍。

1、2:馬達系統

3:電路系統

M1~M4:開關電晶體

BD1~BD4:體二極體

CMP1~CMP4:比較器

VIN1、VIN2:輸入電壓

VOUT1、VOUT2:輸出電壓

L:電感負載

I_L:負載電流

Vth1、Vth2、Vth3、Vth4:導通門檻電壓

MOT:馬達

D1~D4:二極體

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：圖1A是先前技術的馬達系統的示意電路圖；圖1B是圖1A之馬達系統觸發過溫保護機制的示意作動圖；圖2A是先前技術的另一馬達系統的示意電路圖；圖2B是圖2A之馬達系統觸發過溫保護機制的示意作動圖；圖3A是本發明實施例的電路系統的示意電路圖；圖3B是圖3A之電路系統觸發過溫保護機制的示意作動圖；以及圖3C是圖3A之電路系統觸發過溫保護機制的另一示意作動圖。

本發明主要是將全橋電路的四個電晶體電性連接比較器模組，於過溫保護機制被觸發的情況下，若比較器模組偵測負載電流使得開關電晶體之體二極體導通，則比較器模組使得體二極體導通之開關電晶體被導通，從而關閉導通的體二極體，以藉此解決先前技術無法有效地保護全橋電路之晶片而使其燒毀的技術問題。進一步地說，因為體二極體導通時，對應的開關電晶體被導通，使得導通的體二極體會被關閉，故能夠減少功率消耗的增加與減少負載電流的增加，且晶片內部溫度可以因為減少負載電流的增加而降低，並避免溫度對晶片造成的損傷。另外一方面，因為不是額外在晶片外設置二極體，且只有在負載電流產生時，才讓原來關閉的開關電晶體導通，故本發明不會使得全橋電路模組的最大負載電流下降，且能最佳化全橋電路模組之晶片的應用範圍，再者，本發明的做法也無需增加額外的外部元件於晶片。

請參照圖3A，圖3A是本發明實施例的電路系統的示意電路圖。電路系統3包括全橋電路模組與電感負載L，其中全橋電路模組包括全橋電路(由開關電晶體M1~M4組成，開關電晶體M1~M4分別有體二極體BD1~BD4)與比較器模組(由比較器CMP1~CMP4組成)，其中比較器模組電性連接全橋電路。

全橋電路模組具有過溫保護機制且用於驅動電感負載L。全橋電路模組可以是單一顆晶片，亦即全橋電路模組的比較器模組與全橋電路被封裝在一起，並形成單一顆晶片以被使用。於此實施例中，電感負載L可以是馬達，且電路系統3是一個馬達系統，但本發明不以電感負載L的類型及電路系統3的類型為限制。

全橋電路模組主要是利用比較器模組在過溫保護機制被觸發時，偵測全橋電路第一輸出端的輸出電壓VOUT1與第二輸出端的輸出電壓VOUT2來判斷體二極體BD1、BD4或體二極體BD2、BD3是否導通(即負載電流I_L是否產生)，並透過比較器模組將導通的體二極體BD1、BD4之開關電晶體M1、M4導通，或將導通的體二極體BD2、BD3之開關電晶體M2、M3導通，如此，原來導通的體二極體BD1、BD4或原來導通的體二極體BD2、BD3將被關閉，以避免負載電流I_L的增加所造成的額外功率損耗與晶片燒毀損傷。

再者，因為只有在體二極體BD1、BD4或體二極體BD2、BD3導通時，才對應地使開關電晶體M1、M4或開關電晶體M2、M3導通，故不會使得全橋電路模組的最大負載電流下降，且能最佳化全橋電路模組之晶片的應用範圍，再者，本發明的做法也無需增加額外的外部元件於晶片。

進一步地說，全橋電路除了由四個開關電晶體M1~M4構成之外，還具有兩個輸入端(接收輸入電壓VIN1的一端)、第二輸入端(接收輸入電壓VIN2的一端)、第一輸出端(產生輸出電壓VOUT1的一端)與第二輸出端(產生輸出電壓VOUT2的一端)，其中電感負載L電性連接於第一輸出端與第二輸出端之間。開關電晶體M1的第一端(汲極)及開關電晶體M3的第一端(汲極)分別電性連接全橋電路的第一輸入端與第二輸入端，開關電晶體M1的第二端(源極)及第二開關電晶體M2的第一端(汲極)電性連接第一輸出端，第三開關電晶體M3的第二端(源極)及第四開關電晶體M4的第一端(汲極)電性連接第二輸出端，第二開關電晶體M2的第二端(源極)及第四開關電晶體M4的第二端(源極)電性連接低電壓，例如接地電壓，以及第一輸入端與第二輸入端分別接收輸入電壓VIN1、VIN2。

進一步地說，比較器模組包括比較器CMP1~CMP4。比較器CMP1的負輸入端、正輸入端與輸出端分別電性連接第四比較電壓、第一輸出端與開關電晶體M1的控制端(閘極)，比較器CMP2的負輸入端、正輸入端與輸出端分別電性連接第一輸出端、第一比較電壓與開關電晶體M2的控制端(閘極)，比較器CMP3的負輸入端、正輸入端與輸出端分別電性連接第二比較電壓、第二輸出端與開關電晶體M3的控制端(閘極)，以及比較器CMP4的負輸入端、正輸入端與輸出端分別電性連接第二輸出端、第三比較電壓與開關電晶體M4的控制端(閘極)。

於本發明實施例中，為了避免錯誤引入的雜訊造成開關電晶體M1~M4的控制錯誤，比較器CMP1~CMP4的每一者可以採用遲滯比較器，且本發明不以比較器的類型為限制。在過溫保護機制下，開關電晶體M1~M4都關閉，但體二極體BD2、BD3可能會導通，且產生負載電流I_L，故需要進一步地將體二極體BD2、BD3關閉，來避免燒毀晶片。據此，第一比較電壓被設計成是開關電晶體M2的體二極體BD2的導通門檻電壓Vth2的負電壓-Vth2；以及第二比較電壓被設計成開關電晶體M3的體二極體BD3的導通門檻電壓Vth3與第二輸入電壓VIN2的總和VIN2+Vth3。

於另一種情境，當過溫保護機制被觸發，開關電晶體M1~M4都關閉，但體二極體BD1、BD4可能會導通，且產生負載電流I_L，故需要進一步地將體二極體BD1、BD4關閉，來避免燒毀晶片。據此，可以將第三比較電壓設計成開關電晶體M4的體二極體BD4的導通門檻電壓Vth4的負電壓-Vth4，以及將第四比較電壓設計成開關電晶體M1的體二極體BD1的導通門檻電壓Vth1與第一輸入電壓VIN1的總和VIN1+Vth1。附帶一提的是，導通門檻電壓Vth1~Vth4可以彼此相同，且例如是0.7V，輸入電壓VIN1、VIN2的邏輯高準位的電壓值可以相同，且輸入電壓VIN1、VIN2的邏輯低準位的電壓值可以相同。

請接著參照圖3B，圖3B是圖3A之電路系統觸發過溫保護機制的示意作動圖。於全橋電路模組的過溫保護機制被觸發時，全橋電路的四個開關電晶體M1~M4被關閉，且四個開關電晶體M1~M4中透過電感負載L而電性連接的對應兩個開關電晶體M2、M3的兩個體二極體BD2、BD3導通，並形成流經電感負載L的負載電流I_L。若負載電流I_L使得第一輸出端的第一輸出電壓VOUT1下降至第一比較電壓(即，-Vth2)與使得第二輸出端的第二輸出電壓VOUT2上升至第二比較電壓(即，VIN2+Vth3)，則比較器模組控制四個開關電晶體M1~M4中透過所述電感負載L而電性連接的對應兩個開關電晶體M2、M3被導通。

當電感負載L是馬達時，可以透過選擇性地僅讓開關電晶體M2與M3被導通，或僅讓開關電晶體M1與M4被導通，以控制馬達的轉向，或者，在電感負載L不是馬達時，也可能選擇性地僅讓開關電晶體M2與M3被導通，或僅讓開關電晶體M1與M4被導通，以實現特定目的。圖3B是針對開關電晶體M1與M4被導通後，進入四個開關電晶體M1~M4全部被關閉後的情況，但本發明不以此為限制。請參照圖3C，圖3C是圖3A之電路系統觸發過溫保護機制的另一示意作動圖，其中圖3C是針對開關電晶體M2與M3被導通後，進入四個開關電晶體M1~M4全部被關閉後的情況。於全橋電路模組的過溫保護機制被觸發時，全橋電路的四個開關電晶體M1~M4被關閉，且四個開關電晶體M1~M4中透過電感負載L而電性連接的對應另兩個開關電晶體M1、M4的兩個體二極體BD1、BD4導通，並形成流經電感負載L的負載電流I_L。若負載電流I_L使得第一輸出端的第一輸出電壓VOUT1上升至第四比較電壓(即，VIN1+Vth1)與使得第二輸出端的第二輸出電壓VOUT2下降至第三比較電壓(即，-Vth4)，則比較器模組控制四個開關電晶體M1~M4中透過所述電感負載L而電性連接的對應另兩個開關電晶體M1、M4被導通。

透過本發明的做法，在過溫保護機制被觸發的情況下，當負載電流I_L產生，因為開關電晶體M1、M4或關電晶體M2、M3會被導通，所以根據全橋電路模組的消耗功耗P_{New_OTP}=I_L ²×R_DSON×2(假設開關電晶體M1~M4為使用同一製程製造，且導通電阻都是R_DSON)算出負載電流的最大值為3.87A(3W=I_L ²×0.1Ω×2，解出的I_L為3.87A)。由此可以知悉，負載電流的最大值並沒有因此下降，因此本發明可以最佳化全橋電路模組之晶片之應用範圍。

綜合以上所述，本發明主要是將全橋電路的四個電晶體電性連接比較器模組，於過溫保護機制被觸發的情況下，若比較器模組偵測負載電流使得開關電晶體之體二極體導通(即，有負載電流的產生)，則比較器模組使得體二極體導通之開關電晶體被導通，從而關閉導通的體二極體，以藉此解決先前技術無法有效地保護全橋電路之晶片而使其燒毀的技術問題。另外，透過上述做法，不會使得全橋電路模組能夠使用的負載電流最大值因此下降，因此本發明還可以最佳化全橋電路模組之晶片之應用範圍。再者，本發明還可以減少全橋電路模組之功率消耗與負載電流的增加，且無需在全橋電路模組之晶片外部增設額外元件。

本發明在本文中僅以較佳實施例揭露，然任何熟習本技術領域者應能理解的是，上述實施例僅用於描述本發明，並非用以限定本發明所主張之專利權利範圍。舉凡與上述實施例均等或等效之變化或置換，皆應解讀為涵蓋於本發明之精神或範疇內。因此，本發明之保護範圍應以下述之申請專利範圍所界定者為基準。