專利名稱：一種過流保護電路的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及功率集成電路設計技術，尤其涉及一種寬輸入范圍高壓集成過流保護電路。
背景技術：
隨著家電、便攜電子設備的迅猛發(fā)展，使得電源管理芯片成為集成電路的大宗產 品。該類芯片中內部集成或需要外部連接功率管，通常為橫向雙擴散金屬氧化物半導體功率管，簡稱為LDMOS管。實際應用中LDMOS管通常需要直接和高壓相連并通過大電流，因此如何保證芯片和LDMOS管的安全工作是芯片設計的重點之一。尤其是中大功率應用領域，如果電源管理芯片在過流的情況下缺乏保護，很容易造成電源的損壞甚至爆炸，這樣輕則器件損壞燒毀芯片，重則危及人生安全。此外，過流保護還可以提高芯片的可靠性與穩(wěn)定性。在芯片設計中，過流保護通常是通過檢測功率管的過流電流(超過設定值的電流)，向邏輯控制單元輸入觸發(fā)信號，由邏輯控制單元控制功率管關斷。一般采取如下兩種方案(一)在LDMOS管源極到地之間串聯(lián)一個電阻，通過檢測電阻上的壓降來檢測流過功率LDMOS管的電流；(二)通過檢測電路監(jiān)控LDMOS管的漏端電壓來直接檢測流過功率LDMOS管的電流。這兩種方案都容易受到功率管開啟瞬間尖峰電流的影響，容易產生誤動作。前一種方案還有以下缺點(1)由于工藝存在離散性，電阻值很難做到精確(誤差在20%左右)；
(2)源極串入電阻后，使原本導通電阻很大的LDMOS管的管壓降進一步增大，功率處理能力變弱；(3)電阻上流過大電流，造成能量損耗，降低了開關電源系統(tǒng)的轉換效率。第二種方案中不需要采樣電阻，直接檢測LDMOS管的漏極電壓，但應用環(huán)境受到限制。如Buck(降壓式DC-DC轉換器)電路中，LDMOS管漏極電壓隨輸入電壓變化而變化，且可能為高壓。

發(fā)明內容
本發(fā)明所要解決的技術問題，就是針對現(xiàn)有技術的過流保護電路的缺點，提供一種過流保護電路，提高過流保護電路的性能。本發(fā)明解決所述技術問題，采用的技術方案是，一種過流保護電路，包括電流采樣電路、參考電壓產生電路、電壓比較器和邏輯控制單元，其中所述電流采樣電路用于對流經功率管的電流進行采樣，并將采樣電流轉換為采樣電壓輸入電壓比較器；所述參考電壓產生電路用于產生預設的參考電壓，為電壓比較器提供比較的基準電壓；所述電壓比較器與邏輯控制單元連接，用于當邏輯控制單元輸出的柵控制信號使功率管開啟時，對所述采樣電壓和參考電壓進行比較，經過延時處理后在采樣電壓大于參考電壓時，向邏輯控制單元輸出過流指示信號；所述邏輯控制單元，用于產生啟動電壓比較器的啟動信號，并根據(jù)過流指示信號輸出控制功率管開關的柵控制信號，當柵控制信號控制功率管開啟則電壓比較器啟動進入工作狀態(tài)，當柵控制信號控制功率管關斷則電壓比較器關閉退出工作狀態(tài)。本發(fā)明的技術方案中，電壓比較器具有延時處理能力，可以避開尖峰電流的影響，提高過流采集數(shù)據(jù)的可靠性，避免產生誤動作。具體的，所述功率管與過流保護電路集成在同一芯片中。這種方案是適合單片電源管理芯片的一種方案，過流保護電路與功率管集成在同一芯片中，電路參數(shù)兼容性指標容易得到滿足，電路性能更有保障。進一步的，所述電流采樣電路通過采集所述功率管的鏡像電流得到采樣電壓。
本方案的電流采樣電路可以通過一個小功率管鏡像主功率管電流再串聯(lián)一個小電阻來實現(xiàn)?；蛘?，所述過流保護電路為單片集成電路，所述功率管為外置器件，通過外部線路與所述過流保護電路和邏輯控制單元連接。這種結構形式可以采用功率更大的功率管或組合功率管，有利于提高電源系統(tǒng)的功率。分離配置的功率管也更方便散熱。進一步的，所述電壓比較器包括第一比較器、第二比較器和延時電路，其中所述第一比較器用于當邏輯控制單元輸出的信號開啟功率管時，對所述采樣電壓和參考電壓進行比較，得到第一級指示信號；所述第二比較器根據(jù)延時電路輸出的延時信號，對第一級指示信號進行處理，輸出過流指示信號；所述延時電路用于功率管開啟時，延時第二比較器的工作，避免功率管開啟瞬間的尖峰電流對過流保護電路的影響。電壓比較器采用兩級結構的方案，第一比較器實時檢測功率管電流，第二比較器經過一定延時后才對檢測數(shù)據(jù)進行處理，既能夠保證電流檢測的實時性，又能夠避免功率管導通瞬間尖峰電流的干擾。具體的，所述過流指示信號為數(shù)字信號。采用數(shù)字信號輸出，可以提高信號的抗干擾能力，也便于與邏輯控制單元兼容。本發(fā)明的有益效果是，通過直接對功率管電流進行檢測，在寬電壓輸入、高壓應用中，能快速、直接檢測功率管電流以實現(xiàn)過流保護，避免了在功率管開啟瞬間尖峰電流導致過流保護電路誤觸發(fā)，提高過流保護電路的可靠性。


圖I是本發(fā)明的過流保護電路結構示意圖；圖2是電壓比較器電路框圖；圖3是電壓比較器電路結構示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖及實施例，詳細描述本發(fā)明的技術方案。本發(fā)明的過流保護電路結構如圖I所示，包括電流采樣電路、參考電壓產生電路、電壓比較器和邏輯控制單元。圖I中
電流采樣電路用于對流經功率管的電流進行采樣，并將采樣電流Is轉換為采樣電壓Vs輸入電壓比較器。參考電壓產生電路用于產生參考電壓Vr，為電壓比較器提供比較的基準電壓；電壓比較器與邏輯控制單元連接，當邏輯控制單元輸出的柵控制信號Vg使功率管開啟時，對采樣電壓Vs和參考電壓Vr進行比較，比較結果經過延時處理后在采樣電壓Vs大于參考電壓Vr時，向邏輯控制單元輸出過流指示信號Vo。電壓比較器具有延時處理能力，可以避開尖峰電流的影響，提高過流采集數(shù)據(jù)的可靠性，避免產生誤動作。邏輯控制單元，根據(jù)過流指示信號Vo，輸出控制功率管開關的柵控制信號Vg和啟動電壓比較器的啟動信號Vc，當柵控制信號Vg控制功率管開啟則電壓比較器啟動進入工作狀態(tài)，當柵控制信號Vg控制功率管關斷則電壓比較器關閉退出工作狀態(tài)。本發(fā)明中，當采用功率管與過流保護電路集成在同一芯片的集成電路結構時，電流采樣電路可以采用集成電路工藝，用小功率管鏡像功率管電流并串聯(lián)一個小電阻，通過 率管可以采用外置器件，通過外部線路與過流保護電路和邏輯控制單元連接。這種結構形式可以采用功率更大的功率管或組合功率管，有利于提高電源系統(tǒng)的功率。本發(fā)明優(yōu)選的電壓比較器結構如圖2所示，包括第一比較器、第二比較器和延時電路三部分構成。第一比較器的作用是當邏輯控制單元輸出的信號開啟功率管時，第一比較器對采樣電壓Vs和參考電壓Vr進行比較，得到第一級指示信號VI。第二比較器根據(jù)延時電路輸出的延時信號Vd,對第一級指不信號Vl進行處理,輸出過流指示信號Vo ；本發(fā)明的延時電路作用是當功率管開啟時，延時第二比較器的工作，這是即使第一比較器輸出的第一級指示信號Vl包涵了功率管過流信息，由于第二比較器還沒有收到延時信號Vd，并不會對第一級指示信號Vl進行處理，因而沒有過流指示信號Vo輸出，這就避免了功率管開啟瞬間的尖峰電流對過流保護電路的影響，提高了電路的抗干擾能力。這里第二比較器采用數(shù)字處理技術對第一級指示信號Vl進行處理，其輸出的過流指示信號為數(shù)字信號，具有較強的抗干擾能力，并與邏輯控制單元具有很高的兼容性。圖2中，邏輯控制單元輸出的啟動信號Vc直接控制第一比較器和延時電路工作，第一比較器的輸出信號Vl和延時電路的輸出信號Vd控制第二比較器的工作。當啟動信號Vc為高電平時，電壓比較器開始工作。首先第一比較器對電流米樣電路輸出的米樣電壓Vs和參考電壓產生電路輸出的參考電壓值Vr進行比較，得到第一級指示信號VI，同時啟動信號Vc經過延時電路延遲一定時間后，輸出延時信號Vd到第二比較器，第二比較器對第一級指示信號Vl進行處理，得到過流指示信號Vo。當啟動信號Vc為低電平時，電壓比較器停止工作，輸出過流指示信號Vo為低電平，代表流過功率管的電流沒有過流。本例電壓比較器具體電路圖如圖3所示，其連接方式為高壓電阻Rl —端接Vin信號，另一端接采樣電流Is信號及三極管Ql的基極，高壓電阻R2 —端接Vin，另一端接參考電流Ir信號及三極管Q2的基極。三極管Q1、Q2的集電極連接Vin信號，三極管Ql的發(fā)射極接PMOS三極管Ml的源極，Q2的發(fā)射極接高壓PMOS三極管M2的源極。Ml的柵極和漏極短接并且和M2的柵及NMOS三極管M3的漏極相連，M2的漏極與NMOS三極管M4的漏極相連。M3、M4的柵極連接電源Vdd，M3的源極與穩(wěn)壓二極管D2陰極和NMOS三極管M5的漏極相連，M4的源極與穩(wěn)壓二極管Dl陰極、NMOS三極管M6的漏極、NMOS三極管Mll的柵極相連；M5、M6的柵極與NMOS三極管M7的柵極相連，Dl陽極、D2陽極、M5、M6、M7的源極接地GND。M7的柵極和漏極短接且與PMOS三極管M8的漏極相連；M8、PMOS三極管M9、PMOS三極管M12、PM0S三極管M14、PM0S三極管M15的源極與電源Vdd相連，M9的柵極和漏極短接且與M8、M12、M14的柵極以及NMOS三極管MlO的漏極相連，MlO的柵極與延時電路輸入端和啟動信號Vc相連，MlO的源與基準電流Io串聯(lián)后連接至地GND。PMOS三極管M15的柵極和延時電路的輸出相連，NMOS三極管Mil、NMOS三極管M13、M15的源極接地，M11、M12、M15的漏極與M13、M14的柵相連，M13、M14的漏極輸出過流指示信號Vo。圖中M3-14，DUD2均為低壓5V器件。比較器的靜態(tài)工作點分析Vs = Vr (1-1)
Vs = Vin-IsXRl (1-2)Vr=Vin-Ir X R2 (1-3)將式(1_2)、(1-3)代入(1~1)得Is X Rl=Ir X R2 (1-4)即
/V 9Is = Ir-(1-5)
Rl由式(1-5)可以看出過流點由R2，Rl的比值和Ir的值決定。本例電壓比較器的工作原理如下當邏輯控制單元輸出的啟動信號Vc為高時，電壓比較器開始工作，電流基準Io為電壓比較器提供偏置電流，M8鏡像M9的電流，M7為M5、M6提供偏置，當采樣電流Is小于參考電流Ir (即不過流)時，由式(1-2)和式(1-3)可知，Ql的基極電壓Vs大于Q2的基極電壓Vr，通過Ql和Q2組成的“射極跟隨器”，Ml的源極電壓大于M2的源極電壓，由于Ml和M2柵極電壓相同，所以流過Ml的電流Il小于流過M2的電流12，由于M5、M6的柵極電壓相同，M6的漏極電壓將被“拉低”而進入線性區(qū)，此時輸入電壓Vin (高壓)由M2承擔，第一比較器輸出第一級指示信號Vl為低電平。經過延時電路產生一定時間延遲后，第二比較器開始工作，第一級指示信號Vl經過M11-14組成的反相器兩次反相后，第二比較器輸出過流指示信號Vo為低電平，代表流過功率管的電流不過流。當采樣電流Is大于參考電流Ir (過流)時，Ql的基極電壓Vs小于Q2的基極電壓VR，通過Ql和Q2組成的“射極跟隨器”，Ml的源極電壓大于M2的源極電壓，由于Ml和M2柵極電壓相同，所以流過Ml的電流Il大于流過M2的電流12，由于M5、M6的柵極電壓相同，M6的漏極電壓將升高，M4進入線性區(qū)，此時輸入的電壓Vin仍由M2承擔，第一比較器輸出的第一級指示信號Vl為高電平。經過延時電路產生一定時間延遲后，第二比較器開始工作，第一級指示信號Vl經過M11-14組成的反相器兩次反相后，輸出過流指示信號Vo為高電平，代表流過功率管的電流過流。當邏輯控制單元輸出的啟動信號Vc為低時，MlO關斷，電壓比較器停止工作，同時M15開啟，輸出過流指示信號Vo為低電平，代表流過功率管的電流不過流。
權利要求
1.一種過流保護電路，包括電流采樣電路、參考電壓產生電路、電壓比較器和邏輯控制單元，其中 所述電流采樣電路用于對流經功率管的電流進行采樣，并將采樣電流轉換為采樣電壓輸入電壓比較器； 所述參考電壓產生電路用于產生預設的參考電壓，為電壓比較器提供比較的基準電壓； 所述電壓比較器與邏輯控制單元連接，用于當邏輯控制單元輸出的柵控制信號使功率管開啟時，對所述采樣電壓和參考電壓進行比較，經過延時處理后在采樣電壓大于參考電壓時，向邏輯控制單元輸出過流指示信號； 所述邏輯控制單元，用于產生啟動電壓比較器的啟動信號，并根據(jù)過流指示信號輸出控制功率管開關的柵控制信號，當柵控制信號控制功率管開啟則電壓比較器啟動進入工作狀態(tài)，當柵控制信號控制功率管關斷則電壓比較器關閉退出工作狀態(tài)。
2.根據(jù)權利要求I所述的一種過流保護電路，其特征在于，所述功率管與過流保護電路集成在冋一芯片中。
3.根據(jù)權利要求2所述的一種過流保護電路，其特征在于，所述電流采樣電路通過采集所述功率管的鏡像電流得到采樣電壓。
4.根據(jù)權利要求I所述的一種過流保護電路，其特征在于，所述過流保護電路為單片集成電路，所述功率管為外置器件，通過外部線路與所述過流保護電路和邏輯控制單元連接。
5.根據(jù)權利要求廣4任意一項所述的一種過流保護電路，其特征在于，所述電壓比較器包括第一比較器、第二比較器和延時電路，其中 所述第一比較器用于當邏輯控制單元輸出的信號開啟功率管時，對所述采樣電壓和參考電壓進行比較，得到第一級指示信號； 所述第二比較器根據(jù)延時電路輸出的延時信號，對第一級指示信號進行處理，輸出過流指示信號； 所述延時電路用于功率管開啟時，延時第二比較器的工作，避免功率管開啟瞬間的尖峰電流對過流保護電路的影響。
6.根據(jù)權利要求5所述的一種過流保護電路，其特征在于，所述過流指示信號為數(shù)字信號。
全文摘要
本發(fā)明涉及功率集成電路設計技術。本發(fā)明針對現(xiàn)有技術過流保護電路容易受到功率管尖峰電流干擾，采集數(shù)據(jù)不可靠的缺點，公開了一種過流保護電路。本發(fā)明的過流保護電路主要包括電流采樣電路、參考電壓產生電路、電壓比較器和邏輯控制單元，本發(fā)明將流過功率管的電流與設定的參考信號比較產生過流信息，經過延時后輸出控制信號對功率管進行控制。由于電壓比較器具有延時處理能力，可以避開尖峰電流的影響，提高過流采集數(shù)據(jù)的可靠性，避免產生誤動作。本發(fā)明特別適合用于高壓大電流電源管理芯片、DC-DC變換器等集成電路產品中。
文檔編號H02H7/22GK102832599SQ201210303899
公開日2012年12月19日 申請日期2012年8月24日 優(yōu)先權日2012年8月24日
發(fā)明者羅萍, 廖乾蘭, 廖鵬飛, 胡烽, 甄少偉, 張波 申請人:電子科技大學