本實(shí)用新型涉及到過(guò)流檢測(cè)電路領(lǐng)域,特別是涉及到一種功率開關(guān)的過(guò)流檢測(cè)電路。
背景技術(shù):
開關(guān)放大器、開關(guān)電源,電荷泵、電子煙等利用功率MOS管開關(guān)的導(dǎo)通和關(guān)斷來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)和能量的高效率轉(zhuǎn)換。這種功率MOS管開關(guān)在導(dǎo)通時(shí)通常有較大的電流流過(guò),如果電流超過(guò)了該功率MOS管開關(guān)的承受極限,該功率MOS管開關(guān)可能會(huì)發(fā)生永久性損壞。因此,為了保證器件的可靠性,必須對(duì)流過(guò)功率MOS管開關(guān)的電流進(jìn)行連續(xù)檢測(cè),并且能夠在電流過(guò)大時(shí)對(duì)功率MOS管開關(guān)進(jìn)行保護(hù)。
現(xiàn)有技術(shù)的過(guò)流檢測(cè)電路一般如圖1所示,PMOS功率管開關(guān)1和采樣PMOS管2的柵端9和漏端8各自相連,采樣PMOS管2的源端5通過(guò)一個(gè)電阻值為RS1的采樣電阻3連接到電源VDD,功率PMOS管開關(guān)1的源端直接連接到電源VDD。功率PMOS管開關(guān)1和采樣MOS管2的尺寸比例為N:1。采樣PMOS管2和采樣電阻3的公共端5連接一個(gè)比較器6的負(fù)向輸入端,一個(gè)參考電壓VREF1加到比較器6的正向輸入端。當(dāng)流過(guò)功率PMOS管開關(guān)1的電流較小時(shí),流過(guò)采樣MOS管2的電流也較小,比較器6負(fù)向輸入端電壓VS1高于正向輸入端的電壓VREF1,因此比較器6輸出低點(diǎn)平。當(dāng)流過(guò)功率PMOS管開關(guān)1的電流較高時(shí),流過(guò)采樣PMOS管2的電流也較高,導(dǎo)致VS1下降;當(dāng)比較器6負(fù)向輸入端的電壓VS1低于正向輸入端的電壓VREF1時(shí),比較器6輸出高電平,表示功率PMOS管開關(guān)發(fā)生過(guò)流。這種實(shí)現(xiàn)方法的缺點(diǎn)是,由于存在采樣電阻3,使功率PMOS管開關(guān)1和采樣PMOS管2的源端電壓不一致,導(dǎo)致流過(guò)采樣PMOS管2的電流與流過(guò)功率PMOS開關(guān)1的電流不成線性關(guān)系,因此他不是正真的等比例采樣電流;采樣的實(shí)際上是功率PMOS開關(guān)1漏端8上的電壓,并把這個(gè)電壓與參考電壓VREF1比較,通過(guò)MOS管線性區(qū)電流公式估算出流出功率PMOS管開關(guān)1的電流。這樣帶來(lái)的問(wèn)題是,MOS管的工藝偏差、以及VDD電源的變化帶來(lái)的MOS管線性區(qū)電流公式的精確性都會(huì)對(duì)流過(guò)功率PMOS管開關(guān)的電流檢測(cè)帶來(lái)相當(dāng)大的誤差。如果將過(guò)流檢測(cè)點(diǎn)設(shè)定的過(guò)低,則會(huì)導(dǎo)致在較大負(fù)載時(shí)的過(guò)早保護(hù);如果將過(guò)流檢測(cè)點(diǎn)設(shè)定的過(guò)高,又會(huì)導(dǎo)致保護(hù)失效,致使器件損壞。因此,可靠的功率MOS管開關(guān)過(guò)流保護(hù)裝置需要具備更高精度、更高可控性的過(guò)流檢測(cè)方法。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本實(shí)用新型的主要目的為提供一種提高檢測(cè)精度的功率開關(guān)的過(guò)流檢測(cè)電路。
為了實(shí)現(xiàn)上述實(shí)用新型目的,本實(shí)用新型提出一種功率開關(guān)的過(guò)流檢測(cè)電路,包括采樣電路單元、除法電路單元和輸出信號(hào)處理單元;
所述采樣電路單元采集功率開關(guān)漏極的電壓,將其轉(zhuǎn)換為采樣電流;
所述除法電路單元獲取參考電流,并對(duì)參考電流進(jìn)行預(yù)設(shè)的除法處理,得到修正后的基準(zhǔn)電流;
所述輸出信號(hào)處理單元將所述采樣電流和基準(zhǔn)電流進(jìn)行比較,并根據(jù)比較結(jié)果輸出控制所述功率開關(guān)的開和關(guān)的控制信號(hào);
所述輸出信號(hào)處理單元包括施密特觸發(fā)器和反相器,所述施密特觸發(fā)器包括正反饋比較器,所述正反饋比較器的正極輸入端通過(guò)第二電阻連接所述除法電路單元和采樣電路單元;所述正反饋比較器的負(fù)極輸入端通過(guò)第三電阻接地;所述正反饋比較器的輸出端連接第四電阻的一端,第四電阻的另一端連接所述反相器,第四電阻的另一端還通過(guò)串聯(lián)的第一穩(wěn)壓管和第二穩(wěn)壓管接地,以及通過(guò)第五電阻連接所述正反饋比較器的正極輸入端。進(jìn)一步地,所述采樣電路單元包括第一PMOS管和第二PMOS管,
所述第一PMOS管的源端連接VDD電壓源,柵端與第二PMOS管的柵端連接,漏端連接所述除法電路單元;
所述第二PMOS管的源端連接功率開關(guān)的漏端,柵端和漏端短接后連接所述除法電路單元。
進(jìn)一步地,所述除法電路單元包括除法電路模塊,該除法電路模塊包括第一除法電路和第二除法電路,第一除法電路與第二除法電路結(jié)構(gòu)相同,第一除法電路的一端連接所述VDD電壓源,另一端連接所述第二除法電路;
所述第一除法電路包括第三PMOS管、第四PMOS管、第一NMOS管、第二NMOS管、第一電阻、電流輸入器、電流輸出器和運(yùn)放器;
所述電流輸入器的一端連接所述第三PMOS管的漏端,另一端接地;
所述第三PMOS管的柵端接地,源端接所述VDD電壓源,漏端接入運(yùn)放器的正輸入端;
所述第四PMOS管的柵端連接所述運(yùn)放器的輸出端,源端接入運(yùn)放器的負(fù)輸入端,漏極分別連接所述第一NMOS管的柵端和漏端;
所述第一電阻的一端連接所述VDD電壓源,另一端與所述第四PMOS管的源端相連;
所述第一NMOS管的源端接地,柵端與第二NMOS管的柵端相連;
所述第二NMOS管的源端接地,漏端與所述電流輸出器的一端連接,電流輸出器的另一端連接所述第二除法電路的第三PMOS管的漏極;
所述第二除法電路的電源輸出器輸出所述基準(zhǔn)電流。
進(jìn)一步地,所述除法電路單元還包括鏡像電路,該鏡像電路包括第三NMOS管、第四NMOS管和第五NMOS管,
所述第三NMOS管的柵端和漏端短接并與所述除法電路連接,源端接地;所述第四NMOS管的漏端與所述第一PMOS管的漏端短接后連接所述輸出信號(hào)處理單元,源端接地;所述第五NMOS管的漏端與所述第二PMOS管的漏端短接,源端接地;
所述第三NMOS管的柵端、第四NMOS管的柵端和第五NMOS管的柵端相互短接。
本實(shí)用新型通過(guò)對(duì)參考電流的除法修正后,過(guò)流檢測(cè)點(diǎn)與功率開關(guān)的MOS管工藝無(wú)關(guān),與VDD電壓源無(wú)關(guān),可以對(duì)功率開關(guān)實(shí)現(xiàn)高精度過(guò)流檢測(cè)。
附圖說(shuō)明
圖1為現(xiàn)有技術(shù)的功率開關(guān)的過(guò)流檢測(cè)電路的電路圖;
圖2為本實(shí)用新型一實(shí)施例的功率開關(guān)的過(guò)流檢測(cè)電路的電路圖;
圖3為本實(shí)用新型一實(shí)施例的除法電路的電路圖;
圖4為本實(shí)用新型一實(shí)施例的施密特觸發(fā)器的電路圖。
本實(shí)用新型目的的實(shí)現(xiàn)、功能特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)將結(jié)合實(shí)施例,參照附圖做進(jìn)一步說(shuō)明。
具體實(shí)施方式
應(yīng)當(dāng)理解,此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本實(shí)用新型,并不用于限定本實(shí)用新型。
參照?qǐng)D2和圖3,本實(shí)用新型實(shí)施例中提供一種功率開關(guān)的過(guò)流檢測(cè)電路,包括采樣電路單元100、除法電路單元200和輸出信號(hào)處理單元300;上述采樣電路單元100采集功率開關(guān)10漏極的電壓,將其轉(zhuǎn)換為采樣電流;上述除法電路單元200獲取參考電流,并對(duì)參考電流進(jìn)行預(yù)設(shè)的除法處理,得到修正后的基準(zhǔn)電流;上述輸出信號(hào)處理單元300將所述采樣電流和基準(zhǔn)電流進(jìn)行比較,并根據(jù)比較結(jié)果輸出控制所述功率開關(guān)10的開和關(guān)的控制信號(hào)。
本實(shí)施例中,上述采樣電路單元100包括第一PMOS管11和第二PMOS管12;所述第一PMOS管11的源端連接VDD電壓源,柵端與第二PMOS管12的柵端連接,漏端連接所述除法電路單元200;所述第二PMOS管12的源端連接功率開關(guān)10的漏端,柵端和漏端短接后連接所述除法電路單元200。
本實(shí)施例中,上述除法電路單元200包括除法電路模塊201,該除法電路模塊201包括第一除法電路和第二除法電路,第一除法電路與第二除法電路結(jié)構(gòu)相同,第一除法電路的一端連接所述VDD電壓源,另一端連接所述第二除法電路;所述第一除法電路包括第三PMOS管23、第四PMOS管27、第一NMOS管28、第二NMOS管29、第一電阻26、電流輸入器24、電流輸出器30和運(yùn)放器25;所述電流輸入器24的一端連接所述第三PMOS管23的漏端,另一端接地;所述第三PMOS管23的柵端接地,源端接所述VDD電壓源,漏端接入運(yùn)放器25的正輸入端;所述第四PMOS管27的柵端連接所述運(yùn)放器25的輸出端,源端接入運(yùn)放器25的負(fù)輸入端,漏極分別連接所述第一NMOS管28的柵端和漏端;所述第一電阻26的一端連接所述VDD電壓源,另一端與所述第四PMOS管27的源端相連;所述第一NMOS管28的源端接地,柵端與第二NMOS管29的柵端相連;所述第二NMOS管29的源端接地,漏端與所述電流輸出器30的一端連接,電流輸出器30的另一端連接所述第二除法電路的第三PMOS管23的漏極;所述第二除法電路的電源輸出器輸出所述基準(zhǔn)電流。
本實(shí)用新型實(shí)施例中,上述第一除法電路的計(jì)算公式為第二除法電路的計(jì)算公式為其中,I1為參考電流,I2為第一除法處理后的電流,I3為所述基準(zhǔn)電流,K1和K2為對(duì)應(yīng)的MOS管連接的電阻、空穴遷移率、單位面積的柵氧化層電容以及寬長(zhǎng)比的乘積,VDD為所述VDD電壓源的輸入電壓,VTHP為PMOS管的閾值電壓。上述參考電流經(jīng)過(guò)兩次除法后,可以對(duì)功率開關(guān)10實(shí)現(xiàn)高精度過(guò)流檢測(cè),過(guò)流檢測(cè)點(diǎn)與功率開關(guān)10的MOS管工藝無(wú)關(guān),與VDD電壓源無(wú)關(guān)。
本實(shí)施例中,上述除法電路單元200還包括鏡像電路202,該鏡像電路202包括第三NMOS管13、第四NMOS管14和第五NMOS管15,所述第三NMOS管13的柵端和漏端短接并與所述除法電路連接,源端接地;所述第四NMOS管14的漏端與所述第一PMOS管11的漏端短接后連接所述輸出信號(hào)處理單元300,源端接地;所述第五NMOS管15的漏端與第二PMOS管12的漏端短接,源端接地;所述第三NMOS管13的柵端、第四NMOS管14的柵端和第五NMOS管15的柵端相互短接。
本實(shí)施例中,上述輸出信號(hào)處理單元300包括施密特觸發(fā)器17和反相器18,所述施密特觸發(fā)器17包括正反饋比較器301,所述正反饋比較器301的正極輸入端通過(guò)第二電阻302連接所述除法電路單元200和采樣電路單元100,即與所述第一PMOS管11以及第四NMOS管14的漏極連接;所述正反饋比較器301的負(fù)極輸入端通過(guò)第三電阻303接地;所述正反饋比較器301的輸出端連接第四電阻304的一端,第四電阻304的另一端連接所述反相器18,第四電阻304的另一端還通過(guò)串聯(lián)的第一穩(wěn)壓管305和第二穩(wěn)壓管306接地,以及通過(guò)第五電阻307連接所述正反饋比較器301的正極輸入端。可以將電流比較轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)后再進(jìn)行比較,方便比較,增加比較的準(zhǔn)確性。
具體的電流檢測(cè)精度由以下推導(dǎo)得出:
如圖2所示,第三NMOS關(guān)13的電流為IN13,即為電流除法單元的輸出電流,第四NMOS關(guān)14的電流IN14=N*IN13,第五NMOS關(guān)15的電流為IN15=IN13,第二PMOS關(guān)12的電流即等于第五NMOS關(guān)15的電流,表達(dá)式為:
式(1)中的μp為空穴遷移率,cox為單位面積的柵氧化層電容,為第二PMOS關(guān)12的寬長(zhǎng)比,VTHP為PMOS管的閾值電壓。
第一PMOS關(guān)11的電流為:
過(guò)流檢測(cè)時(shí)又有關(guān)系式:IP11=IN14=N*IN13=N*IP12 式(3)
功率開關(guān)10的電流為:
聯(lián)合式(1)(2)(3),可以得到進(jìn)一步可以得到:
從式(5)中可得出VVDD-VOUT正比于若IN13為固定電流,則過(guò)流時(shí)VVDD-VOUT亦為一固定值,但式(4)中還有一項(xiàng)VVDD-VTHP受MOS管閾值電壓以及電源電壓VDD影響,為實(shí)現(xiàn)精度更高,更可控的過(guò)流檢測(cè),需要進(jìn)一步優(yōu)化電路,電流除法單元即為實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的。
如圖3所示:
兩個(gè)級(jí)聯(lián)輸出后,即Iout1作為下一級(jí)第二電流除法電路的輸入Iin2,其他部分不做改動(dòng),即可得到:
聯(lián)合式(5),令
同時(shí)設(shè)定Iin1為一恒定電流,則可以得到
將式(4),得到:
至此,由式(9)得出,發(fā)生過(guò)流時(shí)功率開關(guān)10電流IP10正比于如此以來(lái)就得到了高精度,高可靠性的功率開關(guān)10過(guò)流檢測(cè)及保護(hù)。
本實(shí)施例的功率開關(guān)的過(guò)流檢測(cè)電路,用級(jí)聯(lián)的兩個(gè)電流除法電路,以及采樣功率開關(guān)管漏端電壓后進(jìn)行電流比較,從而實(shí)現(xiàn)過(guò)流檢測(cè)的高精度,檢測(cè)過(guò)流之后控制功率開關(guān)管的開關(guān)狀態(tài)來(lái)限制功率開關(guān)管的電流,由此可實(shí)現(xiàn)對(duì)功率開關(guān)管的過(guò)流保護(hù)。
以上所述僅為本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施例,并非因此限制本實(shí)用新型的專利范圍,凡是利用本實(shí)用新型說(shuō)明書及附圖內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)或等效流程變換,或直接或間接運(yùn)用在其他相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域,均同理包括在本實(shí)用新型的專利保護(hù)范圍內(nèi)。