一种低侧功率开关集成模组和驱动芯片

技术领域

本发明涉及功率开关技术领域，具体涉及一种低侧功率开关集成模组和驱动芯片。

背景技术

智能低侧功率开关集成模组是将功率器件、保护电路和控制电路集成到同一芯片内的集成电路，因为其具有集成度高、易于控制等优点，在航空电子设备、汽车电子和工业控制等领域均有广泛的应用。

实际应用中，智能低侧功率开关集成模组通常在恶劣的环境下工作，负载波动导致的过载及负载短路等故障更是常见。

因此，如何提高低侧功率开关集成模组的可靠性，是目前亟需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种低侧功率开关集成模组和驱动芯片，以提高低侧功率开关集成模组的可靠性。

为实现上述目的，本发明实施例提供了以下方案：

第一方面，本发明实施例提供了一种低侧功率开关集成模组，包括：

SenseFET电流采样电路，用于获取功率开关管的通路电流对应的采样电流；

限流保护电路，用于在所述采样电流超过阈值电流时，拉低所述功率开关管的栅极电压，减小所述功率开关管的通路电流；

SenseFET电压采样电路，用于获取所述功率开关管的漏极电压对应的采样电压；

短路保护电路，用于在所述采样电压超过阈值电压时，关断所述功率开关管，并关断所述SenseFET电流采样电路、所述限流保护电路、所述SenseFET电压采样电路和所述短路保护电路中的电流镜器件。

在一种可能的实施例中，所述功率开关管为NMOS管MN1；

所述SenseFET电流采样电路，包括：NMOS管MN2和电阻R1；

MN1的漏极经负载电阻RL连接功率管供电端V

在一种可能的实施例中，所述限流保护电路，包括：PMOS管MP1和MP2，以及，三极管Q1和Q2；

MP1的源极、MP1的背栅、MP2的源极和MP2的背栅均接电流镜供电端V

在一种可能的实施例中，所述SenseFET电压采样电路，包括：NMOS管MN3，电阻R2，以及，反相器INV1和INV2；

MP2的漏极依次经INV1和INV2连接MN3的前栅；INV1的输入端连接MN2的前栅；MN3的漏极经RL连接V

在一种可能的实施例中，所述短路保护电路包括：短路检测电路和关断控制电路；

所述短路检测电路，包括：PMOS管MP3和MP4，三极管Q3和Q4，以及，电阻R3；

MP3的源极、MP3的背栅、MP4的源极和MP4的背栅均接V

其中，Q3的集电极用于在R2两端电压超过所述阈值电压时，产生短路检测信号；所述关断控制电路在所述短路检测信号的触发下，关断所述功率开关管，并关断所述SenseFET电流采样电路、所述限流保护电路、所述SenseFET电压采样电路和所述短路保护电路中的电流镜器件。

在一种可能的实施例中，所述关断控制电路，包括：PMOS管MP5和MP6，NMOS管MN4、MN5、MN6、MN7和MN8，以及，反相器INV3；

MP5的源极、MP5的背栅、MP6的源极和MP6的背栅均接V

在一种可能的实施例中，所述短路保护电路还包括：逻辑综合电路；

所述逻辑综合电路，包括：反相器INV4和INV5，以及，与非门电路NAND1和NAND2；

Q3的集电极经INV4连接NAND1的第一输入端；NAND1的输出端经INV5接INV3的输入端；NAND1的第二输入端接NAND2的输出端；NAND2的第一输入端接NAND1的输出端。

在一种可能的实施例中，MP2的漏极经电阻R4连接INV1的输入端。

在一种可能的实施例中，R1、R2、R3和R4的电阻类型为阱电阻或多晶电阻。

第二方面，本发明实施例提供了一种驱动芯片，包括：如第一方面中任意一项所述的低侧功率开关集成模组。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本发明为功率开关管配置了SenseFET电流采样电路、限流保护电路、SenseFET电压采样电路和短路保护电路；当采样电流超过阈值电流时，限流保护电路可以拉低功率开关管的栅极电压，减小功率开关管的通路电流；当采样电压超过阈值电压时，短路保护电路，可以关断功率开关管，并关断SenseFET电流采样电路、限流保护电路、SenseFET电压采样电路和短路保护电路中的电流镜器件，为功率开关管提供短路保护。

相比于传统的电阻采样，本发明基于SenseFET实现电流和电压的采样，能够提高采样电流和采样电压的采样精度，同时减少采样过程对功率开关管输出功率的影响，从而提高了低侧功率开关集成模组的可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本说明书实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本说明书的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种低侧功率开关集成模组的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种低侧功率开关集成模组的连接示意图；

图3是本发明实施例提供的一种低侧功率开关集成模组的连接示意图；

图4是本发明实施例提供的图3所示的低侧功率开关集成模组的仿真结果示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明实施例保护的范围。

为提高低侧功率开关集成模组的可靠性，本发明的发明人对现有的功率开关进行分析，发现现有的功率开关的限流及短路保护的方法主要是将检测回路电流与预置的保护值进行比较，以此作为判断条件进行保护。这就使得现有的功率开关通常只有限流和短路保护中的一种功能，没有同时具有两种保护功能的功率开关集成模组。同时，传统限流及短路保护电路的采样电路部分使用外部电阻采样或者利用功率管的导通电阻采样，精度低，采样不准确容易导致限流和短路保护失效。另外，传统限流及短路保护电路的信号处理部分均使用电压、电流比较器电路以及阈值电压产生电路，功耗大，电路复杂度高。

经过上述分析，不难发现，现有的功率开关存下以下四方面的缺陷：

1、传统短路保护针对负载异常情况的电路保护功能不完善，不能满足在负载较小(或过载)时，仍需电路在一定电流范围内正常工作的要求；

2、传统短路保护针对负载异常情况的电路保护功能不完善，不能满足在负载较小(或过载)时，仍需电路在一定电流范围内正常工作的要求；

3、采样不精确，容易导致保护电路失效；

4、普通电压、电流比较器电路以及阈值电压产生电路结构复杂，电路面积大，电路复杂度高，功耗大。

可见，上述四方面的缺陷，严重制约着现有的功率开关的可靠性。为了提高低侧功率开关集成模组的可靠性，本发明实施例提供了以下方案。

请参阅图1，图1为本发明实施例提供的一种低侧功率开关集成模组的结构示意图，包括：SenseFET(Sense Field Effect Transistor，传感场效应管)电流采样电路、限流保护电路、SenseFET电压采样电路和短路保护电路。

SenseFET电流采样电路，用于获取功率开关管的通路电流对应的采样电流。

限流保护电路，用于在采样电流超过阈值电流时，拉低功率开关管的栅极电压，减小功率开关管的通路电流。

SenseFET电压采样电路，用于获取功率开关管的漏极电压对应的采样电压。

短路保护电路，用于在采样电压超过阈值电压时，关断功率开关管，并关断SenseFET电流采样电路、限流保护电路、SenseFET电压采样电路和短路保护电路中的电流镜器件。

SenseFET相对于常规的FET(Field Effect Transistor，场效应管)，具有较小的器件尺寸，因此，由SenseFET构成的采样电路的功率通常较小，因此能够减少对功率开关管的输出功率的影响，提高了功率开关管的输出效率和输出可靠性。

这里以NMOS管MN1作为功率开关管，举例说明本实施例的工作过程。

如图2所示为本发明实施例提供的一种低侧功率开关集成模组的连接示意图，其中，NMOS管MN 1作为功率开关管，NMOS管MN2与电阻R2构成SenseFET电流采样电路，NMOS管MN3与电阻R3构成SenseFET电压采样电路。

该低侧功率开关集成模组在工作中，通过SENSEFET电流采样电路对输出功率管进行电流采样。而后限流保护电路对采样电流进行分析以及处理，限流保护电路利用三极管的开启和关断，配合电流镜及带隙结构完成限流保护。

当采样电流低于阈值时，限流保护电路不影响开关管的栅极电压。当电流高于阈值时，限流保护模块拉低开关管的栅极电压，从而降低流经开关管的电流，将其限制在阈值电流以下。

该低侧功率开关集成模组在工作中，通过SENSEFET电压采样电路对输出功率管进行漏级电压采样，将漏级电压转化为流经SENSEFET电压采样电路的电流，通过采样电阻R2再转化为采样电压。而后短路保护电路对采样电压进行分析以及处理，短路保护电路利用三极管的开启和关断，配合电流镜及带隙结构完成短路保护。

当负载RL在正常值范围时，短路保护电路正常工作，短路保护电路不影响整个电路的工作。当负载RL短路时，短路保护模块输出信号signal2，功率关断开关管MN1及整个电路，从而保证电路及器件不被损坏。

如图3所示为本发明实施例提供的一种低侧功率开关集成模组的连接示意图，其中，功率开关管为NMOS管MN1；SenseFET电流采样电路，包括：NMOS管MN2和电阻R1；MN1的漏极经负载电阻RL连接功率管供电端V

本实施例中采用SenseFET进行电流采样：即MN1管与MN2管的栅极(箭头，背栅，源漏极怎么分)、漏极和互连，MN1管的宽长比与MN2管的宽长比之比为N：1(通常N>200)，所以流经MN2管的电流很小，采样电阻R1的压降很小，所以MN1管与MN2管的源极电压近似相等，继而得到流经MN1管与MN2管的电流比为N:1，从而实现了对功率开关管MN1的通路电流的精准采样。

限流保护电路，包括：PMOS管MP1和MP2，以及，三极管Q1和Q2；MP1的源极、MP1的背栅、MP2的源极和MP2的背栅均接电流镜供电端V

具体的，采样电流经过采样电阻R1转换为电压，该电压信号给到限流保护电路。在限流保护电路中，MP6管、MN8管与MN5管组成电流镜)，限流保护电路工作时，MN4管开启，MN5管、MP5管、MP2管和MP1管组成电流镜，Q1和Q2组成电流镜。当负载RL的阻值降低到阈值以下时，流经功率开关管MN1的电流增大到限流阈值电流，限流采样电阻R1两端电压增大到设定的阈值电压，则A点(Q1的基极)电压升高，即Q1与Q2的基极电压升高，Q1与Q2三极管组成的电流镜的电流增大，B点(MP2的漏极)电压拉低，即功率开关管的前栅电压降低，进而将流经功率开关管的电流限制到目标限制电流处。

图3中，MP2的漏极经电阻R4连接INV1的输入端，电阻R4用来防止栅压过大击穿器件，其中并没有压降。

SenseFET电压采样电路，包括：NMOS管MN3，电阻R2，以及，反相器INV1和INV2；MP2的漏极依次经INV1和INV2连接MN3的前栅；INV1的输入端连接MN2的前栅；INV1的输入端连接MN2的前栅；MN3的漏极经RL连接V

具体的，MN1管与MN3管的漏极、源极互连，MN1管的前栅经过两级逆变器连接到MN3管的栅极，MN2管与MN3管的宽长比的比值为M:1(通常M>200)，即MN1管与MN3管开启和关断状态相同，同时，MN1管开启时，固定MN3管的栅极电压，对漏极电压进行采样，流经MN3管的电流随着漏极电压的增大而增大，从而实现对MN1的漏极电压的采样。当短路情况发生时，功率开关管的漏极电压接近电源电压V

SenseFET电压采样电路中，MP2的前栅通过反相器INV1、INV2连接电压采样管MN3的前栅，使得SenseFET电流采样电路与SenseFET电压采样电路之间相互隔离，互不影响，从而在同一模组下实现了限流和短路保护两种功能。

短路保护电路包括：短路检测电路和关断控制电路。

短路检测电路，包括：PMOS管MP3和MP4，三极管Q3和Q4，以及，电阻R3。

MP3的源极、MP3的背栅、MP4的源极和MP4的背栅均接V

其中，Q3的集电极用于在R2两端电压超过所述阈值电压时，产生短路检测信号；所述关断控制电路在所述短路检测信号的触发下，关断所述功率开关管，并关断所述SenseFET电流采样电路、所述限流保护电路、所述SenseFET电压采样电路和所述短路保护电路中的电流镜器件。

关断控制电路，包括：PMOS管MP5和MP6，NMOS管MN4、MN5、MN6、MN7和MN8，以及，反相器INV3；

MP5的源极、MP5的背栅、MP6的源极和MP6的背栅均接V

Q3的集电极可以直接通过一个反相器连接INV3的输入端，在实际工作中，采样电阻R2再将电流转化为电压信号，MP6管、MN8管与MN5管组成电流镜，在短路检测电路工作时，MN4管开启，此时MN5管、MP5管、MP4管和MP3管组成电流镜。Q4三极管的基极与集电极互连，连接到Q3三极管的基极。MP4管与Q4三极管以及R3组成由V

但是，如果Q3的集电极直接通过一个反相器连接INV3的输入端，当Q3的集电极电压在关断控制电路的触发电压附近波动时，会反复触发关断控制电路关断整个电路，降低关断控制电路的可靠性，为此本实施例在短路检测电路与关断控制电路之间配置了逻辑综合电路，该逻辑综合电路为RS触发器，其只有在输入端电压大范围跳动(例如从0V至3V等)时，才会向关断控制电路输出触发信号，可以避免关断控制电路因Q3的集电极电压的波动而误触发。

具体的，逻辑综合电路，包括：反相器INV4和INV5，以及，与非门电路NAND1和NAND2；Q3的集电极经INV4连接NAND1的第一输入端；NAND1的输出端经INV5接INV3的输入端；NAND1的第二输入端接NAND2的输出端；NAND2的第一输入端接NAND1的输出端。

当短路发生时，D点为高电平，INV5反相器输出低电平，即OC_C点(INV5的输出端)电压为低电平，MN4关断，进而使得所有MOS管电流镜均关闭。同时，由于INV3输出高电平，MN6开启，此时功率开关管MN1关断。

具体的，R1、R2、R3和R4的电阻类型为阱电阻、多晶电阻或其他与半导体工艺兼容的无缘电阻。

上述实施例中，功率开关管采用了NMOS管，当然还可以替换为PMOS管，具体的电路连接需要根据PMOS管的性质相应调整，以实现与上述实施例相同或相近的功能，在此不予以赘述。

而电路中的其它开关管均可采用与实施例中相反沟道类型的器件，同时对电路的连接进行相应变换，以实现与上述实施例相同或相近的功能，在此不予以赘述。

本实施例中所使用的开关管为四端MOS器件，当然还可以替换为其它诸如三端器件或五端器件，同时对电路的连接进行相应变换，以实现与上述实施例相同或相近的功能，在此不予以赘述。

如图4所示为图3所示的低侧功率开关集成模组的仿真结果示意图，具体通过cadence spectre对该低侧功率开关集成模组进行仿真，其中，M2/D为流经功率开关管MN1的电流，OC_C为逻辑综合电路的输出电压，低电平表示短路情况发生。可以看出，负载阻值低于在7.5Ω时，此时流经功率开关管的电流为2A，限流电路将其电流限制在2A。当负载短路发生时，此时负载阻值低于3Ω，功率开关管和整体电路关断，电流为零。

可见，上述实施例提供的低侧功率开关集成模组中，采用SENSEFET对于功率集成电路中的功率开关管的电流、电压检测，提高了检测准确度，同时有效避免降低输出管的输出能力，提高功率开关管的效率。

上述实施例提供的低侧功率开关集成模组中，同时布置了限流保护电路和短路保护电路，完善电路保护功能的同时降低电路复杂度，使得芯片保护可靠性更高。

上述实施例提供的低侧功率开关集成模组中的限流及短路保护电路，局域结构简单的采样信号处理电路以及电路控制模块，节省了限流及短路保护所占用的芯片面积，大大降低了功耗，完善保护功能的同时减小了成本，提高芯片性能。

基于与方法同样的发明构思，本发明实施例还提供了一种驱动芯片，包括：如上文中任意一项所述的低侧功率开关集成模组。

驱动芯片还包括驱动电源和控制电路；控制电路的控制端用于控制低侧功率开关集成模组功率开关管的通断，以控制驱动电源向电机等设备提供的驱动电流和/或驱动电压。

本发明实施例中提供的技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本发明实施例为功率开关管配置了SenseFET电流采样电路、限流保护电路、SenseFET电压采样电路和短路保护电路；当采样电流超过阈值电流时，限流保护电路可以拉低功率开关管的栅极电压，减小功率开关管的通路电流；当采样电压超过阈值电压时，短路保护电路，可以关断功率开关管，并关断SenseFET电流采样电路、限流保护电路、SenseFET电压采样电路和短路保护电路中的电流镜器件，为功率开关管提供短路保护。

相比于传统的电阻采样，本发明实施例基于SenseFET实现电流和电压的采样，能够提高采样电流和采样电压的采样精度，同时减少采样过程对功率开关管输出功率的影响，从而提高了低侧功率开关集成模组的可靠性。