一种高压上桥输出级的过流保护装置

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，尤其涉及一种高压上桥输出级的过流保护装置。

背景技术

当高压半桥和全桥输出级中供电电压为高电压时，一般大于60V，其上桥过流保护装置设计非常麻烦，特别是在集成电路中难以实现。一般是采用输出端流过地线或电源母线的过流保护装置，常用的D类半桥驱动功率放大器应用时采用电阻和功率管串接、监控电阻两端电压超过预设限制值时关断放大器，如图1所示为现有技术过流检测原理示意图。而这样则会导致保护速度慢、精度差，在大电流输出时，检测电阻上消耗能量也很大。

为此，如何能够提升高压上桥输出级的过流保护的精度成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明提供了一种高压上桥输出级的过流保护装置，解决相关技术中存在的高压上桥输出级的过流保护精度低的问题。

作为本发明的一个方面，提供一种高压上桥输出级的过流保护装置，其中，包括：自举单元、上桥驱动单元、上桥过流采样单元和上桥过流比较单元，所述上桥过流采样单元、自举单元、上桥驱动单元和上桥过流比较单元均能够与上桥输出管连接，所述上桥过流采样单元与所述自举单元连接，所述上桥驱动单元和所述上桥过流采样单元均与所述上桥过流比较单元连接，

所述自举单元用于为所述上桥驱动单元、上桥过流采样单元和上桥过流比较单元提供电能；

所述上桥过流采样单元用于实时跟踪所述上桥输出管的电流变化，并能够根据所述上桥输出管的电流变化获得上桥过流采样电压；

所述上桥过流比较单元用于根据所述上桥过流采样电压与参考电压的比值进行比较获得过流检测信号；

所述上桥驱动单元用于根据所述过流检测信号控制上桥驱动信号，所述上桥驱动信号用于驱动所述上桥输出管的工作。

进一步地，所述上桥过流采样单元包括：第一电阻、第二电阻、第三电阻和第二二极管，所述第一电阻的一端连接所述自举单元，所述第一电阻的另一端分别连接所述第二电阻的一端以及所述第二二极管的阳极，所述第二电阻的另一端连接所述第三电阻的一端，所述第三电阻的另一端连接所述上桥输出管的源极端，所述第二二极管的阴极分别连接正电源端和所述上桥输出管的漏极端，所述上桥输出管的源极端为输出端，所述第二电阻和第三电阻的连接端输出上桥过流采样电压。

进一步地，所述上桥过流比较单元包括比较器，所述比较器的正相输入端连接控制开关的一端，所述控制开关的另一端连接所述第二电阻与第三电阻的连接端，所述控制开关的控制端连接所述上桥输出管的驱动端，所述比较器的反相输入端用于输入参考电压，所述比较器的输出端连接所述上桥驱动单元，所述比较器的输出端用于输出过流检测信号，所述上桥输出管的导通期间设置前沿消隐时间，所述控制开关能够在所述消隐时间内保持断开，以及能够在经过消隐时间后的导通期间保持闭合。

进一步地，所述自举单元包括：第一二极管和第一电容，所述第一二极管的阳极连接电源电压，所述第一二极管的阴极连接第一电容的一端，所述第一电容的另一端连接所述上桥输出管的源极端，所述上桥输出管的源极端为输出端。

进一步地，还包括：电平转换与信号处理单元，所述电平转换与信号处理单元的输入端连接所述上桥过流比较单元的输出端，所述电平转换与信号处理单元的输出端连接所述上桥驱动单元的输入端，

所述电平转换与信号处理单元用于根据所述上桥过流比较单元输出的过流检测信号监控过流保护的触发条件是否接触。

进一步地，所述电平转换与信号处理单元包括：高电平转低电平单元、保护自恢复时间控制单元、驱动信号预处理单元和低电平转高电平单元，所述高电平转低电平单元与所述保护自恢复时间控制单元连接，所述保护自恢复时间控制单元与所述驱动信号预处理单元连接，所述驱动信号预处理单元与所述低电平转高电平单元连接，

所述高电平转低电平单元用于将过流检测信号的高参考地信号转换为低参考地信号；

所述保护自恢复时间控制单元用于根据过流检测信号的低参考地信号判断过流保护的触发条件是否接触，并得到监控输出信号；

所述驱动信号预处理单元用于在所述监控输出信号的控制下对输入信号进行预处理，得到处理信号；

所述低电平转高电平单元用于对所述处理信号进行低参考地信号转高参考地信号处理，并将处理后的信号输出至所述上桥驱动单元的输入端。

进一步地，所述高电平转低电平单元包括：缓冲器、第一MOS管、第五电阻和第一稳压管，所述缓冲器的输入端为所述高电平转低电平单元的输入端，所述缓冲器的输出端连接所述第一MOS管的栅极，所述第一MOS管的源极连接自举单元，所述第一MOS管的漏极连接第五电阻的一端，所述第五电阻的另一端连接信号地，所述第一稳压管的阳极连接信号地，所述第一稳压管的阴极连接所述第一MOS管的漏极，所述第一MOS管的漏极为所述高电平转低电平单元的输出端。

进一步地，所述低电平转高电平单元包括：第六电阻、第二MOS管和第二稳压管，所述第六电阻的一端连接自举单元，所述第六电阻的另一端连接所述第二MOS管的漏极，所述第二MOS管的源极连接信号地，所述第二MOS管的栅极为所述低电平转高电平单元的输入端，所述第二稳压管的阳极连接所述第二MOS管的漏极，所述第二稳压管的阴极连接正电源端，所述第二MOS管的漏极为所述低电平转高电平单元的输出端。

进一步地，还包括：欠压保护单元，所述欠压保护单元与所述自举单元连接，所述欠压保护单元用于对所述上桥输出管进行欠压保护。

进一步地，还包括：启动电阻，所述启动电阻的一端连接正电源端，所述启动电阻的另一端分别连接所述自举单元和所述上桥过流采样单元。

本发明提供的高压上桥输出级的过流保护装置，设置上桥过流采样单元能够实时跟踪上桥输出管的电流变化，且能够根据上桥输出管的电流变化获得上桥过流采样电压，以最终实现对上桥输出管的驱动控制，这种高压上桥输出级的过流保护装置，由于上桥过流采样单元对上桥输出管电流变化的实时跟踪，从而能够实现对上桥输出管输出电流的精确监测，与现有技术相比，还具有不增加额外功耗以及不影响输出效率的优势。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。

图1为现有技术的过流保护装置的电路原理图。

图2为本发明提供的高压上桥输出级的过流保护装置的结构原理图。

图3为本发明提供的上桥驱动单元的电路原理示意图。

图4为本发明提供的电平转换与信号处理单元的电路原理图。

图5为本发明提供的保护自恢复时间控制单元的电路原理图。

图6为本发明提供的欠压保护单元的电路原理图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互结合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为了使本领域技术人员更好地理解本发明方案，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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包括，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本实施例中提供了一种高压上桥输出级的过流保护装置，图2是根据本发明实施例提供的高压上桥输出级的过流保护装置的结构框图，如图2所示，包括：

自举单元101、上桥驱动单元102、上桥过流采样单元103和上桥过流比较单元104，所述上桥过流采样单元103、自举单元101、上桥驱动单元102和上桥过流比较单元104均能够与上桥输出管Q连接，所述上桥过流采样单元103与所述自举单元101连接，所述上桥驱动单元102和所述上桥过流采样单元103均与所述上桥过流比较单元104连接，

所述自举单元101用于为所述上桥驱动单元102、上桥过流采样单元103和上桥过流比较单元104提供电能；

所述上桥过流采样单元103用于实时跟踪所述上桥输出管的电流变化，并能够根据所述上桥输出管Q的电流变化获得上桥过流采样电压V

所述上桥过流比较单元104用于根据所述上桥过流采样电压与参考电压的比值进行比较获得过流检测信号V

所述上桥驱动单元102用于根据所述过流检测信号V

本发明实施例提供的高压上桥输出级的过流保护装置，设置上桥过流采样单元能够实时跟踪上桥输出管的电流变化，且能够根据上桥输出管的电流变化获得上桥过流采样电压，以最终实现对上桥输出管的驱动控制，这种高压上桥输出级的过流保护装置，由于上桥过流采样单元对上桥输出管电流变化的实时跟踪，从而能够实现对上桥输出管输出电流的精确监测，与现有技术相比，还具有不增加额外功耗以及不影响输出效率的优势。

具体地，如图2所示，所述上桥过流采样单元103包括：第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和第二二极管D2，所述第一电阻R1的一端连接所述自举单元101，所述第一电阻R1的另一端分别连接所述第二电阻R2的一端以及所述第二二极管D2的阳极，所述第二电阻R2的另一端连接所述第三电阻R3的一端，所述第三电阻R2的另一端连接所述上桥输出管Q的源极端，所述第二二极管D2的阴极分别连接正电源端+B和所述上桥输出管Q的漏极端，所述上桥输出管Q的源极端为输出端Vout，所述第二电阻R2和第三电阻R3的连接端输出上桥过流采样电压V

在本发明实施例中，所述正电源端+B一般大于60V，为高压上桥提供电能，连接上桥输出管Q的漏极，上桥输出管Q的源极为输出端Vout。当上桥输出管Q导通时，输出端Vout近似等于正电源+B，Vout=+B-Vds(on)，其中，Vds(on)= ID×Rds(on)，Rds(on)为上桥输出管Q导通时的导通电阻值。

具体地，所述自举单元101包括：第一二极管D1和第一电容C1，所述第一二极管D1的阳极连接电源电压Vcc，所述第一二极管D1的阴极连接第一电容C1的一端，所述第一电容C1的另一端连接所述上桥输出管Q的源极端，所述上桥输出管Q的源极端为输出端Vout。

应当理解的是，在本发明实施例中，所述自举单元101能够为各单元提供电能。电源电压Vcc相对地端一般为10～15V。当上桥输出管Q截止，输出端Vout为零时，电源电压Vcc通过第一二极管D1对第一电容C1充电，第一电容C1上充电至Vcc-VD1；当上桥输出管Q导通，输出端Vout近似为+B时，第一二极管D1的阴极，即第一二极管D1的阴极端电压VB端被抬高至+B+Vcc-VD1。

上桥过流采样单元103由第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和第二二极管D2组成。第一电阻R1连接所述自举单元101的VB端，串接第二二极管D2和上桥输出管Q到输出端Vout，第二电阻R2和第三电阻R3分压第二二极管D2阳极到输出端Vout电压，输出上桥过流采样电压V

当上桥输出管Q导通，输出端Vout近似为正电源端+B时，VB端被抬高至+B+Vcc-V

其中，V

在本发明实施例中，所述上桥过流比较单元104包括比较器COMP，所述比较器COMP的正相输入端连接控制开关SW的一端，所述控制开关SW的另一端连接所述第二电阻R2与第三电阻R3的连接端，所述控制开关SW的控制端连接所述上桥输出管Q的驱动端，所述比较器COMP的反相输入端用于输入参考电压Vref，所述比较器COMP的输出端连接所述上桥驱动单元102，所述比较器COMP的输出端用于输出过流检测信号V

具体地，如图2所示，上桥过流比较单元104由比较器COMP和基准电压源Vref组成，比较器COMP将上桥过流采样电压V

需要说明的是，设计上桥过流比较单元104中的比较器COMP、同相输入端耦接CSH端。即相对输出电压Vout的电压V

在上桥工作时监测相对输出电压Vout为参考的上桥输出管Q的漏-源极之间电压V

比如，Vth

上桥过流保护是基于监测的上桥输出管Q漏-源极之间电压V

另外，上述Vth

在本发明实施例中，第二电阻R2和第三电阻R3的阻值的改变还可实现过流阈值的可编程控制。例如R2=9.1kΩ、R3=10kΩ，假定上桥输出管Q的R

需要说明的是，本发明实施例中的第二电阻R2和第三电阻R3的调整具体可以采用手动调整，也可以采用可编程控制的方式实现调整，具体调整方式本发明实施例并不做限定，可以根据需要进行选择。

在上桥输出管Q截止时，电源Vcc通过第一二极管D1、第一电阻R1为第二二极管D2阳极提供偏置电压。比如正电源端+B为+60V、Vcc=12V，若R2=9.1 kΩ、R1=R3=10 kΩ，则第二二极管D2阳极偏置电位约为7.4V、此时CSH端电位约3.9V。第二二极管D1阴极等于正电源端+B为+60V，第二二极管D2处于反偏置状态，此阻止了正电源端+B进入CSH端。

当上桥输出管Q导通时，在输出电流5A下，若R

需要说明的是，当上桥输出管Q工作在开关状态时，为了屏蔽开关瞬时的毛刺干扰、避免过流保护的误动作，在上桥输出管Q导通期间的前沿设置过流检测的消隐时间。在消隐期间内上桥过流采样电压V

另外，为了监测过流保护的触发条件是否接触，如图4所示，本发明实施例提供的高压上桥输出级的过流保护装置还包括：电平转换与信号处理单元200，所述电平转换与信号处理单元200的输入端连接所述上桥过流比较单元104的输出端，所述电平转换与信号处理单元200的输出端连接所述上桥驱动单元102的输入端，

所述电平转换与信号处理单元200用于根据所述上桥过流比较单元104输出的过流检测信号监控过流保护的触发条件是否接触。

进一步具体地，如图4所示，所述电平转换与信号处理单元200包括：高电平转低电平单元201、保护自恢复时间控制单元202、驱动信号预处理单元203和低电平转高电平单元204，所述高电平转低电平单元201与所述保护自恢复时间控制单元202连接，所述保护自恢复时间控制单元202与所述驱动信号预处理单元203连接，所述驱动信号预处理单元203与所述低电平转高电平单元204连接，

所述高电平转低电平单元201用于将过流检测信号的高参考地信号转换为低参考地信号；

所述保护自恢复时间控制单元202用于根据过流检测信号的低参考地信号判断过流保护的触发条件是否接触，并得到监控输出信号；

所述驱动信号预处理单元203用于在所述监控输出信号的控制下对输入信号进行预处理，得到处理信号；

所述低电平转高电平单元204用于对所述处理信号进行低参考地信号转高参考地信号处理，并将处理后的信号输出至所述上桥驱动单元的输入端。

需要说明的是，本发明实施例中，所述过流检测信号的高参考地信号具体可以为大于60V的信号，所述过流检测信号的低参考地信号具体可以为大于0V的信号。高电平转低电平单元或者低电平转高电平单元，仅仅对信号的参考地进行转换，信号的幅度并不改变。

另外，结合图4所示，所述驱动信号预处理单元203针对输入信号Hin进行预处理，此处的输入信号Hin具体可以为PWM开关波信号。

进一步具体地，所述高电平转低电平单元201包括：缓冲器X201、第一MOS管Q201、第五电阻R201和第一稳压管D3，所述缓冲器X201的输入端为所述高电平转低电平单元的输入端V

具体地，所述低电平转高电平单元包括：第六电阻R202、第二MOS管Q202和第二稳压管D4，所述第六电阻R202的一端连接自举单元（自举单元中的VB端），所述第六电阻R202的另一端连接所述第二MOS管Q202的漏极，所述第二MOS管Q202的源极连接信号地，所述第二MOS管Q202的栅极为所述低电平转高电平单元204的输入端，所述第二稳压管D4的阳极连接所述第二MOS管Q202的漏极，所述第二稳压管D4的阴极连接自举单元（自举单元中的VB端），所述第二MOS管Q202的漏极为所述低电平转高电平单元204的输出端。

图4为本发明实施例的以参考地的电平转换及信号处理示意方框图。本发明实施例的一种高压上桥输出级的过流保护装置包含保护自恢复时间控制单元202。保护自恢复时间控制单元202监控保护触发的条件是否解除，通过调节CSD端所接入第二电容C2控制保护自恢复时长。保护自恢复时间控制单元以电源Vcc为供电端，其无法直接接收上桥过流比较单元104的输出信号V

再比如一种高压上桥输出级的过流保护装置，包含驱动信号预处理单元203、以参考地的低电平转高电平单元204。驱动信号预处理单元以电源Vcc为供电端。其输出接受保护自恢复时间控制单元202的控制。由于上桥驱动单元驱动上桥输出管Q的栅极，其输出信号是以参考地的高电平信号。因此预处理单元203的输出必须通过以参考地的低电平转高电平单元204，转换成以参考地的高电平信号输入至上桥驱动单元102。以参考地的低电平转高电平单元204由耐高压的N-MOS管Q202、电阻R202和稳压管D4构成。

另外，为了实现对上桥输出管的欠压保护，如图2所示，本发明实施例提供的高压上桥输出级的过流保护装置还包括：欠压保护单元105，所述欠压保护单元105与所述自举单元101连接，所述欠压保护单元105用于对所述上桥输出管Q进行欠压保护。

需要说明的是，如图6所示，为所述欠压保护单元105的具体电路示意图。

在本发明实施例中，上桥输出管Q的栅极驱动电平由VB端电压与输出电压Vout之差决定，这个差值近似为电源Vcc。当电源Vcc处于欠压时，会引起上桥输出管Q栅极的驱动电平不足，输出功率变小，耗散功率急剧增大。所以电源Vcc欠压保护阈值V

另外，本发明实施例提供的高压上桥输出级的过流保护装置还包括：启动电阻R4，所述启动电阻R4的一端连接正电源端+B，所述启动电阻R4的另一端分别连接所述自举单元101和所述上桥过流采样单元103。

应当理解的是，第四电阻R4作为装置启动电阻，在装置启动时，正电源端+B通过第四电阻R4给VB端与输出端Vout之间的第一电容C1充电。充电电流I

启动电阻的最大值R4

启动电阻的最小值R4

综上，本发明提供的高压上桥输出级的过流保护装置，能够精确监测输出电流，不增加额外功耗、不影响输出效率，同时实现了高压上桥输出级的过流阈值可编程控制。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。