電源控制芯片中的過(guò)流保護(hù)設(shè)計(jì)

　摘要：本文介紹采用直接檢測(cè)LDMOS 漏端電壓來(lái)判斷其是否過(guò)流的設(shè)計(jì)方案，給出了電路結(jié)構(gòu)。通過(guò)電路分析，并利用BCD 高壓工藝，在cadence 環(huán)境下進(jìn)行電路仿真驗(yàn)證。結(jié)果證明：該方法能夠快速、實(shí)時(shí)地實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)功能，相比其它方法，在功耗、效率、工藝兼容性、成本等方面均有很大提高，可以直接應(yīng)用于電源控制芯片中的安全保護(hù)設(shè)計(jì)。

　　1 引言

　　家電、便攜電子設(shè)備和手持電器的迅猛發(fā)展，已使電源適配器芯片成為集成電路的大宗產(chǎn)品類(lèi)。由于該類(lèi)芯片中內(nèi)嵌集成或需要外部連接功率LDMOS 管，應(yīng)用中的LDMOS 管又需要直接和高壓相聯(lián)接并通過(guò)大電流（目前的LDMOS 管已經(jīng)能耐受數(shù)百乃至近千伏的高壓）。因此，如何保障芯片和LDMOS 管的安全工作是芯片設(shè)計(jì)的重點(diǎn)之一。

　　利用片上二極管正向壓降的負(fù)溫度特性來(lái)監(jiān)測(cè)芯片的熱狀態(tài)，進(jìn)而控制功率LDMOS 管的開(kāi)關(guān)是一種可行的安全設(shè)計(jì)方法。但是由于硅片存在熱惰性，故不能做到即時(shí)控制。該方法更適宜作安全設(shè)計(jì)的第二道防線。

　　從芯片設(shè)計(jì)看，要確保適配器芯片使用的安全性，比較好的方法應(yīng)該是直接監(jiān)測(cè)流經(jīng)LDMOS 管的大電流或LDMOS 管的漏極電壓，以實(shí)時(shí)監(jiān)控芯片的工作狀態(tài)。一般采取兩種方案：（一）在功率MOS 管源端對(duì)地串聯(lián)一個(gè)小電阻用于檢測(cè)源極電流，如圖1（a）所示；（二）是通過(guò)檢測(cè)電路監(jiān)控LDMOS 的漏端電壓，如圖1（b）所示。前一種方案至少有以下缺點(diǎn)：（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(dǎo)通電阻很大的LDMOS 管的管壓降進(jìn)一步增大，功率處理能力變?nèi)?；?）電阻上流過(guò)大電流，消耗了不必要的能量，降低了開(kāi)關(guān)電源的轉(zhuǎn)換效率。

圖1（a）串聯(lián)電阻檢測(cè)電流圖1（b）直接檢測(cè)漏端電壓

　　而采用后一種方案，因?yàn)槔昧思呻娐返奶攸c(diǎn)（電壓采樣電路的電阻比精度很容易做到1%），電路處理并不太復(fù)雜。重要的是LDMOS 管沒(méi)有源極串聯(lián)電阻，可減少能量損耗，不影響LDMOS 管的功率處理能力，提高了電源轉(zhuǎn)換效率。

　　直接檢測(cè)漏端電壓判斷LDMOS 是否過(guò)流的設(shè)計(jì)思想是在LDMOS 管導(dǎo)通時(shí)，通過(guò)采樣電路檢測(cè)LDMOS 漏端電壓，經(jīng)比較，過(guò)流比較器輸出一個(gè)低電平過(guò)流信號(hào)以關(guān)閉LDMOS 管；而在LDMOS 管截止期間，采樣電路不工作，同時(shí)為了提高可靠性將比較器窗口電平適度拉高。[!--empirenews.page--]

　　圖2 是實(shí)現(xiàn)上述功能的電路框架圖，由過(guò)流比較模塊、控制邏輯等組成。

 圖2 過(guò)流保護(hù)電路框架

 　2 電路設(shè)計(jì)

圖9 控制邏輯電路的仿真

　　閉環(huán)控制電路的整體仿真

　　如圖10 所示，圖3 電路和外接LDMOS 形成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。仿真結(jié)果如圖11 所示：在沒(méi)有發(fā)生過(guò)流時(shí)，柵極電壓的占空比最大；有過(guò)流發(fā)生時(shí)，過(guò)流信號(hào)OverCurrent 將柵極電壓強(qiáng)制設(shè)置為低電平，關(guān)斷LDMOS，從而達(dá)到了過(guò)流保護(hù)效果。

圖10 閉環(huán)總體仿真原理圖[!--empirenews.page--]

圖11 閉環(huán)總體仿真波形

　 　3 結(jié)論

　　本文闡述了幾種過(guò)流檢測(cè)方法，分析了每種方法的優(yōu)缺點(diǎn)。設(shè)計(jì)了一款閉環(huán)控制型的過(guò)流保護(hù)電路，它采用直接檢測(cè)LDMOS 管漏端電壓的方法，可以克服采用電阻檢測(cè)時(shí)消耗能量，芯片容易發(fā)熱的缺點(diǎn)，同時(shí)提高了開(kāi)關(guān)電源DC/DC 的能量轉(zhuǎn)換效率。另外，采取有比采樣電路設(shè)計(jì)，克服了工藝偏差的影響，提高了采樣精度。

　　基于3μm高壓BCD 工藝，我們?cè)贑adence 設(shè)計(jì)環(huán)境中利用電路模擬器Spectre 對(duì)該控制電路進(jìn)行了分模塊和整體模塊的仿真，結(jié)果表明該電路可以較好地實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)過(guò)流保護(hù)功能。

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