电源控制芯片中的过流保护设计

　摘要：本文介绍采用直接检测LDMOS 漏端电压来判断其是否过流的设计方案，给出了电路结构。通过电路分析，并利用BCD 高压工艺，在cadence 环境下进行电路仿真验证。结果证明：该方法能够快速、实时地实现过流保护功能，相比其它方法，在功耗、效率、工艺兼容性、成本等方面均有很大提高，可以直接应用于电源控制芯片中的安全保护设计。

　　1 引言

　　家电、便携电子设备和手持电器的迅猛发展，已使电源适配器芯片成为集成电路的大宗产品类。由于该类芯片中内嵌集成或需要外部连接功率LDMOS 管，应用中的LDMOS 管又需要直接和高压相联接并通过大电流（目前的LDMOS 管已经能耐受数百乃至近千伏的高压）。因此，如何保障芯片和LDMOS 管的安全工作是芯片设计的重点之一。

　　利用片上二极管正向压降的负温度特性来监测芯片的热状态，进而控制功率LDMOS 管的开关是一种可行的安全设计方法。但是由于硅片存在热惰性，故不能做到即时控制。该方法更适宜作安全设计的第二道防线。

　　从芯片设计看，要确保适配器芯片使用的安全性，比较好的方法应该是直接监测流经LDMOS 管的大电流或LDMOS 管的漏极电压，以实时监控芯片的工作状态。一般采取两种方案：（一）在功率MOS 管源端对地串联一个小电阻用于检测源极电流，如图1（a）所示；（二）是通过检测电路监控LDMOS 的漏端电压，如图1（b）所示。前一种方案至少有以下缺点：（1）由于工艺存在离散性，电阻值很难做到精确（误差在20%左右）；（2）源极串入电阻后，使原本导通电阻很大的LDMOS 管的管压降进一步增大，功率处理能力变弱；（3）电阻上流过大电流，消耗了不必要的能量，降低了开关电源的转换效率。

图1（a）串联电阻检测电流图1（b）直接检测漏端电压

　　而采用后一种方案，因为利用了集成电路的特点（电压采样电路的电阻比精度很容易做到1%），电路处理并不太复杂。重要的是LDMOS 管没有源极串联电阻，可减少能量损耗，不影响LDMOS 管的功率处理能力，提高了电源转换效率。

　　直接检测漏端电压判断LDMOS 是否过流的设计思想是在LDMOS 管导通时，通过采样电路检测LDMOS 漏端电压，经比较，过流比较器输出一个低电平过流信号以关闭LDMOS 管；而在LDMOS 管截止期间，采样电路不工作，同时为了提高可靠性将比较器窗口电平适度拉高。 [p]

　　图2 是实现上述功能的电路框架图，由过流比较模块、控制逻辑等组成。

  图2 过流保护电路框架

 　2 电路设计

图9 控制逻辑电路的仿真

　　闭环控制电路的整体仿真

　　如图10 所示，图3 电路和外接LDMOS 形成一个闭环控制系统。仿真结果如图11 所示：在没有发生过流时，栅极电压的占空比最大；有过流发生时，过流信号OverCurrent 将栅极电压强制设置为低电平，关断LDMOS，从而达到了过流保护效果。

图10 闭环总体仿真原理图 [p]

图11 闭环总体仿真波形

　   　3 结论

　　本文阐述了几种过流检测方法，分析了每种方法的优缺点。设计了一款闭环控制型的过流保护电路，它采用直接检测LDMOS 管漏端电压的方法，可以克服采用电阻检测时消耗能量，芯片容易发热的缺点，同时提高了开关电源DC/DC 的能量转换效率。另外，采取有比采样电路设计，克服了工艺偏差的影响，提高了采样精度。

　　基于3μm高压BCD 工艺，我们在Cadence 设计环境中利用电路模拟器Spectre 对该控制电路进行了分模块和整体模块的仿真，结果表明该电路可以较好地实现实时过流保护功能。

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