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(多图) 电源控制芯片中的过流保护设计

中国集成电路 徐新龙 程东方 孟祥斌 赵湘源 沈伟星?? 2011年08月19日 ?? 收藏0

  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

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。

  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

图2 过流保护电路框架

  2 电路设计

  2.1 过流比较模块

  过流比较模块主要由前沿消隐Leadedge、采样电路Sample、比较电压产生器ToCompare 和过流比较器Comparator 等组成,如图3 所示。

  前沿消隐电路由于存在片上寄生或外接电容和电感的影响,在LDMOS 管开启的瞬间,会在LDMOS 管漏极输出端出现尖峰电压,可能造成过流误判。必须增设前沿消隐电路,即对LDMOS 管栅控电压产生一个时间延迟,使在LDMOS 管开启的瞬间将过流比较器闭锁,等到尖峰通过后,再对LDMOS 管漏极信号进行采样测量和过流判断,从而消除漏电压尖峰的影响。如图3 所示,我们在其中加入一个偏置在固定电压V(BIASN)的NMOS 管,它相当于一个固定电流源,以限制电容放电的时间。

图3 过流比较模块电路图

图3 过流比较模块电路图

  合理设计相关的器件参数可以控制延迟时间的大小。

  采样电路用开关控制电路实现对LDMOS 漏端的周期性电压采样,其中分压电路可采用大阻值有比电路结构。根据集成电路的特点,电阻比值的误差很容易被控制在1%范围之内。

  当LDMOS 的栅电压V (GATE) 为高,即LDMOS 管导通时,使图3 中的采样开关管M10(具有较高耐压和较低导通电阻特性)也导通,同时开始采集LDMOS 管的饱和漏极电压;而当LDMOS 管的栅电压V(GATE)为低,即LDMOS 管关闭时(非过流现象),采样电路则不工作。

  比较电压产生器的电路工作原理如下:由于过流状态只发生在功率LDMOS 管栅极为高电平状态。故当V(GATEDelayed)为低电平时,I1、I2和I3将同时对电容Ccompare充电, 使比较电压V(Compare) 值升高。考虑到采样电压最大值为2.5V,为避免误操作,可设置比较电压值为2.7 V,以使后继比较电路工作的门限电平增加,提高抗干扰能力;与此同时,采样电容Csample将通过电阻R2快速放电,使采样电压V(Sample)快速变为零,即相应输出为非过流状态。

  而当栅极电压V(GATEDelayed)为高电平时,输出比较电压则变为V(Compare)=I1×R3=1.0 V。


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电源控制? 过流保护? BCD高压工艺?

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