电源控制芯片中的过流保护设计

中心议题：
    * 电路设计

    * 仿真结果
解决方案：
    *  在功率MOS 管源端对地串联一个小电阻用于检测源极电流
    *  通过检测电路监控LDMOS 的漏端电压

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。

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

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

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。

过流比较器过流比较器采用常见的NPN 差分对管的输入方式，恒流源偏置。与传统恒流源偏置略有不同的是在偏置电路中增加了MOS 开关，当V（GATE）为高时（此时LDMOS 和该MOS 开关同时导通），电路图左侧恒流源工作，使总偏置电流变大，输出缓冲级的驱动电流增大，比较电路速度加快；在V（GATE）为低时，左侧的恒流源不工作， 总偏置电流变小（此时LDMOS 不导通，过流比较器处于闲置状态），为节能模式。

2.2 控制逻辑

控制逻辑模块如图4 所示，该模块直接控制LDMOS 的开关。PULSE 信号的上升沿对应是CLOCK 时钟的开始，PULSE 信号与时钟CLOCK 的关系如图9 所示。当发生过流时，OVERCURRENT信号为低，触发器R 端为高，Q 为低，GateSwitch 信号为低，关断LDMOS，从而实现过流保护功能。

图4 控制逻辑电路图