- 介紹一款閉環控制型的過流保護電路
- 過流保護電路模塊的仿真
- 過流保護電路設計
- 采用直接檢測LDMOS漏端電壓來判斷其是否過流的設計方案
本文介紹采用直接檢測LDMOS 漏端電壓來判斷其是否過流的設計方案，給出了電路結構。通過電路分析，并利用BCD 高壓工藝，在cadence 環境下進行電路仿真驗證。結果證明：該方法能夠快速、實時地實現過流保護功能，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，可以直接應用于電源控制芯片中的安全保護設計。
1 引言
家電、便攜電子設備和手持電器的迅猛發展，已使電源適配器芯片成為集成電路的大宗產品類。由于該類芯片中內嵌集成或需要外部連接功率LDMOS 管，應用中的LDMOS 管又需要直接和高壓相聯接并通過大電流（目前的LDMOS 管已經能耐受數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計的重點之一。
利用片上二極管正向壓降的負溫度特性來監測芯片的熱狀態，進而控制功率LDMOS 管的開關是一種可行的安全設計方法。但是由于硅片存在熱惰性，故不能做到即時控制。該方法更適宜作安全設計的第二道防線。
從芯片設計看，要確保適配器芯片使用的安全性，比較好的方法應該是直接監測流經LDMOS 管的大電流或LDMOS 管的漏極電壓，以實時監控芯片的工作狀態。一般采取兩種方案：（一）在功率MOS 管源端對地串聯一個小電阻用于檢測源極電流，如圖1（a）所示；（二）是通過檢測電路監控LDMOS 的漏端電壓，如圖1（b）所示。前一種方案至少有以下缺點：（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，使原本導通電阻很大的LDMOS 管的管壓降進一步增大，功率處理能力變弱；（3）電阻上流過大電流，消耗了不必要的能量，降低了開關電源的轉換效率。
圖1（a）串聯電阻檢測電流圖1（b）直接檢測漏端電壓
而采用后一種方案，因為利用了集成電路的特點（電壓采樣電路的電阻比精度很容易做到1%），電路處理并不太復雜。重要的是LDMOS 管沒有源極串聯電阻，可減少能量損耗，不影響LDMOS 管的功率處理能力，提高了電源轉換效率。
直接檢測漏端電壓判斷LDMOS 是否過流的設計思想是在LDMOS 管導通時，通過采樣電路檢測LDMOS 漏端電壓，經比較，過流比較器輸出一個低電平過流信號以關閉LDMOS 管；而在LDMOS 管截止期間，采樣電路不工作，同時為了提高可靠性將比較器窗口電平適度拉高。
圖2 是實現上述功能的電路框架圖，由過流比較模塊、控制邏輯等組成。
圖2 過流保護電路框架
2 電路設計
2.1 過流比較模塊
過流比較模塊主要由前沿消隱Leadedge、采樣電路Sample、比較電壓產生器ToCompare 和過流比較器Comparator 等組成，如圖3 所示。
前沿消隱電路由于存在片上寄生或外接電容和電感的影響，在LDMOS 管開啟的瞬間，會在LDMOS 管漏極輸出端出現尖峰電壓，可能造成過流誤判。必須增設前沿消隱電路，即對LDMOS 管柵控電壓產生一個時間延遲，使在LDMOS 管開啟的瞬間將過流比較器閉鎖，等到尖峰通過后，再對LDMOS 管漏極信號進行采樣測量和過流判斷，從而消除漏電壓尖峰的影響。如圖3 所示，我們在其中加入一個偏置在固定電壓V（BIASN）的NMOS 管，它相當于一個固定電流源，以限制電容放電的時間。
圖3 過流比較模塊電路圖
合理設計相關的器件參數可以控制延遲時間的大小。
采樣電路用開關控制電路實現對LDMOS 漏端的周期性電壓采樣，其中分壓電路可采用大阻值有比電路結構。根據集成電路的特點，電阻比值的誤差很容易被控制在1%范圍之內。
當LDMOS 的柵電壓V （GATE） 為高，即LDMOS 管導通時，使圖3 中的采樣開關管M10（具有較高耐壓和較低導通電阻特性）也導通，同時開始采集LDMOS 管的飽和漏極電壓；而當LDMOS 管的柵電壓V（GATE）為低，即LDMOS 管關閉時（非過流現象），采樣電路則不工作。
比較電壓產生器的電路工作原理如下：由于過流狀態只發生在功率LDMOS 管柵極為高電平狀態。故當V（GATEDelayed）為低電平時，I1、I2和I3將同時對電容Ccompare充電， 使比較電壓V（Compare） 值升高。考慮到采樣電壓最大值為2.5V，為避免誤操作，可設置比較電壓值為2.7 V，以使后繼比較電路工作的門限電平增加，提高抗干擾能力；與此同時，采樣電容CsAMPle將通過電阻R2快速放電，使采樣電壓V（Sample）快速變為零，即相應輸出為非過流狀態。
而當柵極電壓V（GATEDelayed）為高電平時，輸出比較電壓則變為V（Compare）=I1×R3=1.0 V。
過流比較器過流比較器采用常見的NPN 差分對管的輸入方式，恒流源偏置。與傳統恒流源偏置略有不同的是在偏置電路中增加了MOS 開關，當V（GATE）為高時（此時LDMOS 和該MOS 開關同時導通），電路圖左側恒流源工作，使總偏置電流變大，輸出緩沖級的驅動電流增大，比較電路速度加快；在V（GATE）為低時，左側的恒流源不工作，總偏置電流變小（此時LDMOS 不導通，過流比較器處于閑置狀態），為節能模式。
2.2 控制邏輯
控制邏輯模塊如圖4 所示，該模塊直接控制LDMOS 的開關。PULSE 信號的上升沿對應是CLOCK 時鐘的開始，PULSE 信號與時鐘CLOCK 的關系如圖9 所示。當發生過流時，OVERCURRENT信號為低，觸發器R 端為高，Q 為低，GateSwitch 信號為低，關斷LDMOS，從而實現過流保護功能。
圖4 控制邏輯電路圖
3 仿真結果
我們利用BCD 高壓工藝，在cadence 環境下進行電路仿真驗證。結果如下：
前沿消隱電路的仿真仿真條件：取電源電壓為5.8 V，2 pF 的電容在10μA 的放電電流情況下，延遲時間為Tdelay=C*0.
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5VDD/I =2p*2.9/10μ= 0.58μs，仿真結果如圖5 所示。
圖5 前沿消隱電路仿真
采樣電路的仿真
設檢測端電壓一般在10～50 V 之間變化，我們設置V（Detect）=SIN（30,20,50 k）；周期為20μS；又設在采樣周期內，比較電壓為1 V；依據LDMOS管導通特性，設輸出漏電壓高于某值（本例為20伏）為過流，則分壓比設計為K = R4/ （ R3+R4）=5 k/（5 k+95 k）=1/20， 于是得到采樣電壓值為V（Sample）=V（Detect）*k =SIN（1.5,1,50 k），即最大值為2.5，最小值為0.5。同樣地，我們在采樣電路輸出端加上一個電容以消除電壓尖峰影響。該采樣電路仿真結果如圖6 所示。
圖6 采樣電路仿真
比較電壓產生器的仿真
在比較電壓產生器輸出端應加上電容Ccompare，以消除由于開關管導通的瞬間在Ccompare端產生的尖峰電壓，仿真結果如圖7 所示，其中虛/ 實線分別為有無電容存在時的仿真結果。顯然，電容Ccompare的存在極大地改善了輸出波形。電容Ccompare大小的選擇，應該權衡消峰效果、充電速度和芯片面積消耗間關系。
圖7 添加電容Ccompare 前后的比較
本例中，取Ccompare為4 pF。
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過流保護電路模塊的仿真
對圖3 進行電路仿真，電源電壓VCC 為5.8 V，LDMOS 漏端檢測電壓在10～50 V 之間，柵端電壓脈沖頻率為132 kHz，占空比為60%的方波，SPICE仿真條件設置為VCC=5.8 V，V （Detect）= SIN（30,20,50k），V （Gate）=PULSE（0,5.8,0.5u,0.5u,0.5u,3u,7u），仿真結果如圖8 所示。在1.26 uS~4.17 uS 和8.25 uS~11.2 uS 這兩個采樣區間內，采樣電壓V（Sample）較比較電壓V（Compare）大，輸出為低電平（過流保護，低電平有效）；在15.2 uS~18.2 uS 采樣區間內，采樣電壓V （Sample） 較比較電壓V（Compare）小，輸出為高電平，對應不發生過流情況；其他時間段內柵電壓處于低電平，對應LDMOS處于關斷態，不可能發生過流，故過流輸出信號OverCurrent 為高電平。仿真結果表明，該電路確實能很好地實現過流保護的功能。
圖8 過流保護電路仿真結果
控制邏輯電路的仿真
在圖4 所示的控制邏輯中，設置時鐘CLOCK為PULSE （0,5.8,0,0,0,4u,7u）， 過流信號OVERCURRENT 在15us 時從高電平跳變為低電平，進行仿真。PULSE 信號記錄了CLOCK 信號的開始， 并周期性檢測過流信號。當過流信號OVERCURRENT 低電平有效時，R 為高電平，將RS觸發器輸出Q 復位為低電平，此時FC 為高電平，柵控信號GateSwitch 輸出為低電平，關斷LDMOS。仿真結果如圖9（b）所示。
圖9 控制邏輯電路的仿真
閉環控制電路的整體仿真
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如圖10 所示，圖3 電路和外接LDMOS 形成一個閉環控制系統。仿真結果如圖11 所示：在沒有發生過流時，柵極電壓的占空比最大；有過流發生時，過流信號OverCurrent 將柵極電壓強制設置為低電平，關斷LDMOS，從而達到了過流保護效果。
圖10 閉環總體仿真原理圖
圖11 閉環總體仿真波形
3 結論
本文闡述了幾種過流檢測方法，分析了每種方法的優缺點。設計了一款閉環控制型的過流保護電路，它采用直接檢測LDMOS 管漏端電壓的方法，可以克服采用電阻檢測時消耗能量，芯片容易發熱的缺點，同時提高了開關電源DC/DC 的能量轉換效率。另外，采取有比采樣電路設計，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，我們在Cadence 設計環境中利用電路模擬器Spectre 對該控制電路進行了分模塊和整體模塊的仿真，結果表明該電路可以較好地實現實時過流保護功能。
