一种开启功率MOS时的短路检测电路及芯片的制作方法

一种开启功率mos时的短路检测电路及芯片
技术领域
1.本实用新型实施例涉及电子电路领域，尤其涉及一种开启功率mos时的短路检测电路及芯片。


背景技术：

2.电源管理芯片负责对电能的转换、分配以及保护等。这些功能的实现都离不开功率场效应晶体管(metal
‑
oxide
‑
semiconductor field
‑
effecttransistor,mosfet)即功率mosfet(下文简称功率mos)。在控制电路的作用下，通过功率mos为输出端的负载提供电能。例如：芯片就是通过功率mos 为输出端提供安全可靠的电能。芯片主要用于移动设备。移动设备需要经常性的充电。充电时，需要连接到外部环境，此时就有可能受到浪涌的冲击。浪涌是一种瞬变干扰，在某种特定条件下在电网上造成瞬间电压超出额定正常电压的范围，通常这个瞬变不会持续太长的时间，例如：百万分之一秒，但有可能幅度相当高。在大多数情况下，如果连接在电网上的设备或电路没有浪涌保护措施，器件很容易就会损坏。因为，移动设备是由电池供电，正常工作的电压范围在5v以内。所以，移动设备使用的芯片通常由5v的半导体工艺设计完成，也就是说，5v左右是这些芯片所能承受的最高电压。如果超过这个电压，芯片存在受损的风险。浪涌发生时，芯片受到的冲击远高于这个安全电压，通常为100v以上。为了保护内部系统，需要在移动设备与外界的接口之间增加一个保护芯片，该芯片通过一个功率mos连接外部与内部。在外部电压正常时，功率mos在控制电路的作用下导通，为内部电路提供电流给电池充电或者满足其它电能需求。当浪涌发生时，控制电路检测到外部电压异常，马上关断该功率mos，关断后，只有功率mos需要承受高压。内部外部之间的通道不存在了，内部芯片不会再受到外部高压的影响，从而达到保护的目的。当检测到外部电压恢复正常后，功率mos会重新开启，并恢复之前的工作。
3.在保护输出端所连接的电路不被高压损坏之外，芯片还要保护输入端所连接的电路，通常是电源。因为输出端也会出现异常，例如：输出端短路。导致输出端短路的原因很多，例如：输出端所连接的电路损坏，或者输出端的连接错误等等。在输出端短路的情况下，如果开启功率mos，会从输入端所连接的电源抽取很大的电流，电源能够提供的电流是有限的，超过该限额会导致电源关断，甚至损坏。无论发生那种情况，都会导致其它所有连接在同一电源的电路关断，从而使得整个系统关机。
4.为了防止过大的电流流经功率mos，功率mos需要实时检测其沟道所通过的电流。一旦检测到异常，立刻做出处理，例如：关断功率mos，并给系统提出发生错误的警告。图1为一种串联电阻检测功率mos电流的方式，由于是串联，电流采样电阻上流经的电流与功率mos上的电流相等；通过电阻，电流的信息被转换与其成正比的一个电压；运算放大器将这个电压放大，就可以进行判断或者处理了。例如：该采样电压可以与一个参考电压比较，超过的话，就说明电流过高了，需要关断功率mos；或者该电压也可以经过模拟到数字转换器(a/d converter)，转换成数字信号给控制器进行处理。然而，短路检测与电流检测的目的虽然都是为了防止电流异常，但是要求并不完全相同。电流检测的要求精度高，原因是检测
到的信息可能还要用于环路控制，例如：在电流模式的dc/dc里，电流斜波与斜率补偿需要保持一定的关系，才能保证控制回路的稳定性。而短路检测对精度要求相对不高，但是要求响应迅速，否则等到短路的状态被检测到，电流可能已经过高，导致危险。
5.以上问题亟待解决。


技术实现要素：

6.为解决相关技术问题，本实用新型实施例提供一种开启功率mos时的短路检测电路及芯片，来解决以上背景技术部分提到的问题。
7.为实现上述目的，本实用新型实施例采用如下技术方案：
8.第一方面，本实用新型实施例提供了一种开启功率mos时的短路检测电路，该电路包括功率mos、采样mos以及限流电阻；所述功率mos的栅极与采样 mos的栅极连接，所述采样mos连接所述限流电阻，所述功率mos的输出连接负载电阻，所述限流电阻的电压与所述负载电阻的输出端电压连接到比较器的正负输入，所述比较器的输出接入控制电路，所述控制电路连接驱动电路，所述驱动电路连接所述功率mos的栅极。
9.进一步的，所述功率mos与所述采样mos均采用n沟道mos管，所述功率 mos的漏极与所述采样mos的漏极相连，所述功率mos的源极连接所述负载电阻，所述采样mos的源极连接所述限流电阻，所述限流电阻的电压与所述负载电阻的输出端电压连接到比较器的正负输入，所述比较器的输出接入控制电路，所述控制电路通过驱动电路调整功率mos的开关状态。
10.进一步的，所述功率mos的源极作为输出端连接所述负载电阻的一端，所述负载电阻的另一端接地，所述采样mos的源极连接所述限流电阻的一端，所述限流电阻的另一端接地，输入端连接电源，电源连接所述功率mos的漏极与所述采样mos的漏极。
11.进一步的，所述功率mos与所述采样mos均采用p沟道mos管，所述功率mos的源极与所述采样mos的源极相连，所述功率mos的漏极连接所述负载电阻，所述采样mos的漏极连接所述限流电阻，所述限流电阻的电压与所述负载电阻的输出端电压连接到比较器的正负输入，所述比较器的输出接入控制电路，所述控制电路通过驱动电路调整功率mos的开关状态。
12.进一步的，所述功率mos的漏极作为输出端连接所述负载电阻的一端，所述负载电阻的另一端接地，所述采样mos的漏极连接所述限流电阻的一端，所述限流电阻的另一端接地，输入端连接电源，电源连接所述功率mos的源极与所述采样mos的源极。
13.进一步的，所述功率mos与所述采样mos均采用n沟道mos管，所述功率 mos的源极与所述采样mos的源极相连，所述功率mos的漏极连接所述负载电阻，所述采样mos的漏极连接所述限流电阻，所述限流电阻的电压与所述负载电阻的输出端电压连接到比较器的正负输入，所述比较器的输出接入控制电路，所述控制电路通过驱动电路调整功率mos的开关状态。
14.进一步的，所述功率mos的漏极作为输出端连接所述负载电阻的一端，所述负载电阻的另一端接电源，所述采样mos的漏极连接所述限流电阻的一端，所述限流电阻的另一端接所述电源，输入端连接地，所述功率mos的源极与所述采样mos的源极相连后接地。
15.第二方面，本实用新型实施例进一步提供了一种芯片，该芯片采用上述实施例提
供的开启功率mos时的短路检测电路。
16.本实用新型不仅反应速度快，触发电流低，准确性高，而且功率损耗低，成本低，适宜推广应用。
附图说明
17.为了更清楚地说明及理解本实用新型实施例中的技术方案，下面将对本实用新型背景技术、实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据本实用新型实施例的内容和这些附图获得其他的附图。
18.图1为串联电阻检测功率mos电流的原理图；
19.图2为本实用新型实施例提供的基于n沟道mos的开启功率mos时的短路检测电路原理图；
20.图3为本实用新型实施例提供的基于p沟道mos的开启功率mos时的短路检测电路原理图；
21.图4为本实用新型实施例提供的负载电阻连接在电源与输出端之间的开启n 沟道功率mos时的短路检测电路原理图；
22.图5a和图5b为本实用新型实施例提供的计算机仿真结果图。
具体实施方式
23.为使本实用新型解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本实用新型实施例的技术方案作进一步的详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。
24.实施例一
25.本实施例提供一种开启功率mos时的短路检测电路，该电路包括功率mos、采样mos以及限流电阻；所述功率mos的栅极与采样mos的栅极连接，所述采样mos连接所述限流电阻，所述功率mos的输出连接负载电阻，所述限流电阻的电压与所述负载电阻的输出端电压连接到比较器的正负输入，所述比较器的输出接入控制电路，所述控制电路连接驱动电路，所述驱动电路连接所述功率mos的栅极。其中，所述功率mos与所述采样mos采用相同类型的mos管即二者同为n沟道mos管或同为p沟道mos管，而且，所述功率mos与采样mos优选具有相同电气特性的mos管，二者的差别仅仅是大小。
26.示例性的，在本实施例中，如图2所示，当所述功率mos与所述采样mos 均采用n沟道mos管时，所述功率mos的漏极与所述采样mos的漏极相连，所述功率mos的源极连接所述负载电阻，所述采样mos的源极连接所述限流电阻，所述限流电阻的电压与所述负载电阻的输出端电压连接到比较器的正负输入，所述比较器的输出接入控制电路，所述控制电路通过驱动电路调整功率 mos的开关状态。具体的，在本实施例中，所述功率mos的源极作为输
出端连接所述负载电阻的一端，所述负载电阻的另一端接地，所述采样mos的源极连接所述限流电阻的一端，所述限流电阻的另一端接地，输入端连接电源，电源连接所述功率mos的漏极与所述采样mos的漏极。
27.示例性的，在本实施例中，如图3所示，当所述功率mos与所述采样mos 均采用p沟道mos管时，所述功率mos的源极与所述采样mos的源极相连，所述功率mos的漏极连接所述负载电阻，所述采样mos的漏极连接所述限流电阻，所述限流电阻的电压与所述负载电阻的输出端电压连接到比较器的正负输入，所述比较器的输出接入控制电路，所述控制电路通过驱动电路调整功率mos的开关状态。具体的，在本实施例中，所述功率mos的漏极作为输出端连接所述负载电阻的一端，所述负载电阻的另一端接地，所述采样mos的漏极连接所述限流电阻的一端，所述限流电阻的另一端接地，输入端连接电源，电源连接所述功率mos的源极与所述采样mos的源极。
28.值得一提的是，在本实施例中并不局限于输入端连接电源，负载连接输出端和地；也可以是，输入端连接地，负载连接电源和输出端，以所述功率mos 与所述采样mos均采用n沟道mos管为例(但不局限于此)，如图4所示，所述功率mos的源极与所述采样mos的源极相连，所述功率mos的漏极连接所述负载电阻，所述采样mos的漏极连接所述限流电阻，所述限流电阻的电压与所述负载电阻的输出端电压连接到比较器的正负输入，所述比较器的输出接入控制电路，所述控制电路通过驱动电路调整功率mos的开关状态。在本实施例中所述功率mos的漏极作为输出端连接所述负载电阻的一端，所述负载电阻的另一端接电源，所述采样mos的漏极连接所述限流电阻的一端，所述限流电阻的另一端接所述电源，输入端连接地，所述功率mos的源极与所述采样mos的源极相连后接地。
29.下面以图2所示的开启功率mos时的短路检测电路，对本实用新型的工作原理扼要介绍如下：
30.由于采样mos不需要流过大电流，因此其元件面积通常比功率mos小很多，二者的面积的比例是：
31.area(功率mos)/area(采样mos)＝k
32.假设功率mos与采样mos的源极电压相同，那么二者所有电极的电压就全都相同。这种情况下，流经的电流也保持与面积相同的比例：
33.i
out
(功率mos)/i
smpl
(采样mos)＝k
34.要使得功率mos与采样mos的源极电压相同，则负载电阻(r
out
)与限流电阻(r
lmt
) 需要满足一定的条件，即area(功率mos)与area(采样mos)的比例等同于限流电阻(r
lmt
)与负载电阻(r
out
)允许的最小负载电阻值的比例。短路时，等效的r
out
非常小。这个允许的最小负载电阻值r
out
称之为r
short
。如果r
lmt
满足：
35.r
lmt
＝r
short
*k
36.限流电阻上的电压(v
lmt
)与负载电阻上的电压(v
out
)就满足：
37.r
lmt
*i
smpl
＝r
short
*i
out
38.这意味着，只要根据r
short
选择相应的r
lmt
，就可以使得功率mos与采样mos的源极电压相同。也就是说，r
lmt
的电压代表着允许的最低电压，可以将其作为短路判断的参考电压。如果负载在正常范围之内，也就是r
out
大于r
short
，r
lmt
和r
out
的电压满足：
39.r
lmt
*i
smpl
<r
out
*i
out
40.比较器输出正常信号给控制器，功率mos可以正常开启。反之，负载异常时， r
out
小于r
short
，r
lmt
和r
out
的电压满足：
41.r
lmt
*i
smpl
>r
out
*i
out
42.比较器输出异常信号给控制器，并关断功率mos。
43.本实施例提出的开启功率mos时的短路检测电路不仅反应速度快，触发电流低，准确性高，而且功率损耗低，成本低，具体如下：
44.i.反应速度快：
45.在传统串联电阻检测功率mos电流的电路中，要求运算放大器具有很高的带宽。运算放大器的带宽是一个重要的指标，代表了其处理信号变化的能力。对于突然发生的短路，电流瞬间增大，采样电压随之增大。但是，这个电压变化有一定的延时。运算放大器的带宽越宽，延时越小，采样电压越能及时的跟踪电流的变化。因此，带宽直接决定了放大器输出的采样电压是否能够及时的反应电流采样电阻上的电压。而本实用新型没有这一限制。在具体应用中都需要比较器的判断速度越快越好，以便控制器尽快的根据比较结果发出指令。
46.ii.触发电流低：
47.触发电流是指比较器做出短路判断时，功率mos流经的电流。在传统串联电阻检测功率mos电流的电路中，只有当功率mos的电流达到或者超过预设的最大电流时，才认为是短路。所以，触发电流等于短路电流。而本实用新型中，功率mos和采样mos的源极从启动一开始就进行比较。启动开始的一瞬间，电流为0a，两个源极电压相等，都为0v。接着，功率mos和采样mos逐渐开启，电流逐渐上升，两个源极电压也随之升高。如果功率mos在短路的状态下启动， r
out
小于r
short
,采样mos的源极电压在整个过程中都会高于功率mos的源极电压。因此，无需等待电流超过预设的短路电流，比较器可以在启动的初始阶段就做出判断。通常此时的电流，也就是触发电流，远小于短路电流。低触发电流意味着可以避免在过大电流下导通这样危险的状态，就检测出危险状态的存在，这无疑增加了系统的安全性。
48.iii.准确性相当：
49.在传统串联电阻检测功率mos电流的电路中，检测的准确性主要依赖于采样电阻值的精度，运算放大器的失调电压，比较器的失调电压，以及参考电压的准确性。采样电阻的绝对值要求在大规模量产的情况下仍然保持一致，且不随工作环境变化，例如：温度或者电压。运算放大器的失调电压会改变放大器的放大倍数，从而影响采样电压的准确性。并且，失调电压还会随着温度变化。因此，要求失调电压要远小于采样电阻的压降，才能够保证其影响可以忽略不计。比较器的失调电压和参考电压的准确性产生的影响是相同的，都会导致比较器的触发点偏移，产生误差。
50.而本实用新型中依赖于采样mos与功率mos之间电气特性的匹配，限流电阻值的精度，以及比较器的失调电压。与串联的采样电阻类似，限流电阻的绝对值也要求在大规模量产的情况下仍然保持一致，且不随工作环境变化。采样mos 要使用与功率mos同样的mosfet，以保证相同的电气特性，例如：阈值电压。唯一的区别是大小。功率mos相当于许多小的mosfet并联在一起，使其能够通过更大的电流。mosfet在大规模量产的情况下，不同批次的产品在电气特性上是会存在差异的。把采样mos与功率mos集成到一起，就可以保证他们是同时生产，任何电气特性的变化对他们的影响是相同的，例如：如果阈值电压有变化，
变化量是相同的，两个mosfet之间仍然可以保持匹配。比较器的使用与串联电阻的电路中一样，其失调电压产生的影响也类似，会导致比较器的触发点偏移，产生误差。
51.iv.功率损耗小：
52.在传统串联电阻检测功率mos电流的电路中，电流通路中增加了采样电阻 (r
smpl
)。在采样的过程中产生的损耗是
53.p＝i
out
*i
out
*r
smpl
54.由于损耗与电流的平方成正比，在大电流下损耗极为严重。如果要降低损耗，需要减小采样电阻值。但是在相同的电流下，减小电阻值，其两端电压也同比减小。于是运算放大器就要求有更低的失调电压，才能保持采样电压的准确性不受影响。这无疑增加了运算放大器的设计难度和成本。所以，串联电阻的电路存在功耗与准确性的矛盾。
55.而本实用新型中没有在大电流的通路上增加器件。采样mos上的电流远小于功率mos上的电流。所以，采样mos导致的功率损耗微乎其微，对整体效率几乎没有影响。
56.v.成本低：
57.传统串联电阻检测功率mos电流的电路如果要提供准确可靠的电流信息，成本非常昂贵。原因是串联的电阻需要承受与mosfet功率管相同的大电流，需要很大的面积。同时还要在各种温度以及工作环境下保持精度。运算放大器需要超低的失调电压(通常是uv级别)，并且快速响应。满足这样需求的电阻和运算放大器都非常昂贵。而本实用新型中，限流电阻只要求精度，而无需承受大电流，对工艺的要求相对简单，例如：薄膜(thin film)电阻就可以达到要求。此外，没有运算放大器。整体实现起来相对容易。
58.通过计算机仿真，能够把本实用新型的效果显现出来。仿真中，功率mos与采样mos的面积比例是50：1。允许的最小负载电阻r
short
为0.16ω，所对应的 r
lmt
为8ω。在输入电压为4.2v的情况下，最大电流是26.25a。将r
out
分别设为 0.1ω以及0.2ω，来模拟短路以及正常的启动状态。仿真结果显示，短路能够被及时检测到。功率mos关断时，电流刚刚上升到2.37a，远低于允许的最大电流，还处于安全的范围内，如图5a所示，图中enable：使能，就是启动信号； short：短路检测输出；vlmt：采样电压；vout：输出电压；iout：输出电流，或者就是负载电流。当负载正常时，短路保护不会误触发，功率mos可以正常开启，输出电流给负载，如图5b所示，图中enable：使能，就是启动信号；short：短路检测输出；vlmt：采样电压；vout：输出电压；iout：输出电流，或者就是负载电流。
59.实施例二
60.本实施例提供了一种芯片，该芯片采用上述实施例二提供的开启功率mos 时的短路检测电路。需要说明的是，上述芯片可以为但不限于过压保护芯片，只要是需要进行短路检测保护功能的芯片均可以采用本实施例提供的方案。
61.本实用新型实施例的技术方案在电流较小时就能判断出输出负载的状态，如果是短路，立刻关断，而无需等到电流增加到很大时再动作，增加了系统的安全等级。本实用新型不仅反应速度快，触发电流低，准确性高，而且功率损耗低，成本低，适宜推广应用。
62.注意，上述仅为本实用新型的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本实用新型不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本实用新型进行了较为详细的说明，但是本实用新型不仅仅限于以上实施例，在不脱离
本实用新型构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本实用新型的范围由所附的权利要求范围决定。