降低功率管电压应力的方法、电路以及SPS电源与流程

降低功率管电压应力的方法、电路以及sps电源
技术领域
1.本发明涉及模拟电路领域，具体涉及一种降低功率管电压应力的方法、电路以及sps电源。


背景技术：

2.sps(smart power system，智能功率系统)电源主要应用于服务器级系统。该场景下，负载电流可达到最大单相120a。如此数量级的负载在上功率管hs fet和下功率管ls fet上迅速变化，会在电流通路的寄生电感上感生出很高的电压，大大增加功率管的电压应力，降低sps电源的可靠性。
3.图1为现有技术的示意图。图1示出了，上功率管hs fet和下功率管ls fet组成的负载通路上的寄生元件z1～z4。在图1中，sps电源包括上功率管hs fet、下功率管ls fet和驱动器sps driver。上功率管hs fet和下功率管ls fet组成的负载通路上的寄生元件z1～z4，如图2所示，主要是寄生电感，在快速变化的电流下会感生出额外电压，叠加在上功率管hs fet和下功率管ls fet上，增加了其电压应力。而且，该感生电压随着负载变重而加大，导致上功率管hs fet和下功率管ls fet达到甚至超过其击穿电压，严重影响sps可靠性。


技术实现要素：

4.针对现有技术的不足，本发明公开了一种降低功率管电压应力的方法、电路以及sps电源，以解决传统sps电源在大负载下功率管电压应力增加的问题。
5.本发明所采用的技术方案如下：
6.一种降低功率管电压应力的方法，功率管包括上功率管和下功率管；电感的第一端连接于上功率管和下功率管的公共端，电感的第二端连接负载；功率管的开关状态由驱动管电路控制；实时检测电感电流；当电感电流的绝对值大于电流阈值时，降低驱动管电路的驱动能力；当电感电流的绝对值在电流阈值之间时，驱动管电路的驱动能力保持不变。
7.其进一步的技术方案为：当电感正电流大于正电流阈值时，降低用于驱动上功率管的驱动管电路的驱动能力；当电感负电流的绝对值大于负电流阈值时，降低用于驱动下功率管的驱动管电路的驱动能力。
8.其进一步的技术方案为：驱动管电路的驱动能力降低时，被驱动的功率管的开关速度减慢。
9.其进一步的技术方案为：降低驱动管电路的驱动能力的方法是减少驱动管电路中驱动管的个数。
10.其进一步的技术方案为：驱动管电路并联至少两个驱动管；降低驱动管电路的驱动能力的方法是断开至少一个驱动管的连接线路。
11.其进一步的技术方案为：所述方法包括：
12.阈值检测电路实时检测电感电流并判断电感电流的绝对值是否超过电流阈值，并发送预处理信号至信号处理电路；
13.信号处理电路根据预处理信号发出过阈值信号至驱动管电路，驱动管电路包括至少两个并联的驱动；将部分驱动的连接线路断开；
14.被驱动管电路所驱动的功率管的开关速度减慢；
15.负载通路上的电流变化速度减慢；
16.功率管的寄生元件所产生的电压减小，则功率管的电压应力降低。
17.一种降低功率管电压应力的电路，功率管包括上功率管和下功率管；电感的第一端连接于上功率管和下功率管的公共端，电感的第二端连接负载；电容的两端分别连接于电感的第二端和接地端；还包括上驱动管电路和下驱动管电路；上驱动管电路包括同方向并联的第一上驱动和第二上驱动；第一上驱动的输入端输入控制信号，第一上驱动的输出端连接于上功率管的门极；在第二上驱动的线路上串联有第一可控开关；下驱动管电路包括同方向并联的第一下驱动和第二下驱动；第一下驱动的输入端输入控制信号，第一下驱动的输出端连接于下功率的门极；在第二下驱动的线路上串联有第二可控开关；第一可控开关和第二可控开关均包括受电感电流信号所控制的控制端。
18.其进一步的技术方案为：第二上驱动包括多个并联的驱动管组；第二下驱动包括为多个并联的驱动管组；多个并联的驱动管组中，每个驱动管组均串联有可控开关。
19.其进一步的技术方案为：电路还包括正电流阈值检测电路、正电流阈值信号处理电路、负电流阈值检测电路和负电流阈值信号处理电路；正电流阈值检测电路的输入端获取电感正电流；正电流阈值检测电路的输出端连接至正电流阈值信号处理电路的输入端；正电流阈值信号处理电路的输出端连接第一可控开关的控制端；负电流阈值检测电路的输入端获取电感负电流；负电流阈值检测电路的输出端连接至负电流阈值信号处理电路的输入端；负电流阈值信号处理电路的输出端连接第二可控开关的控制端。
20.10.一种sps电源，其特征在于，所述sps电源包括如权利要求7～9任一项所述的电路中的功率管、上驱动管电路和下驱动管电路。
21.本发明的有益效果如下：
22.1.本发明中，在大负载的情况下，电感电流超过电流阈值时，通过减少驱动管的个数，降低驱动管电路的驱动能力，使得功率管的开关速度减慢，相应地负载通路上电流变化速度减慢，寄生元件所产生的电压减小，则上功率管的电压应力降低。大大提高了sps电源的可靠性。
23.2.本发明中当电感电流没有超过电流阈值时，可以保证芯片的正常工作状态，功率管的开关速度不变，不影响芯片的工作效率。
附图说明
24.图1为现有技术的示意图。
25.图2为本发明的实施例的电路图。
26.图中：1、上功率管；2、下功率管；3、上驱动管电路；301、第一上驱动管；302、第二上驱动管；303、第一可控开关；4、下驱动管电路；401、第一下驱动；402、第二下驱动；403、第二可控开关；5、电感；6、负载；7、电容；8、正电流阈值检测电路；9、正电流阈值信号处理电路；10、负电流阈值检测电路；11、负电流阈值信号处理电路。
具体实施方式
27.下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。
28.图2为本发明的实施例的电路图。如图2所示，降低功率管电压应力的电路中，功率管包括上功率管1下功率管2。上功率管1的第一极连接电压输入端，上功率管1的第二极连接下功率管2的第一极，下功率管2的第二极接地。功率管的第一极是漏极，第二极是源极，或者，功率管的第一极是源极，第二极是漏极。控制功率管门极的电平为高电平或者低电平，就可以控制第一极和第二极状态为断开或者导通。
29.电感5的第一端连接于上功率管1和下功率管2的公共端，电感5的第二端连接负载6的第一端，负载6的第二端接地。还包括电容7，电容7的第一端连接于电感5的第二端，电容7的第二端接地。
30.如图2所示，在上功率管1和下功率管2组成的回路中，存在很多寄生元件101、102、201、202，寄生元件101、102、201、202主要为寄生电感。
31.电路还包括用于驱动功率管的驱动管电路。驱动管电路所输出的带有方波信号的电平可用于控制功率管的开关状态。当驱动管电路的驱动能力强时，功率管的开关速度快。驱动管电路包括上驱动管电路3和下驱动管电路4。上驱动管电路3的输出端连接于上功率管1的门极，上驱动管电路3的输入端用于输入第一控制信号。下驱动管电路4的输出端连接于下功率管2的门极，下驱动管电路4的输入端用于输入第二控制信号。
32.上驱动管电路3包括同方向并联的第一上驱动301和第二上驱动302。同方向并联即第一上驱动301和第二上驱动302的输入端相互连接，输出端相互连接。第一上驱动301的输入端输入第一控制信号，第一上驱动301的输出端连接于上功率管1的门极。在第二上驱动302的线路上串联有第一可控开关303，在图2中，第一可控开关303的第一端连接第二上驱动302的输出端，第一可控开关303的第二端连接上功率管1的门极。
33.类似的，下驱动管电路4包括同方向并联的第一下驱动401和第二下驱动402。第一下驱动401的输入端输入控制信号，第一下驱动401的输出端连接于下功率管2的门极。在第二下驱动402的线路上串联有第二可控开关403。
34.第一可控开关303和第二可控开关403均包括受电感电流信号所控制的控制端。
35.如图2所示，电路还包括正电流阈值检测电路8、正电流阈值信号处理电路9、负电流阈值检测电路10和负电流阈值信号处理电路11。正电流阈值检测电路8的输入端获取电感正电流。正电流阈值检测电路8的输出端连接至正电流阈值信号处理电路9的输入端。正电流阈值信号处理电路9的输出端连接第一可控开关303的控制端。负电流阈值检测电路10的输入端获取电感负电流。负电流阈值检测电路10的输出端连接至负电流阈值信号处理电路11的输入端。负电流阈值信号处理电路11的输出端连接第二可控开关403的控制端。
36.在图2所示出的实施例中，第二上驱动302和第二下驱动402均为单个的驱动管。可选的，第二上驱动302包括多个驱动管组，第二下驱动402包括多个驱动管组。在有多个驱动管组的情况下，每组驱动管均串联有受电感电流信号所控制的可控开关，并可以匹配相应的多组电流阈值检测电路和电流阈值信号处理电路。也就是说，还可以通过并联多个驱动管，以精确控制驱动管的驱动能力。当并联的驱动管越少时，驱动管的驱动能力越下降，则功率管的开关速度越慢。
37.本发明还公开了降低功率管电压应力的方法。具体包括：
38.实时检测电感的电流；电流阈值检测电路实时检测电感电流并判断电感电流的绝对值是否超过电流阈值，并发送预处理信号至信号处理电路；信号处理电路根据预处理信号发出过阈值信号至驱动管电路
39.当电感电流的绝对值大于电流阈值时，降低驱动管电路的驱动能力。具体的，当电感正电流大于正电流阈值时，降低用于驱动上功率管的驱动管电路的驱动能力；当电感负电流的绝对值大于负电流阈值时，降低用于驱动下功率管的驱动管电路的驱动能力。驱动管电路的驱动能力降低时，被驱动的功率管的开关速度减慢。进一步的，降低驱动管电路的驱动能力的方法是减少驱动管电路中驱动管的个数。例如，驱动管电路包括并联的至少两个驱动时，降低驱动管电路的驱动能力的方法是断开其中一个驱动的连接线路，则被驱动管电路所驱动的功率管的开关速度减慢，负载通路上的电流变化速度减慢，功率管的寄生元件所产生的电压减小，则功率管的电压应力降低。
40.当电感电流的绝对值在电流阈值之间时，驱动管电路的驱动能力保持不变。
41.参考图2所示的实施例，在具体的实施例中，上述方法具体是：
42.(1)正电流阈值检测电路8判断电感电流是否达到正电流阈值并发出正电流阈值预处理信号pre_hdrv至正电流阈值信号处理电路9；负电流阈值检测电路10判断电感电流是否达到负电流阈值并发出负电流阈值预处理信号pre_ldrv至负电流阈值信号处理电路11。
43.(2)正电流阈值信号处理电路9对接收到的正电流阈值预处理信号pre_hdrv进行处理和确认，之后发送至上驱动管电路3；负电流阈值信号处理电路11对接收到的负电流阈值预处理信号pre_ldrv进行处理和确认，之后发送至下驱动管电路4。
44.(3)当电感电流的绝对值在正电流阈值和负电流阈值之间时，驱动管电路的驱动能力保持不变。也即，第一可控开关303和第二可控开关403均关闭，第二上驱动302和第二下驱动402均接入电路。控制信号hs_control输入至第一上驱动301，第一上驱动301的输出端输出驱动信号至上功率管1。控制信号ls_control输入至第一下驱动401，第一下驱动401输出驱动信号至下功率管2。
45.当电感正电流超过正电流阈值时，正电流阈值信号处理电路9发出正电流过阈值信号hdrv，第一可控开关303接收正电流过阈值信号hdrv并打开，则第二上驱动302的连接线路断开，上功率管1的开关速度减慢，相应地负载通路上电流变化速度减慢，寄生元件101、102上所产生的电压减小，上功率管1的电压应力降低。当电感负电流的绝对值超过负电流阈值时，负电流阈值信号处理电路11发出负电流过阈值信号ldrv，第二可控开关403接收负电流过阈值信号ldrv并打开，则第二下驱动402的连接线路断开，下功率管2的开关速度减慢，相应地负载通路上电流变化速度减慢，寄生元件201、202上所产生的电压减小，下功率管2的电压应力降低。
46.综上，当上功率管1和下功率管2的电压应力降低，大大提高了sps电源的可靠性。
47.以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在不违背本发明的基本结构的情况下，本发明可以作任何形式的修改。