功率管的漏源电压采样电路的制作方法

1.本发明涉及集成电路技术领域，更具体地，涉及一种功率管的漏源电压采样电路。


背景技术：

2.在电源系统中，通过控制开关型功率管，例如igbt(insulated gate bipolar transistor，绝缘栅双极型晶体管)或者mosfet(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor，金属氧化物半导体场效应晶体管)的导通和关断来实现电能的变换和输出电压的稳定。
3.由于功率管需要流过很大的电流，其工作环境比较复杂，因此需要很多保护电路对功率管进行保护，所以在许多应用中，通常需要对功率管的漏源电压进行检测，并将其转换为与漏源压差呈线性关系的电流，以使得功率管可以安全的运行和/或用于其他功能。
4.图1为现有技术的一种功率管的漏源电压采样电路的示意性电路图。如图1所示，待测功率管p1的漏极和源极分别与输入电压vin和输出电压vout连接，驱动模块101与待测功率管p1的栅极连接，以向其提供栅极驱动信号vgate。漏源电压采样电路100包括采样电阻rs、采样晶体管mp1和运算放大器op1。采样电阻rs的一端与待测功率管p1的漏极连接，另一端与采样晶体管mp1的源极连接，采样晶体管mp1的漏极用于输出采样电流is。运算放大器op1具有反相输入端、正相输入端和输出端，其反相输入端与采样电阻rs和采样晶体管mp1的公共端连接于节点a，其正相输入端与待测功率管p1的源极连接于节点b，其输出端与采样晶体管mp1的栅极连接。其中，运算放大器op1工作在负反馈状态，使得采样电阻rs两端的电压差为(vin-vout)，即待测功率管p1的漏源电压vds，采样电流is＝(vin-vout)/rs。
5.现有的功率管的漏源电压采样电路100具有以下缺点：为了保证电路能够正常工作，现有的漏源电压采样电路100要求输入电压vin和输出电压vout都必须大于晶体管mp1的栅源电压vgs，限制了输入电压vin的最小电压范围。其次，当输出电压vout低于晶体管mp1的栅源电压vgs时，会造成采样失真，因此限制了漏源电压的采样范围。最后，当输出电压vout等于0时，待测功率管p1的漏极和源极之间的压差最大，功率管p1消耗的功耗最大，如果此时发生了采样失真的问题，可能会导致无法及时对功率管p1进行有效保护的问题，从而影响系统的整体性能指标。


技术实现要素：

6.鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种功率管的漏源电压采样电路，采样范围不会受到输入电压和输出电压的限制，保证电路可以在全电压范围内都能正常工作，提高了系统的整体性能指标。
7.根据本发明实施例提供了一种功率管的漏源电压采样电路，所述功率管的漏极和源极分别与输入电压和输出电压连接，所述漏源电压采样电路包括：电压补偿模块，与所述功率管的漏极和源极连接，用于分别对所述输入电压和所述输出电压进行补偿，以得到第一检测电压和第二检测电压；运算放大器，其具有反相输入端、正相输入端和输出端，所述
反相输入端用于接收所述第一检测电压，所述正相输入端用于接收所述第二检测电压；以及采样输出模块，其具有第一电压端、第二电压端、控制端和输出端，所述第一电压端与所述第一检测电压连接，所述第二电压端接地，所述控制端与所述运算放大器的输出端连接，其中，所述运算放大器工作在负反馈状态，以控制所述采样输出模块在输出端提供表征所述功率管的漏源电压的采样电流。
8.可选的，所述漏源电压采样电路还包括：驱动模块，与所述功率管的栅极连接，用于向所述功率管提供栅极驱动信号。
9.可选的，所述驱动模块还与所述电压补偿模块连接，所述电压补偿模块根据所述驱动模块提供的第一补偿电流和第二补偿电流分别对所述输入电压和所述输出电压进行补偿。
10.可选的，所述电压补偿模块包括：第一采样电阻，其第一端用于接收所述第一补偿电流，其第二端与所述功率管的漏极连接；以及第二采样电阻，其第一端用于接收所述第二补偿电流，其第二端与所述功率管的源极连接，其中，所述第一采样电阻的第一端用于提供所述第一检测电压，所述第二采样电阻的第二端用于提供所述第二检测电压。
11.可选的，所述第一补偿电流和所述第一采样电阻的乘积与所述第二补偿电流和所述第二采样电阻的乘积相等。
12.可选的，所述采样输出模块包括采样晶体管和输出晶体管，其中，所述采样晶体管的漏极作为所述第一电压端与所述第一检测电压连接，所述采样晶体管和所述输出晶体管的栅极作为所述控制端与所述运算放大器的输出端连接，所述采样晶体管和所述输出晶体管的源极作为所述第二电压端接地，所述输出晶体管的漏极作为所述输出端用于输出所述采样电流。
13.可选的，所述第一检测电压和所述第二检测电压都大于所述采样晶体管的过驱动电压。
14.可选的，所述采样晶体管和所述输出晶体管选自相同尺寸的晶体管。
15.可选的，所述采样晶体管和所述输出晶体管分别选自n型金属氧化物半导体场效应晶体管。
16.本发明实施例的功率管的漏源电压采样电路具有以下的有益效果。
17.与现有技术相比，本发明实施例的漏源电压采样电路通过设计电压补偿模块使得补偿之后的第一检测电压和第二检测电压始终大于采样输出模块中的采样晶体管的过驱动电压，从而使得采样晶体管在全电压范围内都可以正常工作，解决了采样失真的问题，大大提高了系统的整体性能指标。
附图说明
18.通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
19.图1为现有技术的一种功率管的漏源电压采样电路的示意性电路图；
20.图2为本发明实施例的一种功率管的漏源电压采样电路的示意性电路图。
具体实施方式
21.以下将参照附图更详细地描述本发明的各种实施例。在各个附图中，相同的元件采用相同或类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。
22.应当理解，在以下的描述中，“电路”可包括单个或多个组合的硬件电路、可编程电路、状态机电路和/或能存储由可编程电路执行的指令的元件。当称元件或电路“连接到”另一元件或称元件/电路“连接在”两个节点之间时，它可以直接耦合或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。相反，当称元件“直接耦合到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。
23.下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
24.图2为本发明实施例的一种功率管的漏源电压采样电路的示意性电路图。在图2中，功率管p1为芯片的主要输出管，连接在输入端和输出端之间。功率管p1例如选自n型mosfet，其漏极与芯片的输入端连接以接收输入电压vin，源极与芯片的输出端连接以向后级电路提供输出电压vout。栅极驱动信号vgate用于控制功率管p1的导通和关断，以控制芯片输入端至芯片输出端之间的电能传输。
25.漏源电压采样电路200包括驱动模块201、电压补偿模块202、运算放大器op1和采样输出模块203。
26.驱动模块201用于向功率管p1提供所述栅极驱动信号vgate，示例的，驱动模块201例如通过电荷泵实现，根据输入电压vin向功率管p1提供足够的驱动信号，以控制功率管p1的导通和关断过程。
27.电压补偿模块202与功率管p1的漏极和源极连接，用于分别对所述输入电压vin和输出电压vout进行补偿，以得到第一检测电压vin_s和第二检测电压vout_s。
28.运算放大器op1具有反相输入端、正相输入端和输出端，其反相输入端用于接收第一检测电压vin_s，其正相输入端用于接收所述第二检测电压vout_s。
29.采样输出模块203具有第一电压端、第二电压端、控制端和输出端，其第一电压端与第一检测电压vin_s连接，第二电压端接地，控制端与运算放大器op1的输出端连接。其中，所述运算放大器op1工作在负反馈状态，以控制所述采样输出模块203在输出端提供表征所述功率管p1的漏源电压vds的采样电流is。
30.具体的，电压补偿模块202包括第一采样电阻rs1和第二采样电阻rs2。第一采样电阻rs1的第一端与第一补偿电流ic1连接，第二端与功率管p1的漏极连接，其第一端用于提供补偿之后的第一检测电压vin_s。第二采样电阻rs2的第一端与第二补偿电流ic2连接，第二端与功率管p1的源极连接，其第一端用于提供补偿之后的第二检测电压vout_s。进一步的，本实施例中的驱动模块201与第一采样电阻rs1和第二采样电阻rs2连接，以分别向二者提供该第一补偿电流ic1和第二补偿电流ic2。需要说明的是，本发明不以此为限制，本领域技术人员可以采用其他的模拟或数字电路产生该补偿电流。
31.采样输出模块203包括采样晶体管mn1和输出晶体管mn2。采样输出管mn1和输出晶体管mn2的栅极作为控制端与运算放大器op1的输出端连接，采样晶体管mn1和输出晶体管mn2的源极作为第二电压端接地，采样晶体管mn1的漏极作为第一电压端与第一检测电压vin_s连接，输出晶体管的漏极作为输出端用于提供所述采样电流is。
32.其中，补偿之后得到的第一检测电压vin_s和第二检测电压vout_s通过以下公式
获得：
33.vout_s＝vout ic2*rs2
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
34.设计使得ic1*rs1＝ic2*rs2＞vdsat，vdsat为采样晶体管mn1的过驱动电压。由于运算放大器op1工作在负反馈状态中，因此可以得到：
35.vin_s＝vout_s
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
36.is0＝(vin-vin_s ic1*rs1)/rs1＝(vin-vout)/rs1
ꢀꢀ
(3)
37.假设采样晶体管mn1和输出晶体管mn2选自相同尺寸的晶体管，则二者的比例为1:1，由此可以得到：
38.is＝is0＝(vin-vout)/rs1
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
39.当输出电压vout＝0时，通过设计使得ic1*rs1＝ic2*rs2＞vdsat，因此第一检测电压vin_s和第二检测电压vout_s均大于采样晶体管mn1的过驱动电压vdast，则采样晶体管mn1的漏源电压大于其过驱动电压vdast，可保证采样晶体管mn1能够正常工作。由此可知，本发明的功率管的漏源电压采样电路的采样范围不会受到输入电压vin和输出电压vout的电压范围的限制，在输出电压vout＝0～vin范围内都可以正常工作，避免了采样失真的问题，从而大大提高了系统的整体性能指标。
40.在上述实施例中，采样晶体管mn1和输出晶体管mn2例如为(n-metal-oxide-semiconductor field-effect transistor，n型金属氧化物半导体场效应晶体管)。
41.综上所述，在本发明实施例的功率管的漏源电压采样电路包括电压补偿模块、运算放大器和采样输出模块。电压补偿模块用于对输入电压和输出电压进行补偿，输出补偿之后的第一检测电压和第二检测电压，运算放大器的反相输入端用于接收第一检测电压，正相输入端用于接收第二检测电压，输出端与采样输出模块连接。其中，运算放大器工作在负反馈状态，以控制采样输出模块输出表征功率管的漏源电压的采样电流。与现有技术相比，通过设计电压补偿模块使得补偿之后的第一检测电压和第二检测电压始终大于采样输出模块中的采样晶体管的过驱动电压，从而使得采样晶体管在全电压范围内都可以正常工作，解决了采样失真的问题，大大提高了系统的整体性能指标。
42.应当说明，尽管在本文中，将器件说明为某种n沟道或p沟道器件、或者某种n型或者p型掺杂区域，然而本领域的普通技术人员可以理解，根据本发明，互补器件也是可以实现的。本领域的普通技术人员可以理解，导电类型是指导电发生的机制，例如通过空穴或者电子导电，因此导电类型不涉及掺杂浓度而涉及掺杂类型，例如p型或者n型。本领域普通技术人员可以理解，本文中使用的与电路运行相关的词语“期间”、“当”和“当
……
时”不是表示在启动动作开始时立即发生的动作的严格术语，而是在其与启动动作所发起的反应动作(reaction)之间可能存在一些小的但是合理的一个或多个延迟，例如各种传输延迟等。本文中使用词语“大约”或者“基本上”意指要素值(element)具有预期接近所声明的值或位置的参数。然而，如本领域所周知的，总是存在微小的偏差使得该值或位置难以严格为所声明的值。本领域已恰当的确定了，至少百分之十(10％)(对于半导体掺杂浓度，至少百分之二十(20％))的偏差是偏离所描述的准确的理想目标的合理偏差。
43.此外，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意
在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
44.依照本发明的实施例如上文，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。