一种功率管的漏源电压检测电路和开关电路的制作方法

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检测电路和开关电路。


背景技术：

2.在电源系统中，通过控制开关型功率管，例如通过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来实现)的导通和关断来实现电能的变换和输出电压的稳定。
3.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示出了根据现有技术的一种功率管的漏源电压检测电路的示意性电路图。如图1所示，待测功率管p1的漏端和源端分别与输入电压vin和输出电压vout连接，漏源电压检测电路100包括电阻r1和r2、晶体管mp1至mp3以及晶体管mn1和mn2。电阻r1、晶体管mp1和晶体管mn1依次连接于待测功率管p1的漏端和地之间，电阻r2、晶体管mp2和晶体管mn2依次连接于待测功率管p1的源端和地之间。其中，晶体管mp1和晶体管mp2的尺寸比例为1:1，晶体管mp1和晶体管mp2为共栅连接，晶体管mn1和晶体管mn2为共栅-共源连接，且二者的栅端都与偏置电压vbias连接。晶体管mp3的栅端与晶体管mp2和晶体管mn2之间的节点b连接，源端与电阻r1和晶体管mp1之间的节点a连接。
5.当漏源电压检测电路100正常工作时，晶体管mp1和晶体管mp2分别用于检测输入电压vin和输出电压vout，并将二者的电压差转换成电流，从而得到检测电流isen。其中，流过晶体管mp1和晶体管mp2的电流相等，且流过晶体管mp1和晶体管mp2的电流等于晶体管mn1和晶体管mn2提供的镜像电流ia，即：
6.i
mp1
＝i
mp2
＝ia
ꢀꢀꢀ
公式1
7.通过晶体管mp3的负反馈连接，使得晶体管mp1和晶体管mp2的源端电压相等，即晶体管mp2的源级电压等于：
8.v1＝vout-ia
×
r2＝va
ꢀꢀꢀ
公式2
9.其中，v1表示晶体管mp2的源端电压，ia表示晶体管mn1和mn2提供的镜像电流，va表示节点a的电压。
10.又因为流过电阻r1的电流为：
11.i
r1
＝(vin-va)/r1
ꢀꢀꢀ
公式3
12.假设电阻r1和电阻r2的阻值(即r1＝r2＝r)相等，则结合公式2和公式3可以得到流过r1的电流为：
13.i
r1
＝(vin-vout ia
×
r2)/r1＝(vin-vout)/r ia
ꢀꢀꢀ
公式4
14.又因为流过晶体管mp3的电流等于：
15.i
mp3
＝i
r1-i
mp1
ꢀꢀꢀ
公式5
16.结合公式1和公式4可以得到，流过晶体管mp3的电流，即检测电流isen为：
17.isen＝(vin-vout)/r
ꢀꢀꢀ
公式6
18.但是要使得漏源电源检测电路100正常工作，需要电路中的所有晶体管都工作在饱和区，当输出电压vout电压低于晶体管mp2和晶体管mn1的漏源饱和电压之和时，晶体管mn2将工作在线性区，随着输出电压vout的继续减小，晶体管mn2的漏电压减小至0，晶体管mp2截止，此时检测电流isen等于：
19.isen＝(vin-vgs)/r
ꢀꢀꢀ
公式7
20.其中，vgs表示晶体管mp3的栅源电压。由上述可知，现有技术的漏源电压检测电路100受共模工作范围的限制，当输出电压vout较低时，可能导致电路无法正常工作，降低漏源电压检测的精度，从而影响系统的整体性能指标。


技术实现要素：

21.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检测电路和开关电路，可以实现全电压范围内对功率管的高精度检测，提高了系统的整体性能指标。
22.根据本发明的一方面，提供了一种功率管的漏源电压检测电路，包括：检测电路，分别采集所述功率管的漏端电压和源端电压，并将所述漏端电压和源端电压的电压差转换为检测电流；以及补偿电路，用于在所述功率管的源端电压小于/等于预设电压的情况下采集所述功率管的源端电压，将其转换为采样电流，并根据所述采样电流和一参考电流获得与所述源端电压相关的补偿电流，以对所述检测电流进行补偿。
23.可选的，所述检测电路包括：依次连接于所述功率管的漏端和地之间的第一电阻、第一晶体管和第二晶体管；依次连接于所述功率管的源端和地之间的第二电阻、第三晶体管和第四晶体管，所述第二晶体管与所述第四晶体管构成电流镜，所述第一晶体管与所述第三晶体管为共栅连接，所述第四晶体管与所述第二晶体管的栅端接收第一偏置电压；以及第五晶体管，源端连接至所述第一电阻和所述第一晶体管之间的第一节点，栅端连接至所述第三晶体管和所述第四晶体管之间的第二节点，漏端输出所述检测电流。
24.可选的，所述补偿电路用于在所述功率管的源端电压小于/等于所述第五晶体管的栅源电压时生成所述补偿电流。
25.可选的，所述补偿电路包括：依次连接于电源电压和地之间的第三电阻、第六晶体管、第七晶体管和第四电阻；第八晶体管，源端连接至所述电源电压，栅端连接至所述第三电阻和所述第六晶体管的公共端，漏端连接至所述第六晶体管的栅端；运算放大器，正相输入端连接至所述功率管的源端，反相输入端连接至所述第七晶体管和所述第四电阻的公共端，输出端连接至所述第七晶体管的栅端；以及第九晶体管，源端连接至所述第六晶体管和所述第七晶体管之间的第三节点，栅端接收第二偏置电压，漏端用于输出所述补偿电流，其中，所述第六晶体管用于向所述第三节点提供所述参考电流，所述第七晶体管用于向所述第三节点提供所述采样电流，所述第九晶体管在所述参考电流大于所述采样电流的情况下导通，并根据所述参考电流和所述采样电流的电流差得到所述补偿电流。
26.可选的，所述第五晶体管的栅源电压与所述第八晶体管的栅源电压相等，所述参考电流等于所述第八晶体管的栅源电压与所述第三电阻的比值。
27.可选的，所述采样电流等于所述功率管的源极电压与所述第四电阻的比值，且所
述第一电阻、所述第二电阻、所述第三电阻以及所述第四电阻的阻值相等。
28.可选的，所述补偿电路还包括：偏置模块，用于向所述第六晶体管以及所述第八晶体管提供偏置电流。
29.可选的，所述偏置模块包括：连接于所述第一节点和地之间的第十晶体管和第十一晶体管，所述第十晶体管与所述第五晶体管构成电流镜，以采用镜像的方式获得所述检测电流；以及第十二晶体管，与所述第十一晶体管构成电流镜，以根据所述检测电流向所述第六晶体管和所述第八晶体管提供偏置电流。
30.可选的，所述第一晶体管、所述第三晶体管、所述第五晶体管、所述第六晶体管、所述第八晶体管以及所述第九晶体管分别选自p型金属氧化物半导体场效应晶体管，所述第二晶体管、所述第四晶体管、所述第七晶体管分别选自n型金属氧化物半导体场效应晶体管。
31.可选的，所述第十晶体管选自p型金属氧化物半导体场效应晶体管，所述第十一晶体管和所述第十二晶体管分别选自n型金属氧化物半导体场效应晶体管。
32.根据本发明的另一方面，提供了一种开关电路，包括上述的功率管的漏源电压检测电路。
33.本发明实施例的功率管的漏源电压检测电路和开关电路具有以下有益效果。
34.漏源电压检测电路包括检测电路和补偿电路，检测电路采集功率管的漏端电压和源端电压，并将二者的电压差转换为检测电流，补偿电路用于在功率管的源端电压小于/等于预设电压的情况下起作用，通过得到与功率管的源端电压相关的补偿电流，并将该补偿电流对检测电流进行补偿，可以使得补偿后的检测电流准确的表征功率管的漏源电压，可以实现全电压范围对功率管的高精度检测，有利于提高系统的整体性能指标。进一步的，当功率管的源端电压大于预设电压时，补偿电路不起作用，从而不会影响检测电路的输出结果。
附图说明
35.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：
36.图1示出了根据现有技术的一种功率管的漏源电压检测电路的示意性电路图；
37.图2示出了根据本发明实施例的一种功率管的漏源电压检测电路的示意性电路图；
38.图3示出了根据本发明实施例的功率管的漏源电压检测电路中的偏置模块的示意性电路图。
具体实施方式
39.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。
40.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。
41.下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
42.图2示出了根据本发明实施例的一种功率管的漏源电压检测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，其漏端与芯片的输入端连接以接收输入电压vin，源端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。
43.其中，所述漏源电压检测电路200包括检测电路210和补偿电路220，检测电路210与功率管p1的漏端和源端连接，用于分别采集功率管的漏端电压和源端电压，并将所述漏端电压和源端电压的电压差转换为检测电流isen。补偿电路220用于在功率管p1的源端电压小于/等于预设电压的情况下采集功率管的源端电压，将其转换为采样电流，并根据所述采样电流和一参考电流获得与源端电压相关的补偿电流，以对检测电流isen进行补偿。
44.进一步的，检测电路210包括电阻r1和r2、晶体管mp1至mp3以及晶体管mn1和mn2。电阻r1、晶体管mp1和晶体管mn1依次连接于待测功率管p1的漏端和地之间，电阻r2、晶体管mp2和晶体管mn2依次连接于待测功率管p1的源端和地之间。其中，晶体管mp1和晶体管mp2的尺寸比例为1:1，晶体管mp1和晶体管mp2为共栅连接，晶体管mn1和晶体管mn2为共栅-共源连接，且二者的栅端都与第一偏置电压vbias1连接。晶体管mp3的栅端与晶体管mp2和晶体管mn2之间的节点b连接，源端与电阻r1和晶体管mp1之间的节点a连接，漏端用于输出检测电流isen。
45.假设电阻r1和r2的电阻值相等(即r1＝r2＝r)，则可以得到当功率管p1的源端电压(即输出电压vout)大于晶体管mp3的栅源电压vgs时，检测电流isen等于：
46.isen＝(vin-vout)/r
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公式8
47.但是当功率管p1的源端电压(即输出电压vout)小于/等于晶体管mp3的栅源电压时，此时输出电压vout电压低于晶体管mp2和晶体管mn1的漏源饱和电压之和，晶体管mn2将工作在线性区，随着输出电压vout的继续减小，晶体管mn2的漏电压减小至0，晶体管mp2截止，此时检测电流isen等于：
48.isen＝(vin-vgs)/r
ꢀꢀꢀ
公式9
49.其中，vgs表示晶体管mp3的栅源电压。
50.由公式9可知当功率管p1的源端电压小于/等于晶体管mp3的栅源电压时，检测电路210无法正常工作，此时检测电流isen无法正常表征功率管漏端电压和源端电压的电压差，此时补偿电路220起作用，通过得到与功率管p1的源端电压相关的补偿电流，并将该补偿电流对检测电流进行补偿，可以使得补偿后的检测电流准确表征功率管p1的漏端电压和源端电压的电压差。
51.进一步的，补偿电路220包括运算放大器201、偏置模块202、晶体管mp4至mp6、晶体管mn3以及电阻r3和r4。其中，电阻r3、晶体管mp5、晶体管mn3以及电阻r4依次连接于电源电压vcc和地之间，晶体管mp4的源端连接至电源电压vcc，栅端连接至电阻r3和晶体管mp5的公共端，漏端连接至晶体管mp5的栅端。偏置模块202的一端连接至晶体管mp4的漏端和晶体管mp5的栅端，另一端接地，用于向晶体管mp4和晶体管mp5提供偏置电流ib。运算放大器201
的正相输入端连接至功率管p1的源端，反相输入端连接至晶体管mn3和电阻r4的公共端，输出端连接至晶体管mn3的栅端。晶体管mp6的源端连接至晶体管mp5和mn3之间的节点c，栅端接收第二偏置电压vbias2，漏端用于输出所述补偿电流icom。
52.其中，晶体管mp5的漏端用于向节点c提供所述参考电流ir，结构mn3的漏端用于向所述节点c提供采样电流ie，晶体管mp6在参考电流ir大于采样电流ie的情况下导通，并根据参考电流ir和采样电流ie的电流差得到所述补偿电流icom。
53.假设晶体管mp4的栅源电压与晶体管mp3的栅源电压相等，通过晶体管mp4的钳位作用，可以得到参考电流ir等于：
54.ir＝vgs/r3
ꢀꢀꢀ
公式10
55.其中，vgs表示晶体管mp3和晶体管mp4的栅源电压。
56.运算放大器201根据功率管p1的源端电压反馈调节晶体管mn3的导通电阻，从而得到采样电流ie为：
57.ie＝vout/r4
ꢀꢀꢀ
公式11
58.当功率管p1的源端电压大于晶体管mp3的栅源电压(即输出电压vout大于晶体管mp3的栅源电压vgs)时，采样电流ie大于参考电流ir，节点c的电位被拉低，此时晶体管mp6关断，补偿电流icom＝0。
59.当功率管p1的源端电压小于/等于晶体管mp3的栅源电压(即输出电压vout小于/等于晶体管mp3的栅源电压vgs)时，采样电流ie大于参考电流ir，节点c的电位被拉高，此时晶体管mp6导通，补偿电流icom等于参考电流ir和采样电流ie的差值，即：
60.icom＝ir-ie＝vgs/r3-vout/r4
ꢀꢀꢀ
公式12
61.设置电阻r1至r4的阻值相等，即r1＝r2＝r3＝r4＝r，则公式12可以表示为：
62.icom＝(vgs-vout)/r
ꢀꢀꢀ
公式13
63.结合公式9和公式13可以得到补偿之后的检测电流为：
64.isen’＝isen icom＝(vin-vout)/r
ꢀꢀꢀ
公式14
65.由公式14可以看出，本实施例的补偿电路220在功率管p1的源端电压小于/等于晶体管mp3的栅源电压时可以提供准确的补偿电流，使得补偿后的检测电流准确表征功率管p1的漏端电压和源端电压的电压差，提高漏源电压检测电路的准确度。
66.图3示出了根据本发明实施例的功率管的漏源电压检测电路中的偏置模块的示意性电路图。如图3所示，偏置模块202包括晶体管mp7以及晶体管mn4和mn5，晶体管mp7和晶体管mn4依次连接于节点a和地之间，晶体管mp7与检测电路210中的晶体管mp3构成电流镜，以采用镜像的方式获得所述检测电流isen，晶体管mn5与晶体管mn4构成电流镜，以根据检测电流isen向晶体管mp4和mp5提供偏置电流ib。
67.在上述实施例中，晶体管mp1至mp7例如为p型mosfet(p-metal-oxide-semiconductor field-effect transistor，p型金属氧化物半导体场效应晶体管)，晶体管mn1至mn5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)。
68.综上所述，在本发明实施例的功率管的漏源电压检测电路和开关电路中，漏源电压检测电路包括检测电路和补偿电路，检测电路采集功率管的漏端电压和源端电压，并将二者的电压差转换为检测电流，补偿电路用于在功率管的源端电压小于/等于预设电压的
情况下起作用，通过得到与功率管的源端电压相关的补偿电流，并将该补偿电流对检测电流进行补偿，可以使得补偿后的检测电流准确的表征功率管的漏源电压，可以实现全电压范围对功率管的高精度检测，有利于提高系统的整体性能指标。进一步的，当功率管的源端电压大于预设电压时，补偿电路不起作用，从而不会影响检测电路的输出结果。
69.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。当结合信号状态使用时，信号的实际电压值或逻辑状态(例如“)的或
““
的)取决于使用正逻辑还是负逻辑。
70.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。
71.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。