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.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.现有技术采用运放电路对功率管的漏源电压进行检测，而现有的运放电路一方面由于运放自身负载电流的影响，会造成检测电流出现失调，降低检测的精度，另一方面受共模工作范围的限制，当功率管的输出电压较低时，可能导致电路无法正常工作，造成检测失真，从而影响系统的整体性能指标。


技术实现要素：

5.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。
6.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，所述功率管用于根据输入电压得到输出电压，包括：电压检测模块，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；偏置模块，用于向所述电压检测模块提供偏置电流；以及钳位模块，与所述功率管和所述电压检测模块连接，所述钳位模块用于根据所述功率管的源端电压向所述电压检测模块提供一钳位电压，以使得所述电压检测模块在所述输出电压的全电压范围内均工作于负反馈状态。
7.可选的，所述钳位模块包括：依次连接于所述输入电压和所述功率管的源端之间的第一电阻和第二电阻，所述第一电阻和所述第二电阻的中间节点与电压检测模块连接以输出所述钳位电压。
8.可选的，所述电压检测模块包括：检测电阻，第一端与所述功率管的漏端连接；第一晶体管，第一端与所述检测电阻的第二端连接，所述第一晶体管的控制端与第二端连接以接收所述偏置电流；第二晶体管，第一端与所述第一电阻和所述第二电阻的中间节点连接以接收所述钳位电压，控制端与所述第一晶体管的控制端连接，第二端接收所述偏置电流；以及第三晶体管，第一端与所述检测电阻和所述第一晶体管的中间节点连接，控制端与所述第二晶体管的第二端连接，第二端用于输出所述检测电流。
9.可选的，所述偏置模块包括：第四晶体管，第一端和控制端连接以接收一基准电
流，第二端接地；第五晶体管，第一端与所述第一晶体管的第二端连接，控制端与所述第四晶体管的控制端连接，第二端接地；以及第六晶体管，第一端与所述第二晶体管的第二端连接，控制端与所述第四晶体管的控制端连接，第二端接地。
10.可选的，通过设置所述第一电阻和第二电阻的电阻值，以使得所述钳位电压始终大于所述第三晶体管的栅源电压。
11.可选的，所述第一晶体管、所述第二晶体管、所述第三晶体管分别选自p型金属氧化物半导体场效应晶体管，所述第四晶体管、所述第五晶体管、所述第六晶体管分别选自n型金属氧化物半导体场效应晶体管。
12.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。
13.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。
14.漏源电压检测电路包括电压检测模块、偏置模块和钳位模块，电压检测模块分别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，钳位模块用于根据功率管的源端电压向电压检测模块提供一预设电压，以使得电压检测模块在输出电压的全电压范围内均工作于负反馈状态，保证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，钳位模块包括第一电阻和第二电阻，仅通过合理设置第一电阻和第二电阻的阻值比例，就可以抵消偏置电流对电压检测造成的失调，从而获得更高的检测精度，电路结构简单，并且不会增加额外的检测功耗。
附图说明
15.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：
16.图1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；
17.图2示出了根据本发明实施例的功率管的漏源电压检测电路的电压示意图。
具体实施方式
18.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。
19.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。
20.下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
21.图1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1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。
22.其中，所述漏源电压检测电路100包括电压检测模块110、偏置模块120和钳位模块130。电压检测模块110与功率管p1的漏端和源端连接，用于分别采集功率管p1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。偏置模块120用于向电压检测模块110提供偏置电流ia。
23.进一步的，电压检测模块110包括检测电阻rs以及晶体管mp1至mp3。检测电阻rs的第一端与功率管p1的漏端连接，第二端与晶体管mp1的第一端连接，晶体管mp1的控制端和第二端连接以接收偏置电流，晶体管mp2与晶体管mp1为共栅连接，即晶体管mp2的控制端与晶体管mp1的控制端连接，晶体管mp2的第一端与功率管p1的源端连接，晶体管mp2的第二端接收所述偏置电流，晶体管mp3的控制端与晶体管mp2的第二端连接于节点b，第一端与检测电阻rs和晶体管mp1之间的节点a连接，第二端用于输出检测电流isen。其中，晶体管mp1和晶体管mp2的尺寸比例为1:1。
24.偏置模块120包括晶体管mn1至mn3。晶体管mn1的第一端和控制端连接以接收一基准电流ibias，第二端接地，晶体管mn2的第一端与晶体管mp1的第二端连接，控制端与晶体管mn1的控制端连接，第二端接地，晶体管mn3的第一端与晶体管mp2的第二端连接，控制端与晶体管mn1的控制端连接，第二端接地。晶体管mn2和mn3与晶体管mn1构成电流镜，从而通过镜像的方式向晶体管mp1和mp2提供偏置电流ia。
25.当输出电压vout较大时，例如使得功率管p1的源端电压大于晶体管mp3的栅源电压vgs时，检测电流isen等于：
26.isen＝(vin-vout)/rs
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
公式1
27.但是当输出电压vout较小时，此时功率管p1的源端电压小于/等于晶体管mp3的栅源电压，即功率管p1的源端电压低于晶体管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：
28.isen＝(vin-vgs)/r
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
公式2
29.其中，vgs表示晶体管mp3的栅源电压。
30.由公式2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，电压检测模块110无法正常工作，使得检测电流isen无法正常表征功率管漏端电压和源端电压的电压差。此时钳位模块130起作用，钳位模块130连接在功率管p1和电压检测模块110之间，钳位模块130用于根据功率管p1的源端电压向电压检测模块110提供一钳位电压vs，该钳位电压vs始终大于晶体管mp3的栅源电压，从而使得电压检测模块110在输出电压vout的全电压范围内均正常工作于负反馈状态，输出正常表征功率管漏源电压的检测电流isen。
31.进一步的，钳位模块130包括电阻r1和r2，电阻r1的第一端与输入电压vin和功率管p1的漏端的中间节点连接，第二端与电阻r2的第一端连接，电阻r2的第二端与功率管p1的源端连接，电阻r1和电阻r2的中间节点与电压检测模块110连接以提供钳位电压vs。
32.不考虑偏置电流ia对电路的影响，根据电路分析中的叠加原理可得钳位电压vs为：
33.vs＝vin
×
r2/(r1 r2) vout
×
r1/(r1 r2)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
公式3
34.电压检测模块110工作于负反馈状态，可以得到检测电阻rs两端的压降为：
35.vrs＝vin-vs
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
公式4
36.根据公式3和公式4可以得到，检测电阻rs两端的压降为：
37.vrs＝(vin-vout)
×
r1/(r1 r2)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
公式5
38.根据公式5可以得到检测电流为：
39.isen＝[(vin-vout)
×
r1/(r1 r2)]/rs
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
公式6
[0040]
考虑到偏置电流ia对检测精度的影响，则偏置电流ia在电阻r1和r2上的压降为：
[0041]
vos＝ia
×
r1//r2
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
公式7
[0042]
根据公式1和公式7可以得到，此时的钳位电压为：
[0043][0044]
又因为检测电流为：
[0045]
isen＝(vin-vs)/rs-ia
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
公式9
[0046]
所以根据公式8和公式9可以得到检测电流为：
[0047][0048]
由公式10可知，当r1//r2＝rs时，偏置电流ia造成的失调可被抵消掉，从而得到更高的检测精度。此外，当输出电压vout＝0时，通过合理选取电阻r1和电阻r2的阻值和比例，可以使得钳位电压vs始终大于晶体管mn2的栅源电压和过驱动电压之和，从而保证电压检测模块110可以一直正常工作于负反馈状态，实现全电压范围的漏源电压检测。
[0049]
图2示出根据本发明实施例的功率管的漏源电压检测电路的电压示意图。在图2中，横坐标表示时间t，纵坐标表示电压v，曲线1表示输出电压vout的电压变化曲线，曲线2表示钳位电压vs的电压变化曲线。如图2所示，当输出电压vout从输入电压vin降低至0v时，钳位电压vs从输入电压vin降低至vin
×
r2/(r1 r2)，不会降低至0v，通过合理设置电阻r1和电阻r2的比例，可以使得电压检测模块110始终工作于负反馈状态，从而可以对输出电压vout从0v至输入电压vin的全范围进行精确的电压检测。
[0050]
在上述实施例中，晶体管mp1至mp3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)，p型mosfet的第一端、第二端和控制端分别为源极、漏极和栅极。
[0051]
晶体管mn1至mn3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)，n型mosfet的第一端、第二端和控制端分别为漏极、源极和栅极。
[0052]
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电压检测模块、偏置模块和钳位模块，电压检测模块分别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，钳位模块用于根据功率管的源端电压向电压检测模块提供一预设电压，以使得电压检测模块在输出电压的全电压范围内均工作于负反馈状态，保证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，钳位模块包括第一电阻和第二电阻，仅通过合理设置第一电阻和第二电阻的阻值比例，就可以抵消偏置电流对电
压检测造成的失调，从而获得更高的检测精度，电路结构简单，并且不会增加额外的检测功耗。
[0053]
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。
[0054]
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。
[0055]
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。