一种芯片过流保护电路及方法与流程

1.本发明属于过流保护技术领域，具体涉及一种芯片过流保护电路及方法。


背景技术：

2.当目标芯片上通过的电流过大，即出现过流现象时，目标芯片极易被损坏。所以当对目标芯片的可靠性要求较高时，一般会采取过流保护措施。目标芯片的输出功率大，自身发热大，过流容易损坏芯片；特别是一些高带宽的高性能目标芯片，价格昂贵，为了避免损失，电路设计师需要对目标芯片进行保护设计。
3.现有技术中，申请号为cn201710282788.3、公开日期为2017年8月22 日的中国发明专利申请《过流保护电路和过流保护方法》提供了一种过流保护电路和过流保护方法，以保证保护电路快速性的同时提高电路的抗干扰能力。该技术方案中包含有采样电路和比较电路。通过采样电路输出的电压与预设值比较，以确定被保护电路部件是否出现过流现象。通过调整相关电阻的比例关系调整过流保护值，或者通过调整预设比较值的大小调整过流保护值。但是当需要调整过流保护值时，该调整方法不够灵活。申请号为201711091467.1、公开日期为2018年5月1日的中国发明专利申请《过流保护电路》提供了一种过流保护电路，以解决过流保护电路可靠性低的问题。但是该方案中用到的常开开关和常闭开关成本较高，且该过流保护电路适用于大功率的环境。
4.因此，如何解决现有技术中过流保护电路存在的“限流阈值通常为固定值，即使调整也无法做到动态跟随调整，保护效果有限；应用于大功率场景，不适合用于弱电、小功率的场景；且所用保护电路成本较高”的缺点成为当务之急。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于设计一种限流阈值电压跟随功率mos管输出电压动态调节的芯片过流保护电路。
6.本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：
7.一种芯片过流保护电路，应用于目标芯片(7)，包括：功率mos管(1)、电流检测单元(2)、限流阈值自适应反馈单元(3)、迟滞比较单元(4) 以及直流供电电源(5)；功率mos管(1)的漏极接直流供电电源(5)，功率mos管(1)的源极接电流检测单元(2)的输入端，功率mos管(1) 的栅极连接到限流阈值自适应反馈单元(3)的输出端；限流阈值自适应反馈单元(3)的一个输入端连接在功率mos管(1)的源极，限流阈值自适应反馈单元(3)的另一个输入端与电流检测单元(2)的一个输出端连接，电流检测单元(2)的另一个输出端与目标芯片(7)连接；如果目标芯片 (7)工作电流过大，通过电流检测单元(2)和限流阈值自适应反馈单元 (3)组成的反馈网络，控制功率mos管(1)的漏极和源极间的导通电阻增大，从而增大漏极和源极间的电压，达到降低目标芯片(7)电压的目的。
8.电流检测单元(2)实时检测目标芯片(7)的工作电流送入限流阈值自适应反馈单元(3)，限流阈值自适应反馈单元(3)输出的信号用于实时控制功率mos管(1)的工作状态，
通过限流阈值自适应反馈单元(3)实时设置限流阈值电压vth，在过流事件触发后，通过反馈原理动态调节限流阈值电压vth，使最后的故障电路的电流被限定在更低值，及时保护目标芯片(7)；故障电路的电流被限定在更低值还可以保护功率mos(1)管不会因持续过热而损坏，从而大大提高电路可靠性，可以应用于大电流和小电流电路过流保护方案，应用范围广。
9.作为本发明技术方案的进一步改进，还包括控制器(6)，迟滞比较单元(4)的输出端与控制器(6)的输入端连接，控制器(6)的输出端与直流供电电源(5)的输出使能脚连接，控制器接收到来自迟滞比较单元(4) 的过流指示信号，通过控制器(6)执行直流供电电源(5)断电。
10.作为本发明技术方案的进一步改进，所述的电流检测单元(2)包括 shunt电阻r1以及比较器芯片a1，shunt电阻r1的一端作为电流检测单元 (2)的输入端连接在功率mos管(1)的源极，shunt电阻r1的另一端与目标芯片(7)连接，比较器芯片a1的两个输入端分别接在shunt电阻r1 的两端，比较器芯片a1的输出端连接在限流阈值自适应反馈单元(3)的输入端。
11.作为本发明技术方案的进一步改进，所述的限流阈值自适应反馈单元 (3)包括电阻分压网络(31)以及运算放大器a2，电阻分压网络(31)的输入端作为限流阈值自适应反馈单元(3)的第一输入端，连接功率mos管 (1)的源极，运算放大器a2的反相输入端作为限流阈值自适应反馈单元 (3)的第二输入端，连接比较器芯片a1的输出端，运算放大器a2的正相输入端与电阻分压网络(31)的输出端连接，电阻分压网络(31)输出限流阈值电压vth至运算放大器a2的正相输入端。
12.作为本发明技术方案的进一步改进，所述的电阻分压网络(31)包括电阻r2、电阻r3、电阻r4；电阻r2、电阻r3、电阻r4构成“y”型结构，电阻r2与电阻r4串联后，电阻r2的非串联端连接在功率mos管(1)的源极与shunt电阻r1之间，电阻r4的非串联端连接在运算放大器a2的正相输入端；电阻r3的一端连接在电阻r2与电阻r4串联公共点，另一端接 vdd电源。
13.作为本发明技术方案的进一步改进，所述的迟滞比较单元(4)包括电阻r5、电阻r6以及运算放大器a3；运算放大器a3的反相输入端连接在运算放大器a2的输出端，运算放大器a3的正相输入端连接电阻r5的一端，电阻r5的另一端作为参考电压输入端；电阻r6的一端连接在运算放大器 a3的正相输入端，另一端连接在运算放大器a3的输出端。
14.作为本发明技术方案的进一步改进，所述的目标芯片(7)是功放芯片、控制器芯片或者光电器件芯片。
15.一种采用所述的芯片过流保护电路的芯片过流保护方法，包括以下步骤：
16.步骤s1：电流检测单元(2)实时检测流至目标芯片(7)的工作电流，如果工作电流在正常范围内，功率mos管(1)饱和导通，目标芯片(7) 正常；
17.步骤s2：如果工作电流过大，通过电流检测单元(2)和限流阈值自适应反馈单元(3)组成的反馈网络，控制功率mos管(1)的漏极和源极间的导通电阻增大，从而增大漏极和源极间的电压，降低目标芯片(7)的电压。
18.作为本发明技术方案的进一步改进，还包括步骤s3：控制器(6)接收到来自迟滞比较单元(4)的过流指示信号，通过控制器(6)执行直流供电电源(5)断电。
19.作为本发明技术方案的进一步改进，步骤s1中，所述的限流阈值自适应反馈单元
(3)包括电阻分压网络(31)以及运算放大器a2，电阻分压网络(31)输出限流阈值电压vth至运算放大器a2的正相输入端，降低的目标芯片(7)的电压通过电阻分压网络(31)进一步降低运算放大器a2的正相输入端的限流阈值电压vth
20.本发明的优点在于：
21.(1)电流检测单元(2)实时检测目标芯片(7)的工作电流送入限流阈值自适应反馈单元(3)，限流阈值自适应反馈单元(3)输出的信号用于实时控制功率mos管(1)的工作状态，通过限流阈值自适应反馈单元(3) 实时设置限流阈值电压vth，在过流事件触发后，通过反馈原理动态调节限流阈值电压vth，使最后的故障电路的电流被限定在更低值，及时保护目标芯片(7)；故障电路的电流被限定在更低值还可以保护功率mos管(1) 不会因持续过热而损坏，从而大大提高电路可靠性，可以应用于大电流和小电流电路过流保护方案，应用范围广。
22.(2)限流阈值自适应反馈单元(3)输出的信号通过迟滞比较单元(4) 提供过流指示信号输入到控制器(6)中，控制器(6)接收到来自迟滞比较单元(4)的过流指示信号，通过控制器执行直流供电电源(5)断电、通知上位机检修、点亮故障指示灯等一系列操作。
23.(3)电路采用功率mos管和比较器芯片a1，响应速度快，电路设计简单，器件种类少，成本低。
附图说明
24.图1是本发明实施例所述的芯片过流保护电路的电路原理图。
具体实施方式
25.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通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，都属于本发明保护的范围。
26.下面结合说明书附图以及具体的实施例对本发明的技术方案作进一步描述：
27.实施例一
28.如图1所示，一种芯片过流保护电路，包括：功率mos管1、电流检测单元2、限流阈值自适应反馈单元3、迟滞比较单元4、直流供电电源5、控制器6、目标芯片7。
29.功率mos管1的漏极接直流供电电源5，功率mos管1的源极接电流检测单元2的输入端以及限流阈值自适应反馈单元3的第一输入端，功率mos 管1的栅极连接到限流阈值自适应反馈单元3的输出端，电流检测单元2 同时与限流阈值自适应反馈单元3和目标芯片7连接，迟滞比较单元4的正相输入端接参考电压，输出端连接控制器6。
30.所述的电流检测单元2包括shunt电阻r1以及比较器芯片a1，shunt 电阻r1的一端作为电流检测单元2的输入端连接在功率mos管1的源极， shunt电阻r1的另一端与目标芯片7连接，比较器芯片a1的两个输入端分别接在shunt电阻r1的两端，比较器芯片a1的输出端连接在限流阈值自适应反馈单元3的第二输入端。
31.所述的限流阈值自适应反馈单元3包括电阻分压网络31以及运算放大器a2，电阻分压网络31的输入端作为限流阈值自适应反馈单元3的第一输入端，连接功率mos管1的源
极，运算放大器a2的反相输入端作为限流阈值自适应反馈单元3的第二输入端，连接比较器芯片a1的输出端，运算放大器a2的正相输入端与电阻分压网络31的输出端连接，电阻分压网络31 输出限流阈值电压vth至运算放大器a2的正相输入端；作为一个具体的例子，所述的电阻分压网络31包括电阻r2、电阻r3、电阻r4，电阻r2、电阻r3、电阻r4构成“y”型结构，电阻r2与电阻r4串联后，电阻r2的非串联端连接在功率mos管1的源极与shunt电阻r1之间，电阻r4的非串联端连接在运算放大器a2的正相输入端；电阻r3的一端连接在电阻r2与电阻r4串联公共点，另一端接vdd电源，当然，电阻分压网络31的结构不限于此，可以是任何能够分压的结构，如多个电阻串联、并联或者串并联的结合，甚至只具有一个电阻；运算放大器a2的输出端作为限流阈值自适应反馈单元3的输出端，与功率mos管1的栅极连接。
32.所述的迟滞比较单元4包括电阻r5、电阻r6以及运算放大器a3；运算放大器a3的反相输入端连接在运算放大器a2的输出端，运算放大器a3 的正相输入端连接电阻r5的一端，电阻r5的另一端作为参考电压输入端；电阻r6的一端连接在运算放大器a3的正相输入端，另一端连接在运算放大器a3的输出端；运算放大器a3的输出端与控制器6连接；控制器6的输出端与直流供电电源5的输出使能脚连接(图中未示出)。
33.所述的直流供电电源5输出的电流通过功率mos管1后，再流过shunt 电阻r1，给负载端目标芯片7提供工作电流；电流检测单元2将shunt电阻r1上的电流转换为电压，送给限流阈值自适应反馈单元3中的运算放大器a2，与经过分压网络31分压后的限流阈值电压vth进行比较；运算放大器a2输出的电压一路连接到功率mos管1的栅极，控制功率mos管1的工作状态，另一路连接到迟滞比较单元4，与参考电压vref进行比较后，通过迟滞比较单元4提供过流指示信号给控制器6。
34.所述的目标芯片7可以是功放芯片，还可以是控制器芯片，如mcu、fpga 等，或者光电器件芯片，如相位调制器芯片、激光器芯片等。
35.本发明的芯片过流保护电路的工作过程为：
36.s1：电流检测单元2实时检测目标芯片7的工作电流，即流经shunt 电阻r1的电流，如果在正常工作电流范围内，功率mos管1饱和导通，功率mos管1的饱和压降很小，可忽略不计，直流供电电源5将给目标芯片7 正常供电；
37.s2：当短路等导致工作电流过大时，通过电流检测单元2和限流阈值自适应反馈单元3组成的反馈网络，控制功率mos管1的漏极和源极间的导通电阻快速增大，从而增大漏极和源极间的电压，达到快速降低目标芯片7的电压的目的，而降低的目标芯片7的电压通过限流阈值自适应反馈单元3将进一步降低限流阈值电压vth，最终将电流限制到很低的值，这样在保护目标芯片7的同时也保护功率mos管1避免因电流过大而损坏，提高电路可靠性；
38.s3：与此同时，控制器6接收到来自迟滞比较单元4的过流指示信号，可通过控制器6执行直流供电电源5断电、通知上位机检修、点亮故障指示灯等一系列操作。
39.以下举实例具体说明本发明的芯片过流保护电路的实施过程：
40.假设直流供电电源5的电压为 9v，shunt电阻r1的阻值为0.1ω，功率足够提供整个电路工作。在负载正常情况下，假设目标芯片7等效负载电阻为50ω，此时流过shunt电阻r1的电流约180ma；再假设电流检测单元2中的比较器芯片a1的放大倍数为50v/v，则比较器芯片a1的输出电流 vin约为900mv；限流阈值自适应反馈单元3中的运算放大器a2的阈值电压vth的电压值是由电阻r2、电阻r3和电阻r4构成的电阻分压网络31产生(具体计算方法可
参考康华光教授主编的《电子技术基础模拟部分》(第 5版)附录b章节提到的基尔霍夫定律求解方法，页码是p558)。假设过流阈值设置为300ma，即vin’＝300ma*0.1ω*50v/v＝1.5v，此时vth＝vin’》vin， vin为负载正常情况下比较器芯片a1的输出电流，运算放大器a2输出高电平，接近运算放大器a2的电源输入脚供电电压，这样功率mos管1处于饱和导通状态，直流供电电源5的 9v几乎无损的供给目标芯片7，与此同时迟滞比较单元4接收来自限流阈值自适应反馈单元3的输出，根据迟滞比较的原理(关于迟滞比较的设计原理可参考康华光教授主编的《电子技术基础模拟部分》(第5版)的第9.8章节关于迟滞比较器的讲解，页码是 p457)，迟滞比较单元4输出低电平给控制器6，控制器6采集输入的低电平信号，判断为正常工作状态。
41.当负载短路时，假设此时目标芯片7的等效负载电阻为5ω，此时短路瞬间负载电流将增大到i＝9/5a＝1.8a，此时vin”＝1.8a*0.1ω*50v/v＝9v 远大于vth，vin”表示负载短路时比较器芯片a1的输出电流，运算放大器a2输出低电平，最终维持在较低电压水平，使功率mos管1的导通电阻增大，mos管1的漏源极电压vds约8.7v，提供给负载的电压即源极对地电压vd约300mv以内，此时vth的值将随着vd的变化进一步调整，vth的值将变小，最终稳定在293mv附近，而vin的值约294mv，与vth达到平衡，通过功率mos管1的电流也降低到58.7ma。
42.与此同时，迟滞比较单元4接收来自限流阈值自适应反馈单元3的输出，根据迟滞比较的原理，迟滞比较单元4输出高电平给控制器6，控制器 6采集输入的高电平信号，判断为异常工作状态，控制器6通过对直流供电电源5输出使能脚进行控制，关闭直流供电，保证电路安全。
43.本发明的芯片过流保护电路通过电阻分压网络31的引入，使限流阈值电压vth能够跟随功率mos管1的输出电压实现动态调节。当目标芯片7 的工作电流很大时，电流检测单元2输出的电压超过设定的限流阈值电压 vth，限流阈值自适应反馈单元3的比较器将控制功率mos管1的导通电阻增大，使电源压降主要分配在功率mos管1上，导致功率mos管1输出的电压变小，限制加载到目标芯片7上的功率，从而保护目标芯片7；与此同时，在触发过流事件后，限流阈值电压vth会持续下降到更低值，使流经功率mos管1的电流变小，保护功率mos管1不被损坏。此外，控制器6 可以检测来自迟滞比较单元4的电平，当检测输出为高电平时，判断过流异常，需要立即执行电源断电和异常上报等操作，从而保护功率mos管1 避免因长时间过热损坏，显著提高电路可靠性。
44.以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。