一种用于高边智能功率IC的负载开路检测电路及方法、应用与流程

一种用于高边智能功率ic的负载开路检测电路及方法、应用
技术领域
1.本发明涉及电气、电子设备控制技术领域，具体涉及一种用于高边智能功率ic的负载开路检测电路及方法、应用。


背景技术：

2.高边功率驱动芯片通过将控制模块、驱动模块及其它保护电路模块与功率器件集成在一起，可以实现更多的功能，在新能源汽车、自动化控制及其它电子产品等领域得到广泛应用。为了保证驱动芯片的正常工作，需要加入各种保护电路，其中，负载开路检测电路通过对负载状态进行实时检测反馈，在负载发生开路故障时及时向系统发出反馈信号。此类电路一般是对负载上的电流进行检测，第一种方法是在主通路上检测分压电阻上的电流，但这会带来冗余的电压消耗。另外一种方法是采用一个与主功率管尺寸成比例的检测管，对检测管支路流过的电流进行检测。这种方法虽然不会给主通路带来冗余的电压消耗，但在负载电流很小的情况下，镜像复制的电流精度会降低，导致误差过大，使检测电路的可靠性下降。


技术实现要素：

3.针对上述技术背景中的问题，本发明的目的在于针对高边功率驱动芯片，设计优化了一种新型负载开路检测电路。该电路采用双重判决模式和滞回比较器，解决传统电流检测引起的冗余电压和检测误差的问题，以及外部干扰导致功率管反复开关的问题，提高了负载开路检测的精确度和可靠性。
4.为了实现以上目的，本发明采用的技术方案为：
5.一种用于高边智能功率ic的负载开路检测电路，所述检测电路包括双重检测电路，包括：
6.由功率管mp与滞回比较器op1构成的第一重检测电路，用于检测功率器件两端的电压降；
7.由检测管ms与其支路上的电阻rs和比较器op2构成的第二重检测电路，用于检测电阻rs上的电流。
8.因在比较器运行时，如果有噪声或干扰出现，都会使比较器在两个不同的输出状态之间产生额外的频繁跳变，这种情况会造成功率管不必要的开关功耗和信号振荡。而滞回比较器的vout在上升和下降时输入端的数值不同，这样可以避免误信号的干扰，提高检测的有效性，降低功率管的无效开关功耗，因此在本发明的技术方案中，设计在第一重检测电路上采用滞回比较器规避这类问题的发生。
9.本发明的技术方案中，设计双重的检测电路，当第一重检测电路输出低电平时会提示电路可能存在故障，只有当双重电路都输出低电平时才会直接关断电路并输出故障信号，解决传统电流检测引起的冗余电压和检测误差的问题。
10.本发明的另一目的在于，提供一种如上所述的用于高边智能功率ic的负载开路检
测方法，具体步骤如下：
11.s1、由功率管mp与滞回比较器op1构成的第一重检测电路，检测功率器件两端的电压降；
12.s2、当滞回比较器op1输出为低电平时，通过逻辑运算功率管m
p
被关闭，输出可能出现负载开路的信号指令，提示电路可能存在故障；
13.s3、而后由检测管ms支路上电阻rs和比较器op2构成的第二重检测电路，对电阻rs上的电流进行检测；
14.s4、当比较器op2输出为低电平时，两个比较器信号都满足开路检测，输出高电平，表示负载开路，通过逻辑运算进行信号输出和电路关断处理。
15.进一步地，步骤s2，对于第一重检测电路，v
mp
为功率管m
p
上的电压降，设定判断阈值电压为v
mp0
，即
[0016]vref
＝v
cc-v
mp0
，
[0017]
当v
mp
》v
mp0
时，有v
out
《v
ref
，滞回比较器op1输出高电平，芯片正常工作；当v
mp
《v
mp0
时，有v
out
》v
ref
，滞回比较器op1输出低电平，第一重检测电路判断负载处于开路状态，芯片负载可能处于开路，电路输出提示信号；
[0018]
其中，v
ref
为基准电压，v
cc
为内部电源电压，v
out
为检测电路输出电压。
[0019]
进一步地，步骤s4，对于第二重检测电路，i
l
为负载r
l
上流过的电流，i
l0
为设定的判断阈值电流：
[0020]il0
＝v1/rs，
[0021]
当i
l
》i
l0
时，v
rs
＝i
l0
·rs
《v1，比较器op2输出为高电平，芯片正常工作；当i
l
《i
l0
时，比较器op2输出为低电平，第二重检测电路判断负载处于开路状态；
[0022]
其中，v1为第二重检测电路中比较器的输入基准电压，rs为检测电阻；v
rs
为电阻rs上的电压降。
[0023]
进一步地，在本发明的技术方案中：当双重检测电路同时满足开路判断，输出高电平，表示负载开路；为保证第二重检测电路在第一重检测电路检测结束后进行检测，需要保证：
[0024]vmp0
》i
l0
·
[r
onp
//(r
ons
rs)]，
[0025]
其中，v
mp0
为功率管m
p
上的电压降，r
onp
为功率管m
p
的导通电阻，r
ons
为检测管ms的导通电阻，rs为检测电阻。
[0026]
本发明的第三个目的在于，提供一种应用如上所述的负载开路检测电路的高边驱动电路系统。
[0027]
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0028]
(1)功率管的导通电阻r
onp
不会对负载阈值电流的检测造成影响；
[0029]
(2)检测电阻rs只在检测通路中消耗压降，不会消耗主通路上的电压降；
[0030]
(3)比较器的失调电压不会限制检测电流阈值的大小；
[0031]
(4)采用双重判决模式，规避了负载电流和温度的波动造成干扰信号的可能性；
[0032]
(5)采用滞回比较器，降低了输入波动，或其他噪声、干扰对检测准确度的影响，整体提高了检测的有效性和系统的稳定性。
附图说明
[0033]
图1为本发明负载开路检测电路的示意图；
[0034]
图2为滞回比较器的示意图；
[0035]
图3为高边驱动电路系统框图；
[0036]
图4为负载电流i
l
及电路输出openload与负载电阻r
l
的关系曲线图；
[0037]
图5为op1输出v
o1
及电路输出openload与负载电压v
out
的关系曲线；
[0038]
图6为驱动电路的电压输出曲线。
具体实施方式
[0039]
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
[0040]
如图1所示，用于高边智能功率ic的负载开路检测电路，包括双重检测电路：
[0041]
由功率管mp与滞回比较器op1构成的第一重检测电路，用于检测功率器件mp两端的电压降；
[0042]
由检测管ms与其支路上的电阻rs和比较器op2构成的第二重检测电路，用于检测电阻rs上的电流。
[0043]
本发明的技术方案中，设计双重的检测电路，当第一重检测电路输出低电平时会提示电路可能存在故障，只有当双重电路都输出低电平时才会直接关断电路并输出故障信号，解决传统电流检测引起的冗余电压和检测误差的问题。
[0044]
如图2所示滞回比较器，在比较器的输出端和同相输入端之间连接电阻，在正反馈的作用下会出现滞回现象。v
p
＝[r2/(r1 r2)]g(v
ref-v
out
)，根据虚短vn＝v
p
，即可得出两个阈值电压：在v
out
的上升沿处(0到v
cc
)，v
p1
＝[r2/(r1 r2)]gv
ref
，在v
out
的下降沿处(v
cc
到0)，v
p2
＝[r2/(r1 r2)]g(v
ref-v
cc
)。
[0045]
因在比较器运行时，如果有噪声或干扰出现，都会使比较器在两个不同的输出状态之间产生额外的频繁跳变，这种情况会造成功率管不必要的开关功耗和信号振荡。而滞回比较器的v
out
在上升和下降时输入端的数值不同，这样可以避免误信号的干扰，提高检测的有效性，降低功率管的无效开关功耗，因此在本发明的技术方案中，设计在第一重检测电路上采用滞回比较器qp1规避这类问题的发生。
[0046]
如上所述的用于高边智能功率ic的负载开路检测方法，具体步骤如下：
[0047]
s1、由功率管mp与滞回比较器op1构成的第一重检测电路，检测功率器件mp两端的电压降；
[0048]
s2、当op1输出为低电平时，通过逻辑运算m
p
被关闭，输出可能出现负载开路的信号指令possible fault，提示电路可能存在故障；
[0049]
s3、而后由检测管ms支路上电阻rs和比较器op2构成的第二重检测电路，对电阻rs上的电流进行检测；
[0050]
s4、当比较器op2输出为低电平时，两个比较器信号都满足开路检测，openload输出高电平，表示负载开路，通过逻辑运算进行信号输出和电路关断处理。
[0051]
具体分析如下：
[0052]
对于第一重检测电路，v
mp
为功率管m
p
上的电压降，设定判断阈值电压为v
mp0
，即
[0053]vref
＝v
cc-v
mp0
，
[0054]
当v
mp
》v
mp0
时，有v
out
《v
ref
，op1输出高电平，芯片正常工作；当v
mp
《v
mp0
时，有v
out
》v
ref
，op1输出低电平，第一重检测电路判断负载处于开路状态，芯片负载可能处于开路，电路输出提示信号。
[0055]
其中，v
ref
为基准电压，v
cc
为内部电源电压，v
out
为检测电路输出电压。
[0056]
对于第二重检测电路，i
l
为负载r
l
上流过的电流，i
l0
为设定的判断阈值电流：
[0057]il0
＝v1/rs，
[0058]
当i
l
》i
l0
时，v
rs
＝i
l0
·rs
《v1，op2输出为高电平，芯片正常工作；当i
l
《i
l0
时，op2输出为低电平，第二重检测电路判断负载处于开路状态。当双重检测电路同时满足开路判断，openload输出高电平，表示负载开路；为保证第二重检测电路在第一重检测电路检测结束后进行检测，需要保证：
[0059]vmp0
》i
l0
·
[r
onp
//(r
ons
rs)]，
[0060]
其中，v1为第二重检测电路中比较器的输入基准电压，rs为检测电阻；v
rs
为电阻rs上的电压降，v
mp0
为功率管m
p
上的电压降，r
onp
为功率管m
p
的导通电阻，r
ons
为检测管ms的导通电阻。
[0061]
以下是本发明负载开路检测电路的应用：
[0062]
如图3所示为本发明设计电路的应用系统。
[0063]
对于高边驱动功率芯片，其工作环境往往很恶劣，从图3可以看到有诸多保护电路确保芯片不会因外界干扰丧失功能，保证芯片正常工作。本应用中的栅极保护，主要是确保电路工作时栅极电压大于漏极电压，功率管工作在正确的状态；过压保护电路实现48v的过压保护，在电源电压高于48v时，过压保护电路输出高电平，经过逻辑电路运算，关闭芯片，待电压低于38v时再次启动芯片；过温保护电路实现150℃的过温保护，在芯片温度达到150℃时，过温保护电路输出高电平，经过逻辑电路运算，关闭芯片，待温度回落至140℃时再次启动芯片，避免震荡；欠压保护电路实现3.5v的欠压保护，在电源电压低于3.5v时欠压保护电路输出高电平，经过逻辑电路运算，关闭芯片，待电压高于4.5v时再次启动芯片；负载开路检测电路实现检测负载电流3ma，98.5％的检测精度，当负载电流低于3ma时，负载开路检测电路输出高电平，经过逻辑运算，关闭芯片，待故障解除后，芯片自启动。正常工作时，功率管处于线性导通区，为了实现此目的，需要将功率管的栅极电压抬升至高于漏极电压，这里采用交叉耦合电荷泵对栅极电压进行抬升，本应用中采用的电荷泵实现了电压从12v抬升至14.5v，使功率管工作在线性导通区。
[0064]
在cadence 617环境下对图1、图3中的电路进行仿真，电源电压v
cc
＝12v。
[0065]
如图4所示为负载电流i
l
及输出信号openload与负载电阻r
l
阻值的关系曲线。
[0066]
随着r
l
的增大(开路模拟)，i
l
不断减小，功率管上的压降也在不断减小，当其小于300mv时，op1的输出端v
o1
为低电平，m
p
通过逻辑电路被关断，此时第二重检测电路进行检测，当i
l
《i
l0
＝3ma时，op2的输出端v
o2
为低电平，此时openload输出高电平，表示负载开路。
[0067]
如图5所示为op1输出v
o1
及电路输出openload与负载电压vout的关系曲线。
[0068]
在开路检测过程中，v
o1
降至低电平，当有信号干扰时，v
o1
从低电平跳变到高电平会导致v
gate
从低电平变为高电平，为了防止干扰导致功率管反复开关，采用了滞回比较器，存在2v电压的跳变缓冲带，可以有效避免此类问题发生。
[0069]
图6为驱动电路的电压输出曲线。通过电荷泵将栅极驱动电压升压至14.5v，驱动功率管工作在线性导通区，驱动电压达到稳定的时间需要50us。
[0070]
表1对比了本发明设计电路和其他参考文献电路性能，比较发现，本发明设计的电路具有较好的综合处理性能。
[0071]
表1本发明设计电路和其他参考文献电路性能对比结果
[0072][0073][0074]
[1]davis b,wellnitz k.intelligent diagnostic features available for high side power switching[c]//proceedings of 1994ieee workshop on power electronics in transportation.ieee,1994:23-31.
[0075]
[2]givelin p,bafleur m,laopoulos t,et al.on-chip over current and open load detection for a power mos high-side switch:a cmos current mode approach[c]//1993fifth european conference on power electronics and applications.iet,1993:197-200.
[0076]
[3]张小琴,蔡小五,曾传滨,等.一种用于智能高边功率ic的负载开路检测电路[j].微电子学与计算机,2020,37(12):17-21.
[0077]
结论：本发明设计优化了一款用于高边驱动芯片的负载开路检测电路，通过采用双重检测电路和滞回比较器，避免电压检测中功率管导通电阻变化引起的误差，以及信号干扰或电压抖动导致的功率管开关损耗，同时也降低了对比较器精度的要求。本文的负载开路检测电路，在电路阈值电流为3ma时，检测精度高达98.5％；保证有2v的抗干扰冗余电压，满足了本文的设计要求。
[0078]
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。