一种具有短路检测功能的高边开关驱动电路

摘要

属于电子电路技术领域。通过使能信号EN的控制打开开关管NM3，和交叉耦合相接的两对MOS管，以及外部输入的两个频率相同，相位相反，高压为VIN的方波，交替为电容C3充电，抬升主开关管LDMOS的栅极电压，使其顺利导通，得到输出电压OUT。通过8个二极管的串接稳住栅压，保证栅极电压不会过大而导致功率管LDMOS损坏。通过齐纳管Z1保证栅极电压的幅值比源极输出电压高约5V左右。当输出端OUT电压下降至低于Vbb电压8.3V时，Z2所在支路压降使其反向导通，电流增大，通过电流镜以及迟滞比较器输出SC为低电平，指示电路此时出现短路情况。本设计可快速、关断主开关管，并可快速检测电路短路状态。

说明书

技术领域

本发明属于电子电路技术领域，具体涉及到到一种具有短路检测功能的高边开关驱动电路。

背景技术

高边功率开关驱动电路将功率器件、栅极驱动电路以及保护电路集成在同一块芯片中，具有体积小、质量轻、功率密度大、可靠性高等优质特点。高边栅极驱动电路是一种非常重要的电路，能够驱动和控制高边功率器件的导通和关断，保证功率器件正常工作，栅极驱动电路决定了能否充分利用功率器件性能。

根据MOS管的导通特性知，只有栅源电压大于阈值电压时，MOS管才能导通。导通分为线性区和饱和区，相同器件、相同栅源电压的情况下，线性区的电阻远小于饱和区，栅源电压越大，导通电阻越小，因此，对于高边N型功率器件，需要进行栅极升压，电荷泵就是实现这一功能的电路。

短路保护用于当负载发生短路时。短路时产生的瞬态故障电流一般远远超过了电路系统最大电流倍数，巨大的短路电流会使得功率开关器件损坏，因此需要检测电路短路状态，及时反馈，避免芯片损坏。

发明内容

针对上述高边功率开关电路的相关描述，本发明提供了一种具有短路检测功能的高边开关驱动电路。包括实现栅极电压抬升的交叉耦合电荷泵结构，栅极驱动和保护结构，短路检测结构。

Ibias为偏置电流源，NM1和NM2构成基本电流镜，NM1漏极接Ibias，源极接地。NM2栅极与NM1栅极相接，源极接地，漏极接NM3的漏极。

PM1和PM2构成电流镜，NM3为开关管，EN为使能信号，Vbb为输入电压。其中PM1和PM2源极接输入电压Vbb，PM1漏极接NM3漏极，PM1和PM2栅极相接。

B1为交叉耦合电荷泵，用于对电源电压进行升压和传输。包括MOS管NM4，NM5，PM3，PM4，电容C1，C2，C3，二极管D1。

NM4和NM5为第一对耦合相接的MOS管。其中NM4和NM5衬底均接地。NM4和NM5的漏极相接，与PM2的的漏极相接。NM4的栅极连接NM5的源极，并与C2的上极板和PM3的漏极相接。C2的下极板与外部输入的方波VN相接。

同样的，NM5的栅极连接NM4的源极，并与C1的上极板和PM4的漏极相接。C1的下极板与外部输入的方波VP相接。漏极

PM3和PM4为第二对耦合相接的MOS管。PM3的与PM4的栅极相接。PM4的漏极与PM3的栅极相接。PM3和PM4的源极相连接，并与二极管D1的正极和C3的上极板相接。其中C3的下极板接地。

B2为栅极驱动和保护结构，包括主开关管LDMOS，镜像管M_LDMOS，8个二极管D2，D3,...,D8，D9，齐纳二极管Z1，电阻R1，R2，R3，R4，MOS管NM6，NM7。

其中，NM6的漏极与上述D1的负极相接，并与R1，R2的正极相接。NM6的栅极与反相器INV输出相接，反相器的输入接使能信号EN。NM6源极接地。

R1负极接Z1的负极，Z1正极接输出端OUT。R2的负极接D2的正极，8个二极管D2，D3，...，D8，D9串连相接，最后D9的负极接地电压输入端Vbb。

NM7的漏极接R2的负极，源极接电压输出端OUT。栅极与R3的负极和R4的正极相接。R4接输出OUT。

主开关管LDMOS的栅极与上述NM7的漏极R2的负极相接，漏极接输入端Vbb，源极接输出端OUT。镜像管M_LDMOS栅极与LDMOS的栅极相接，漏极同样与输入端Vbb相接。源极接R3的正极。

B3为短路检测结构，用于检测输出端OUT短路。包括MOS管PM5，PM6，PM7，PM8，NM8，NM9，NM10，NM11，NM12，NM13，NM14，电阻R5，R6，R7，二极管D10，齐纳管Z2，电容C4。

其中PM5的栅极与之前所述的PM1的栅极和漏极相接，源极与电压输入端Vbb相接，漏极与NM8的漏极和栅极以及NM9的栅极相接。NM8的源极与NM10的漏极和栅极以及NM11的栅极相接，其漏极接输出端OUT。NM11的漏极与NM9源极相接，源极与OUT相接。

Z2的正极与NM9的漏极相接，Z2的负极与二极管D2负极相接，D2的正极接PM6的漏极与栅极以及PM7的栅极。

PM6的源极与PM7的源极均接到输入端Vbb，PM7的漏极接R5的正极，R5的负极接R6的正极，R6的负极接R7的正极，R7的负极接地。

C4的上极板接R7的正极，下极板接地。PM8与NM12以及NM13的栅极相接，并与C4的上极板相接。PM8的源极接电压源VDD，其漏极接NM12的漏极与NM14的栅极。NM12的源极接NM13的漏极以及NM14的漏极，其衬底接地。NM14的漏极接电压源VDD，栅极接输出端口SC。

本发明能够在不同电压下，能将主功率开关管的栅极电压迅速抬升至高于电源电压一定值的固定值，且能很好的控制开关管的开关。短路检测能够及时反馈电路的短路与否。

附图说明

图1为本发明的具有短路检测功能的栅极驱动电路图。

图2为交叉耦合泵栅极电压抬升以及得到输出电压OUT的仿真波形。

图3为短路检测仿真波形图。

具体实施方式

为使本发明的上述特征和功能更加清晰，下面将结合附图对本发明的具体实施方式进行详细的说明。

图1所示为本发明的整体电路图，B1为实现栅极电压抬升的交叉耦合电荷泵结构，B2为栅极驱动和保护结构，B3为短路检测结构。

NM1和NM2组成电流镜，Ibias为偏置电流源，PM1和PM2也组成一组电流镜。NM3为开关管，当使能信号EN为高电平时，NM3打开，其所在支路导通，为PM2提供栅压。

B1的交叉耦合泵的工作过程如下：VP、VN为外界产生的频率相同，相位相反，高压为VIN的方波，电路开始使所有电容上都没有电荷。

设节点A的电压为Vx，对C1、C2的充电过程：

VP为高电平，VN为低电平时，由于电容C1两端电压不能突变，此时C1的上极板电压为VIN，NM5管打开，电压Vx给C2充电，一定周期后，C2上的电压为Vx。

当VP为低电平，VN为高电平时，电容C2两端的电压不能突变，此时C2的上极板电压为VIN，NM4管打开，电压Vx给电容C1充电，多个周期后，C1上的电压为Vx。

电容C1、C2对负载放电过程：

当VP为高电平，VN为低电平时，电容C1两端电压不能突变，C1上极板电压为2VIN，C2上极板电压已被充电至VIN，此时PM3管打开，C1给负载电容C3进行充电。

当VP为低电平，VN为高电平时，同样的道理，电容C2两端电压不能突变，C2上极板电压为2VIN，C1上极板电压已被充电至VIN，此时PM4管打开，C2给负载电容C3进行充电。

两条支路交替对C3电容充电，且开关管没有阈值损失，因此充电效率非常高。

B2的栅极驱动和保护过程如下：经过电荷泵抬升电压后，再通过二极管D1和电阻R2把电荷转移到主功率管的栅极。当电路出现异常，使能信号EN为低电平，通过反相器使NM6栅极为高电平，NM6打开，将栅电荷释放到地，关断功率管。

在BCD工艺下，栅源的击穿电压不到10V，需要稳定栅极电压的幅值，Z1是齐纳二极管，可以保证栅极电压的幅值比源极输出电压高约5V左右。

D2，D3，...，D8，D9为8个串联的二极管，单个二极管导通压降为0.7V，8个二极管的导通压降约为5V，用来稳住栅压，保证栅极电压不会过大而导致功率管LDMOS损坏。

M_LDMOS和功率管LDMOS共用栅极和漏极，功率管的源极面积是M_LDMOS的K倍。正常工作时，R3、R4、NM7组成的自限流结构不工作。当负载电流突然增大时，流过R3、R4的电流也增大，使得R3、R4的压降增加，调整R3、R4的阻值使NM7打开，将栅极电荷迅速释放，栅极电压下降，功率管LDMOS退出线性工作区。实现对栅极的自限流保护。

图2为交叉耦合泵栅极电压抬升以及得到输出电压OUT的仿真波形。由图可知，使能信号EN为高时，栅压V_GATE迅速抬升至高于电源电压一定值后一直稳定。使功率管打开，输出电压OUT上升至略低于电源电压的稳定值。直到EN为低，将栅极电荷迅速释放，关断功率管，同时OUT也变为0V。

B3的短路检测结构工作工程如下：PM5和PM1组成电流镜，NM8、NM9、NM10、NM11组成共源共栅电流镜。PM6、PM7组成一对电流镜。NM12、NM13、NM14、PM8以及电压源VDD组成迟滞比较器。

齐纳管Z2的反向导通压降约为5.7V。电路正常工作，OUT没有出现短路时，输出端OUT电压与输入电压Vbb压差很小，无法使Z2反向导通，Z2所在支路电流非常小，电阻R5、R6、R7所在支路同样微小，R7上的压降很小。通过迟滞比较器输出SC为5V的高电平，表示电路没有短路。

当输出端OUT电压下降，低于Vbb电压8.3V时，Z2所在支路压降使其反向导通，根据齐纳二极管特性，此时反向导通的齐纳管电流增大。电阻R7所在支路电流也增大，R7上的压降增大，使得迟滞比较器输出SC为低电平，表示此时电路出现短路情况。

图3为短路检测仿真波形图，在电路正常工作时，输出端OUT电压突然下降，当OUT电压下降到与输入电压Vbb的压差大于8.3V时，检测信号SC变为低电平，即发生输出短路。

这里所述的实施方法是为了帮助读者理解本发明的原理，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的普通技术人员可以根据本发明的技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。