专利名称：用于高压集成电路的保护电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种短路保护的电路技术，特别是一种用于高压集成电路的保护电路，该保护电路还涉及到高压集成电路中的高压DMOS技术。
背景技术：
高压集成电路是一种带有欠压保护、逻辑控制等功能的栅极驱动电路，它将电力电子与半导体技术结合，逐渐取代传统的分立元件，越来越多地被应用在IGBT、大功率MOSFET的驱动领域。高压集成电路有低压区和高压区，在高压集成电路工作过程中，其高压区的最低 电平需要在O 600V或O 1200V之间进行高速切换，高压区通过自举电路提供能量进行工作。参见图1，为目前应用于高压集成电路的自举电路结构高压集成电路107由低压区101、电平转换电路102、高压区103和自举二极管104组成；其中，低压区101的供电电源的正极记为VCC，低压区101的供电电源的负极记为GND，该GND接地；高压集成电路107的输入端记为HIN并进入低压区101 ;低压区101的两输出端进入电平转换电路102 ;电平转换电路102的两输出端分别连接高压区103的两输入端；高压区103的供电电源的正极记为VB，高压区103的供电电源的负极记为VS，该VS分别接模拟开关106的固定端和自举电容105的一端；自举二极管104的阳极接VCC，自举二极管104的阴极分别接VB和自举电容105的另一端；模拟开关106的第一选择端A接600V或1200V，模拟开关106的第二选择端B接GND。高压区103的输出端HO控制模拟开关106 :当输出端HO为高电平时，模拟开关106连接第一选择端A ;当输出端HO为低电平时，模拟开关106连接第二选择端B。其中，输出端HO受输入端HIN控制并与输入端HIN同相位。上述的电路的工作原理如下状态⑴VCC刚接入15V时，输入端HIN接低电平，输出端HO的初始值也为低电平，此时，所述模拟开关106的闸刀接第二选择端B，VS与GND相连，即电压为0V，则VCC通过所述自举二极管104向所述自举电容105充电，自举二极管104自身的压降为O. 7V，则自举电容105获得14. 3V的电压；状态⑵在自举电容105的电压稳定在14. 3V后，输入端HIN变为相对于GND的高电平，则输出端HO也变为相对于VS的高电平，模拟开关106的闸刀接第一选择端A，VS的电压迅速从OV变成600V或1200V，VB的电压迅速从14. 3V变成614. 3V或1214. 3V，此时，自举二极管104承受着599. 3V或1199. 3V的反向电压，高压区103依靠自举电容105存储的电荷进行工作，随着所述自举电容105的电荷量的减少，自举电容105两端的电压差缓慢下降；状态(3):经过一段时间，输入端HIN重新变成相对于GND的低电平，设此时所述自举电容105的两端电压下降为VBSM(此电压小于14. 3V)，则输出端HO也变成相对于VS的低电平，模拟开关106的闸刀接第二选择端B，VS的电压迅速从600V或1200V变成0V，VB的电压为VBSM，此时，所述自举二极管104正向偏置，VCC通过自举二极管104向自举电容105充电，直到自举电容105获得14. 3V的电压后，充电停止。以上三种状态各关键点的波形如图2所示。从图2中可以看出，在状态⑵的过程中，自举二极管104承受接近614. 3V或
1214. 3V的耐压，一旦发生故障击穿，614. 3V或1214. 3V的电压就会直接加载到15V的电源和低压区101上，造成15V电源和高压集成电路107损坏，高压集成电路107损坏使输出端HO的电平无法预计，如果输出端HO的输出为高电平，会使600V或1200V的电压通过VS再次加载到已经损坏的高压集成电路107上，这时将会造成高压集成电路爆炸。目前应用于高压集成电路的自举电路未采取短路保护措施，存在安全隐患；对于目前主流的高压BCD工艺，高压集成电路的耐压失效有50%以上是内藏的自举二极管失效，而自举二极管的失效状态又多表现为短路，因此，目前的高压集成电路在耐压失效时，极容易引起爆炸，损坏周边的电路，甚至引起火灾。
发明内容
本发明的目的旨在提供一种结构简单合理、安全程度高的用于高压集成电路的保护电路，以克服现有技术中的不足之处。按此目的设计的一种用于高压集成电路的保护电路，高压集成电路包括低压区、电平转换电路和高压区，其特征是高压集成电路还包括带保护功能的自举电路，低压区和带保护功能的自举电路的供电电源的正极记为VCC，低压区和带保护功能的自举电路的供电电源的负极记为GND，该GND接地；高压集成电路的输入端并进入低压区和带保护功能的自举电路的输入端；低压区的两输出端分别进入电平转换电路；电平转换电路的两输出端分别连接高压区的两输入端；高压区的供电电源的正极记为VB，高压区的供电电源的负极记为VS，该VS分别接模拟开关的固定端和自举电容的一端；带保护功能的自举电路的输出端分别接VB和自举电容的另一端；模拟开关的第一选择端接600V或1200V ；模拟开关的第二选择端接GND ；高压区的输出端控制模拟开关当输出端为高电平时，模拟开关连接第一选择端；当输出端为低电平时，模拟开关连接第二选择端；其中，输出端受输入端控制并与输入端同相位。所述高压集成电路的输入端进入带保护功能的自举电路后连接非门的输入端，非门的输出端接或非门的第一输入端，或非门的第二输入端连接或非门的一个输入端和非门的输出端，或非门的另一个输入端连接或非门的输出端和NMOS管的栅极，或非门的输出端接NMOS管的栅极，NMOS管的源极和衬底与NMOS管的漏极相连并接到高压DMOS管的栅极，NMOS管的衬底和源极相连并接地，
NMOS管的漏极接VCC和电阻的另一端，高压DMOS管的衬底接地，高压DMOS管的源极接电阻的一端和电压比较器的正输入端，电阻的另一端接VCC和电压比较器的负输入端，
电压比较器的输出端接RS触发器的第一输入端，RS触发器的输出端接非门的输入端，RS触发器的第二输入端接地，高压DMOS管的漏极接自举二极管的阳极，自举二极管的阴极与VB相连。所述带保护功能的自举电路内部的元件处于正常状态时在高压集成电路的输入端为低电平时，形成VCC对VB的直流通路，自举电容被充电；在高压集成电路的输入端为高电平时，VCC对VB间呈现高阻态，并且VB对VCC可承受600V或1200V的直流电压。所述带保护功能的自举电路内部的自举二极管处于击穿形成短路时无论高压集成电路的输入端的状态如何，VCC对VB都呈现高阻态，VB对VCC仍能承受600V或1200V的直流电压；由于此时自举电容不能再被充电，因此高压区因失去供电电源而停止工作，高压集成电路的输出端变成低电平，模拟开关接到第二选择端，600V或1200V不再施加于高压集成电路上。本发明采用上述的技术方案后，在自举二极管因电压击穿而发生短路时，高压集成电路产生自发保护，能够及时切断自举电路，最终切断与高电压端的连接，使高压集成电路停止工作，避免了对高压集成电路的二次破坏，大大降低了高压集成电路发生爆炸的几率，确保高压集成电路周边元件的安全，减少维修成本，具有很高的安全性。本发明具有结构简单合理、安全程度高的特点。
图I为目前应用于高压集成电路的自举电路的示意图。图2为目前应用于高压集成电路的关键点的波形示意图。图3为本发明的电路连接示意图。图4为本发明中的带保护功能的自举电路的电路连接示意图。
具体实施例方式下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述。参见图3，本用于高压集成电路的保护电路，高压集成电路307包括低压区301、电平转换电路302和高压区303以及带保护功能的自举电路304，低压区301和带保护功能的自举电路304的供电电源的正极记为VCC，低压区301和带保护功能的自举电路304的供电电源的负极记为GND，该GND接地。其中，高压集成电路307的输入端HIN并进入低压区301和带保护功能的自举电路304的输入端；低压区301的两输出端分别进入电平转换电路302 ;电平转换电路302的两输出端分别连接高压区303的两输入端；高压区303的供电电源的正极记为VB，高压区303的供电电源的负极记为VS，该VS分别接模拟开关306的固定端和自举电容305的一端；带保护功能的自举电路304的输出端分别接VB和自举电容305的另一端；模拟开关306的第一选择端A接600V或1200V ;模拟开关306的第二选择端B接GND。高压区303的输出端HO控制模拟开关306 :当输出端HO为高电平时，模拟开关306连接第一选择端A ;当输出端HO为低电平时，模拟开关306连接第二选择端B ;其中，输出端HO受输入端HIN控制并与输入端HIN同相位。用于高压集成电路的保护电路的工作原理为当带保护功能的自举电路304内部的元件处于正常状态时在高压集成电路307的输入端HIN为低电平时，形成VCC对VB的直流通路，自举电容305被充电；在高压集成电路307的输入端HIN为高电平时，VCC对VB间呈现高阻态，并且VB对VCC可承受600V或1200V的直流电压。这里的元件为自举二极管 316。当带保护功能的自举电路304内部的自举二极管316处于击穿形成短路时无论高压集成电路307的输入端HIN的状态如何，VCC对VB都呈现高阻态，VB对VCC仍能承受600V或1200V的直流电压；由于此时自举电容305不能再被充电，因此高压区303因失去供电电源而停止工作，高压集成电路307的输出端HO变成低电平，模拟开关306接到第二选择端B，600V或1200V不再施加于高压集成电路307上。参见图4，为带保护功能的自举电路304的一种实施方案。高压集成电路307的输入端HIN进入带保护功能的自举电路304后连接非门310的输入端，非门310的输出端接或非门309的第一输入端K，或非门309的第二输入端L连接或非门308的一个输入端和非门318的输出端。或非门308的另一个输入端连接或非门309的输出端N和NMOS管312的栅极，或非门308的输出端M接NMOS管311的栅极，NMOS管311的源极和衬底与NMOS管312的漏极相连并接到高压DMOS管313的栅极，NMOS管312的衬底和源极相连并接地。NMOS管311的漏极接VCC和电阻317的另一端，高压DMOS管313的衬底接地，高压DMOS管313的源极接电阻317的一端和电压比较器314的正输入端，电阻317的另一端接VCC和电压比较器314的负输入端，电压比较器314的输出端接RS触发器315的第一输入端R，RS触发器315的输出端Q接非门318的输入端，RS触发器315的第二输入端S接地，高压DMOS管313的漏极接自举二极管316的阳极，自举二极管316的阴极与VB相连。其中电压比较器314可设计成正端比负端高ImV输出高电平，否则输出低电平的电压比较器；电阻317可设计成50 Q ；高压DMOS管313可设计成栅极接地、漏极与源极之间施加600V或1200V时的漏电流为0. 03mA左右的DMOS管；自举二极管316可设计成反向电压600V或1200V时，漏电流为0. 00lmA左右的高压二极管；RS触发器315设计成初始值为高电平输出的RS触发器。工作原理为开始时，电阻317没有电流流过，电压比较器314正输入端与负输入端没有压差，电压比较器314的输出为低电平，RS触发器315两输入端都为低电平，保持原来的状态不变，因为RS触发器315的初始值为高电平，因此RS触发器315输出保持高电平不变，非门318的输出为低电平，即L点为低电平。当高压集成电路307的输入端HIN输入低电平时，或非门309的第一输入端K为高电平，或非门309的输出端N为低电平，NMOS管311导通而NMOS管312截止；因此高压DMOS管313的栅极为VCC电压，高压DMOS管313导通，电流从VCC经过电阻317、高压DMOS管313、自举二极管316流向VB ;此时电压比较器317的负输入端的电压高于正输入端的电压，电压比较器314的输出端保持低电平，因此或非门309的第二输入端L也保持低电平不变。当高压集成电路307的输入端HIN输入高电平时，或非门309的第一输入端K为低电平，因为或非门309的第二输入端L也是低电平，因此或非门309的输出端N为高电平，则或非门308的输出端M为低电平，NMOS管311截止而NMOS管312导通；因此高压DMOS管313的栅极为低电平，高压DMOS管313截止，VCC对VB间近似断路，此时从VB到VCC的漏电流非常小，只有O. OOlmA,电阻317的取值为50 Ω，因此此时电阻317两端只有O. 05mV的电压，不足以使电压比较器314产生高电平输出，故电压比较器314的输出端保持低电平，因此或非门309的第二输入端L也保持低电平不变。当自举二极管316因过压而忽然发生损坏并呈短路状态(I)根据之前对高压集成电路工作原理的分析，在自举二极管316被击穿的瞬间，高压集成电路307的输入端HIN必为高电平，或非门308的输出端M和或非门309的输出端N同为低电平，高压DMOS管313截止，在VB的600V或1200V高压的作用下产生O. 03mA左右的漏电流，在电阻317两端产生I. 5mV左右的压差，电压比较器314输出高电平，RS触发器315的输出被复位成低电平，非门318输出高电平，即或非门309的第二输入端L为高电平，或非门309的第二输入端L的高电平不会改变或非门308的输出端M和或非门309的输出端N的电平状态，因此VB到VCC产生稳定的O. 03mA的电流，这个微小的电流不会VCC产生损坏，也不会使高压集成电路损坏；(2)当高压集成电路307的输入端HIN变为低电平时，因为或非门309的第二输入端L仍为高电平，或非门308的输出端M和或非门309的输出端N仍保持低电平状态，因此，开始时，VB到VCC仍在产生稳定的O. 03mA的电流；但因为高压集成电路307的输入端HIN是低电平，根据此前的分析，高压区303的输出端HO输出会变成低电平，从而使VB的不再具有600V或1200V以上的电压，而变成一个小于15V的电压，所以当高压区303的输出端HO变为低电平后，从VB流向VCC的O. 03mA的电流消失，电阻317两端没有压差，电压比较器314输出低电平，RS触发器315两输入端同时为低电平使其保持原来的低电平状态不变，并使非门318的输出，即或非门309的第二输入端L保持高电平不变，从而使高压DMOS管313保持截止状态，VCC无法向VB充电，自举电容305的在此时继续消耗其之前存储的 电荷； (3)当高压集成电路307的输入端HIN从低电平又再变成高电平，如果此时的自举电容305所存储的电荷仍能使高压区303正常工作，那么VB的电压会再次被抬高到600V或1200V以上，使电阻317两端产生O. 03mA的电流，电压比较器314输出高电平，RS触发器315的输出仍为低电平，非门318输出高电平，即或非门309的第二输入端L仍为高电平，并没有改变高压DMOS管313的截止状态，因此O. 03mA的电流会持续到HIN从高电平变成低电平； 此后，随着HIN电平的变化，所述带保护功能的自举电路304会在图2中的⑵与
(3)的状态之间进行切换，直到自举电容305的电荷无法足以维持高压区303正常工作，高压区303的输出端HO不再能输出高电平使模拟开关306的活动端接第一选择端A，VB也无法再获得600V或1200V的高压，从而高压集成电路307不再被施加高压，进入安全状态。
权利要求
1.一种用于高压集成电路的保护电路，高压集成电路(307)包括低压区(301)、电平转换电路(302)和高压区(303)，其特征是高压集成电路(307)还包括带保护功能的自举电路(304)， 低压区(301)和带保护功能的自举电路(304)的供电电源的正极记为VCC，低压区(301)和带保护功能的自举电路(304)的供电电源的负极记为GND，该GND接地； 高压集成电路(307)的输入端(HIN)并进入低压区(301)和带保护功能的自举电路 (304)的输入端； 低压区(301)的两输出端分别进入电平转换电路(302)； 电平转换电路(302)的两输出端分别连接高压区(303)的两输入端； 高压区(303)的供电电源的正极记为VB，高压区(303)的供电电源的负极记为VS，该VS分别接模拟开关(306)的固定端和自举电容(305)的一端； 带保护功能的自举电路(304)的输出端分别接VB和自举电容(305)的另一端； 模拟开关(306)的第一选择端(A)接600V或1200V ； 模拟开关(306)的第二选择端(B)接GND ； 高压区(303)的输出端(HO)控制模拟开关(306):当输出端(HO)为高电平时，模拟开关(306)连接第一选择端(A);当输出端(HO)为低电平时，模拟开关(306)连接第二选择端⑶； 其中，输出端(HO)受输入端(HIN)控制并与输入端(HIN)同相位。
2.根据权利要求I所述的用于高压集成电路的保护电路，其特征是所述高压集成电路(307)的输入端(HIN)进入带保护功能的自举电路(304)后连接非门(310)的输入端， 非门(310)的输出端接或非门(309)的第一输入端(K)， 或非门(309)的第二输入端(L)连接或非门(308)的一个输入端和非门(318)的输出端， 或非门(308)的另一个输入端连接或非门(309)的输出端(N)和NMOS管(312)的栅极， 或非门(308)的输出端(M)接NMOS管(311)的栅极， NMOS管(311)的源极和衬底与NMOS管(312)的漏极相连并接到高压DMOS管(313)的栅极， NMOS管(312)的衬底和源极相连并接地， NMOS管(311)的漏极接VCC和电阻(317)的另一端， 高压DMOS管(313)的衬底接地，高压DMOS管(313)的源极接电阻(317)的一端和电压比较器(314)的正输入端， 电阻(317)的另一端接VCC和电压比较器(314)的负输入端， 电压比较器(314)的输出端接RS触发器(315)的第一输入端(R), RS触发器(315)的输出端(Q)接非门(318)的输入端， RS触发器(315)的第二输入端(S)接地， 高压DMOS管(313)的漏极接自举二极管(316)的阳极， 自举二极管(316)的阴极与VB相连。
3.根据权利要求I或2所述的用于高压集成电路的保护电路，其特征是所述带保护功能的自举电路(304)内部的元件处于正常状态时在高压集成电路(307)的输入端(HIN)为低电平时，形成VCC对VB的直流通路，自举电容(305)被充电；在高压集成电路(307)的输入端(HIN)为高电平时，VCC对VB间呈现高阻态，并且VB对VCC可承受600V或1200V的直流电压。
4.根据权利要求I或2所述的用于高压集成电路的保护电路，其特征是所述带保护功能的自举电路(304)内部的自举二极管(316)处于击穿形成短路时无论高压集成电路(307)的输入端(HIN)的状态如何，VCC对VB都呈现高阻态，VB对VCC仍能承受600V或1200V的直流电压；由于此时自举电容(305)不能再被充电，因此高压区(303)因失去供电电源而停止工作，高压集成电路(307)的输出端(HO)变成低电平，模拟开关(306)接到第二选择端(B)，600V或1200V不再施加于高压集成电路(307)上。
全文摘要
一种用于高压集成电路的保护电路，高压集成电路包括低压区、电平转换电路和高压区，高压集成电路还包括带保护功能的自举电路，低压区和带保护功能的自举电路的供电电源的正极记为VCC，低压区和带保护功能的自举电路的供电电源的负极记为GND，该GND接地；高压集成电路的输入端并进入低压区和带保护功能的自举电路的输入端；低压区的两输出端分别进入电平转换电路；电平转换电路的两输出端分别连接高压区的两输入端；高压区的供电电源的正极记为VB，该VS分别接模拟开关的固定端和自举电容的一端；带保护功能的自举电路的输出端分别接VB和自举电容的另一端。本发明具有结构简单合理、安全程度高的特点。
文档编号H02H3/08GK102623950SQ201210077758
公开日2012年8月1日 申请日期2012年3月21日 优先权日2012年3月21日
发明者冯宇翔, 黄祥钧 申请人:广东美的电器股份有限公司