一种功率管保护电路及应用该电路的开关电源电路的制作方法
【专利摘要】本申请公开了一种功率管保护电路及应用该电路的开关电源电路，所述功率管保护电路应用于至少包括互相串联的第一功率管和第二功率管的电路中，所述功率管保护电路包括检测管、镜像电流源、电流源和控制电路，通过检测管检测第一功率管两端的电压差，当电压差超过预设电压值时，且镜像电流源中的电流大于电流源的电流时，触发控制电路产生控制第一功率管关断的控制信号，从而强制关断第一功率管，防止由于第一功率管和第二功率管的公共节点的异常，导致第一功率管直接连接在电源和GND之间，进而导致第一功率管损坏，甚至整个电路烧毁的情况发生，起到了保护第一功率管的作用，进而保护所述功率管所在的整个电路。
【专利说明】一种功率管保护电路及应用该电路的开关电源电路
【技术领域】
[0001]本申请涉及开关电源【技术领域】，特别是涉及一种功率管保护电路及应用该电路的开关电源电路。
【背景技术】
[0002]随着电力电子技术的发展，功率管被广泛应用于开关电源、逆变器等电源电路结构中.在同步控制的转换电路中，需要使用互相串联的功率管，若接地的功率管短路后，很可能由于该功率管所在的支路中流过大电流导致整个电路烧毁。
[0003]如，参见图1，示出了同步Buck转换电路的部分电路示意图，图中第一功率管Ml和第二功率管M2均为开关电源的输出功率管，功率管Ml和M2串联在输入电压VIN和接地端GND之间。
[0004]图1所示的电路中，若在功率管Ml导通期间，M2的漏极和源极短接，即图中的SW节点和GND短路，由于功率管Ml的导通电阻很小，使得输入电压VIN和GND之间流过很大的电流，导致整个电路芯片被瞬间烧毁，进而大大降低了应用此种电路结构的电路的安全性。
实用新型内容
[0005]为解决上述技术问题，本申请实施例提供一种功率管保护电路及应用该电路的开关电源，以解决现有的串联的功率管电路中由于功率管异常导致应用该功率管的电路烧毁的问题，技术方案如下:
[0006]本申请提供一种功率管保护电路，应用于至少包括第一功率管和第二功率管串联连接的电路中，且所述第一功率管的第一端连接输入电压源、第二端连接所述第二功率管的第一端，所述第二功率管的第二端连接接地端，包括:检测管、镜像电流源、电流源和控制电路；
[0007]所述检测管的第一端连接所述输入电压源，控制端连接所述控制电路的输出端;
[0008]所述镜像电流源的输入端连接所述检测管的第二端，所述镜像电流源的输出端连接所述电流源，所述镜像电流源的公共端连接所述第一功率管和所述第二功率管的公共端;
[0009]所述控制电路的第一输入端连接所述镜像电流源的输出端，所述控制电路的第二输入端输入有脉冲信号，输出端连接所述第一功率管的控制端，当所述第一输入端输入的信号有效时，输出控制所述第一功率管截止的控制信号；当所述第一输入端输入的信号无效时，输出所述脉冲信号至所述第一功率管的控制端。
[0010]优选的，上述的功率管保护电路还包括:并联在所述镜像电流源的输出端和输出端之间的延时电路。
[0011]优选的，所述延时电路为电容，所述电容的第一端连接所述镜像电流源的输出端，第二端连接所述镜像电流源的公共端。[0012]优选的，上述的功率管保护电路还包括:信号驱动电路，所述控制电路的第一输入端通过所述信号驱动电路连接所述镜像电流源的输出端，其中:
[0013]所述信号驱动电路的输入端连接所述镜像电流源的输出端，输出端连接所述控制电路的第一输入端。
[0014]优选的，所述信号驱动电路为第一反相器和第二反相器，其中，
[0015]所述第一反相器的输入端作为所述信号驱动电路的输入端连接所述镜像电流源的输出端，所述第一反相器的输出端连接所述第二反相器的输入端，所述第二反相器的输出端作为所述信号驱动电路的输出端连接所述控制电路的第一输入端。
[0016]优选的，所述镜像电流源包括第四功率管和第五功率管，其中，
[0017]所述第四功率管的第一端作为所述镜像电流源的输入端连接所述检测管的第二端，所述第四功率管的第二端与所述第五功率管的第二端连接，并作为所述镜像电流源的公共端，所述第四功率管的控制端连接所述第四功率管的第一端；
[0018]所述第五功率管的第一端作为所述镜像电流源的输出端连接所述电流源，控制端连接所述第四功率管的控制端。
[0019]优选的，上述的功率管保护电路还包括:一端与所述检测管的第一端连接，另一端连接输入电压源的限流电阻。
[0020]本申请还提供一种应用功率管保护电路的开关电源电路，至少包括:第一功率管、第二功率管、第一电感、第一电容，以及上述的功率管保护电路，其中:
[0021]所述第一功率管的第一端连接输入电压源、控制端连接所述功率管保护电路中的控制电路的输出端，第二端连接所述第二功率管的第一端；
[0022]所述第二功率管的第二端连接接地端，控制端输入第二控制信号；
[0023]所述第一电感的一端连接所述第一功率管和所述第二功率管的公共端，另一端通过所述第一电容连接所述接地端，且所述第一电容两端并联负载。
[0024]由以上本申请实施例提供的技术方案可见，所述功率管保护电路中的检测管的控制端输入的控制信号能够使检测管导通，也即第一功率管导通，此时，若第一功率管的第一端和第二端之间的电压差大于预设电压后，由于镜像电流源中的电流与流过检测管的电流相同，此电流将随第一功率管的第一端和第二端之间的电压差升高而增大，当镜像电流源中的电流超于预设电流时，产生相应的电平信号触发控制电路输出使第一功率管关断的控制信号，从而强制第一功率管关断，防止由于第一功率管和第二功率管的公共节点SW (图1所示)的异常，使第一功率管直接连接在电源和GND之间，致使第一功率管损坏，甚至整个电路烧毁的情况发生，从而保护了功率管，进而保护了所述功率管所在的整个电路。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0026]图1为同步Buck转换电路的局部结构示意图；
[0027]图2为本申请实施例一种功率管保护电路的结构示意图；[0028]图3为控制电路的输入端输出端对应的波形示意图；
[0029]图4为本申请实施例另一种功率管保护电路的结构示意图；
[0030]图5为本申请实施例提供的开关电源中的同步Buck转换电路的局部结构示意图。
【具体实施方式】
[0031]为了使本【技术领域】的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
[0032]请参见图2,示出了本申请实施例一种功率管保护电路的结构示意图,应用于图1所示的电路中，。
[0033]如图2所示，所述功率管保护电路包括检测管M3、镜像电流源100、电流源A0、控制电路200。
[0034]检测管M3的第一端连接输入电压源VIN，第二端连接镜像电流源100的输入端，控制端连接所述控制电路200的输出端。
[0035]镜像电流源100的输出端连接所述电流源A0，镜像电流源的公共端连接第一功率管Ml和第二功率管M2的公共端。
[0036]优选的，如图2所示，镜像电流源100可以通过两个同种类型的MOS管实现，本实施例中镜像电流源由MOS (metal-oxide semiconductor,金属氧化物半导体)管M4和M5实现，M4的漏极作为镜像电流源的输入端连接检测管M3的第二端，同时，M4的漏极还连接M4的栅极，M4的源极连接M5的源极，同时，M4和M5的公共端作为镜像电流源的公共端连接功率管Ml和M2的公共端；M5的漏极作为镜像电流源的输出端连接电流源A0，M5的栅极连接M4的栅极。
[0037]控制电路200的第一输入端连接镜像电流源100的第二输入端，控制电路200的第二输入端输入有PWM脉冲信号，输出端连接检测管M3和第一功率管Ml的控制端，控制第一功率管Ml和检测管M3的导通或关断状态。
[0038]需要说明的是，所述第一输入端输入的Latch信号有效，可以是低电平有效，即Latch信号为低电平时，触发后级的控制电路产生控制第一功率管Ml关断的控制信号；也可以是高电平有效，即Latch信号为高电平时，触发所述控制电路200产生控制第一功率管Ml关断的控制信号。本领域技术人员可以理解的是，不同的有效信号所应用的控制电路的电路结构不同。
[0039]具体的，控制电路200可以通过逻辑电路实现，本申请对此并不限制。
[0040]结合图1-图3，详细说明本实施例提供的功率管保护电路的工作过程:
[0041]如图1所示，当控制电路输出的控制信号UP_G的上升沿到来时，控制信号D0WN_G已变为低电平，第二功率管M2的控制端被关断，随着控制信号UP_G的电压值升高，第一功率管Ml逐渐导通，具体的，当UP_G的电压值大于第一功率管Ml的阈值电压时，第一功率管Ml导通，正常情况下，功率管Ml和M2的公共节点SW的电压将会上升，使得VIN节点和SW节点之间的电压差值减小。如果，此时由于SW节点异常，导致SW节点的电压不再升高，处于导通状态的第一功率管Ml的第一端和第二端之间将存在较大的电压差，产生很大的导通电流。
[0042]如图2所示，当控制信号UP_G的电压值大于检测管M3和镜像电流源中的MOS管M4的阈值电压之和时，检测管M3将导通，流过MOS管M4的电流和流过检测管M3的电流相等，M4中的电流随处于导通状态的第一功率管Ml两端的压差升高而增加，M5的电流是由M4中的电流镜像得到，当M5中的电流超过电流源AO的电流Ibias时，M5的第二端输出低电平信号，此时，控制电路200输出的控制信号UP_G控制第一功率管Ml截止，防止第一功率管Ml的损坏，甚至整个电路烧毁的情况发生，从而保护了功率管，进而保护了所述功率管所在的整个电路。
[0043]如图3所示，示出了本申请实施例中控制电路的输入信号及输出信号的波形图，本实施例中，第一功率管 Ml 为 N 型 LDMOS (lateral double-diffused metal-oxidesemiconductor,横向扩散金属氧化物半导体)管，故控制信号UP_G为低电平时，第一功率管Ml截止。
[0044]Latch所示的波形为控制电路的第一输入端的电压波形，PWM为控制电路的第二输入端的电压波形，UP_G为控制电路输出的控制信号的电压波形，当Latch由高电平变为低电平时，控制信号UP_G也变为低电平，控制第一功率管Ml截止。
[0045]本实施例提供的功率管保护电路，当检测到节点SW的节点电压与输入电压源VIN之间的电压差达到预设电压时，控制所述控制电路输出能够控制功率管Ml截止的电平信号，以控制第一功率管Ml关断，防止由于SW节点的异常，使第一功率管Ml在导通时，两端存在较大的电压差，在第一功率管Ml中流过很大的导通电流，致使第一功率管损坏，甚至整个电路烧毁的情况发生，从而保护了功率管，进而保护了所述功率管所在的整个电路。
[0046]优选的，如图2所示，所述功率管保护电路还包括与检测管串联的限流电阻R1，R1的一端连接所述输入电压源VIN，另一端连接检测管M3的第一端，Rl的作用在于设定VIN节点和SW节点之间的电压差值，同时起到限流作用。
[0047]优选的，参见图4，示出了本申请实施例另一种功率管保护电路的结构示意图，与图2所示的功率管保护电路不同的是，增加了延时电路和信号驱动电路。
[0048]如图4所示，所述功率管保护电路包括:检测管M3、镜像电流源100、电流源A0、控制电路200、延时电路300和信号驱动电路400，其中:
[0049]延时电路300并联在镜像电流源的输出端和公共端之间，具体的，延时电路可以通过电容C实现。
[0050]信号驱动电路400的第输入端连接镜像电流源100的输出端，输出端连接所述控制电路200的第一输入端，用于增强镜像电流源输送至控制电路的信号的驱动能力。
[0051]具体的，本实施例中的信号驱动电路通过两个反相器实现，第一反相器401的输入端作为信号驱动电路的输入端连接镜像电流源的输出端，输出端连接第二反相器402的输入端,第二反相器402的输出端作为信号驱动电路的输出端连接控制电路的第一输入端。
[0052]需要说明的是，信号驱动电路400还可以通过触发器、比较器等元件实现，本申请对此并不限制。
[0053]具体的，结合图1-图4，当M5中的电流超过电流源AO的电流时，电容C通过M5放电，使得电容C上的电压降低，最终输出一低电平信号提供给后级的信号驱动电路400，信号驱动电路400将所述低电平信号的驱动能力增强后得到Latch信号，输送至控制电路的第一输入端。
[0054]本实施例提供的功率管保护电路在图2对应的实施例的基础上增设延时电路和信号驱动电路，由于控制信号UP_G的电压从低电平上升至高电平需要一段时间，因此，利用延时电路经过一定的延时之后将信号输送给控制电路的第一输入端，从而防止功率管保护电路误动作，提高了功率管保护电路的准确率，再利用信号驱动电路能够增强输出信号的驱动能力。
[0055]相应于上述的功率管保护电路，本申请还提供一种应用上述的功率管保护电路的开关电源，该开关电源采用同步Buck转换电路实现。
[0056]请参见图5，示出了本申请实施例提供开关电源中的同步Buck转换电路的局部结构不意图，所述开关电源主要包括第一功率管Ml、第二功率管M2、第一电感L1、第一电容Cl，以及上述任一实施例提供的功率管保护电路10。
[0057]第一功率管Ml和第二功率管M2作为开关电源的输出功率管，其中，Ml和M2串联连接，具体的，Ml的第一端连接输入电压源VIN、Ml第二端连接M2的第一端，Ml的控制端连接功率管保护电路10中控制电路的输出端，M2的第二端连接接地端GND，M2的控制端输入有控制信号D0WN_G。
[0058]第一电感LI的一端连接Ml和M2的公共节点SW，另一端连接第一电容Cl的一端，第一电容Cl的另一端连接接地端GND，且第一电容Cl两端并联有负载Load，为负载Load供电。
[0059]功率管保护电路中的检测管M3的第一端连接输入电压源VIN，控制端连接控制电路的输出端。
[0060]本实施例提供的开关电源，当第一功率管导通，且SW节点异常导致第一功率管的第一端和第二端之间的电压差大于预设电压时，功率管保护电路输出的控制信号即_6能够强制第一功率管截止，防止第一功率管损坏，甚至整个电路烧毁的情况发生，从而保护了功率管，进而保护了所述功率管整个开关电源电路。
[0061]本申请所有的实施例中，M1-M5此五管的第一端为漏极、第二端为源极，控制端为栅极。
[0062]以上所述仅是本申请的【具体实施方式】，应当指出，对于本【技术领域】的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。
【权利要求】
1.一种功率管保护电路，应用于至少包括第一功率管和第二功率管串联连接的电路中，且所述第一功率管的第一端连接输入电压源、第二端连接所述第二功率管的第一端，所述第二功率管的第二端连接接地端，其特征在于，包括:检测管、镜像电流源、电流源和控制电路； 所述检测管的第一端连接所述输入电压源，控制端连接所述控制电路的输出端； 所述镜像电流源的输入端连接所述检测管的第二端，所述镜像电流源的输出端连接所述电流源，所述镜像电流源的公共端连接所述第一功率管和所述第二功率管的公共端； 所述控制电路的第一输入端连接所述镜像电流源的输出端，所述控制电路的第二输入端输入有脉冲信号，输出端连接所述第一功率管的控制端，当所述第一输入端输入的信号有效时，输出控制所述第一功率管截止的控制信号；当所述第一输入端输入的信号无效时，输出所述脉冲信号至所述第一功率管的控制端。
2.根据权利要求1所述的功率管保护电路，其特征在于，还包括:并联在所述镜像电流源的输出端和输出端之间的延时电路。
3.根据权利要求2所述的功率管保护电路，其特征在于，所述延时电路为电容，所述电容的第一端连接所述镜像电流源的输出端，第二端连接所述镜像电流源的公共端。
4.根据权利要求1或2所述的功率管保护电路，其特征在于，还包括:信号驱动电路，所述控制电路的第一输入端通过所述信号驱动电路连接所述镜像电流源的输出端，其中: 所述信号驱动电路的输入端连接所述镜像电流源的输出端，输出端连接所述控制电路的第一输入端。
5.根据权利要求4所述的功率管保护电路，其特征在于，所述信号驱动电路为第一反相器和第二反相器，其中， 所述第一反相器的输入端作为所述信号驱动电路的输入端连接所述镜像电流源的输出端，所述第一反相器的输出端连接所述第二反相器的输入端，所述第二反相器的输出端作为所述信号驱动电路的输出端连接所述控制电路的第一输入端。
6.根据权利要求1所述的功率管保护电路，其特征在于，所述镜像电流源包括第四功率管和第五功率管，其中， 所述第四功率管的第一端作为所述镜像电流源的输入端连接所述检测管的第二端，所述第四功率管的第二端与所述第五功率管的第二端连接，并作为所述镜像电流源的公共端，所述第四功率管的控制端连接所述第四功率管的第一端； 所述第五功率管的第一端作为所述镜像电流源的输出端连接所述电流源，控制端连接所述第四功率管的控制端。
7.根据权利要求1所述的功率管保护电路，其特征在于，还包括:一端与所述检测管的第一端连接，另一端连接输入电压源的限流电阻。
8.一种应用功率管保护电路的开关电源电路，其特征在于，至少包括:第一功率管、第二功率管、第一电感、第一电容，以及权利要求1-7任一项所述的功率管保护电路，其中: 所述第一功率管的第一端连接输入电压源、控制端连接所述功率管保护电路中的控制电路的输出端，第二端连接所述第二功率管的第一端； 所述第二功率管的第二端连接接地端，控制端输入第二控制信号； 所述第一电感的一端连接所述第一功率管和所述第二功率管的公共端，另一端通过所述第一电容连接所`述接地端，且所述第一电容两端并联负载。
【文档编号】H02H7/10GK203423482SQ201320269327
【公开日】2014年2月5日 申请日期:2013年5月16日 优先权日:2013年5月16日
【发明者】周松明, 邵金柱, 张洪波, 朱颖 申请人:上海新进半导体制造有限公司