功率管的保护电路、电源保护芯片以及设备的制作方法

1.本技术涉及电路技术领域，尤其涉及一种功率管的保护电路、电源保护芯片以及电子设备。


背景技术：

2.在电源保护芯片中，很多都会集成功率开关管。其中，功率开关管也称作功率管，功率管是在放大电路中担任末级输出的晶体管。该功率管通常可以是金属氧化物半导体场效应晶体管(metal oxide semiconductor field effect transistor，mosfet)，也称作mos。
3.功率管可以分为n型功率管和p型功率管。p型功率管通常连接在电源端口，该功率管导通时可以给负载供电，该功率管关断时不为负载供电。正常情况下，p型功率管工作在线性区，此时，栅源电压(vgs)较大，导通阻抗较小，该p型功率管的漏源电压(vds)很小，漏端电压接近源端电压。如果误操作可以导致p型功率管的漏源电源增大，p型功率管瞬间产生很大的功率，在一些情况下，甚至可以导致该p型功率管被烧坏。
4.目前，业界采用过流保护方案对p型功率管进行保护。具体地，当流过p型功率管的电流超过过流保护阈值就关断p型功率管。然而，该方案并未对输出电压进行限制，漏源电压仍可能较大，在大电流应用中存在大功率的风险，如此可以导致p型功率管被烧坏。


技术实现要素：

5.本技术提供了一种功率管的保护电路，该电路包括连接在功率管的栅极上的偏置支路和连接在功率管源极和漏极之间的钳位支路，能够将限流和钳位结合起来，限制功率管的功率，避免功率管功率过大烧坏功率管。本技术还提供了上述保护电路对应的电源保护芯片以及电子设备。
6.第一方面，本技术提供了一种功率管的保护电路。该电路包括连接在所述功率管的栅极上的偏置支路和连接在所述功率管的源极和漏极之间的钳位支路，所述功率管的源极连接有输入端，所述功率管的漏极连接有输出端；
7.所述偏置支路用于提供偏置电流，其中，所述功率管的输出电流受限于所述偏置电流；
8.所述钳位支路用于当所述功率管的源漏电压大于源漏钳位电压阈值时，降低所述偏置电流，进而降低所述功率管的输出电流，以使所述功率管进入限流保护模式。
9.在一些可能的实现方式中，所述功率管进入所述限流保护模式时的输出电流与所述输入端的最大电压的乘积小于所述功率管的额定功率。
10.在一些可能的实现方式中，所述钳位支路包括第一p型金属氧化物半导体场效应管pmos、第二pmos以及至少一个第三pmos和与所述第三pmos一一对应的开关，所述第三pmos用于调整所述功率管的源漏钳位电压阈值；
11.所述第一pmos的源极、所述第二pmos的源极连接所述输入端，所述第一pmos的栅
极、所述第二pmos的栅极连接所述第一pmos的漏极，所述第一pmos的漏极连接所述至少一个第三pmos中一个第三pmos的源极，所述至少一个第三pmos中一个第三pmos的栅极、漏极连接下一个第三pmos的源极，所述至少一个第三pmos中最后一个第三pmos的栅极和漏极连接至输出端。
12.在一些可能的实现方式中，所述钳位支路还包括反相器和第一n型金属氧化物半导体场效应管nmos，所述第二pmos通过所述反相器连接至所述第一nmos的栅极，所述第一nmos的漏极连接至所述偏置支路。
13.在一些可能的实现方式中，所述功率管的源漏电压大于源漏钳位电压阈值时，所述第一pmos开启，所述第二pmos用于镜像所述第一pmos的电流得到第二pmos的电流，所述反相器用于所述第二pmos的电流大于预设的恒定电流时，输出低电平，以使所述第一nmos关断，所述偏置支路的电阻增加，所述偏置电流降低，所述功率管的电流随着所述偏置电流的降低而降低。
14.在一些可能的实现方式中，所述电路还包括反相器和第四pmos，所述反相器的输入端连接所述第二pmos的漏极，所述反相器的输出端连接所述第四pmos的栅极，所述第四pmos的源极连接所述输入端，所述第四pmos的漏极连接所述功率管的栅极。
15.在一些可能的实现方式中，所述偏置支路包括多个偏置电阻，所述多个偏置电阻中至少有一个偏置电阻并联有开关，与所述偏置电阻并联的开关用于调整所述偏置支路的电阻。
16.在一些可能的实现方式中，所述偏置支路还包括基础pmos，所述基础pmos的栅极与所述功率管的栅极连接，所述基础pmos的源极连接所述输入端，所述基础pmos的漏极连接所述偏置电阻。
17.在一些可能的实现方式中，所述偏置支路还包括运算放大器，所述运算放大器的第一输入端连接参考电压，所述运算放大器的第二输入端连接所述基础pmos的漏极。
18.第二方面，本技术提供了一种电源保护芯片，该电源保护芯片包括第一方面或第一方面的任一种实现方式中的功率管的保护电路。
19.第三方面，本技术提供一种电子设备，该电子设备包括电源以及如第二方面或第二方面的任一种实现方式中的电源保护芯片。
20.本技术在上述各方面提供的实现方式的基础上，还可以进行进一步组合以提供更多实现方式。
21.从以上技术方案可以看出，本技术实施例具有以下优点：
22.本技术实施例提供了一种功率管的保护电路，该电路包括连接在功率管的栅极上的偏置支路和连接在功率管的源极和漏极之间的钳位支路，功率管的源极连接输入端，功率管的漏极连接输出端，偏置支路用于提供偏置电流，功率管的输出电流受限于偏置电流，钳位支路用于当功率管的源漏电压大于源漏钳位电压阈值时，降低偏置电流，进而降低功率管的输出电流，是功率管进入限流保护模式控制功率。如此，能够结合限流与钳位，限制功率管的功率，从根本上保护功率管的安全。
附图说明
23.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需使用的附图
作以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，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。
24.图1为本技术实施例提供的一种功率管供电的示意图；
25.图2为本技术实施例提供的一种功率管保护的限流电路的示意图；
26.图3为本技术实施例提供的一种功率管保护电路的示意图；
27.图4为本技术实施例提供的一种功率管保护电路的源漏压差与输出电流关系的示意图；
28.图5为本技术实施例提供的一种功率管保护电路的示意图；
29.图6为本技术实施例提供的一种电源保护芯片的示意图。
具体实施方式
30.下面将结合本技术中的附图，对本技术提供的实施例中的方案进行描述。
31.本技术实施例中的术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。
32.首先对本技术实施例中所涉及到的一些技术术语进行介绍。
33.p型功率管(positive channel metal oxide semiconductor，pmos)通常连接在电源端口，该功率管导通时可以给负载供电，该功率管关断时不为负载供电，如图1所示。
34.在功率管导通的正常状态下，p型功率管工作在线性区，此时，栅源电压较大，导通阻抗较小，该p型功率管的漏源电压很小，漏端电压接近源端电压，但是，当负载短路或者拉载过重时，会使pmos进入饱和区，功率管上的电流和电压都很大，存在功率过大导致pmos被烧坏的风险。
35.通常情况下，对于pmos的保护通常采用限流保护，如图2所示。其中，限流电阻(rlim)能够配置限流的大小。
36.比较器能够实现对于两个数据项之间的比较，当比较器的正向输入端输入的电压大于反相输入端的电压时，输出正电平，否则输出低电平。
37.具体地，比较器比较镜像电流(isense)在rlim上产生的压降与参考电压(vref)，当rlim上产生的压降大于vref时，输出高电平，关断功率管，当rlim上产生的压降小于vref时，输出低电平，功率管导通正常工作。由于isense的电流随着iout电流的变大而变大，因此，当rlim上产生的压降大于vref时，轨到轨运算放大器输出高电平将pmos关断。
38.然而这种方案能够通过对电流的限制来限制功率，但是并没有对输出电压进行限制，因此功率管源极漏极的压差仍然可能较大，在大电流时仍然会存在功率过大导致pmos被烧坏的风险。
39.有鉴于此，本技术提供了一种功率保护电路，该电路包括连接在功率管的栅极上的偏置支路和连接在功率管源极和栅极之间的钳位支路，功率管的源极连接输入端，漏极连接输出端。偏置支路用于提供偏置电流，功率管的输出电流受限于该偏置电流，钳位支路用于当功率管的源极漏极压差大于源漏钳位电压阈值时，降低偏置电流，进而降低功率管的输出电流，以使功率管进入限流保护模式。如此，不仅能够对功率管进行限流保护，也能限制功率管源极和漏极的压差，从而能够对功率管上的功率进行限制，全面保护了功率管
的安全性。
40.为了便于理解，下面结合附图对本技术实施例提供的功率管的保护电路进行介绍。
41.参见图3所示的功率管的保护电路的示意图，该保护电路包括功率管和连接在功率管栅极上的偏置支路和连接在功率管源极和漏极之间的钳位支路。
42.其中，功率管的源极连接输入端，功率管的漏极连接输出端，偏置支路用于提供偏置电流，功率管的输出电流受限于偏置电流，钳位支路用于当功率管的源漏电压大于源漏钳位电压阈值时，降低偏置电流，进而降低功率管的输出电流，使功率管进入限流保护模式。
43.该保护电路不仅能够对功率管进行限流保护，而且能够限制功率管源极和漏极的压差，从而能够在功率层面对于功率管进行限制，全面保护功率管的安全性。
44.在一些可能的实现方式中，功率管可以为pmos，功率管的源极连接输入端(in)，功率管的漏极连接输出端(out)。该保护电路可以实现对p型功率管(如pmos)的限流保护和限功率保护，具有较高可靠性。
45.在一些可能的实现方式中，钳位支路包括第一pmos、第二pmos、至少一个第三pmos，以及与第三pmos一一对应的开关。其中，第三pmos用于调整功率管源漏钳位电压阈值。
46.具体地，第一pmos的源极连接输入端，第一pmos的栅极与第一pmos的漏极相连，第二pmos的源极连接输入端，第二pmos的栅极与第一pmos的漏极相连，第一pmos的漏极连接至少一个第三pmos中一个第三pmos的源极。当第三pmos数量为多个时，所述至少一个第三pmos中一个第三pmos的栅极、漏极连接下一个第三pmos的源极，所述至少一个第三pmos中最后一个第三pmos的栅极和漏极连接至输出端。
47.为了便于理解，下面结合具体示例说明。如图3所示，钳位支路包括第一pmos、第二pmos和多个第三pmos，第一pmos记作p1，第二pmos记作m3，多个第三pmos分别记作p1、p2、p3，p1、p2、p3对应的开关分别为k1、k2、k3。
48.其中，p1的栅极连接p1的漏极、输出端以及对应开关k1的一端，p1的源极连接k1的另一端，并连接p2的栅极、漏极以及p2对应开关k2的一端。p2的源极连接p3的栅极和漏极，k2的另一端，以及p3对应的开关k3的一端。p3的源极连接第一pmos的漏极、栅极、第二pmos的栅极以及k3的另一端。其中，k1、k2、k3与偏置支路中的k1、k2、k3相对应。
49.可选地，钳位支路还包括反相器和第一n型功率管(negative channel metal oxide semiconductor，nmos)，第二pmos的漏极连接反相器的输入端，反相器的输出端连接第一nmos的栅极，第一nmos的漏极连接偏置支路。
50.如此，当功率管的源漏电压大于源漏钳位电压阈值时，第一pmos开启，第二pmos通过对流过第一pmos的电流进行镜像，获得流过第二pmos的电流。反相器用于当第二pmos的电流大于预设的恒流电流时，输出低电平，使第一nmos关断，如此增加偏置支路中的电阻，使偏置支路中的偏置电流降低，功率管的电流随着偏置电流的降低而降低。
51.在一些可能的实现方式中，偏置支路包括多个偏置电阻，多个偏置电阻中至少有一个偏置电阻并联有开关。与偏置电阻并联的开关用于调整偏置支路的电阻。例如，与一个偏置电阻并联的开关闭合时，将导致该偏置电阻被短路，如此偏置支路的电阻将会减小；与
该偏置电阻并联的开关断开时，该偏置电阻不会被短路，偏置支路的电阻增大。
52.进一步地，偏置支路还包括基础pmos。如图3所示，基础pmos可以记作m0，基础pmos的源极连接输入端，基础pmos的栅极连接功率管的栅极，基础pmos的漏极连接所述偏置电阻。
53.在一些可能的实现方式中，偏置支路还包括运算放大器。所述运算放大器的第一输入端(例如是反相输入端)连接参考电压，所述运算放大器的第二输入端(例如是正相输入端)连接所述基础pmos的漏极。该运算放大器可以作为比较器对正相输入端的电压、反向输入端的电压的大小进行比较，以确定输入是否达到规定值。也即运算放大器可以检测偏置支路中基于偏置电流与偏置电阻所产生的压降是否达到参考电压。
54.当基于偏置电流与偏置电阻所产生的压降大于参考电压时，将运算放大器输出端的电压放大至正相输入端的电源电压，直至饱和，当基于偏置电流与偏置电阻所产生的压降小于参考电压时，将运算放大器输出端的电压下降至反向输入端电源电压，直至饱和。
55.仍以图3示例说明，如图3所示，偏置电阻包括r、r1、r2、r3、r4、r5、r6，与偏置电阻r1至r6并联的开关分别为k1b、k2b、k3b、k1、k2、k3，第一nmos(具体为n1)的漏极连接r3与r4的公共端，k1与k3b的公共端。当第一nmos的漏极为高电平时，r、r1、r2、r3接入电路，r4、r5、r6是否接入电路由开关进一步控制。当第一nmos的漏极为低电平时，第一nmos关断，r、r1、r2、r3、r4、r5、r6全部接入电路。
56.在本技术实施例中，r、r1、r2、r3、r4、r5、r6可以为型号完全相同电阻，电阻阻值为r，进一步地，为了保证限流后电路的一致性，通常情况下k1与k1b反向，当k1闭合时，k1b断开，当k1断开时，k1b闭合，k2与k2b、k3与k3b同理。
57.在本实施例中，功率管进入限流保护模式时，功率管的输出电流与输入端的最大电压的乘积小于功率管的额定功率。如图3所示，功率管输出电流(isw)与输入端最大电压的乘积小于功率管的额定功率。如此可以避免功率管因为过功率被烧坏，实现了过功率保护。
58.在一些可能的实现方式中，功率管的电流受限于偏置电流。例如功率管的最大电流可以为偏置电流的m倍。偏置电流的大小可以通过调整偏置支路上偏置电阻的大小来进行调整。
59.具体地，偏置电阻并联的开关可以由真值表分配不同的电流档位。如图3所示，图中k1、k2、k3可以由真值表分配不同的电流档位，需要说明的是，本实施例中对于k1、k2、k3的分配仅为示例，实际上具有多种组合方式，本实施例在此不做限制。
60.将偏置支路上的有效电阻之和记为r0，偏置电流＝参考电压/r0，功率管的最大电流＝m
×
参考电压/r0。
61.其中，k1、k2、k3的真值表可以如下表1前三列所示，其中1表示开关闭合，0表示开关断开，对应电阻接入电路。
62.表1k1、k2、k3的真值表
[0063][0064]
其中，第四列为开关状态对应的偏置电流，第五列为对应的流经功率管的电流，第六列为该开关状态对应的输入输出电压，第七列为最大功率，第八列为限流电流。如图3所示，其中r、r1、r2、r3、r4、r5、r6型号完全相同，阻值均为r，m1、m2、p1、p2、p3型号完全相同，偏置支路中的k1与钳位支路中的k1同向，与偏置支路中的k1b反向，偏置支路中的k2与钳位支路中的k2同向，与偏置支路中的k2b反向，偏置支路中的k3与钳位支路中的k3同向，与偏置支路中的k3b反向。
[0065]
具体地，当k1、k2、k3的真值对应为000时，即k1断开、k2断开、k3断开，则接入偏置支路的电阻为r4、r5、r6，因此偏置电流ibias＝vref/3r，则功率管的输出电流isw＝m*ibias，即功率管的输出电流isw＝m*vref/3r。钳位支路中，接入钳位支路的pmos包括m1、p3、p2、p1共4个串联的pmos管，则输入输出电压in-out＝4vgs，功率管的最大功率pmax＝ibias*in-out，即pmax＝4/3*m*vref*vgs/r。由于偏置支路中的设置，限流保护模式后接入偏置支路的电阻为r、r4、r5、r6，因此限流电流ilim＝vref/4r*m。
[0066]
当k1、k2、k3的真值对应为100时，即k1闭合、k2断开、k3断开，则接入偏置支路的电阻为r5、r6，因此偏置电流ibias＝vref/2r，则功率管的输出电流isw＝m*ibias，即功率管的输出电流isw＝m*vref/2r。钳位支路中，接入钳位支路的pmos包括m1、p3、p2共3个串联的pmos管，则输入输出电压in-out＝3vgs，功率管的最大功率pmax＝ibias*in-out，即pmax＝3/2*m*vref*vgs/r。由于偏置支路中的设置，限流保护模式后接入偏置支路的电阻为r、r1、r5、r6，因此限流电流ilim＝vref/4r*m。
[0067]
当k1、k2、k3的真值对应为110时，即k1闭合、k2闭合、k3断开，则接入偏置支路的电阻为r6，因此偏置电流ibias＝vref/r，则功率管的输出电流isw＝m*ibias，即功率管的输出电流isw＝m*vref/r。钳位支路中，接入钳位支路的pmos包括m1、p3共2个串联的pmos管，则输入输出电压in-out＝2vgs，功率管的最大功率pmax＝ibias*in-out，即pmax＝2*m*vref*vgs/r。由于偏置支路中的设置，限流保护模式后接入偏置支路的电阻为r、r1、r2、r6，因此限流电流ilim＝vref/4r*m。
[0068]
如此，能够不同的电流档位，自动调整功率管源漏的钳位电压。当输出电压下降，功率管源漏电压大于钳位电压，第一pmos开启，功率管源漏压差越大，第一pmos电流越大，第二pmos镜像第一pmos电流，当第二pmos电流大于恒流电流时，反相器输出低电平，第一nmos关断。偏置电流支路的电阻增加，偏置电流降低，功率管的电流也会折返成小电流，功率管进入限流保护。折返后的小电流与输入端最大电压的乘积小于额定功率。
[0069]
根据该真值表，测试结果如图4所示，其中clm表示k3、k2、k1的真值情况，clm＝000表示k3断开、k2断开以及k1断开，clm＝100表示k3闭合、k2断开以及k1断开，clm＝111表示k3闭合、k2闭合以及k1闭合。
[0070]
输出电流越大，源漏钳位电压vds越小，一旦触发钳位电压后，就可能发生电流折返，电流被限制在0.5a之内。只有当源漏电压小于钳位电压时，才能退出小电流，时功率管恢复正常。
[0071]
在一些可能的实现方式中，功率管的保护电路可以如图5所示，该电路还包括反相器和第四pmos。反相器的输入端连接第二pmos的漏极，反相器的输入端连接第四pmos的栅极，第四pmos的源极连接输入端，第四pmos的漏极连接功率管与基础pmos的栅极。
[0072]
如此，能够通过关断功率管来保护电路。当功率管的源漏电压大于输出钳位电压时，功率管关断，从而能够实现对于功率管的保护。
[0073]
综上所述，本实施例提供了一种功率管的保护电路，该电路包括连接在功率管栅极上的偏置支路和连接在功率管的源极和栅极之间的钳位支路，功率管的源极连接输入端，功率管的漏极连接输出端。偏置支路用于提供偏置电流，功率管的输出电流受限于该偏置电流，钳位支路用于当功率管的源漏电压大于源漏钳位电压阈值时，降低偏置电流，从而能够降低功率管的输出电流，是功率管进入限流保护模式，降低功率管的功率。如此，提供了一种不仅仅控制电路对功率管进行的保护电路，该保护电路，能够将限流与钳位结合，根据功率管的源漏压差，适应性调整功率管的电流，实现对于功率管上功率的控制，从根本上降低了功率管热损伤的风险。
[0074]
与上述电路实施例相对应的，本技术还提供了一种电源保护芯片，如图6所示，该电源保护芯片包括上述的功率管的保护电路。
[0075]
通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例中的全部或部分步骤可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本技术的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者诸如媒体网关等网络通信设备，等等)执行本技术各个实施例或者实施例的某些部分所述的方案。
[0076]
需要说明的是，本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的方案而言，由于其与实施例公开的系统相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见系统部分说明即可。
[0077]
还需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0078]
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本技术对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本技术的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本技术将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。