一种提高限流控制系统中功率开关管安全性的方法技术方案

一种提高限流控制系统中功率开关管安全性的方法，限流控制系统中功率开关管的漏端和源端接在限流控制系统的输入端和输出端之间，采样管用于采样流过功率开关管的电流并提供采样信号给控制模块进行控制，流过采样管的电流

【技术实现步骤摘要】
一种提高限流控制系统中功率开关管安全性的方法
本专利技术属于集成电路设计与应用的电源管理
，涉及一种提高限流控制系统中功率开关管安全性的方法。
技术介绍
功率大开关(PowerSwitch)或者负载大开关(LoadSwitch)作为一种常用的限流器件在电源设计领域广泛使用，如图1所示是一种限流控制系统的工作原理示意图，其中功率开关管M1是功率大开关器件，M2是采样功率大开关的器件。传统的设计中功率开关管M1和采样管M2会采用相同类型和相同沟道长度(L)的MOS器件，功率开关管M1的宽长比例(W/L)和采样管M2的宽长比例(W/L)的比例系数为K，所以当流过功率开关管M1的电流为IM1时，则流过采样管M2的电流为IM1/K。R1是功率开关管M1源端(source)的寄生金属连线电阻，R2是功率开关管M1漏端(drain)的寄生金属连线电阻，R3是采样管M2源端(source)的寄生金属连线电阻，R4是采样管M2漏端(drain)的寄生金属连线电阻，R5是采样管M2的漏端电流采样电阻，R6是功率大开关限流设置电阻；OP是功率大开关工作在恒流模式的运算放大器，当功率大开关处于恒流模式时，运算放大器OP的输出信号OCP通过下拉电路(pulldown)会把功率大开关MOS管即功率开关管M1的栅端电压NGATE拉低，使功率开关管M1工作在饱和区，如图6所示的饱和区。下拉电路(pulldown)只有在功率开关管M1的输出负载电流过大，超过了功率大开关MOS管自身的限流要求时，这个时候功率大开关会处于恒流工作模式，提供稳定的恒流输出，一旦下拉电路开始工作后，会把功率开关管M1的栅端电压拉低；反之，如果是正常应用，输出负载电流没有超过功率大开关的恒流限制，功率大开关会一直处于线性区(如图6所示的线性区)工作，恒流控制电路不会工作，进而下拉电路也不会工作。升压电路ChargePump用于提供功率开关管M1的栅端电压保证功率开关管M1能够开启，当输入电压VIN不高于6V时，升压电路输出2倍VIN，在没有下拉时，升压电路输出电压控制功率开关管M1的栅端电压NGATE接近2VIN；当输入电压VIN电压高于6V时，升压电路输出为VIN+5V，其中5V是低压差线性稳压LDO的输出。限流控制系统中功率开关管M1即功率大开关器件的工作原理是：正常工作的时候，恒流控制电路不满足工作条件，功率开关管M1栅端电压处于最高值，如输入电压VIN不高于6V时功率开关管M1栅端电压接近2VIN，此时功率开关管M1完全开启，其导通电阻Rdson最小，功率开关管M1会处于线性区，如图6所示的线性区。如果流过MOS管的电流是3A，MOS管自身总的导通电阻Rdson是15mohm，那么MOS管两端的压降是3×15m＝45mV。此时流过MOS管的电流大，但是两端的压降却比较小，只有45mV，MOS管承受的功率是3×0.045＝0.135W。如果MOS管最大恒流模式下的输出限流值是3.1A，所以当限流控制系统的输出端负载电流高于功率大开关的最大输出限流值的时候，限流控制系统的输出端电压VOUT会被逐渐拉低，功率大开关就会从工作在线性区变成工作在饱和区。这里以功率开关管M1为低压大开关为例，如果功率开关管M1的输入电压是5V，在负载电流是3A时，对于总的Rdson是15mohm的功率大开关而言，它的输出电压就是4.955V，此时MOS管两端的压降VDS是45mV。当它的负载电流大于它能支持的最大电流时，限流控制系统的输出端电压VOUT会下降，如果输出电压VOUT被拉低到只有1V，此时MOS管两端的压降VDS将会从之前的45mV增加到5V-1V＝4V，此时功率开关管M1工作在恒流模式，由于功率开关管M1和采样管M2的MOS类型和沟道长度一样，那么当VOUT被负载拉低到很低比如1V的时候，功率开关管M1和采样管M2都将会处于深度饱和区，功率开关管M1和采样管M2的阻抗相对于工作在线性区域时都会明显增加，但是它们的比例会保持一致，所以输出电流仍然是3.1A。也就是说此时在功率开关管M1两端承受的功率是3.1A×4V＝12.4W。当然如果VOUT被拉低到0V附近的话，MOS管两端的压降VDS将会从之前的45mV增加到5V-0V＝5V，输出由于是恒流工作模式，所以输出电流仍然是3.1A。也就是说此时在功率开关管M1两端承受的功率是3.1A×5V＝15.5W。这么高的功率容易导致超出MOS管子的安全工作区(SOA)，最终导致功率开关管M1损坏。其中安全工作区(SOA，Safeoperatingarea)是由一系列(电压、电流)坐标点形成的一个二维区域，开关器件正常工作时的电压和电流都不会超过该区域。由于功率大开关在输出电流过载(overload)或者短路(short)的时候，功率大开关MOS管两端承受的功率很大，为了防止功率大开关长时间工作在短路大功率情况下出现器件老化损坏，通常的做法是会在芯片工作在短路的时候采用HICCUP(打嗝)的工作方式。功率大开关芯片在输出短路时HICCUP工作示意图如图2所示，其工作原理是让芯片在Ton时间段内处于短路开通状态，这段时间在功率大开关两端的功率是最大，比如在VOUT被拉低到0V，输出恒流限流值是3.1A的话，那么功率大开关MOS管两端承受的功率15.5W左右；另外的Toff时间段内处于短路关断状态，此时功率大开关的输入端还是VIN＝5V，由于功率大开关MOS管处于关断状态，也就是图1中功率开关管M1的栅端电压NGATE＝0V，导致输出电压VOUT是0V，所以功率大开关两端的电压降(VIN-VOUT)是5V，但是由于是处于关断状态，流过的电流是0，所以整体在功率大开关上流过的功率(电流乘以电压)仍然是0。这样设计的好处是整体平均功率会比较低，因为设计的时候可以让短路工作时间(Ton)尽量短些，短路关断的时间(Toff)尽量长些，比如工作的Ton时间是3ms，Toff时间是297ms，这样功率大开关在输出短路工作时，总的平均功率是相对较小。但是这种方式还是存在一个问题是，即使是平均功率较低，但在短路开通时段的功率仍然很大，如果在开通的时候瞬间功率高于了功率大开关的安全工作区(SOA)，这个时候仍然可能在开通时间已经把功率大开关损坏。
技术实现思路
针对上述功率大开关器件即功率开关管M1在输出负载短路的时候，功率开关管两端承受的功率过大，存在超过MOS器件安全工作区间(SOA)的风险导致功率开关管损坏的问题，本专利技术提出一种提高限流控制系统中功率开关管安全性的方法，能够保证功率开关管正常开通(线性区)的时候限流能力不变，并且在输出短路时尽量降低流过功率开关管上的电流，提高功率大开关的安全性，使得功率开关管在出现短路异常的工作状态时也不容易受到损坏。本专利技术的技术方案为：一种提高限流控制系统中功率开关管安全性的方法，所述限流控制系统包括升压模块、功率开关管、采样管和控制模块，所述功率开关管的漏端和源端接在所述限流控制系统的输入端和输出端之间，所述升压模块用于提供所述功率开关管的栅端电压保证所述功率开关管能够开启；所述采样管用于采样流过所述本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种提高限流控制系统中功率开关管安全性的方法，所述限流控制系统包括升压模块、功率开关管、采样管和控制模块，所述功率开关管的漏端和源端接在所述限流控制系统的输入端和输出端之间，所述升压模块用于提供所述功率开关管的栅端电压保证所述功率开关管能够开启；所述采样管用于采样流过所述功率开关管的电流IM1并提供采样信号给所述控制模块进行控制，流过所述采样管的电流

【技术特征摘要】
1.一种提高限流控制系统中功率开关管安全性的方法，所述限流控制系统包括升压模块、功率开关管、采样管和控制模块，所述功率开关管的漏端和源端接在所述限流控制系统的输入端和输出端之间，所述升压模块用于提供所述功率开关管的栅端电压保证所述功率开关管能够开启；所述采样管用于采样流过所述功率开关管的电流IM1并提供采样信号给所述控制模块进行控制，流过所述采样管的电流其中K为所述功率开关管和所述采样管的宽长比之比；当所述限流控制系统的输出端负载电流大于所述功率开关管的最大输出限流值时，所述功率开关管进入恒流工作模式，所述控制模块将所述功率开关管的栅端电压拉低，降低所述限流控制系统的输出端电压，使得所述功率开关管和所述采样管漏源两端的电压增大；
其特征在于，所述提高限流控制系统中功率开关管安全性的方法为：设置所述功率开关管的沟道长度大于所述采样管的沟道长度，使得所述功率开关管进入恒流工作模式后，所述K值随着所述功率开关管漏源两端电压的增大而减小，从而使所述功率开关管的输出限流值随着所述功率开关管漏源两端电压的增大而减小，所述功率开关管的漏源两端...

【专利技术属性】
技术研发人员：李强，赵波，卞坚坚，阮晨杰，
申请(专利权)人：上海南芯半导体科技有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31