CN118573162A - 一种可编程的高侧驱动芯片限流电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及半导体集成电路技术领域，尤其是一种可编程的高侧驱动芯片限流电路，包括：数字输入单元，用于接收串行数字码和时钟信号；限流阈值生成单元，用于根据串行数字码生成芯片的限流阈值参考电平；电压比较器，用于根据采样电流和限流阈值参考电平，输出限流比较信号；迟滞产生单元，用于为限流比较信号设置迟滞；栅端控制单元，用于控制功率管M₀的通断。采用本方案，能够根据负载的大小，通过数字输入单元将串行数字码转换为并行控制信号，再通过限流阈值生成单元根据并行控制信号设定不同的限流阈值参考电平，从而实现高侧驱动芯片在不同大小负载下的限流保护功能，此外，该电路直接集成在芯片内部，在减小产品体积的同时降低了成本。

Description

一种可编程的高侧驱动芯片限流电路

技术领域

本发明涉及半导体集成电路技术领域，特别涉及一种可编程的高侧驱动芯片限流电路。

背景技术

在电子技术领域中，高侧驱动芯片因其卓越的性能和广泛的应用领域而备受青睐。这些芯片不仅在消费电子产品中扮演着关键角色，还在家电和汽车电子系统中发挥着至关重要的作用。为了确保芯片及其驱动的负载在遇到过流情况时不受到热损坏，限流保护功能的集成成为了设计中的一个重要考虑因素。

传统的高侧驱动芯片通常将过流保护功能集成在芯片内部，这种方式虽然简化了电路设计，但存在一个显著的局限性：其电流限制点是固定的。这意味着一旦芯片设计完成并投入生产，其过流保护的水平就无法根据不同负载的需求进行调整。这种固定性限制了芯片的应用范围，使其无法灵活适应多样化的应用场景。

随着电子技术的不断进步和市场需求的日益多样化，对高侧驱动芯片的功能要求也越来越高。用户需要一个能够根据实际负载特性进行灵活调整的限流保护电路，以实现更为精确和个性化的保护。因此，急需提供一种可编程的高侧驱动芯片限流保护电路，能够通过外部微控制单元进行编程，以设定不同的限流阈值参考电平，从而为不同负载提供更加精确的保护。

发明内容

本发明提供了一种可编程的高侧驱动芯片限流电路，能够设定不同的限流阈值参考电平，从而实现高侧驱动芯片在不同大小负载下的限流保护功能。

为了达到上述目的，本申请提供如下技术方案：

一种可编程的高侧驱动芯片限流电路，包括数字输入单元、限流阈值生成单元、电流采样单元、电压比较器、迟滞产生单元和栅端控制单元；

所述数字输入单元的信号输入端用于接收串行数字码，时钟输入端用于接收时钟信号；所述限流阈值生成单元的输入端与数字输入单元的输出端连接，用于根据串行数字码生成芯片的限流阈值参考电平；所述电压比较器的输入端分别与限流阈值生成单元的输出端和电流采样单元的输出端连接，用于根据电流采样单元输出的采样电流和限流阈值生成单元生成的限流阈值参考电平，输出限流比较信号；所述迟滞产生单元的输入端与电压比较器的输出端连接，用于为限流比较信号设置迟滞；所述栅端控制单元的输入端与迟滞产生单元的输出端连接，输出端与功率管M₀的栅极连接，用于根据限流比较信号，控制功率管M₀的导通与关断。

进一步，所述数字输入单元包括输入钳位及滤波模块Q₁，数据采样及解调模块Q₂，时钟处理模块Q₃和对齐处理模块Q₄；输入钳位及滤波模块Q₁用于对输入的串行数字码及时钟信号进行滤波处理；数据采样及解调模块Q₂的输入端为信号输入端，用于接收和解调串行数字码；时钟处理模块Q₃的输入端为时钟输入端，将处理后的时钟信号输出给数据采样及解调模块Q₂和对齐处理模块Q₄，对齐处理模块Q₄结合时钟信号，将解调后的串行数字码做帧对齐处理，输出为并行控制信号；所述限流阈值生成单元，用于根据并行控制信号生成限流阈值参考电平。

进一步，所述限流阈值生成单元包括电流基准源Q₅、开关及电阻网络Q₆、缓冲器Q₇、输出晶体管P₁、限流电阻R₁和限流电阻R₂；

所述开关及电阻网络Q₆的输入端与数字输入单元的输出端连接；所述缓冲器Q₇的同相输入端与电流基准源Q₅和限流电阻R₁的一端连接，反相输入端与输出晶体管P₁的源极和限流电阻R₂的一端连接，输出端与输出晶体管P₁的栅极连接；所述输出晶体管P₁的漏极与开关及电阻网络Q₆的输出端连接；所述限流电阻R₁和限流电阻R₂的另一端与外部供电电源V_supply连接。

进一步，所述电流采样单元包括采样晶体管N₁、误差比较器Q₈、可调电流源Q₉、镜像电流单元Q₁₀和低压电源Q₁₁；

所述采样晶体管N₁的栅极与栅端控制单元连接，源极与误差比较器Q₈的同相输入端连接；所述误差比较器Q₈的反相输入端与功率管M₀的漏极连接，输出端与可调电流源Q₉的输入端连接；所述可调电流源Q₉的输出端与镜像电流单元Q₁₀的输入端连接；所述低压电源Q₁₁与镜像电流单元Q₁₀连接，为镜像电流单元Q₁₀供电；所述镜像电流单元Q₁₀输出采样电流至电压比较器。

进一步，所述采样晶体管N₁的栅极与功率管M₀的栅极电位相等，所述采样晶体管N₁根据预设电流采样系数采集流经功率管M₀的电流；误差比较器Q₈与采样晶体管N₁通过负反馈连接，调制校准采样晶体管N₁采样的电流；采样的电流通过可调电流源Q₉进行分配，根据预设调整比例输入镜像电流单元Q₁₀；镜像电流单元Q₁₁输出采样电流至电压比较器。

进一步，所述采样电流的计算公式为：

I_s＝Ks1×Ks2×I₀

式中，Ks1为采样晶体管N₁的预设电流采样系数，Ks2为可调电流源Q₉的预设调整比例；I₀为负载电流。

进一步，所述预设电流采样系数Ks1的计算公式如下：

式中，μ_n为载流子迁移率，C_ox为采样晶体管N₁的单位面积栅电容，为采样晶体管N₁的宽长比，为功率管M₀的宽长比，V_offset为误差比较器Q₈的输入失调电压。

进一步，所述电压比较器的第一输入端与限流阈值生成单元的输出端连接，第二输入端与电流采样单元的输出端和接地电阻R_s均连接。

本发明的原理及优点在于：

首先，本方案的核心在于其高度的可配置性。通过数字输入单元接收外部输入的串行数字码，使该电路能够实现对限流阈值参考电平的动态调整。由此，用户可以根据具体的应用场景和负载要求，通过简单的数字编码来设定不同的限流阈值参考电平。例如，在需要较大电流驱动的应用中，用户可以设置较高的限流阈值参考电平以避免不必要的保护触发；而在对电流敏感的应用中，则可以设置较低的限流阈值参考电平以确保系统的安全稳定运行。

其次，本方案中的电流采样单元和电压比较器的设计进一步提高了限流保护的准确性和响应速度。电流采样单元不仅对流经功率管M₀的电流进行实时采样，还根据预设的电流采样系数和调整比例对采集到的电流值进行调整，确保了采样电流的准确性。随后，电压比较器将采样电流与限流阈值参考电平进行比较，一旦检测到过流情况，即可迅速做出反应，通过迟滞产生单元和栅端控制模块将功率管M₀关断，从而保护芯片不受热损坏。

此外，本方案的电路设计直接集成在芯片内部，无需外围增加额外的电阻电容元件，在提高系统集成度的同时，降低了电路设计成本。其不仅简化了电路板设计，减少了元器件的使用，还有助于缩小最终产品的体积。

综上，相对于现有技术中的限流保护电路，采用本方案，可以通过外部输入的串行数字码，设置不同的限流阈值参考电平，从而实现高侧驱动芯片在不同大小负载下的限流保护功能，适配不同的应用场景，实现了限流保护功能的高可配置性和精确度；此外，该电路直接集成在芯片内部，且芯片外围不需要额外增加电阻电容，降低了电路设计成本，提升了系统的集成度。

附图说明

图1为本发明一种可编程的高侧驱动芯片限流电路实施例的电路图。

图2为本发明一种可编程的高侧驱动芯片限流电路实施例中数字输入单元的结构框图。

图3为本发明一种可编程的高侧驱动芯片限流电路实施例中限流阈值生成单元的电路图。

图4为本发明一种可编程的高侧驱动芯片限流电路实施例中电流采样单元的电路图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明：

实施例1：

实施例1基本如附图1所示：

一种可编程的高侧驱动芯片限流电路，如图1所示，包括数字输入单元、限流阈值生成单元、电流采样单元、电压比较器、迟滞产生单元、栅端控制单元和接地电阻R_s。

如图2所示，所述数字输入单元包括输入钳位及滤波模块Q₁，数据采样及解调模块Q₂，时钟处理模块Q₃和对齐处理模块Q₄；输入钳位及滤波模块Q₁用于对输入的串行数字码及时钟信号进行滤波处理；数据采样及解调模块Q₂的输入端为信号输入端，用于接收和解调串行数字码；时钟处理模块Q₃的输入端为时钟输入端，将处理后的时钟信号输出给数据采样及解调模块Q₂和对齐处理模块Q₄，对齐处理模块Q₄结合时钟信号，将解调后的串行数字码做帧对齐处理，输出为并行控制信号；所述限流阈值生成单元，用于根据并行控制信号生成限流阈值参考电平。所述限流阈值生成单元，用于根据并行控制信号生成限流阈值参考电平。

所述限流阈值生成单元的输入端与数字输入单元的输出端连接，用于通过外部输入的串行数字码根据实际负载情况动态生成、调整芯片的限流阈值参考电平。由此，用户可以根据具体的应用场景和负载要求，通过简单的数字编码来设定不同的限流阈值参考电平。

如图3所示，所述限流阈值生成单元包括电流基准源Q₅、开关及电阻网络Q₆、缓冲器Q₇、输出晶体管P₁、限流电阻R₁和限流电阻R₂。所述开关及电阻网络Q₆的输入端与数字输入单元的输出端连接；所述缓冲器Q₇的同相输入端与电流基准源Q₅和限流电阻R₁的一端连接，反相输入端与输出晶体管P₁的源极和限流电阻R₂的一端连接，输出端与输出晶体管P₁的栅极连接；所述输出晶体管P₁的漏极与开关及电阻网络Q₆的输出端连接；所述限流电阻R₁和限流电阻R₂的另一端与外部供电电源V_supply连接。

所述电流基准源Q₅，用于产生设置限流比较点的初始基准电流，并通过限流电阻R₁输出至缓冲器Q₇。电流基准源Q₅内部包含LDMOS，用于支路电压分配。所述缓冲器Q₇，通过负反馈的方式，输出端与输出晶体管P₁的栅极连接，反相输入端与输出晶体管P₁的源极连接，用于调制输出晶体管P₁的源极电压，并通过限流电阻R₂输出限流阈值参考电平。

所述开关及电阻网络Q₆包括若干参考电阻，且各参考电阻的电阻值相同，用于根据所述数字输入单元的输出信号选通参考电阻，并结合限流电阻R₂输出的限流阈值参考电平设置相应的限流保护点。

所述限流阈值生成单元接收数字输入单元输出的并行控制信号，通过开关及电阻网络Q₆设置特定电阻值R_x。镜像的电流基准源Q₅经输出晶体管P₁输入开关及电阻网络Q₆，从而输出限流阈值参考电平，所述限流阈值参考电平V_TH的计算公式为：

式中，R₁为限流电阻R₁的电阻值，R₂为限流电阻R₂的电阻值，m为根据并行控制信号在开关及电阻网络中选通的参考电阻个数，R_x为开关及电阻网络中单个参考电阻的电阻值，I_ref为初始基准电流。

如图4所示，所述电流采样单元包括采样晶体管N₁、误差比较器Q₈、可调电流源Q₉、镜像电流单元Q₁₀和低压电源Q₁₁。所述采样晶体管N₁的栅极与栅端控制单元连接，源极与误差比较器Q₈的同相输入端连接；所述误差比较器Q₈的反相输入端与功率管M₀的漏极连接，输出端与可调电流源Q₉的输入端连接；所述可调电流源Q₉的输出端与镜像电流单元Q₁₀的输入端连接；所述低压电源Q₁₁与镜像电流单元Q₁₀连接，为镜像电流单元Q₁₀供电；所述镜像电流单元Q₁₀输出采样电流至电压比较器。

所述采样晶体管N₁的栅极与功率管M₀的栅极电位相等，所述采样晶体管N₁根据预设电流采样系数采集流经功率管M₀的电流；误差比较器Q₈与采样晶体管N₁通过负反馈连接，调制校准采样晶体管N₁采样的电流；采样的电流通过可调电流源Q₉进行分配，根据预设调整比例输入镜像电流单元Q₁₀；镜像电流单元Q₁₀输出采样电流至电压比较器。

所述采样电流的计算公式为：

I_s＝Ks1×Ks2×I₀

式中，Ks1为采样晶体管N₁的预设电流采样系数，Ks2为可调电流源Q₉的预设调整比例；I₀为负载电流。

其中，所述预设电流采样系数Ks1的计算公式如下：

式中，μ_n为载流子迁移率，C_ox为采样晶体管N₁的单位面积栅电容，为采样晶体管N₁的宽长比，为功率管M₀的宽长比，V_offset为误差比较器Q₈的输入失调电压。

如图1所示，所述电压比较器的输入端分别与限流阈值生成单元的输出端和电流采样单元的输出端连接，用于根据电流采样单元输出的采样电流和限流阈值生成单元生成的限流阈值参考电平，输出限流比较信号。具体的，所述电压比较器的第一输入端与限流阈值生成单元的输出端连接，第二输入端与电流采样单元的输出端和接地电阻R_s均连接；电流采样单元输出的采样电流在接地电阻R_s上产生压降，具体的，由电流采样单元输出的采样电流经接地电阻R_s转变为电压值后输入电压比较器的第二输入端，电压比较器将转变后的电压值与限流阈值生成模块输出的限流阈值参考电平比较，若转变后的电压值大于等于限流阈值参考电平，则输出高电平信号至迟滞产生单元；若转变后的电压值小于限流阈值参考电平，则输出低电平信号至迟滞产生单元。

所述迟滞产生单元内部包括低通滤波器，过滤噪声及毛刺信号，避免对后级控制造成干扰，防止后级控制电路发生振荡。如图1所示，所述迟滞产生单元的输入端与电压比较器的输出端连接，用于为限流比较信号设置迟滞。具体的，所述迟滞产生单元接收电压比较器输出的限流比较信号，同时在内部产生预设的迟滞量，从而在发生过流，也即限流比较信号为高电平信号时输出限流保护信号至栅端控制单元关断功率管M₀。

所述栅端控制单元包括下拉控制晶体管，其输入端与迟滞产生单元的输出端连接，输出端与功率管M₀的栅极连接，用于根据限流比较信号，控制功率管M₀的导通与关断。具体的，栅端控制单元接收到的限流比较信号为高电平信号(接收到限流保护信号)时，控制下拉控制晶体管开启，将功率管M₀的受控端(栅极)电压下拉至低电平，关断功率管M₀，保护芯片不受热损坏。

综上，本方案中的高侧驱动芯片限流电路，通过数字输入单元接收外部输入的串行数字码，并通过数字输入单元内部的串转并电路，将串行数字码转换为并行控制信号，由限流阈值生成单元根据并行控制信号生成不同的限流阈值参考电平；电流采样单元对当前时刻流经功率管M₀的电流进行采样，并根据预设电流采样系数和预设调整比例对采样的电流进行调整，输出采样电流，采样电流通过接地电阻R_s后输入至电压比较器；电压比较器对电流采样单元输出的采样电流和限流阈值生成单元生成的限流阈值参考电平进行比较，若采样电流大于限流阈值参考电平，则表示发生了过流情况，此时输出高电平至迟滞产生单元，控制后级栅端控制模块将功率管M₀的受控端电压下拉至低电平，关断功率管M₀，从而保护芯片不受热损坏。

采用本方案，能够根据负载的大小，通过数字输入单元将串行数字码转换为并行控制信号，再通过限流阈值生成单元根据并行控制信号设定不同的限流阈值参考电平，从而实现高侧驱动芯片在不同大小负载下的限流保护功能，此外，该电路直接集成在芯片内部，在减小产品体积的同时降低了成本。

以上的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (8)

1.一种可编程的高侧驱动芯片限流电路，其特征在于：包括数字输入单元、限流阈值生成单元、电流采样单元、电压比较器、迟滞产生单元和栅端控制单元；

所述数字输入单元的信号输入端用于接收串行数字码，时钟输入端用于接收时钟信号；所述限流阈值生成单元的输入端与数字输入单元的输出端连接，用于根据串行数字码生成芯片的限流阈值参考电平；所述电压比较器的输入端分别与限流阈值生成单元的输出端和电流采样单元的输出端连接，用于根据电流采样单元输出的采样电流和限流阈值生成单元生成的限流阈值参考电平，输出限流比较信号；所述迟滞产生单元的输入端与电压比较器的输出端连接，用于为限流比较信号设置迟滞；所述栅端控制单元的输入端与迟滞产生单元的输出端连接，输出端与功率管M₀的栅极连接，用于根据限流比较信号，控制功率管M₀的导通与关断。

2.根据权利要求1所述的可编程的高侧驱动芯片限流电路，其特征在于：所述数字输入单元包括输入钳位及滤波模块Q₁，数据采样及解调模块Q₂，时钟处理模块Q₃和对齐处理模块Q₄；输入钳位及滤波模块Q₁用于对输入的串行数字码及时钟信号进行滤波处理；数据采样及解调模块Q₂的输入端为信号输入端，用于接收和解调串行数字码；时钟处理模块Q₃的输入端为时钟输入端，将处理后的时钟信号输出给数据采样及解调模块Q₂和对齐处理模块Q₄，对齐处理模块Q₄结合时钟信号，将解调后的串行数字码做帧对齐处理，输出为并行控制信号；所述限流阈值生成单元，用于根据并行控制信号生成限流阈值参考电平。

3.根据权利要求1所述的可编程的高侧驱动芯片限流电路，其特征在于：所述限流阈值生成单元包括电流基准源Q₅、开关及电阻网络Q₆、缓冲器Q₇、输出晶体管P₁、限流电阻R₁和限流电阻R₂；

所述开关及电阻网络Q₆的输入端与数字输入单元的输出端连接；所述缓冲器Q₇的同相输入端与电流基准源Q₅和限流电阻R₁的一端连接，反相输入端与输出晶体管P₁的源极和限流电阻R₂的一端连接，输出端与输出晶体管P₁的栅极连接；所述输出晶体管P₁的漏极与开关及电阻网络Q₆的输出端连接；所述限流电阻R₁和限流电阻R₂的另一端与外部供电电源V_supply连接。

4.根据权利要求1所述的可编程的高侧驱动芯片限流电路，其特征在于：所述电流采样单元包括采样晶体管N₁、误差比较器Q₈、可调电流源Q₉、镜像电流单元Q₁₀和低压电源Q₁₁；

所述采样晶体管N₁的栅极与栅端控制单元连接，源极与误差比较器Q₈的同相输入端连接；所述误差比较器Q₈的反相输入端与功率管M₀的漏极连接，输出端与可调电流源Q₉的输入端连接；所述可调电流源Q₉的输出端与镜像电流单元Q₁₀的输入端连接；所述低压电源Q₁₁与镜像电流单元Q₁₀连接，为镜像电流单元Q₁₀供电；所述镜像电流单元Q₁₀输出采样电流至电压比较器。

5.根据权利要求4所述的可编程的高侧驱动芯片限流电路，其特征在于：所述采样晶体管N₁的栅极与功率管M₀的栅极电位相等，所述采样晶体管N₁根据预设电流采样系数采集流经功率管M₀的电流；误差比较器Q₈与采样晶体管N₁通过负反馈连接，调制校准采样晶体管N₁采样的电流；采样的电流通过可调电流源Q₉进行分配，根据预设调整比例输入镜像电流单元Q₁₀；镜像电流单元Q₁₀输出采样电流至电压比较器。

6.根据权利要求5所述的可编程的高侧驱动芯片限流电路，其特征在于：所述采样电流的计算公式为：

I_s＝Ks1×Ks2×I₀

式中，Ks1为采样晶体管N₁的预设电流采样系数，Ks2为可调电流源Q₉的预设调整比例；I₀为负载电流。

7.根据权利要求6所述的可编程的高侧驱动芯片限流电路，其特征在于：所述预设电流采样系数Ks1的计算公式如下：

式中，μ_n为载流子迁移率，C_ox为采样晶体管N₁的单位面积栅电容，为采样晶体管N₁的宽长比，为功率管M₀的宽长比，V_offset为误差比较器Q₈的输入失调电压。

8.根据权利要求1所述的可编程的高侧驱动芯片限流电路，其特征在于：所述电压比较器的第一输入端与限流阈值生成单元的输出端连接，第二输入端与电流采样单元的输出端和接地电阻R_s均连接。