1 引言
由于電源適配器芯片中內(nèi)嵌集成或需要外部連接功率LDMOS 管，應(yīng)用中的LDMOS 管又需要直接和高壓相聯(lián)接并通過大電流(目前的LDMOS 管已經(jīng)能耐受數(shù)百乃至近千伏的高壓)。因此，如何保障芯片和LDMOS 管的安全工作是芯片設(shè)計的重點之一。
利用片上二極管正向壓降的負溫度特性來監(jiān)測芯片的熱狀態(tài)，進而控制功率LDMOS 管的開關(guān)是一種可行的安全設(shè)計方法。但是由于硅片存在熱惰性，故不能做到即時控制。該方法更適宜作安全設(shè)計的第二道防線。
從芯片設(shè)計看，要確保適配器芯片使用的安全性，比較好的方法應(yīng)該是直接監(jiān)測流經(jīng)LDMOS 管的大電流或LDMOS 管的漏極電壓，以實時監(jiān)控芯片的工作狀態(tài)。一般采取兩種方案：(一)在功率MOS 管源端對地串聯(lián)一個小電阻用于檢測源極電流，如圖1(a)所示;(二)是通過檢測電路監(jiān)控LDMOS 的漏端電壓，如圖1(b)所示。前一種方案至少有以下缺點：(1)由于工藝存在離散性，電阻值很難做到精確(誤差在20%左右);(2)源極串入電阻后，使原本導(dǎo)通電阻很大的LDMOS 管的管壓降進一步增大，功率處理能力變?nèi)?(3)電阻上流過大電流，消耗了不必要的能量，降低了開關(guān)電源的轉(zhuǎn)換效率。
圖1(a)串聯(lián)電阻檢測電流圖1(b)直接檢測漏端電壓
而采用后一種方案，因為利用了集成電路的特點(電壓采樣電路的電阻比精度很容易做到1%)，電路處理并不太復(fù)雜。重要的是LDMOS 管沒有源極串聯(lián)電阻，可減少能量損耗，不影響LDMOS 管的功率處理能力，提高了電源轉(zhuǎn)換效率。
直接檢測漏端電壓判斷LDMOS 是否過流的設(shè)計思想是在LDMOS 管導(dǎo)通時，通過采樣電路檢測LDMOS 漏端電壓，經(jīng)比較，過流比較器輸出一個低電平過流信號以關(guān)閉LDMOS 管;而在LDMOS 管截止期間，采樣電路不工作，同時為了提高可靠性將比較器窗口電平適度拉高。
圖2 是實現(xiàn)上述功能的電路框架圖，由過流比較模塊、控制邏輯等組成。
圖2 過流保護電路框架
2 電路設(shè)計
2.1 過流比較模塊
過流比較模塊主要由前沿消隱Leadedge、采樣電路Sample、比較電壓產(chǎn)生器ToCompare 和過流比較器Comparator 等組成，如圖3 所示。
前沿消隱電路由于存在片上寄生或外接電容和電感的影響，在LDMOS 管開啟的瞬間，會在LDMOS 管漏極輸出端出現(xiàn)尖峰電壓，可能造成過流誤判。必須增設(shè)前沿消隱電路，即對LDMOS 管柵控電壓產(chǎn)生一個時間延遲，使在LDMOS 管開啟的瞬間將過流比較器閉鎖，等到尖峰通過后，再對LDMOS 管漏極信號進行采樣測量和過流判斷，從而消除漏電壓尖峰的影響。如圖3 所示，我們在其中加入一個偏置在固定電壓V(BIASN)的NMOS 管，它相當(dāng)于一個固定電流源，以限制電容放電的時間。
圖3 過流比較模塊電路圖
合理設(shè)計相關(guān)的器件參數(shù)可以控制延遲時間的大小。
采樣電路用開關(guān)控制電路實現(xiàn)對LDMOS 漏端的周期性電壓采樣，其中分壓電路可采用大阻值有比電路結(jié)構(gòu)。根據(jù)集成電路的特點，電阻比值的誤差很容易被控制在1%范圍之內(nèi)。
當(dāng)LDMOS 的柵電壓V (GATE) 為高，即LDMOS 管導(dǎo)通時，使圖3 中的采樣開關(guān)管M10(具有較高耐壓和較低導(dǎo)通電阻特性)也導(dǎo)通，同時開始采集LDMOS 管的飽和漏極電壓;而當(dāng)LDMOS 管的柵電壓V(GATE)為低，即LDMOS 管關(guān)閉時(非過流現(xiàn)象)，采樣電路則不工作。
比較電壓產(chǎn)生器的電路工作原理如下：由于過流狀態(tài)只發(fā)生在功率LDMOS 管柵極為高電平狀態(tài)。故當(dāng)V(GATEDelayed)為低電平時，I1、I2和I3將同時對電容Ccompare充電， 使比較電壓V(Compare) 值升高。考慮到采樣電壓最大值為2.5V，為避免誤操作，可設(shè)置比較電壓值為2.7 V，以使后繼比較電路工作的門限電平增加，提高抗干擾能力;與此同時，采樣電容Csample將通過電阻R2快速放電，使采樣電壓V(Sample)快速變?yōu)榱悖聪鄳?yīng)輸出為非過流狀態(tài)。
而當(dāng)柵極電壓V(GATEDelayed)為高電平時，輸出比較電壓則變?yōu)閂(Compare)=I1×R3=1.0 V。
過流比較器過流比較器采用常見的NPN 差分對管的輸入方式，恒流源偏置。與傳統(tǒng)恒流源偏置略有不同的是在偏置電路中增加了MOS 開關(guān)，當(dāng)V(GATE)為高時(此時LDMOS 和該MOS 開關(guān)同時導(dǎo)通)，電路圖左側(cè)恒流源工作，使總偏置電流變大，輸出緩沖級的驅(qū)動電流增大，比較電路速度加快;在V(GATE)為低時，左側(cè)的恒流源不工作，總偏置電流變小(此時LDMOS 不導(dǎo)通，過流比較器處于閑置狀態(tài))，為節(jié)能模式。
2.2 控制邏輯
控制邏輯模塊如圖4 所示，該模塊直接控制LDMOS 的開關(guān)。PULSE 信號的上升沿對應(yīng)是CLOCK 時鐘的開始，PULSE 信號與時鐘CLOCK 的關(guān)系如圖9 所示。當(dāng)發(fā)生過流時，OVERCURRENT信號為低，觸發(fā)器R 端為高，Q 為低，GateSwitch 信號為低，關(guān)斷LDMOS，從而實現(xiàn)過流保護功能。
圖4 控制邏輯電路圖
3 仿真結(jié)果
我們利用BCD 高壓工藝，在cadence 環(huán)境下進行電路仿真驗證。結(jié)果如下：
前沿消隱電路的仿真仿真條件：取電源電壓為5.8 V，2 pF 的電容在10μA 的放電電流情況下，延遲時間為Tdelay=C*0.
5VDD/I =2p*2.9/10μ= 0.58μs，仿真結(jié)果如圖5 所示。
圖5 前沿消隱電路仿真
采樣電路的仿真
設(shè)檢測端電壓一般在10～50 V 之間變化，我們設(shè)置V(Detect)=SIN(30,20,50 k);周期為20μS;又設(shè)在采樣周期內(nèi)，比較電壓為1 V;依據(jù)LDMOS管導(dǎo)通特性，設(shè)輸出漏電壓高于某值(本例為20伏)為過流，則分壓比設(shè)計為K = R4/ ( R3+R4)=5 k/(5 k+95 k)=1/20， 于是得到采樣電壓值為V(Sample)=V(Detect)*k =SIN(1.5,1,50 k)，即最大值為2.5，最小值為0.5。同樣地，我們在采樣電路輸出端加上一個電容以消除電壓尖峰影響。該采樣電路仿真結(jié)果如圖6 所示。
圖6 采樣電路仿真
比較電壓產(chǎn)生器的仿真
在比較電壓產(chǎn)生器輸出端應(yīng)加上電容Ccompare，以消除由于開關(guān)管導(dǎo)通的瞬間在Ccompare端產(chǎn)生的尖峰電壓，仿真結(jié)果如圖7 所示，其中虛/ 實線分別為有無電容存在時的仿真結(jié)果。顯然，電容Ccompare的存在極大地改善了輸出波形。電容Ccompare大小的選擇，應(yīng)該權(quán)衡消峰效果、充電速度和芯片面積消耗間關(guān)系。
圖7 添加電容Ccompare 前后的比較
本例中，取Ccompare為4 pF。過流保護電路模塊的仿真
對圖3 進行電路仿真，電源電壓VCC 為5.8 V，LDMOS 漏端檢測電壓在10～50 V 之間，柵端電壓脈沖頻率為132 kHz，占空比為60%的方波，SPICE仿真條件設(shè)置為VCC=5.8 V，V (Detect)= SIN(30,20,50k)，V (Gate)=PULSE(0,5.8,0.5u,0.5u,0.5u,3u,7u)，仿真結(jié)果如圖8 所示。在1.26 uS~4.17 uS 和8.25 uS~11.2 uS 這兩個采樣區(qū)間內(nèi)，采樣電壓V(Sample)較比較電壓V(Compare)大，輸出為低電平(過流保護，低電平有效);在15.2 uS~18.2 uS 采樣區(qū)間內(nèi)，采樣電壓V (Sample) 較比較電壓V(Compare)小，輸出為高電平，對應(yīng)不發(fā)生過流情況;其他時間段內(nèi)柵電壓處于低電平，對應(yīng)LDMOS處于關(guān)斷態(tài)，不可能發(fā)生過流，故過流輸出信號OverCurrent 為高電平。仿真結(jié)果表明，該電路確實能很好地實現(xiàn)過流保護的功能。
圖8 過流保護電路仿真結(jié)果
控制邏輯電路的仿真
在圖4 所示的控制邏輯中，設(shè)置時鐘CLOCK為PULSE (0,5.8,0,0,0,4u,7u)， 過流信號OVERCURRENT 在15us 時從高電平跳變?yōu)榈碗娖?，進行仿真。PULSE 信號記錄了CLOCK 信號的開始， 并周期性檢測過流信號。當(dāng)過流信號OVERCURRENT 低電平有效時，R 為高電平，將RS觸發(fā)器輸出Q 復(fù)位為低電平，此時FC 為高電平，柵控信號GateSwitch 輸出為低電平，關(guān)斷LDMOS。仿真結(jié)果如圖9(b)所示。
圖9 控制邏輯電路的仿真
閉環(huán)控制電路的整體仿真
如圖10 所示，圖3 電路和外接LDMOS 形成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。仿真結(jié)果如圖11 所示：在沒有發(fā)生過流時，柵極電壓的占空比最大;有過流發(fā)生時，過流信號OverCurrent 將柵極電壓強制設(shè)置為低電平，關(guān)斷LDMOS，從而達到了過流保護效果。
圖10 閉環(huán)總體仿真原理圖
圖11 閉環(huán)總體仿真波形
3 結(jié)論
本文闡述了幾種過流檢測方法，分析了每種方法的優(yōu)缺點。設(shè)計了一款閉環(huán)控制型的過流保護電路，它采用直接檢測LDMOS 管漏端電壓的方法，可以克服采用電阻檢測時消耗能量，芯片容易發(fā)熱的缺點，同時提高了開關(guān)電源DC/DC 的能量轉(zhuǎn)換效率。另外，采取有比采樣電路設(shè)計，克服了工藝偏差的影響，提高了采樣精度。
基于3μm高壓BCD 工藝，我們在Cadence 設(shè)計環(huán)境中利用電路模擬器Spectre 對該控制電路進行了分模塊和整體模塊的仿真，結(jié)果表明該電路可以較好地實現(xiàn)實時過流保護功能。