一種應用于大功率電機驅動芯片的過流保護檢測電路的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種應用于大功率電機驅動芯片的過流保護檢測電路，包括MOSFET管MI、電流采樣管MII、電壓比較器VC、MOS管M6和電流比較器IC。MOSFET管MI的源極和電源采樣管MII的源極與電機電源電壓VBB連接，MOSFET管MI的柵極和電源采樣管MII的柵極連接在一起，MOSFET管MI的漏極和電源采樣管MII的漏極分別與電壓比較器VC的兩個輸入端連接，電壓比較器VC的輸出端與電流比較器IC的輸入端連接，并在電流比較器IC中與基準電流Iref比較，根據比較結果進行電機電流充電模式下的最大峰值輸出電流保護。
【專利說明】一種應用于大功率電機驅動芯片的過流保護檢測電路

【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種電機驅動芯片的過流保護檢測電路，尤其涉及一種在高壓大功率的電機驅動芯片的過流保護檢測電路。

【背景技術】
[0002]在電極驅動應用中，為了提高電機的輸出功率，要求流過電機馬達線圈的電流足夠大，這就要求電機的驅動電路有足夠的驅動能力，能夠為電機提供足夠的驅動電流。在增大了驅動電流的同時，還要注意電機的安全工作電流限制，這就對電路的過載電流提出了限制，因此需要對通過電機的電流峰值進行監測；在驅動電路內部，設計一個過流保護模塊，同步檢測流過電機的上升電流，設定一個安全工作閾值，使得流過電機的電流超過這個預設的閾值時，能夠自動啟動過流保護功能，避免電機的過熱損毀。
[0003]電機的馬達需要的額定電流通常較大，一般大于1A，太大的電流不容易進行處理，技術難度很大。一般的做法是通過一個采樣器件將大的電流采樣等比例縮小后，再處理這個小的采樣電流。對此采樣電流的處理不外乎兩個方式，一個是直接進行電流的比較，將采樣電流與一個精密的基準電流作對比，共同輸入一個電流比較器，當充電的電流上限到來，峰值電流超過了基準電流，使得比較器翻轉，其輸出提供給控制模塊，控制電機驅動電路停止給電機充電。另一個方式是首先進行電流電壓的轉化，采樣電流流過電阻后轉化為電壓，此電壓同基準電壓進行比較，比較輸出送給控制模塊，關斷電機驅動電路。
[0004]因此，本領域的技術人員致力于開發一種新型的電流采樣檢測電路，采用采樣電流與基準電流直接比較的方式，實現在電流充電過程中的過流關斷保護。
實用新型內容
[0005]有鑒于現有技術的上述缺陷，本實用新型所要解決的技術問題是提供一種應用于大功率電機驅動芯片的過流保護檢測電路。
[0006]為實現上述目的，本實用新型提供了一種應用于大功率電機驅動芯片的過流保護檢測電路，其特征在于，包括MOSFET管、電流采樣管MI1、M0S管M6、電流源I trip、電壓比較器VC和電流比較器IC;
[0007]所述MOSFET管MI的源極與電機電源電壓VBB連接，柵極與所述電流采樣管MII的柵極連接在一起；漏極分別與所述電壓比較器VC的輸入端和所述電流源Itrip的輸入端連接；
[0008]所述電流采樣管MII的源極與所述電機電源電壓VBB連接，柵極與所述MOSFET管MI的柵極連接，漏極分別與所述電壓比較器VC的輸入端和所述MOS管M6的漏極連接；
[0009]所述電壓比較器VC的輸出端IN分別與所述MOS管M6的柵極和所述電流比較器IC的輸入端連接；
[0010]所述電流源Itrip是所述電機的線圈電流；
[0011 ] 所述MOS管M6的源極直接與地相連；
[0012]所述電流比較器IC的輸入端輸入基準電流Iref。
[0013]在本實用新型的一個較佳實施例中，所述過流保護電路還包括MOSFET管M3和MOSFET管M4 ;增加的MOSFET管M3和M4保證了 MOSFET管MI和電流采樣管MII在關斷是能夠快速徹底關斷，避免出現關斷后靜態電流仍然較大的問題。
[0014]所述MOSFET管M3的柵極與所述MOSFET管的柵極相連，所述MOSFET管M3的源極分別與所述電機電源電壓VBB和所述MOSFET管MI的柵極連接，所述MOSFET管M3的漏極分別與所述電壓比較器VC的負相輸入端和所述MOSFET管MI的漏極連接；
[0015]所述MOSFET管M4的源極分別與所述電機電源電壓VDD和所述MOSFET管MII的柵極連接，所述MOSFET管M4漏極分別與所述電壓比較器VC的輸入端和所述功率MOSFET管MI的漏極連接。
[0016]在本實用新型的一個較佳實施例中，所述過流保護電路還包括MOS管M5，所述MOS管M5連接在所述電流采樣管MII的漏極與所述MOS管M6的漏極之間，所述MOS管M5的漏極與所述電流采樣管MII的漏極連接，源極與所述MOS管M6的漏極連接，鉗位電壓VREG接入所述MOS管M5的柵極。
[0017]進一步地，所述電壓比較器VC包括若干MOSFET管、若干MOS管、三極管Ql和三極管Q2 ；
[0018]所述電壓比較器VC的輸入信號輸入到所述三極管Ql的基極，負相輸入信號輸入到所述三極管Q2的基極；所述電壓比較器VC的輸出端位于MOS管M24和MOS管M21的漏極之間；
[0019]所述MOSFET管MI和所述電流采樣管MII的柵極電壓G_UP輸入到MOSFET管Mil、MOSFET 管 M12、MOSFET 管 M13 和 MOSFET 管 M14 的源極；M0SFET 管 Mll 和 MOSFET 管 M12、MOSFET管M13和MOSFET管M14是電流鏡結構；
[0020]所述三極管Ql的集電極與MOSFET管M12的柵極和漏極連接，發射極與MOSFET管M16的漏極連接；所述三極管Q2的集電極與MOSFET管M13的柵極和漏極連接，發射極與MOSFET管M16的漏極連接；
[0021]所述鉗位電壓VREG輸入到MOSFET管M15、MOSFET管M16和MOSFET管M17的柵極；M0SFET管M15的漏極與MOSFET管Mll的漏極連接，源極與MOS管M18的柵極和漏極連接；M0SFET管M16的源極與MOS管M20的漏極連接；M0SFET管M17的漏極與MOSFET管M14的漏極連接，源極與MOS管M12的柵極和漏極連接；
[0022]電源電壓VDD接入MOS管M23和MOS管M24的源極；M0S管M18、MOS管M19、MOS管M20、MOS管M21和MOS管M22的源極直接接地；M0S管M20的柵極與偏置電流BIASN連接；M0S管M19、M0S管M21、MOS管M23和MOS管M24是電流鏡結構。
[0023]進一步地，所述三極管Ql和所述三極管Q2采用NPN管。
[0024]在本實用新型的一個較佳實施例中，所述電流比較器IC包括若干MOS管；
[0025]所述電流比較器IC的輸入端IN與MOS管M34的柵極連接，所述基準電流Iref接入到MOS管31的柵極；所述電流比較器IC的輸出端位于MOS管M37的漏極和MOS管M38的漏極之間；
[0026]電源電壓VDD接入MOS管M32、MOS管M33、MOS管M35和MOS管M37的源極；M0S管M31、M0S管M34、M0S管M36、和MOS管M38的源極直接接地；M0S管M32的柵極和MOS管M33的柵極連接；MOS管M35的柵極和MOS管M36的柵極連接；M0S管M37的柵極和MOS管M38的柵極連接。
[0027]進一步地，在所述電流比較器IC中，所述MOS管M35和所述MOS管M36組成一個反相器；所述MOS管M37和所述MOS管M38組成一個反相器。
[0028]進一步地，所述電流采樣管MII的柵極電壓G_UP要大于所述電機電源電壓VBB。
[0029]在本實用新型的較佳實施方式中，采用MOSFET管M1、電流采樣管MI1、電壓比較器VC、電流比較器IC和MOS管M6。MOSFET管M I的寬長比與電流采樣管M II的寬長比之比為:(W/L) 1: (ff/L) II = m:l，將大電流經過采樣縮小m倍產生采樣電流。電壓比較器VC的負反饋環路保證M I與M II工作在相同的VDS，保證MI和MII的工作狀態完全相同，確保流過兩個管子的鏡像比例精度，同時實現高電壓向的電壓控制的轉換，提高電路的鏡像比例精度。MOS管M6是承接采樣電流的調整管。采樣電流和基準電流Iref經過比較器后輸出送到控制電路進行關流關斷操作。電流比較器IC的作用是將采樣電流和Iref進行比較轉換為過流保護電路的數字控制輸出信號。
[0030]本實用新型為了保證功率管MI和采樣管MII在關斷時能夠快速徹底關斷，避免出現關斷后靜態電流仍較大問題，在保護電路中增加了 MOSFET管M3和M4。還增加了 MOSFET管M5，以實現高壓工作時對低壓管子的箝位保護。而且，考慮到電路中的工作電壓問題和功率器件的耐壓能力，對電壓比較器VC和電流比較器IC的電路結構進行了優化。本實用新型的過流保護電路，實現了在高壓大電流工作模式下的峰值電流檢測，并將高電壓轉化為低壓控制信號的功能；實現了低壓控制電路對高壓電路的控制操作。
[0031]以下將結合附圖對本實用新型的構思、具體結構及產生的技術效果作進一步說明，以充分地了解本實用新型的目的、特征和效果。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0032]圖1是本實用新型的應用于大功率電機驅動芯片的過流保護檢測電路的一個較佳實施例的電路結構圖；
[0033]圖2是本實用新型的應用于大功率電機驅動芯片的過流保護檢測電路的另一個較佳實施例的電路結構圖；
[0034]圖3是本實用新型的應用于大功率電機驅動芯片的過流保護檢測電路中的電壓比較器VC的電路結構圖；
[0035]圖4是本實用新型的應用于大功率電機驅動芯片的過流保護檢測電路中的電流比較器IC的電路結構圖。

【具體實施方式】
[0036]下面結合附圖對本實用新型的實施例作詳細說明:本實施例在以本實用新型技術方案前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本實用新型的保護范圍不限于下述的實施例。
[0037]如圖1所示，本實用新型的一種應用于大功率電機驅動芯片的過流保護檢測電路包括MOSFET管M1、電流采樣管MI1、M0S管M6、電流源I trip、電壓比較器VC和電流比較器1C。
[0038]MOSFET管MI的源極與電機電源電壓VBB連接，柵極與電流采樣管MII的柵極連接在一起，漏極分別與電壓比較器VC的負相輸入端和電流源Itrip的輸入端連接。
[0039]電流采樣管MII的源極與電機電源電壓VBB連接，柵極與MOSFET管MI的柵極連接，漏極分別與電壓比較器VC的正相輸入端和MOS管M6的漏極連接。
[0040]電壓比較器VC的輸出端IN分別與MOS管M6的柵極和電流比較器IC的負相輸入端連接；M0S管M6的源極直接與地相連；所述電流比較器IC的正相輸入端輸入基準電流Iref0
[0041]如圖1所示，由于電機驅動的MOSFET管MI工作于開關模式，導通時處于MOS管的線性區，VDS約是0.1V，電機驅動電路的門級驅動電壓一般都要大于其源級電壓，使得門級驅動的柵極電壓G_UP高于電機電源電壓VBB。對于30V的VBB —般設計為35V，此部分功能由電路的電荷泵產生。而電路的邏輯控制部分的電源電壓VDD常常采用5V的低壓。在電路的設計中要注意高低壓間的轉換和保護。在本實用新型的一個較佳實施例中，設定高&G_UP = 35V，而VBB = 30V，VDD = 5V，因此，本實用新型的電路結構是高壓采樣電路與低壓輸出的電路結構。
[0042]在本實用新型的一個較佳實施例中，過流保護電路進行了改進，增加了 MOSFET管M3和MOSFET管M4和MOS管M5。增加MOSFET管M3和M4是為了保證MOSFET管MI和電流采樣管MII在關斷是能夠快速徹底關斷，避免出現關斷后靜態電流仍然較大的問題。而MOS管M5是為了實現高壓工作時對低壓管子的箝位保護
[0043]增加了 M3、M4和M5的過流保護電路具體如圖2所示。M3的柵極與MI的柵極相連，M3的源極分別與電機電源電壓VBB和MI的柵極連接，M3的漏極分別與電壓比較器VC的負相輸入端和MI的漏極連接。
[0044]M4的源極分別與電機電源電壓VDD和MII的柵極連接，M4漏極分別與VC的正相輸入端和MI的漏極連接。
[0045]M5的漏極與電流采樣管MII的漏極連接，源極與M6的漏極連接，鉗位電壓VREG接入M5的柵極。
[0046]進一步地，考慮到電路中的工作電壓問題和功率器件的耐壓能力，本實用新型對電壓比較器VC和電流比較器IC的電路結構進行了重新設計，電壓比較器VC的電路如圖3所示，電流比較器IC的電路如圖4所示。
[0047]電壓比較器VC如圖3所示，包括MOSFET管Ml I?M17、M0S管M18?M24、三極管Ql 和 Q2。
[0048]MI和MII的柵極電壓G_UP輸入到Mil、M12、M13和M14的源極；M11和M12、M13
和M14是電流鏡結構。
[0049]Ql的集電極與M12的柵極和漏極連接，Ql的發射極與M16的漏極連接；Q2的集電極與M13的柵極和漏極連接，Q2的發射極與M16的漏極連接。
[0050]鉗位電壓VREG輸入到M15、M16和M17的柵極；M15的漏極與Mll的漏極連接，M15的源極與M18的柵極和漏極連接；M16的源極與M20的漏極連接；M17的漏極與M14的漏極連接，M17的源極與M12的柵極和漏極連接。
[0051]電源電壓VDD接入M23和M24的源極；M18、M19、M20、M21和M22的源極直接接地；M20的柵極與偏置電流BIASN連接；M19、M21、M23和M24是電流鏡結構。
[0052]在本實用新型的一個較佳實施例中，三極管Ql和Q2采用NPN管。
[0053]如圖4所示，電流比較器IC包括MOS管M31?M38。
[0054]電源電壓VDD接入M32、M33、M35和M37的源極；M31、M34、M36jPM38的源極直接接地；M32的柵極和M33的柵極連接；M35的柵極和M36的柵極連接；M37的柵極和M38的柵極連接。
[0055]本實用新型的過流保護電流在進行過流保護過程中，
[0056]首先，使用G_UP作為過流保護電路的高壓電源，由于電壓比較器VC的負相輸入INN和電壓比較器VC的正相輸入INP的采樣電壓都是近似等于電機電源電壓VBB的高電壓，使得圖3中M11、M12、M13和M14的工作電壓要求高于VBB，使得電路的功耗很大。并且，通過添加同步控制關斷結構，使得電路相當復雜。而采用G_UP作為過流保護電路的高壓電源，由于H橋的工作方式，充電時，相應半橋的上端功率管才導通，而相對的半橋上管關斷。利用這個特性，只需要使得過流保護電路工作在開啟的半橋即可，關斷的半橋過流保護電路不需要工作，當然其功耗也就可以不考慮。由于采用的都是N型MOSFET作功率管，對上管M0SFET，只有當G_UP為高電平時才能開啟工作，G_UP為低電壓時N型MOSFET關斷。當半橋的上管導通充電時，過流保護電路同步開啟，檢測該半橋通路的充電電流，相對半橋的過流保護電流可以關閉以降低功耗。當半橋由導通轉為關斷時，G_UP降為低電平，此時，該半橋的過流保護也被關斷。G_UP的電壓上升沿要快，由于過流保護分流了部分電流，使得MOSFET的開啟速度會變慢，設計時要注意開啟瞬間G_UP的上升速度。
[0057]如圖3所示，電壓比較器VC是跨導放大器，G_UP = 35V，VDD和VREG —般為2.7?6V,在本實施例中，VDD = 5V, VREG = 5V，而INN和INP電壓約為VBB電壓30V，高壓MOSFET管M15、M16、M17可以理解為高壓有源電阻，使得高電壓值大都降在其VDS上，同時他們的柵極由VREG = 5V鉗位，其VGS約為2V，其源級電壓VS = 3.0V左右，這樣，他們的源級連接的器件都能安全的工作在5V以下的安全工作區。實現高壓到低壓的轉換。由于他們的作用等同于有緣電阻，而流過他們的電流由他們連接的電流源提供，所以通過調整其W/L(寬長比)選取適當的電阻值可以使得G_UP在相當大的范圍內變化時，電路都能滿足對電源電壓的要求。Ql、Q2使用npn管子，是利用npn管子的耐壓高于MOS的柵極耐壓，滿足對MI和MII源級大電壓的工作需要。M12/M13為二極管負載，將INN和INP上的差模電壓經過差分對Q1/Q2的跨導級轉化為電流，經過M11/M12和M13/M14的鏡像傳到低壓管M18/M22。由于沒有電流的分路，其上的電流保持1:1的傳送。此時完成了高壓向低壓的轉化。轉化下來的低壓電流通過電流鏡M19/M21/M23/M24的鏡像，匯聚到M21、M24的漏極，完成兩路電流的疊加，實現IN處高電壓到OUT處低電壓的轉變。
[0058]電壓比較器VC為反饋環路提供環路增益，其輸出控制了 M6的柵極，M6為共源放大器，進一步增大了環路的增益，通過反饋環路的作用，控制流過M6的電流精確鏡像電機線圈電流Itrip。M5的加入，能夠使得低壓M6管工作在安全電壓范圍。
[0059]圖4所示的電流比較器IC為最后的過流保護低壓控制信號形成過程。IN連接VC的OUT輸出，也就是M6和M34的VGS電壓相同，形成了一個比例系數為η:1的電流鏡，將Μ6流過的電流進一步縮小為I/η。調整Μ33的寬長比，使得Μ33和Μ34構成的比較器翻轉閾值約為Μ6流過Imax/m時的VDS電壓。Iref為基準電流，通過確定下來的M33、M34選擇M32、M31的W/L比。反向器M35/M36和M37/M38對M33、M34比較器輸出的電壓信號進行整形，其工作電壓都是VDD = 5V。到此，整個過流保護電路的輸出信號得到了完好的處理。高壓VBB工作信號實現了到VDD低電壓控制信號的轉變。
[0060]以上詳細描述了本實用新型的較佳具體實施例。應當理解，本領域的普通技術無需創造性勞動就可以根據本實用新型的構思作出諸多修改和變化。因此，凡本【技術領域】中技術人員依本實用新型的構思在現有技術的基礎上通過邏輯分析、推理或者有限的實驗可以得到的技術方案，皆應在由權利要求書所確定的保護范圍內。
【權利要求】
1.一種應用于大功率電機驅動芯片的過流保護檢測電路，用于在電機的線圈電流超過基準電流Iref時啟動過流保護，其特征在于，包括MOSFET管M1、電流采樣管MI1、M0S管M6、電流源Itrip、電壓比較器VC和電流比較器IC ;所述電流源Itrip是所述電機的線圈電流；所述電流比較器IC的輸入端輸入基準電流Iref ； 所述MOSFET管MI的源極與電機電源電壓VBB連接，柵極與所述電流采樣管MII的柵極連接在一起；漏極分別與所述電壓比較器VC的輸入端和所述電流源Itrip的輸入端連接； 所述電流采樣管MII的源極與所述電機電源電壓VBB連接，柵極與所述MOSFET管MI的柵極連接，漏極分別與所述電壓比較器VC的輸入端和所述MOS管M6的漏極連接； 所述電壓比較器VC的輸出端IN分別與所述MOS管M6的柵極和所述電流比較器IC的輸入端連接； 所述MOS管M6的源極直接與地相連； 所述電流比較器IC輸出控制信號以啟動所述過流保護。
2.如權利要求1所述的一種應用于大功率電機驅動芯片的過流保護檢測電路，其中，其中，所述電流采樣管MII的柵極電壓G_UP要大于所述電機電源電壓VBB。
3.如權利要求1所述的一種應用于大功率電機驅動芯片的過流保護檢測電路，其中，所述過流保護電路還包括MOS管M5，所述MOS管M5連接在所述電流采樣管MII的漏極與所述MOS管M6的漏極之間，所述MOS管M5的漏極與所述電流采樣管MII的漏極連接，源極與所述MOS管M6的漏極連接，鉗位電壓VREG接入所述MOS管M5的柵極。
4.如權利要求3所述的一種應用于大功率電機驅動芯片的過流保護檢測電路，其中，所述電壓比較器VC包括若干MOSFET管、若干MOS管、三極管Ql和三極管Q2 ； 所述電壓比較器VC的正相輸入信號輸入到所述三極管Ql的基極，負相輸入信號輸入到所述三極管Q2的基極；所述電壓比較器VC的輸出端位于MOS管M24和MOS管M21的漏極之間； 所述MOSFET管MI和所述電流采樣管MII的柵極電壓G_UP輸入到MOSFET管Ml1、MOSFET 管 M12、MOSFET 管 M13 和 MOSFET 管 M14 的源極；M0SFET 管 Mll 和 MOSFET 管 M12、MOSFET管M13和MOSFET管M14是電流鏡結構； 所述三極管Ql的集電極與MOSFET管M12的柵極和漏極連接，發射極與MOSFET管M16的漏極連接；所述三極管Q2的集電極與MOSFET管M13的柵極和漏極連接，發射極與MOSFET管M16的漏極連接； 所述鉗位電壓VREG輸入到MOSFET管M15、MOSFET管M16和MOSFET管M17的柵極；MOSFET管M15的漏極與MOSFET管Mll的漏極連接，源極與MOS管M18的柵極和漏極連接；MOSFET管M16的源極與MOS管M20的漏極連接；M0SFET管M17的漏極與MOSFET管M14的漏極連接，源極與MOS管M12的柵極和漏極連接； 電源電壓VDD接入MOS管M23和MOS管M24的源極；M0S管M18、M0S管M19、M0S管M20、MOS管M21和MOS管M22的源極直接接地；M0S管M20的柵極與偏置電流BIASN連接；M0S管M19、M0S管M21、MOS管M23和MOS管M24是電流鏡結構。
5.如權利要求4所述的一種應用于大功率電機驅動芯片的過流保護檢測電路，其中，所述三極管Ql和所述三極管Q2采用NPN管。
6.如權利要求3所述的一種應用于大功率電機驅動芯片的過流保護檢測電路，其中，所述電流比較器IC包括若干MOS管； 所述電流比較器IC的輸入端IN與MOS管M34的柵極連接，所述基準電流Iref接入到MOS管31的柵極；所述電流比較器IC的輸出端位于MOS管M37的漏極和MOS管M38的漏極之間； 電源電壓VDD接入MOS管M32、M0S管M33、M0S管M35和MOS管M37的源極；M0S管M31、MOS管M34、MOS管M36、和MOS管M38的源極直接接地；M0S管M32的柵極和MOS管M33的柵極連接；M0S管M35的柵極和MOS管M36的柵極連接；M0S管M37的柵極和MOS管M38的柵極連接。
7.如權利要求6所述的一種應用于大功率電機驅動芯片的過流保護檢測電路，其中，在所述電流比較器IC中，所述MOS管M35和所述MOS管M36組成一個反相器；所述MOS管M37和所述MOS管M38組成一個反相器。
【文檔編號】H02H3/08GK203983941SQ201320784916
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2013年12月2日 優先權日:2013年12月2日
【發明者】陳路鵬, 王良坤, 朱鐵柱, 張明星, 夏存寶, 黃武康 申請人:嘉興中潤微電子有限公司