一種應用于高邊驅動芯片的負載開路檢測電路設計

魯懷賢

（1.合肥工業大學 微電子學院，安徽合肥，230009；2.合肥仙湖半導體科技有限公司，安徽合肥，230061）

0 引言

高邊功率驅動芯片通過將控制模塊、驅動模塊及其它保護電路模塊與功率器件集成在一起，可以實現更多的功能，在新能源汽車、自動化控制及其它電子產品等領域得到廣泛應用[1-2]。為了保證驅動芯片的正常工作，需要加入各種保護電路，其中，負載開路檢測電路通過對負載狀態進行實時檢測反饋，在負載發生開路故障時及時向系統發出反饋信號。此類電路一般是對負載上的電流進行檢測，第一種方法是在主通路上檢測分壓電阻上的電流，但這會帶來冗余的電壓消耗[3]。另外一種方法是采用一個與主功率管尺寸成比例的檢測管，對檢測管支路流過的電流進行檢測。這種方法雖然不會給主通路帶來冗余的電壓消耗，但在負載電流很小的情況下，鏡像復制的電流精度會降低，導致誤差過大，使檢測電路的可靠性下降。

本文針對高邊功率驅動芯片，設計優化了一種新型負載開路檢測電路。該電路采用雙重判決模式和滯回比較器，解決傳統電流檢測引起的冗余電壓和檢測誤差的問題，以及外部干擾導致功率管反復開關的問題，提高了負載開路檢測的精確度和可靠性。

1 傳統負載開路檢測電路

在驅動電路中負載開路檢測電路的作用是對負載狀態進行實時檢測和反饋。檢測負載狀態主要有兩種方式：一是測量功率管的壓降大小，若負載處于開路狀態，該壓降會低于設定的閾值。由于功率管正常工作時導通電阻很小，且易隨電流和溫度變化，導致功率管的導通壓降小且波動大，難以檢測；二是對負載電流進行檢測，當負載電流小于設定的閾值電流時，認為負載處于開路狀態。

對負載電流進行檢測的傳統負載開路檢測電路如圖1所示。圖中MP為功率管，MS為檢測管，MP的寬長比是MS的N倍。MP源端連接負載RL，MS源端連接電流源IREF，通過對MP和MS源端的電位比較來檢測負載電流。設閾值電流IL0=N·IREF，當負載電流IL小于IL0時，開路故障信號Openload為高。然而，比較器的失調會限制閾值電流IL0的大小，具體分析過程如下：

圖1 傳統負載開路檢測電路

圖1 中比較器輸入端分別為Vout和VS，設兩輸入端的差值為Voff，即：

此外：

其中RonP為功率管MP的導通電阻，RonS為檢測管MS的導通電阻。

由上面三式可以得到：

由于RonSRonP=N，代入式（4）得到：

取N·IREF= 3VoffRonP，則能檢測到的閾值電流為：

從式（6）可以看出能檢測到的閾值電流與功率管MP的導通電阻成反比。在實際應用中，負載開路對應的閾值電流通常應小于10mA，因此功率管的導通電阻不能太小，這與在傳統電路中對功率管低導通電阻高效率的要求是相矛盾的；其次，必須降低比較器的失調電壓，這會使電路設計的復雜度大大增加；最后，高邊功率驅動芯片面臨惡劣的工作環境，傳統電路無法確保芯片的正常工作。綜合來看，傳統的檢測電路無法滿足設計要求，因此本文提出一款新型負載開路檢測電路。

2 新型負載開路檢測電路

2.1 滯回比較器

比較器在電路狀態檢測時起到至關重要的作用，在保證電路復雜度適宜的情況下，增加比較器的增益，可以提高檢測精度。圖2為一種典型的比較器結構，VN、VP為同相與反相輸入端，通過電阻RN、RP調整輸入端電壓保證比較器正常工作，IN_C作為使能信號，控制比較器電路在主電路上電工作時運行。為提高整個比較器的檢測精度，在比較器輸出端加入兩個反相器，能夠使比較器增益大大增加，從而大大提高檢測精度。

圖2 典型比較器

在此基礎上，在比較器的輸出端和同相輸入端之間連接電阻，在正反饋的作用下會出現滯回現象，這種結構稱為滯回比較器。如圖3所示，VP=[R2/(R1+R2)]·(VREF－Vout),根據虛短VN=VP，即可得出兩個閾值電壓：在Vout的上升沿處（0～VCC），VP1=[R2/(R1+R2)]·VREF，在Vout的下降沿處（VCC～0），VP2=[R2/(R1+R2)]·(VREF－VCC)。

圖3 滯回比較器

在比較器運行時，如果有噪聲或干擾出現，都會使比較器在兩個不同的輸出狀態之間產生額外的頻繁跳變，這種情況會造成功率管不必要的開關功耗和信號振蕩。而滯回比較器的Vout在上升和下降時輸入端的數值不同，這樣可以避免誤信號的干擾，提高檢測的有效性，降低功率管的無效開關功耗，因此本設計采用滯回比較器規避這類問題的發生。

2.2 新型開態負載開路檢測電路的設計

針對檢測精度不高、檢測電流閾值太大及噪聲影響等問題，本節提出一種新型負載開路檢測方法。如圖4所示，采用雙重檢測模式對負載是否開路進行檢測。首先是由MP及滯回比較器OP1構成的第一重檢測電路，檢測功率器件MP兩端的電壓降。當OP1輸出為低電平時，通過邏輯運算MP被關閉，輸出可能出現負載開路的信號指令Possible fault，提示電路可能存在故障；而后由MS支路上RS和比較器OP2構成的第二重檢測電路開始運行，對電阻RS上的電流進行檢測，當OP2輸出為低電平時，兩個比較器信號都滿足開路檢測，Openload輸出高電平，表示負載開路，通過邏輯運算進行信號輸出和電路關斷處理。因此當第一重檢測電路輸出低電平時會提示電路可能存在故障，只有當雙重電路都輸出低電平時才會直接關斷電路并輸出故障信號。

圖4 新型負載開路檢測電路原理圖

具體分析如下：對于第一重檢測電路，VMP為功率管MP上的電壓降，VMP0是設定的判斷閾值電壓，即VREF=VCCVMP0。VMP＞VMP0時，有Vout＜VREF，OP1輸出高電平，芯片正常工作；當VMP＜VMP0時，有Vout＞VREF，OP1輸出低電平，第一重檢測電路判斷負載處于開路狀態，芯片負載可能處于開路，電路輸出提示信號；對于第二重檢測電路，IL為負載RL上流過的電流，IL0為設定的判斷閾值電流（IL0=V1/RS），IL＞IL0時，VRs=IL0·RS＜V1，OP2輸出為高電平，芯片正常工作；當IL

可以看出，本文設計的負載開路檢測電路有如下優勢：

（1）功率管的導通電阻不會對負載閾值電流的檢測造成影響；

（2）檢測電阻RS只在檢測通路中消耗壓降，不會消耗主通路上的電壓降；

（3）比較器的失調電壓不會限制檢測電流閾值的大小；

（4）采用雙重判決模式，規避了負載電流和溫度的波動造成干擾信號的可能性；

（5）采用滯回比較器，降低了輸入波動，或其他噪聲、干擾對檢測準確度的影響，整體提高了檢測的有效性和系統的穩定性。

3 新型負載開路檢測電路的應用及仿真

3.1 新型負載開路檢測電路應用

本文設計電路的應用系統如圖5所示。對于高邊驅動功率芯片，其工作環境往往很惡劣，從圖5可以看到有諸多保護電路確保芯片不會因外界干擾喪失功能，保證芯片正常工作。本應用中的柵極保護，主要是確保電路工作時柵極電壓大于漏極電壓，功率管工作在正確的狀態；過壓保護電路實現48V的過壓保護，在電源電壓高于48V時，過壓保護電路輸出高電平，經過邏輯電路運算，關閉芯片，待電壓低于38V時再次啟動芯片；過溫保護電路實現150℃的過溫保護，在芯片溫度達到150℃時，過溫保護電路輸出高電平，經過邏輯電路運算，關閉芯片，待溫度回落至140℃時再次啟動芯片，避免震蕩；欠壓保護電路實現3.5V的欠壓保護，在電源電壓低于3.5V時欠壓保護電路輸出高電平，經過邏輯電路運算，關閉芯片，待電壓高于4.5V時再次啟動芯片；負載開路檢測電路實現檢測負載電流3mA，98.5%的檢測精度，當負載電流低于3mA時，負載開路檢測電路輸出高電平，經過邏輯運算，關閉芯片，待故障解除后，芯片自啟動。正常工作時，功率管處于線性導通區，為了實現此目的，需要將功率管的柵極電壓抬升至高于漏極電壓，這里采用交叉耦合電荷泵對柵極電壓進行抬升，本應用中采用的電荷泵實現了電壓從12V抬升至14.5V，使功率管工作在線性導通區。下一小節給出負載開路檢測電路的仿真曲線及部分關鍵電路的仿真曲線。

3.2 仿真結果

采用Xfab的SOI工藝庫，在Cadence 617環境下對圖4、圖5中的電路進行仿真，電源電壓VCC=12V。

圖5 高邊驅動電路系統框圖

圖6 為負載電流IL及輸出信號Openload與負載電阻RL阻值的關系曲線。隨著RL的增大（開路模擬），IL不斷減小，功率管上的壓降也在不斷減小，當其小于300mV時，OP1的輸出端VO1為低電平，MP通過邏輯電路被關斷，此時第二重檢測電路進行檢測，當IL＜IL0=3mA時，OP2的輸出端VO2為低電平，此時Openload輸出高電平，表示負載開路。

圖6 負載電流IL及電路輸出Openload與負載電阻RL的關系曲線

圖7 OP1輸出VO1及檢測電路輸出Openload與負載電壓Vout的關系曲線

圖8 驅動電路的輸出電壓曲線

圖7為OP1輸出VO1及電路輸出Openload與負載電壓Vout的關系曲線。在開路檢測過程中，VO1降至低電平，當有信號干擾時，VO1從低電平跳變到高電平會導致Vgate從低電平變為高電平，為了防止干擾導致功率管反復開關，采用了滯回比較器，存在2V電壓的跳變緩沖帶，可以有效避免此類問題發生。

圖8為驅動電路的電壓輸出曲線，通過電荷泵將柵極驅動電壓升壓至14.5V，驅動功率管工作在線性導通區，驅動電壓達到穩定的時間需要50μs。

表1對比了本文設計電路和其他參考文獻電路性能，比較發現，本文設計的電路具有較好的綜合處理性能。

表1 本文設計與其他負載開路檢測電路性能對比

4 結束語

本文設計優化了一款用于高邊驅動芯片的負載開路檢測電路，通過采用雙重檢測電路和滯回比較器，避免電壓檢測中功率管導通電阻變化引起的誤差，以及信號干擾或電壓抖動導致的功率管開關損耗，同時也降低了對比較器精度的要求。本文的負載開路檢測電路，在電路閾值電流為3mA時，檢測精度高達98.5%；保證有2V的抗干擾冗余電壓，滿足了本文的設計要求。