1 引言
家電、便攜電子設(shè)備和手持電器的迅猛發(fā)展，已使電源適配器芯片成為集成電路的大宗產(chǎn)品類。由于該類芯片中內(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(fù)溫度特性來監(jiān)測芯片的熱狀態(tài)，進(jìn)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(jìn)一步增大，功率處理能力變?nèi)酰唬?）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。
串聯(lián)電阻檢測電流圖1（b）直接檢測漏端電壓" border="0" hspace="0" jquery1313396868343="1" src="http://files.chinaaet.com/images/20110817/2a9591d9-fea3-47f7-ba2d-54789c908667.jpg" style="filter: ; width: 450px; height: 381px; cursor: hand" />
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。
過流保護(hù)電路框架" border="0" hspace="0" jquery1313396868343="2" src="http://files.chinaaet.com/images/20110817/00e2df3c-66bf-441d-b3b1-61305f810b3c.jpg" style="filter: ; width: 450px; height: 355px; cursor: hand" />
圖2 過流保護(hù)電路框架
2 電路設(shè)計
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(qiáng)制設(shè)置為低電平，關(guān)斷LDMOS，從而達(dá)到了過流保護(hù)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(hù)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(jìn)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(hù)功能。