CN111342647A - 一种用于高侧功率开关的限流保护方法及电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于高侧功率开关的限流保护方法及电路，该方法包括：根据采样参数生成触发信号，所述采样参数为采样电流或采样电压；基于所述触发信号泻放所述高侧功率开关的主功率管的栅极电荷；其中，所述采样电流为表征流经所述主功率管的电流，所述采样电压为表征施加在所述主功率管上的电压，从而当高侧功率开关中参数满足短路或过载保护条件时，使的主功率管栅极电压相对其漏极电压VGS降低，降低流经主功率管的电流值，避免主功率管在短路或过载时因延时保护而发生损坏，进而提高高侧功率开关的稳定性和可靠性。
Description
技术领域
本申请涉及开关电源技术领域，更具体地，涉及一种用于高侧功率开关的限流保护方法及电路。
背景技术
高侧功率开关是模拟电路和强劲的负载/输出驱动器的经济高效的集成功率开关，其作为控制电动机、继电器、照明等电路的关键器件，对航空装备飞控系统、电力系统、照明系统等系统的效能和可靠性等起着举足轻重的作用。
传统的高侧功率开关包括主功率管、采样功率管、逻辑电路、驱动电路以及保护电路等，为了实现短路或过载保护，确保高侧功率开关上电过程中的稳定性，则在短路或过载保护电路中设计延时保护，即当高侧功率开关中电压或电流满足短路或过载保护条件时，短路或过载保护电路不会立刻采取保护动作而是保持工作状态一段时间后才启动保护功能，采用该延时保护方式会使功率开关因短路或过载电流过大而发生损坏，使高侧功率开关稳定性受到挑战。
发明内容
本发明提供一种用于高侧功率开关的限流保护方法，用以解决现有技术中高侧功率开关采用该延时保护方式时稳定性不高的技术问题，该方法包括：
根据采样参数生成触发信号，所述采样参数为采样电流或采样电压；
基于所述触发信号泻放所述高侧功率开关的主功率管的栅极电荷；
其中，所述采样电流为表征流经所述主功率管的电流，所述采样电压为表征施加在所述主功率管上的电压。
优选的，基于所述触发信号泻放所述高侧功率开关的主功率管的栅极电荷，具体为：
接收所述触发信号；
基于所述触发信号导通与所述主功率管栅极连接的导通电路，以泻放所述栅极电荷。
优选的，在根据采样参数生成触发信号之前，还包括：
基于采集所述主功率管的电流生成所述采样电流，并将所述采样电流作为所述采样参数；
或，
基于采集所述主功率管的电压生成所述采样电压，并将所述采样电压作为所述采样参数。
优选的，所述触发信号为高电平信号或低电平信号，基于所述触发信号导通与所述主功率管栅极连接的导通电路，具体为：
当所述触发信号为高电平信号时，基于所述高电平信号导通所述导通电路；
当所述触发信号为低电平信号时，基于所述低电平信号导通所述导通电路。
优选的，所述采样电流与所述主功率管的电流成正比例或反比例关系，所述采样电压与所述主功率管的电压成正比例或反比例关系。
相应地，本发明还提出了一种用于高侧功率开关的限流保护电路，包括主功率管，还包括：
信号产生电路，用于感测采样参数，并根据所述采样参数输出触发信号至导通电路，所述采样参数为采样电流或采样电压；
导通电路，用于根据所述触发信号泻放所述主功率管的栅极电荷；
其中，所述采样电流为表征流经所述主功率管的电流，所述采样电压为表征施加在所述主功率管上的电压。
优选的，所述信号产生电路与所述主功率管连接，或所述信号产生电路与所述主功率管的采样电路连接。
优选的，所述导通电路为根据所述触发信号导通并使所述栅极电荷泻放的任一或任意组合的电路或元器件。
优选的，所述导通电路包括开关管或功率管。
优选的，所述信号产生电路为能根据感测所述采样参数产生所述触发信号的任一或任意组合的电路或元器件。
与现有技术对比，本发明具备以下有益效果：
本发明公开了一种用于高侧功率开关的限流保护方法和电路，该方法包括：根据采样参数生成触发信号，所述采样参数为采样电流或采样电压；基于所述触发信号泻放所述高侧功率开关的主功率管的栅极电荷；其中，所述采样电流为表征流经所述主功率管的电流，所述采样电压为表征施加在所述主功率管上的电压，从而当高侧功率开关中参数满足短路或过载保护条件时，使的主功率管栅极电压相对其漏极电压VGS降低，降低流经主功率管的电流值，避免主功率管在短路或过载时因延时保护而发生损坏，进而提高高侧功率开关的稳定性和可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了本发明实施例提出的一种用于高侧功率开关的限流保护方法的流程示意图；
图2示出了本发明实施例提出的一种用于高侧功率开关的限流保护电路的结构示意图；
图3示出了本发明实施例中一种信号产生电路的结构示意图；
图4示出了本发明实施例中另一种信号产生电路的结构示意图；
图5示出了本发明另一实施例提出的一种用于高侧功率开关的限流保护电路的结构示意图；
图6示出了本发明实施例中导通电路的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
如背景技术所述，现有技术中为了实现短路或过载保护，确保高侧功率开关上电过程中的稳定性，则在短路或过载保护电路中设计延时保护，即当高侧功率开关中电压或电流满足短路或过载保护条件时，短路或过载保护电路不会立刻采取保护动作而是保持工作一段时间后才启动保护功能，采用该延时保护方式会使功率开关因短路或过载电流过大而发生损坏，使高侧功率开关稳定性受到影响。
为了解决上述问题，本申请实施例提出了一种用于高侧功率开关的限流保护方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤S101：根据采样参数生成触发信号，所述采样参数为采样电流或采样电压。其中，所述采样电流为表征流经所述主功率管的电流，所述采样电压为表征施加在所述主功率管端的电压。
具体的，为了保证高侧功率开关上电的稳定性，避免上电过程中因偶发的电源电压与主功率管源极电压差值超过预设电压差范围而触发短路或过载保护，则在电路中设计短路或过载保护延时。而当高测功率开关发生短路时，主功率管的电流或电压上升，若不能及时发生保护动作或降低主功率管端的电压或电流，则主功率管会因温度上升而被烧毁或发生损坏，从而使功率开关无法正常工作进而影响到整个系统的稳定性和可靠性。因此，在保证高侧功率开关上电稳定的同时，确保高侧功率开关正常工作过程中不因短路或过载而发生损坏，则需要进行限流保护，即对主功率开关的电流或电压进行采集，并将采集的采样参数与对应的预设参数阈值进行比较，并根据比较结果生成触发信号，使主功率管栅极电荷泻放，实现限流保护。
为了确保高侧功率开关采样准确性，在本申请的优选实施例中，在根据采样参数生成触发信号之前，还包括：
基于采集所述主功率管的电流生成所述采样电流，并将所述采样电流作为所述采样参数；
或，
基于采集所述主功率管的电压生成所述采样电压，并将所述采样电压作为所述采样参数。
具体的，为了确保高侧功率开关在短路或过载保护过程中采样的准确性，本公开可以通过将采集的表征主功率管电流的采样电流作为采样参数，也可通过将采集的表征主功率管电压的采样电压作为采样参数。
需要说明的是，以上优选实施例的方案仅为本申请所提出的一种具体实现方案，本领域技术人员可根据实际情况在高侧功率开管发生短路或过载过载中灵活选用不同的信号采集方式，举例来说，可通过采集主功率管功率变化生成触发信号，当发生短路或过载时，主功率管功率发生变化，根据采集的主功率管功率与预设功率值进行比较，根据比较结果生成触发信号；或根据主功率管功率、电流或电压变化趋势进行判断，判断高侧功率开关是否发生短路或过载，若发生短路或过载则通过外接电路或对原有控制电路进行创作性设计使主功率开关栅极电流泻放。
对于采样电流或采样电压，在本申请的优选实施例中，所述采样电流与所述主功率管的电流成正比例或反比例关系，所述采样电压与所述主功率管的电压成正比例或反比例关系。
具体的，为了准确的对高侧功率开关的工作状态进行判断，则须对其主功率管上流经的电流或电压进行采集。因此，采样电流或采样电压可直接采集于主功率管端与主功率管电流或电压成1:1关系，或来源于与主功率管连接采样电路，其电流或电压与主功率管电流或电压成正比或反比例关系。
步骤S102：基于所述触发信号泻放所述高侧功率开关的主功率管的栅极电荷。
具体的，当高侧功率开关发生短路或过载时，主功率管源极接地，其主功率管栅极电压相对源极电压VGS增大，使得流经主功率管的电流上升，进而导致主功率管因过流而损坏。因此，当采样电流或采样电压上升到一定值并其大于对应的预设参数阈值时，输出触发信号使所述主功率管栅极电荷泻放；或当采样电流或采样电压上升到一定值并小于预设参数阈值时，输出触发信号使所述主功率管栅极电荷泻放，在本申请的具体应用场景中，参考图3示出了本发明实施例中一种信号产生电路的结构示意图，比较器com1正向输入端A用于感测采样参数(如采样电流CS)，输出端与导通电路连接，当采样参数大于对应的预设参数阈值(如电流值)时，输出为高电平信号的触发信号至导通电路，使导通电路导通，从而实现主功率管M1栅极电荷泄放，降低流经主功率管M1的电流。图4示出了本发明实施例中另一种信号产生电路的结构示意图，比较器com1反向输入端B用于感测采样参数(如采样电流CS)，输出端与导通电路连接，当采样参数小于对应的预设参数阈值(如电流值)时，输出为低电平信号的触发信号至导通电路，使导通电路导通，从而实现主功率管M1栅极电荷泻放，降低流经主功率管M1的电流。
为了实现主功率管栅极电荷泄放，在本申请的优选实施例中，基于所述触发信号泻放所述高侧功率开关的主功率管的栅极电荷，具体为：
接收所述触发信号；
基于所述触发信号导通与所述主功率管栅极连接的导通电路，以泻放所述栅极电荷。
具体的，当高侧功率开关正常工作时，其主功率管栅极电压相对源极电压VGS与开启电压VTh差值大于主功率管漏极电压相对源极电压VDS，采样参数不能达到形成触发信号的条件，高侧功率开关导通电路截止，主功率开关栅极电荷不会被泻放。
当发生短路或过载时，主功率管栅极电压相对源极电压VGS与开启电压VTh差值大于主功率管漏极电压相对源极电压VDS，采样参数大于预设参数阈值，或采样参数小于预设参数阈值时，高侧功率开关信号产生电路输出触发信号，使与所述主功率管栅极连接的导通电路导通，泻放所述主功率管栅极电荷泻放，从而实现高侧功率开关的限流保护。
对于导通电路控制，在本申请的优选实施例中，
所述触发信号为高电平信号或低电平信号，基于所述触发信号导通与所述主功率管栅极连接的导通电路，具体为：
当所述触发信号为高电平信号时，基于所述高电平信号导通所述导通电路；
当所述触发信号为低电平信号时，基于所述低电平信号导通所述导通电路。
具体的，本公开的导通电路其主要是通过触发信号来进行控制，当触发信号为高电平时可选择接收高电平信号导通的电路或元器件；当触发信号为低电平时可选择接收低电平信号导通的电路或元器件，上述两种方式均可实现本公开关于根据触发信号使导通电路导通，实现主功率管栅极电荷泻放。
通过应用以上技术方案，在高侧功率开关工作在短路或过载延时保护状态下，当高侧功率开关中参数满足短路或过载保护条件时，根据采样参数生成触发信号，所述采样参数为采样电流或采样电压；基于所述触发信号泻放所述高侧功率开关的主功率管的栅极电荷；其中，所述采样电流为表征流经所述主功率管的电流，所述采样电压为表征施加在所述主功率管上的电压，使的主功率管栅极电压相对其漏极电压VGS降低，降低流经主功率管的电流值，避免主功率管在短路或过载时因延时保护而发生损坏，从而提高高侧功率开关的稳定性和可靠性。
为了进一步阐述本发明的技术思想，现结合具体的应用场景，对本发明的技术方案进行说明。
本申请实施例用于高侧功率开关的限流保护方法对应的电路中设计有与主功率管连接的信号产生电路，信号产生电路用于感测采样参数，并根据所述采样参数输出触发信号至导通电路；导通电路用于根据所述触发信号泻放所述主功率管的栅极电荷，从而提高高侧功率开关的稳定性和可靠性。
本发明实施例中用于高侧功率开关的限流保护方法的原理如下：
第一步，采集高侧功率开关的主功率管电流或电压，生成采样参数，其中采样参数为采样电流或采样电压；
第二步，将采样参数与预设电流或预设电压进行比较，根据比较结果生成触发信号；
第三步，根据触发信号使与所述主功率管栅极连接的导通电路导通，以实现所述主功率管栅极电荷泻放。
如图2所示为本发明实施例提出的一种用于高侧功率开关的限流保护电路的结构示意图，图中信号产生电路感测采样电流CS，并根据采样电流CS输出触发信号至导通电路；或信号产生电路感测采样电压，并根据采样电压输出触发信号至导通电路；导通电路根据接收的所述触发信号导通，使主功率管M1的栅极电荷泻放，从而在高侧功率开关发生短路或过载并进入延时保护时，降低流经主功率管M1上的电流，进而提高高侧功率开关的可靠性和稳定性。
对于信号产生电路其主要用于感测采样参数，采样参数可以为主功率管M1对应的采样电流CS、采样电压或采样功率，并根据采样参数输出触发信号至导通电路。参考图3示出了本发明实施例中一种信号产生电路的结构示意图，比较器com1正向输入端A用于感测采样参数(如采样电流CS)，输出端与导通电路连接，当采样参数大于对应的预设参数阈值(如电流值)时，输出为高电平信号的触发信号至导通电路，使导通电路导通，从而实现主功率管M1栅极电荷泄放，降低流经主功率管M1的电流。
图4示出了本发明实施例中另一种信号产生电路的结构示意图，比较器com1反向输入端B用于感测采样参数(如采样电流CS)，输出端与导通电路连接，当采样参数小于对应的预设参数阈值(如电流值)时，输出为低电平信号的触发信号至导通电路，使导通电路导通，从而实现主功率管M1栅极电荷泻放，降低流经主功率管M1的电流。
如图5为本发明另一实施例提出的一种用于高侧功率开关的限流保护电路的结构示意图，图中信号产生电路通过单片机ADC感测采样电流CS，并根据采样电流CS值输出N个数字触发信号至导通电路，从而控制导通电路导通次数，实现对主功率管M1电流控制。
信号产生电路通过感测采样参数，并根据采样参数输出触发信号至导通电路从而实现导通电路的控制，导通电路基于触发信号导通，从而使主功率管M1栅极电荷泻放。
参考图6，导通电路包括开关管M3，当接收的触发信号为高电平时，开关管M3导通，从而使主功率管M1栅极接地，进而实现了主功率管M1栅极电荷泻放。
参考图5中的导通电路，示出了另一种导通电路结构，该导通电路包括多个开关管Mn1-Mnn，随着信号产生电路感测的采样电流CS的增大，主功率管M1栅极连接的开关管Mn导通的数量增加，即有多个开关管Mn导通，从而实现主功率管M1电荷泻放。
参考图4，导通电路包括P型功率管M4，当比较器com1输出低电平信号时，功率开关M4导通，从而使主功率管M1栅极接地，进而实现了主功率管M1栅极电荷泻放。
需要说明的是，导通电路可根据接收的为高电平信号或低电平信号的触发信号导通，从而实现主功率管M1栅极电荷泻放。
信号产生电路可感测表征流经主功率管M1的电流或电压或功率，因此信号产生电路可以与主功率管M1直接连接采集产生触发信号所需的采样参数；另外，信号产生电路还可与主功率管MI的采样电路连接，如图2所示，信号产生电流可与采样管M2连接采集采样参数，这是因为主功率管M1的采样电路其输出的采样参数反应了主功率管M1上对应的成比例关系的参数，可以表征流经主功率管M1的电流或电压或功率。
上述过程，信号产生电路与主功率管M1或主功率管M1的采样电路连接，采集采样参数，并根据采样参数产生为高电平信号或低电平信号的触发信号至与主功率管M1的栅极连接的导通电路，使导通电路根据触发信号导通，进而使主功率管M1栅极接地，实现电荷泻放。
为了达到以上技术目的，本申请实施例还提出了一种用于高侧功率开关的限流保护电路，包括主功率管，还包括：
信号产生电路，用于感测采样参数，并根据所述采样参数输出触发信号至导通电路，所述采样参数为采样电流或采样电压；
导通电路，用于根据所述触发信号泻放所述主功率管的栅极电荷；
其中，所述采样电流为表征流经所述主功率管的电流，所述采样电压为表征施加在所述主功率管上的电压。
具体的，当高侧功率开关发生短路或过载时，信号产生电路根据感测的采样参数，产生触发信号至导通电路，导通电路根据接收的触发信号导通，实现主功率管栅极电荷泻放。
为了实现控制的准确性，本申请优选的实施例中，所述信号产生电路与所述主功率管连接，或所述信号产生电路与所述主功率管的采样电路连接。
具体的，对于信号产生电路与主功率管连接方式，可直接采集流经主功率管电流或电压或功率，也可与所述主功率管的采样电路连接，从而提高信息提取的准确性。
对于导通电路，本申请优选的实施例中，所述导通电路为根据所述触发信号导通并使所述栅极电荷泻放的任一或任意组合的电路或元器件。
具体的，导通电路其主要用于根据触发信号导通使主功率管栅极电荷泻放，因此对于能够实现这一功能的元器件或电路均可。
对于导通电路，本申请优选的实施例中，所述导通电路包括开关管或功率管。
对于信号产生电路，本申请优选实施例中，所述信号产生电路为能根据感测所述采样参数产生所述触发信号的任一或任意组合的电路或元器件。
具体的，信号产生电路用于感测采样参数，并根据所述采样参数输出触发信号至导通电路，因此对于能够实现这一功能的元器件或电路均可。
通过应用以上技术方案，信号产生电路用于感测采样参数，并根据所述采样参数输出触发信号至导通电路，所述采样参数为采样电流或采样电压；导通电路用于根据所述触发信号泻放所述主功率管的栅极电荷，其中，所述采样电流为表征流经所述主功率管的电流，所述采样电压为表征施加在所述主功率管上的电压，从而提高高侧功率开关的稳定性和可靠性。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不驱使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种用于高侧功率开关的限流保护方法，其特征在于，所述方法包括：
根据采样参数生成触发信号，所述采样参数为采样电流或采样电压；
基于所述触发信号泻放所述高侧功率开关的主功率管的栅极电荷；
其中，所述采样电流为表征流经所述主功率管的电流，所述采样电压为表征施加在所述主功率管上的电压。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，基于所述触发信号泻放所述高侧功率开关的主功率管的栅极电荷，具体为：
接收所述触发信号；
基于所述触发信号导通与所述主功率管栅极连接的导通电路，以泻放所述栅极电荷。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在根据采样参数生成触发信号之前，还包括：
基于采集所述主功率管的电流生成所述采样电流，并将所述采样电流作为所述采样参数；
或，
基于采集所述主功率管的电压生成所述采样电压，并将所述采样电压作为所述采样参数。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述触发信号为高电平信号或低电平信号，基于所述触发信号导通与所述主功率管栅极连接的导通电路，具体为：
当所述触发信号为高电平信号时，基于所述高电平信号导通所述导通电路；
当所述触发信号为低电平信号时，基于所述低电平信号导通所述导通电路。
5.如权利要求1或3所述的方法，其特征在于，所述采样电流与所述主功率管的电流成正比例或反比例关系，所述采样电压与所述主功率管的电压成正比例或反比例关系。
6.一种用于高侧功率开关的限流保护电路，包括主功率管，其特征在于，还包括：
信号产生电路，用于感测采样参数，并根据所述采样参数输出触发信号至导通电路，所述采样参数为采样电流或采样电压；
导通电路，用于根据所述触发信号泻放所述主功率管的栅极电荷；
其中，所述采样电流为表征流经所述主功率管的电流，所述采样电压为表征施加在所述主功率管上的电压。
7.如权利要求6所述的用于高侧功率开关的限流保护电路，其特征在于，所述信号产生电路与所述主功率管连接，或所述信号产生电路与所述主功率管的采样电路连接。
8.如权利要求6所述的用于高侧功率开关的限流保护电路，其特征在于，所述导通电路为根据所述触发信号导通并使所述栅极电荷泻放的任一或任意组合的电路或元器件。
9.如权利要求8所述的用于高侧功率开关的限流保护电路，其特征在于，所述导通电路包括开关管或功率管。
10.如权利要求6所述的用于高侧功率开关的限流保护电路，其特征在于，所述信号产生电路为能根据感测所述采样参数产生所述触发信号的任一或任意组合的电路或元器件。
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