一种可编程双向过流检测电路设计_林雨佳.pdf

1引言电流检测电路以及保护电路作为电路设计中必不可少的关键模块，被广泛应用于各种驱动、电源管理等芯片中，以防止电路出现故障或极端外部应用环境损害芯片。D 类音频放大器的输出功率管需要给负载提供电流，如果输出短路或过载，流过功率管上的电流会瞬间增大，产生超额功耗，导致功率管被烧毁。在 D 类音频功率放大器电路设计中必须考虑功率管上的电流检测电路与保护电路。D类音频功率放大器的负载电流是双向的，因此过流保护也要具有双向保护的功能1。本设计采用外接功率管方案，在低损耗电流检测中利用功率管的导通电阻作为电流感应电阻，监测其源漏电压，与电路内部产生的基准电压比较，从而实现对功率管的电流检测。2过流电路检测原理D 类音频功率放大器的输出结构如图 1 所示。如果 R 短路，电感 L 一端接地，另一端接到 D 类放大器的输出。此时，电路为放大器驱动电感负载。电感特性决定了电流以 V/L 为斜率增大，直至烧毁功率管。D 类放大器是利用两个功率管交替导通驱动负载，在两个方向上都可能发生过流，因此需要双向电流检测。传统的电流检测方法是在功率管前串联一个小电阻，将通过电阻上的电流转化电压值2。利用比较器将电阻上电压值与基准电压比较，通过比较器的输出控制其他逻辑电路，从而在过流时关闭一种可编程双向过流检测电路设计林雨佳，张丹（中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳 110000）摘要:在 D 类音频放大器中，因负载电流方向与音频输入信号交替，在正负电流周期都可能发生过电流情况，针对这一问题，以高压 D 类音频功率放大器为例，设计一种可编程双向过流检测电路。电路采用高压 0.5m BCD 工艺设计，悬浮电压可达100V。设计严格基于过流检测原理完成相关电路结构的建模。为确保设计严谨性，在电路中加入延时、电压检测、尖峰消除等模块并进行电路仿真。仿真结果表明此款可编程双向过流检测电路达到设计要求。关键词：D 类音频放大器；双向过流检测；电压检测；尖峰消除DOI：10.3969/j.issn.1002-2279.2023.02.008中图分类号:TN402文献标识码:A文章编号：1002-2279（2023）02-0031-04Design of a Programmable Bidirectional Overcurrent Detection CircuitLIN Yujia,ZHANG Dan(The 47th Institute of China Electronics Technology Group Corporation,Shenyang 110000,China)Abstract:In class D audio amplifier,as the load current direction alternating with the audio inputsignal,overcurrent may occur in both positive and negative current periods.To solve the problem,takinghigh-voltage class D audio power amplifier as an example,a programmable bidirectional overcurrent dete-ction circuit is designed.The circuit is designed by high voltage 0.5 m BCD process,and the floatingvoltage can reach 100V.The design is strictly based on the principle of overcurrent detection to completethe modeling of related circuit structures.In order to ensure the design rigor,delay,voltage detection,peak elimination and other modules are added to the circuit and simulated.The simulation results showthat the programmable bidirectional overcurrent detection circuit meets the design requirements.Key words:Class D audio amplifier;Bidirectional overcurrent detection;Voltage detection;Peakelimination作者简介：林雨佳（1987），男，辽宁省沈阳市人，硕士，高级工程师，主研方向：模拟集成电路设计。收稿日期：2022-08-09微处理机MICROPROCESSORS第 2 期2023 年 4 月No.2Apr.，2023微处理机2023 年输出。串联的电阻一般为几百毫欧，但仍会增加导通损耗，并且电阻的阻值会随温度而变化，影响检测精度。由此便可设计一种无损双向电流检测电路，利用功率管的导通电阻 RDS(ON)检测源漏电压 VDS3。所设计电路的结构原理如图 2 所示。相对于传统电流检测电路，这一设计会在电路损耗方面做出改善4。3电路设计3.1整体电路设计整体电路设计如图 3 所示。其中，D 类音频功率图 3双向过流检测电路设计原理图图 1D 类放大器输出结构原理图VLCRLRD类放大器图 2无损双向电流检测电路简图VCCCS_HVREF_HVREF_LHMOSLMOSCOMVSHOLOCS_L脉冲产生器OC_HCOMP_CSHCS_H脉冲产生器OC_LCOMP_CSLCS_L延迟延迟HOLOCSHVBHOS1S2VSVccLOCOMR2D0R1DBSR3CbsOCSETVREFR5R4-B+B电压基准Vcc高端过流检测低端过流检测HMOSLMOS12 VR0电压检测放大器由外接功率 MOS 晶体管 HMOS、LMOS 组成输出级。电路由正负电压供电，以+B 和-B 表示，电压可达100V。LO 和 HO 分别为低端驱动输出及高端驱动输出。低端地 COM 等于-B，由低端电源电压VCC为外部电源供电，电压为 12V；高端悬浮电压以VS表示，高端电源电压为 VB。VB与 VS之间通过自举电容 CBS连接，当 LMOS 导通时，VS变低电平，VCC通过自举二极管 DBS向自举电容 CBS充电，进而给 VB供电。3.2高端电流检测对于正向负载电流，由高端过流检测模块监测负载情况5，电路如图 4 所示。如果负载电流超过预设的跳闸电压，则关闭功率管。高端电流检测基于高端导通期间由引脚 CSH 和 VS测量高端 MOSFET两端的 VDS来实现。为了避免过冲误触发，加入延时模块来产生前沿消隐时间，在约 450ns 延迟之后再开始检测过流信号。当驱动模块输出信号 HO 为低电平时，高端功率管 HMOS 关断、低端功率管 LMOS导通。此时，VS电压约等于 COM 电压，等于-B 电压，VCC通过自举二极管 D0向自举电容 C 充电，VB电压值约等于 VCC（自举二极管开启电压忽略不计），并由电阻 R0提供限流保护功能。电阻 R1、R2、R3构成的支路两端电压均约等于-B，因此电流基本为 0，CSH 电压小于+B 电压，二极管 D1截止。VP电压约等于 VS电压，小于 VN点电压 VS+1.2V（电路内部过流保护阈值），COMP 模块输出（过流信号）低电平。322 期当驱动模块输出信号 HO 为高电平时，功率管HMOS 导通，功率管 LMOS 截止。此时 VS=+B；VB=+B+12V，VHO=VB+B，二极管 D1正向导通，VCSH=VDS+VFD1。VP便可由下式得到：VP与 VN的电压差 V 则为：从上式可以看出，当 ID越大，V 越大。因此，若V0，流过功率 MOS 管的电流超限，过流信号输出高电平，关闭高端功率 MOS 管。此处通过改变 R2、R3电阻阻值可以得到不同的过流阈值，从而实现高端可编程过流检测。3.3低端电流检测对于负向负载电流，由低端过流检测模块监测负载情况，电路如图 5 所示。如果负载电流超过预设的跳闸电压，则关闭功率管。5V REG 模块能够产生 5V 基准电压，通过改变外部 R4、R5电阻的阻值来调整分压，得到不同的 OCSET 电压，并将其做为比较器负端。VS电压为低端功率 MOS 管的漏端，通过检测 VS点电压即可判断是否过流。延时模块同高端电流检测里的延时模块作用一致。VS端通过电压检测模块接到 COMP 的正端，当 VS点电压大于OCSET 电压时，比较器输出为高电平，关闭低端功率 MOS 管，保护电路。同样，改变 R4、R5电阻阻值可以得到不同的过流阈值，从而实现低端可编程过流检测。电压检测6电路的作用是保护低端电路，电路原理图如图 6 所示。在 HMOS 管开启时，VS=+B-VCC，防止 VS电压进入到低端电路中烧毁电路。VCC和 COM电压域由电流源 I0和 M0、M1构成的电流镜组成；VB和 VS电压域由电流源 I2和 M2、M3构成的电流镜组成7-8，之间通过高压 DMOS 管连接。LMOS 管开启约450ns 之后，EN 由低电平变为高电平，M4导通，低端电流检测电路开始工作。M4是高压 DMOS 管，寄生电容较大，VSENSE信号会存在小尖峰脉冲。如果VSENSE电压高于 OCSET 电压，比较器会输出错误的过流信号。M7设计成较大的宽长比，作为低阻泄放通路。合理地设计 RC 值，可使每个周期产生约为50ns 高电平脉冲信号，使 M7开启，泄放寄生电容上的电荷。当 EN 高电平信号稳定之后，M7关闭，低端COMP 模块开始正常工作。电流检测电路正常工作时，设计 I0=I2，采用同种类型 MOS 管。DMOS 管开启时，有：式中，W/L 为 MOS 管沟道宽长比。由电流镜特性可以得到 VGS2=VGS3，因为 M2、M3图 4高端电流检测电路延时VREF=1.2VHO12VVCCVBCR2R3HighDriverVNVPOUTVSCOMPD0DriverCOMR1D1R0HMOSLMOS+B-BCSH3PSCSHS233SDSFD1233SDS(ON)DFD123()()()RVVVVRRRVVVRRRVVIVRR=+-=+=+(1)3SDS(ON)DFD123 ()1.2VRVVVIVRR=+-+(2)图 5低端过流检测电路VSENSE延时VREF=5VVCCCR4LowDriverOCSETOUTVSCOMP电压检测S5V REGR5LCOMRLVBVSC1ENI2M2M3CRVCCVCCDMOSM4M5M6M1M0COMI0C2C3尖峰消除模块图 6电压检测电路31D1D30202(/)(/)(/)(/)WLWLIIIIWLWL=(3)林雨佳等：一种可编程双向过流检测电路设计33微处理机2023 年SENSES3DSSDSVVVVV=-=-共栅，所以两者的源极电压一定相等，即 VGS2=VS3=VS。VDS(ON)为 DMOS 管导通时的漏源电压，则:3.4电路仿真在+B 和-B 电压分别为+50V、-50V，VCC为 12V的条件下，对高端过流检测电路、低端过流检测电路以及尖峰消除电路进行仿真。得到仿真结果如图 7、图 8、图 9 所示。由图 7、图 8 可以看出，在高端或低端过流时，比较器输出翻转，并产生过流脉冲信号；从图 9 可以看出，加入尖峰消除后，VSENSE电压从 7.7V 降低至761mV，保证电路能够处在正常工作的状态。4结束语在 D 类音频功率放大器当中进行双向电流检测已是一种成熟的理论，本研究在现有理论及相关产品电路基础上加以改进，设计实现一款可编程双向过流检测电路。采用外接功率管方案，对于高端电流与低端电流两种情形分别讨论，实现可编程过电流的检测。在仿真中所得结论与设计预期相符，验证了设计原理与思路的正确性，可为同类产品设计研发提供参考。参考文献：1BERKHOUT M.Integrated overcurrent protection for classD power stagesC/Proceedings of the 29th European Solid-state Circuits Conference,September 16-18,2003,Estoril,Portugal.IEEE,2003:533-536.2High-side current-sense measurement:circuits and princi-plesEB/OL.(2001-11-19)2023-08-09.http:/ P,KREIN P T,GREUEL M F.Sensorless currentmode control-an observer-based technique for DC-DC con-vertersJ.IEEE Transactions on Power Electronics,2001,16(4):522-526.4HONDA Jun.Protected digital audio driver:US 2008/0037807 A1P.2008-02-14.5EKHTIARI M,BRUUN E,ANDERSEN M A E,et al.Bi-directional high-side current sense circuit for switch modepower suppliesC/2014 21st IEEE International Conferenceon Electronics,Circuits and Systems(ICECS)(21168),Dec-ember 7-10,2014,Marseille,France.IEEE,2014:630-633.6CHENG Xiaochang,HONDA Jun,WILHELM Dana.Bidi-rectional current sensing by monitoring VS voltage in a halfor full bridge circuit:US 7,548,029 B2P.2009-06-16.7何乐年,王忆.模拟集成电路设计与仿真M.北京:科学出版社,2008.HE Lenian,WANG Yi.Design and simulation of analogintegrated circuitM.Beijing:Science Press,2008.8拉扎维.模拟 CMOS 集成电路设计M.陈贵灿,程军,张瑞智,等译.西安:西安交通大学出版,2002.RAZAVI.Design of analog CMOS integrated circuitsM.CHEN Guicang,CHENG Jun,ZHANG Ruizhi,et al,transl.Xian:Xian Jiaotong University Press,2002.(4)图 7高端过流检测仿真图图 8低端过流检测仿真图图 9尖峰脉冲消除仿真图34