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(jì)的重點(diǎn)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(jì)方法。但是由于硅片存在熱惰性，故不能做到即時(shí)控制。該方法更適宜作安全設(shè)計(jì)的第二道防線。

　　從芯片設(shè)計(jì)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(shí)時(shí)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(gè)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(diǎn)：（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)?；?）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。

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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?yàn)槔昧思呻娐返奶攸c(diǎn)（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(jì)思想是在LDMOS 管導(dǎo)通時(shí)，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(gè)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(shí)為了提高可靠性將比較器窗口電平適度拉高。

　　圖2 是實(shí)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。

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圖2 過流保護(hù)電路框架

　　2 電路設(shè)計(jì)

　　2.1 過流比較模塊

　　過流比較模塊主要由前沿消隱Leadedge、采樣電路Sample、比較電壓產(chǎn)生器ToCompare 和過流比較器Comparator 等組成，如圖3 所示。

　　前沿消隱電路由于存在片上寄生或外接電容和電感的影響，在LDMOS 管開啟的瞬間，會在LDMOS 管漏極輸出端出現(xiàn)尖峰電壓，可能造成過流誤判。必須增設(shè)前沿消隱電路，即對LDMOS 管柵控電壓產(chǎn)生一個(gè)時(shí)間延遲，使在LDMOS 管開啟的瞬間將過流比較器閉鎖，等到尖峰通過后，再對LDMOS 管漏極信號進(jìn)行采樣測量和過流判斷，從而消除漏電壓尖峰的影響。如圖3 所示，我們在其中加入一個(gè)偏置在固定電壓V（BIASN）的NMOS 管，它相當(dāng)于一個(gè)固定電流源，以限制電容放電的時(shí)間。

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圖3 過流比較模塊電路圖

　　合理設(shè)計(jì)相關(guān)的器件參數(shù)可以控制延遲時(shí)間的大小。

　　采樣電路用開關(guān)控制電路實(shí)現(xiàn)對LDMOS 漏端的周期性電壓采樣，其中分壓電路可采用大阻值有比電路結(jié)構(gòu)。根據(jù)集成電路的特點(diǎn)，電阻比值的誤差很容易被控制在1%范圍之內(nèi)。

　　當(dāng)LDMOS 的柵電壓V （GATE） 為高，即LDMOS 管導(dǎo)通時(shí)，使圖3 中的采樣開關(guān)管M10（具有較高耐壓和較低導(dǎo)通電阻特性）也導(dǎo)通，同時(shí)開始采集LDMOS 管的飽和漏極電壓；而當(dāng)LDMOS 管的柵電壓V（GATE）為低，即LDMOS 管關(guān)閉時(shí)（非過流現(xiàn)象），采樣電路則不工作。

　　比較電壓產(chǎn)生器的電路工作原理如下：由于過流狀態(tài)只發(fā)生在功率LDMOS 管柵極為高電平狀態(tài)。故當(dāng)V（GATEDelayed）為低電平時(shí)，I1、I2和I3將同時(shí)對電容Ccompare充電， 使比較電壓V（Compare） 值升高?？紤]到采樣電壓最大值為2.5V，為避免誤操作，可設(shè)置比較電壓值為2.7 V，以使后繼比較電路工作的門限電平增加，提高抗干擾能力；與此同時(shí)，采樣電容Csample將通過電阻R2快速放電，使采樣電壓V（Sample）快速變?yōu)榱悖聪鄳?yīng)輸出為非過流狀態(tài)。

　　而當(dāng)柵極電壓V（GATEDelayed）為高電平時(shí)，輸出比較電壓則變?yōu)閂（Compare）=I1×R3=1.0 V。

過流比較器過流比較器采用常見的NPN差分對管的輸入方式，恒流源偏置。與傳統(tǒng)恒流源偏置略有不同的是在偏置電路中增加了MOS 開關(guān)，當(dāng)V（GATE）為高時(shí)（此時(shí)LDMOS 和該MOS 開關(guān)同時(shí)導(dǎo)通），電路圖左側(cè)恒流源工作，使總偏置電流變大，輸出緩沖級的驅(qū)動電流增大，比較電路速度加快；在V（GATE）為低時(shí)，左側(cè)的恒流源不工作，總偏置電流變小（此時(shí)LDMOS 不導(dǎo)通，過流比較器處于閑置狀態(tài)），為節(jié)能模式。