基于BCD 高壓工藝的過(guò)壓過(guò)流保護(hù)開(kāi)關(guān)芯片設(shè)計(jì)

陳超

（上海晶準(zhǔn)電子科技有限公司，上海 201100）

1 芯片介紹

本文所設(shè)計(jì)的芯片是一款集成過(guò)壓保護(hù)及過(guò)流保護(hù)為一體的保護(hù)開(kāi)關(guān)芯片，實(shí)現(xiàn)在輸入端檢測(cè)到高壓或者大電流時(shí)將開(kāi)關(guān)及時(shí)關(guān)閉，從而阻隔了高壓或者大電流的通過(guò)，避免了對(duì)后端器件造成損害，此外，本芯片還具有過(guò)溫保護(hù)以及鋰電池過(guò)充保護(hù)等功能，可以實(shí)現(xiàn)在充電過(guò)程中對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的全面保護(hù)工作。

本次設(shè)計(jì)的芯片主要由功率開(kāi)關(guān)管和控制電路兩部分組成，開(kāi)關(guān)管漏極和源極分別與芯片的輸入和輸出相連接，控制電路的輸出與開(kāi)關(guān)管的柵極連接，因此通過(guò)調(diào)整控制電路的輸出電壓就可以控制開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷。

由于芯片的輸入電壓可能是高壓，因此不能用普通的CMOS 工藝來(lái)設(shè)計(jì)，而需要采用高壓BCD 工藝。功率開(kāi)關(guān)管的性能要求是耐高壓、RDSON小、開(kāi)關(guān)速度快，所以需要采用BCD 工藝中的DMOS 來(lái)設(shè)計(jì)[1]。

具體功率管可以采用NMOS 或者PMOS，以圖1 中的NMOS 管為例，該芯片的工作原理：當(dāng)輸入電壓和輸入電流不大時(shí)，控制電路的輸出電壓為高，此時(shí)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通，外部輸入的電壓和電流可以順利的通過(guò)開(kāi)關(guān)管，流入到后端電路；當(dāng)輸入電壓較高或者輸入電流較大時(shí)，控制電路的輸出電壓為低，此時(shí)開(kāi)關(guān)管關(guān)閉，高壓和大電流就被阻隔在開(kāi)關(guān)管輸入端一側(cè)，無(wú)法進(jìn)入后端電路，從而達(dá)到了保護(hù)的目的。

圖1 保護(hù)開(kāi)關(guān)芯片的工作原理

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

如圖2，該開(kāi)關(guān)保護(hù)芯片拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具有6 個(gè)端口分別是VIN、VOUT、EN、GND、ISET、BAT。

圖2 芯片拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

VIN 為輸入端，前端的電壓及電流從該端口流入芯片，輸入電壓和電流除了通過(guò)芯片提供給后端電路外，還為芯片本身提供正常工作所必需的電壓和電流。

VOUT 為輸出端，前端輸入電壓及電流經(jīng)過(guò)芯片處理后從此端口流出芯片，流向后端電路。

EN 為使能端，主要作用是控制芯片開(kāi)始和終止工作。

GND 為接地端，與系統(tǒng)的最低電位連接，作用是給芯片內(nèi)部提供一個(gè)最低基準(zhǔn)電平。

ISET 為過(guò)流閾值調(diào)節(jié)端，作用是通過(guò)外接一個(gè)電阻到地，之后通過(guò)調(diào)整這個(gè)電阻的阻值來(lái)調(diào)節(jié)芯片的過(guò)流閾值。

BAT 為電池電壓檢測(cè)端，其與系統(tǒng)內(nèi)的鋰電池正極相連接，從而通過(guò)檢測(cè)鋰電池電壓值來(lái)判斷鋰電池電量是否已經(jīng)充滿(mǎn)。

2.2 保護(hù)芯片功能及工作原理

如圖2 所示，該芯片的主要功能模塊包括VREF、OVP、OCP、OTP、BOVP、Charge Pump、Control Logic、Driver 等，由于芯片的輸入電壓有可能是高壓，而芯片內(nèi)部大部分器件都是低壓器件，如果直接采用輸入電壓來(lái)給內(nèi)部模塊供電的話，極有可能會(huì)對(duì)器件造成損害，因此首先需要將輸入高壓通過(guò)一個(gè)降壓模塊轉(zhuǎn)換為低壓來(lái)為內(nèi)部電路供電，即圖2 中VREF 為實(shí)現(xiàn)這一功能的模塊。

其中OVP、OCP、OTP、BOVP 四個(gè)模塊分別對(duì)輸入電壓、輸入電流、芯片溫度、電池電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并且根據(jù)不同情況輸出邏輯判斷信號(hào)到Control Logic 模塊，然后經(jīng)過(guò)處理后輸出信號(hào)來(lái)控制Driver 模塊，進(jìn)而控制功率開(kāi)關(guān)管的柵極電壓。Charge Pump 模塊的作用是為Driver 模塊提供所必需的高電平電源。

2.2.1 輸入電壓保護(hù)

針對(duì)OVP 功能，首先芯片通過(guò)一串分壓電阻來(lái)對(duì)輸入電壓進(jìn)行采樣，采樣分壓與芯片內(nèi)部生成的一個(gè)基準(zhǔn)電壓共同作為一個(gè)比較器——即圖2 中OVP 模塊的正負(fù)輸入端，當(dāng)輸入電壓較低時(shí)，電阻分壓小于基準(zhǔn)電壓，此時(shí)比較器輸出為正，邏輯控制電路判斷沒(méi)有發(fā)生過(guò)壓情況，功率開(kāi)關(guān)MOS 管仍然導(dǎo)通，輸入電壓和電流可以正常通過(guò)，當(dāng)輸入電壓上升到某一電平的時(shí)候，采樣分壓開(kāi)始超過(guò)基準(zhǔn)電壓，比較器輸出翻轉(zhuǎn)為負(fù)，此時(shí)邏輯控制電路判斷發(fā)生輸入過(guò)壓情況，給出控制信號(hào)將功率開(kāi)關(guān)MOS 管的柵極電壓下拉至0V，從而關(guān)斷了開(kāi)關(guān)MOS 管，使得輸入高壓無(wú)法通過(guò)開(kāi)關(guān)MOS 管傳導(dǎo)到后端器件，從而實(shí)現(xiàn)了過(guò)壓保護(hù)功能。

2.2.2 輸入電流保護(hù)

對(duì)于OCP 功能的設(shè)計(jì)，OCP 模塊首先采樣通過(guò)功率開(kāi)關(guān)管的電流，再將這個(gè)采樣電流通過(guò)一個(gè)電阻來(lái)生成一個(gè)與輸出電流成正比的采樣電壓，然后將這個(gè)電壓與芯片內(nèi)部生成的一個(gè)基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，當(dāng)采樣電壓小于基準(zhǔn)電壓時(shí)，邏輯控制電路判斷沒(méi)有發(fā)生輸入過(guò)流情況，此時(shí)功率開(kāi)關(guān)管正常導(dǎo)通，輸入電流可以順利通過(guò)功率開(kāi)關(guān)管流入到后端電路，當(dāng)采樣電壓大于基準(zhǔn)電壓時(shí)，邏輯控制電路判斷發(fā)生了輸入過(guò)流情況，邏輯控制電路給出控制信號(hào)將功率開(kāi)關(guān)管的柵極電壓拉至0V，關(guān)斷功率開(kāi)關(guān)管，使得輸入端的大電流無(wú)法通過(guò)功率開(kāi)關(guān)管流到后端電路，從而實(shí)現(xiàn)了過(guò)流保護(hù)功能。

2.2.3 芯片溫度保護(hù)

由于芯片的最大帶載能力可以達(dá)到1A 以上，功率開(kāi)關(guān)管本身存在著內(nèi)阻RDSON，這樣當(dāng)電流通過(guò)功率管時(shí)就會(huì)產(chǎn)生熱量，單位時(shí)間功耗為：

如果芯片封裝的散熱能力不足以抵消芯片所產(chǎn)生的熱量的話，隨著時(shí)間的推移，就會(huì)使得芯片內(nèi)部的溫度升高，溫度過(guò)高時(shí)，就可能對(duì)功率開(kāi)關(guān)管或者控制電路產(chǎn)生損害，因此就需要對(duì)芯片的工作溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)溫度過(guò)高時(shí)，通過(guò)OTP模塊輸出一個(gè)邏輯信號(hào)到邏輯控制電路，來(lái)將功率開(kāi)關(guān)管關(guān)斷，從而切斷了流過(guò)芯片的電流，芯片溫度就會(huì)慢慢回落，從而保護(hù)芯片本身不受高溫的損害。

2.2.4 電池電壓保護(hù)

BOVP 模塊的工作原理與OVP 模塊基本相同，不同的是BOVP 模塊通過(guò)BAT 引腳對(duì)鋰電池電壓進(jìn)行采樣，再與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，如果發(fā)現(xiàn)鋰電池電壓超過(guò)某個(gè)閾值，也就意味著鋰電池電量已經(jīng)充滿(mǎn)，再繼續(xù)充電的話可能會(huì)對(duì)鋰電池造成損害，此時(shí)就將功率開(kāi)關(guān)管關(guān)斷，從而切斷了鋰電池充電電流，對(duì)鋰電池形成保護(hù)。

2.3 關(guān)鍵模塊設(shè)計(jì)

2.3.1 邏輯控制電路

本芯片針對(duì)過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)溫、鋰電池過(guò)充等過(guò)程中的可能發(fā)生的各種情況，特別設(shè)計(jì)了一個(gè)邏輯控制電路模塊。其電路如圖3 所示，輸入端OVP、OCP、OTP、BOVP 分別為前端各個(gè)比較器模塊的輸出邏輯信號(hào)，輸出端EN 為控制功率開(kāi)關(guān)管柵極電壓的使能信號(hào)，輸出EN 為高的時(shí)候，POWER MOS 導(dǎo)通，EN低的時(shí)候，POWER MOS 關(guān)斷。

圖3 中兩個(gè)COUNTER 模塊為計(jì)時(shí)器電路，分別受OVP 和OCP 信號(hào)控制，當(dāng)OVP/OCP 為低的時(shí)候，計(jì)數(shù)器模塊停止工作，輸出為低，OVP/OCP 為高時(shí)，計(jì)數(shù)器開(kāi)始工作，經(jīng)過(guò)一段預(yù)設(shè)時(shí)間后，輸出為高。

圖3 邏輯控制電路

2.3.1.1 過(guò)壓狀態(tài)

如果發(fā)生過(guò)壓情況，則輸入OVP 信號(hào)為低，此時(shí)EN=0，POWER MOS 關(guān)斷，如果過(guò)壓情況解除，此時(shí)OVP 信號(hào)為高，但是此時(shí)計(jì)數(shù)器輸出仍然為低，由于RS 觸發(fā)器的鎖存作用，EN仍為低，同時(shí)計(jì)數(shù)器電路開(kāi)始計(jì)時(shí)，當(dāng)達(dá)到預(yù)設(shè)的時(shí)間間隔時(shí)，計(jì)數(shù)器模塊輸出變?yōu)楦? 則EN 也為高, POWER MOS 導(dǎo)通。這樣設(shè)計(jì)的目的是防止由于輸入電壓不穩(wěn)而產(chǎn)生某些電壓毛刺使得系統(tǒng)誤判斷輸入電壓已經(jīng)脫離過(guò)壓狀態(tài)。

2.3.1.2 過(guò)流狀態(tài)

如果發(fā)生過(guò)流情況，則輸入OCP 信號(hào)為低，此時(shí)EN=O，POWER MOS 關(guān)斷，如果過(guò)流情況解除，此時(shí)OCP 信號(hào)為高，但是此時(shí)計(jì)數(shù)器輸出仍然為低，由于RS 觸發(fā)器的鎖存作用，EN仍為低，同時(shí)計(jì)數(shù)器電路開(kāi)始計(jì)時(shí)，當(dāng)達(dá)到預(yù)設(shè)的時(shí)間間隔時(shí)，計(jì)數(shù)器模塊輸出為高, EN 為高, POWER MOS 導(dǎo)通。這樣設(shè)計(jì)是為了防止瞬間脈沖電流的干擾。

2.3.1.3 過(guò)溫或鋰電池過(guò)充狀態(tài)

如果發(fā)生過(guò)溫或者鋰電池過(guò)充情況，則OTP 或BOVP 為低，此時(shí)EN=0，POWER MOS 關(guān)斷，直到溫度下降到閾值溫度以下，或者鋰電池電壓下降到過(guò)充閾值電壓以下時(shí)，此時(shí)OTP 或者BOVP 為高，此時(shí)EN 為高，POWER MOS 導(dǎo)通。

2.3.2 Charge Pump 電路設(shè)計(jì)

由于芯片所采用的功率開(kāi)關(guān)管為NMOS 管，因此輸入電壓VIN 為開(kāi)關(guān)管的漏極，輸出電壓VOUT 為開(kāi)關(guān)管的源極，在開(kāi)關(guān)MOS 管正常導(dǎo)通時(shí)，此時(shí)VOUT 與開(kāi)關(guān)管柵極電壓VG 的關(guān)系為

開(kāi)關(guān)管柵極電壓由Driver 模塊提供，如果Driver 模塊的供電電源與其它模塊是同一電源電壓，并且都由輸入電壓直接產(chǎn)生，則開(kāi)關(guān)管柵極電壓值就不可能超過(guò)輸入電壓值，即

這樣，輸出電壓就會(huì)比輸入電壓至少小一個(gè)VTH 電壓值，也就意味著輸入電壓無(wú)法完整的通過(guò)開(kāi)關(guān)，發(fā)生了損耗，這樣就會(huì)限制輸入電壓的有效范圍以及后端器件的輸入電壓范圍，因此必須采取措施將開(kāi)關(guān)管的柵極電壓升高到至少要比輸入電壓VIN 高一個(gè)VTH 電壓值以上。本芯片設(shè)計(jì)了一種Charge Pump 電路來(lái)實(shí)現(xiàn)這一升壓功能，如圖4 所示。

圖4 Charge Pump 電路

Charge Pump 電路又稱(chēng)為電荷泵，是一種通過(guò)在電容之間轉(zhuǎn)移電荷而實(shí)現(xiàn)升壓的電路結(jié)構(gòu)，他不需要任何的運(yùn)放或者調(diào)制電路就可以實(shí)現(xiàn)升壓，電路原理和電路結(jié)構(gòu)都相對(duì)簡(jiǎn)單，因此得到了廣泛的應(yīng)用[2]。Charge Pump 是通過(guò)兩個(gè)反相的時(shí)鐘利用電容上的電平不能突變的原理來(lái)實(shí)現(xiàn)升壓[3]。

圖5 為電路的工作時(shí)序圖，電容C1 和C2 的下極板分別與時(shí)鐘周期信號(hào)CLK 和時(shí)鐘反相信號(hào)CLKB 連接，時(shí)鐘周期信號(hào)的高電平為芯片內(nèi)部電源電壓VDD，低電平為0。

在初始狀態(tài)時(shí)，假設(shè)CLK=0，則CLKB=VDD，此時(shí)由于電容的耦合作用，圖5 中A 點(diǎn)電壓VA 趨向于0，B 點(diǎn)電壓VB 趨向于VDD，因此此時(shí)PM2 和NM1 導(dǎo)通，PM1 和NM2 關(guān)斷，此時(shí)A點(diǎn) 通 過(guò) NM1 與 VDD 相 連 接，C1 兩 端 電 壓 差 為VOUT-O=VOUT，B 點(diǎn)通過(guò)PM2 與CP 相連接，C2 兩端電壓差為VCP-VDD。

圖5 Charge Pump 電路工作時(shí)序圖

當(dāng)CLK=VDD 時(shí)，則CLKB=0，此時(shí)VA 趨向于VDD，VB 趨向于0，此時(shí)PM1 和NM2 導(dǎo)通，PM2 和NM1 關(guān)斷，此時(shí)A 點(diǎn)通過(guò)PM1 與CP 相連接，B 點(diǎn)通過(guò)NM2 與VDD 相連接，此時(shí)C1的負(fù)極板電壓為VDD，由于電容兩端電壓差不能突變，仍然為VOUT，因此C1 正極板電壓即VCP=VDD+VOUT，由于C3 的正極板連接CP 點(diǎn)，那么C1 在CLKB 這半個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，就是在向C3 充電，C3 在CLKB 時(shí)間內(nèi)的所增加的電量由C1 和C2 的電容以及CLKB 的時(shí)間所決定。

由于C1 和C2 的工作周期是完全反相的，這樣在整個(gè)CLK周期內(nèi)，C1 和C2 交替給C3 充電，最終C3 上正極板相對(duì)于地的電壓即為VDD+VOUT，從而實(shí)現(xiàn)了升壓功能。

3 版圖設(shè)計(jì)

芯片版圖采用0.18um BCD 工藝設(shè)計(jì)，上半部分為功率開(kāi)關(guān)MOS 管，下半部分為控制電路。芯片的面積為780um*1230um。版圖設(shè)計(jì)時(shí)，將較為敏感易受到干擾的模塊比如bandgap 等與噪聲較大的模塊比如時(shí)鐘產(chǎn)生電路分開(kāi)擺放，同時(shí)敏感線與噪聲線也不能相鄰走線。驅(qū)動(dòng)模塊的位置盡量靠近功率開(kāi)關(guān)管，這樣可以減少驅(qū)動(dòng)走線的長(zhǎng)度，從而避免寄生參數(shù)對(duì)于驅(qū)動(dòng)能力的影響。

4 測(cè)試結(jié)果

芯片流片后，測(cè)試出各項(xiàng)功能的典型參數(shù)如表1 所示，各項(xiàng)參數(shù)都符合設(shè)計(jì)預(yù)期值和市場(chǎng)需求。

表1 芯片的各項(xiàng)功能典型參數(shù)

進(jìn)一步對(duì)芯片OVP 功能的測(cè)試波形，設(shè)備結(jié)果顯示：

上面的波形為輸入電壓VIN，下面的波形為輸出電壓VOUT，VIN 初始電壓為4V，當(dāng)瞬間向上跳變到7V 時(shí)，VOUT 隨之上沖，之后馬上芯片的OVP 功能開(kāi)始作用，將功率開(kāi)關(guān)管關(guān)斷，輸出電壓開(kāi)始回落，此時(shí)芯片沒(méi)有帶負(fù)載，因此回落速度較慢。即VOUT 的上沖電壓不超過(guò)6.1V。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種基于0.18um BCD 工藝的過(guò)壓過(guò)流保護(hù)芯片，內(nèi)部集成了一個(gè)高壓NMOS 開(kāi)關(guān)管，可以根據(jù)不同的輸入電壓、輸入電流、溫度以及鋰電池電壓來(lái)導(dǎo)通或者關(guān)斷開(kāi)關(guān)管，從而起到保護(hù)后端器件的目的。芯片具備外部可調(diào)過(guò)流閾值的功能，當(dāng)外接可調(diào)電阻為25k 的時(shí)候，過(guò)流閾值為1A。過(guò)壓閾值為6.1V。芯片可廣泛應(yīng)用于電子產(chǎn)品充電等領(lǐng)域。