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智能型高侧开关已经广泛应用于许多领域,例如：工业、汽车、家用电器等.一般来说,智能型高侧开关的控制部分具有过流检测和开路负载检测等自我诊断功能,以防止因故障而造成的破坏.控制部分所提供的一种主要诊断功能是低电压和过压(UVOV)检测,在电源电压超出工作电压范围时关断高侧开关,从而避免因电源暂时的供电电压下降或过压而引起崩溃.
在先前的UVOV检测电路中,通常采用带有两种恒定参考电压信号的两个比较器来实现UVOV检测,这两个比较器可应用在较低和较高电源电压的限制.但是,由于使用了两个比较器,也带来了一些缺点,如硅片面积大、功耗大和复杂性高等.在本文中,飞兆半导体提出一种仅使用一个电压检测器而非两个比较器的新颖UVOV检测电路,能够轻易地在不同制程之间进行转移并降低整体的成本.
建议的UVOV检测电路
建议的UVOV检测电路由电压转换器、电压箝位器、电压调节器和电压检测器构成,如图1所示.电压转换器将电源电压VBB转换至预定的电平Vshift上,电压箝位器将节点A的最高电压VA箝位在预定的箝位电压Vclamp上.同时,电压调节器从VBB生成恒定电压Vreg,电压检测器藉由比较VB和Vreg生成关断高侧开关的UVOV信号.请注意,在节点A和节点B之间采用了一个磁滞缓冲器,以便根据UVOV信号的状态改变UVOV检测电平,从而实现稳健的作业.
图2所示为VA和Vreg根据VBB而变化的状况,描述了所建议的UVOV检测电路之简单工作原理.可以看出,VA具有来自VBB的恒定下降电压,并且被箝位在Vclamp.同时,Vreg在低VBB时保持恒定,而在高VBB时则不断降低来自VBB的电压.所以,当VBB处于工作电压范围以内时,如果电压转换器的恒定电压降低于电压调节器的电压降,VA始终高于Vreg.另一方面,当VBB超出工作电压范围时,则所建议电路的VA将低于Vreg.当VBB从正常工作电平降低到GND,VA会连续降低至GND,而Vreg则降低至电压调节器的初始电压Vreg_ON,而虽然VBB进一步下降,但仍会维持在该电平.因此,VA低于Vreg,电压检测器在低VBB时触发UVOV信号.在高VBB时,VA被电压箝位器限制在Vclamp,而Vreg随着VBB的升高而不断升高,因此,VA低于Vreg,而UVOV信号同样也被触发.请注意,藉由改变Vshift和Vclamp,而非Vreg,可以控制UVOV检测电平,这是因为通常采用电压调节器来产生高侧开关中其它电路的供电电压.
图3所示为所建议的UVOV检测电路之详细示意图.电压检测器仅仅使用一个晶体管Ml来实现,它的栅极和源极分别与VA和Vreg连接.这样,当发生低电压或过压时,VA低于Vreg,电压检测器会触发UVOV信号.此外,M2与Ml并联,以达到磁滞作用,所以,UVOV检测阈值将根据UVOV信号的状态而改变.电压转换器单纯地被设计成源跟随器,带有耗尽型晶体管M4实现的电流源,其恒定电压降的值则由其工作电流来决定.
电压箝位器由具有极小电流的电流源和一个串联齐纳二极管D1等DN数组所构成,当VA高到足以导通所有齐纳二极管时,VA被箝位.同时,电压调节器以图2描述的方式工作.在DVR由于VBB不够高而导通之前,电压调节器的输出保持为恒定电压的电平(M5的IVTHI),在DVR导通后,则从VBB提供持续的降压.请注意,图3描述的所有电流源均由耗尽型晶体管来实现,该晶体管的栅极和源极皆被短接.
测量结果
智能型高侧开关的原型电路采用SumBCDMOS制程制作,图4是其显微照片.所建议的UVOV检测电路之有效面积为0.0625mm2,当VBB超出工作电压范围时,使用检测电路的输出信号关断高侧开关.图5所示为经测量的高侧开关漏极和源极之间电压差VON随VBB而变化的状况.当高侧开关导通时,VON接近于零,当由于电压低于或超过VBB而高侧开关关断时,VON接近于VBB.请注意,由于高侧开关具有通常为数十毫欧的有限阻抗,故而VON不可能为零.
可以观察到,可检测到低电压,且在3.85V、650mV磁滞的情况下,高侧开关关断,而在48.45V、700mV磁滞的情况卞,检测到过压.此外,我们测试了2000个不同样本,以检验所建议电路的稳健性,图6是其所测量UVOV检测电平的结论.可以看出,原型电路具有分布良好的UVOV检测电平,尽管存在样本至样本的变化,低电压检测的标准偏差为0,04；而过压检测的标准偏差为0.42.建议电路的仿真耗电量在12V时为18.7uA,在24V时为18.8uA,60V时为22.4uA,可以忽略,因为只使用了一个电晶体来当作电压检测器.
电压检测电路:水温水流电压检测1电源端 王工
结论
本文提出了一种仅仅使用一个晶体管来作为电压检测器的新颖UVOV检测电路.仿真结果的评估显示：原型电路具有3.85V的低电压检测电平,650mV的磁滞；具有48.45V的过压检测电平,700mV的磁滞；在12V下具有18.7uA的耗电量.
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电压检测电路引用文献:
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