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)計的芯片是一款集成過壓保護(hù)及過流保護(hù)為一體的保護(hù)開關(guān)芯片，實現(xiàn)在輸入端檢測到高壓或者大電流時將開關(guān)及時關(guān)閉，從而阻隔了高壓或者大電流的通過，避免了對后端器件造成損害，此外，本芯片還具有過溫保護(hù)以及鋰電池過充保護(hù)等功能，可以實現(xiàn)在充電過程中對整個系統(tǒng)的全面保護(hù)工作。

本次設(shè)計的芯片主要由功率開關(guān)管和控制電路兩部分組成，開關(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關(guān)管的柵極連接，因此通過調(diào)整控制電路的輸出電壓就可以控制開關(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 工藝來設(shè)計，而需要采用高壓BCD 工藝。功率開關(guān)管的性能要求是耐高壓、RDSON小、開關(guān)速度快，所以需要采用BCD 工藝中的DMOS 來設(shè)計[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，控制電路的輸出電壓為高，此時開關(guān)管導(dǎo)通，外部輸入的電壓和電流可以順利的通過開關(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，控制電路的輸出電壓為低，此時開關(guān)管關(guān)閉，高壓和大電流就被阻隔在開關(guān)管輸入端一側(cè)，無法進(jìn)入后端電路，從而達(dá)到了保護(hù)的目的。

圖1 保護(hù)開關(guān)芯片的工作原理

2 電路設(shè)計

2.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

如圖2，該開關(guān)保護(hù)芯片拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具有6 個端口分別是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)部提供一個最低基準(zhǔn)電平。

ISET 為過流閾值調(diào)節(jié)端，作用是通過外接一個電阻到地，之后通過調(diào)整這個電阻的阻值來調(diào)節(jié)芯片的過流閾值。

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

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給內(nèi)部模塊供電的話，極有可能會對器件造成損害，因此首先需要將輸入高壓通過一個降壓模塊轉(zhuǎn)換為低壓來為內(nèi)部電路供電，即圖2 中VREF 為實現(xiàn)這一功能的模塊。

其中OVP、OCP、OTP、BOVP 四個模塊分別對輸入電壓、輸入電流、芯片溫度、電池電壓進(jìn)行監(jiān)測，并且根據(jù)不同情況輸出邏輯判斷信號到Control Logic 模塊，然后經(jīng)過處理后輸出信號來控制Driver 模塊，進(jìn)而控制功率開關(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OVP 功能，首先芯片通過一串分壓電阻來對輸入電壓進(jìn)行采樣，采樣分壓與芯片內(nèi)部生成的一個基準(zhǔn)電壓共同作為一個比較器——即圖2 中OVP 模塊的正負(fù)輸入端，當(dāng)輸入電壓較低時，電阻分壓小于基準(zhǔn)電壓，此時比較器輸出為正，邏輯控制電路判斷沒有發(fā)生過壓情況，功率開關(guān)MOS 管仍然導(dǎo)通，輸入電壓和電流可以正常通過，當(dāng)輸入電壓上升到某一電平的時候，采樣分壓開始超過基準(zhǔn)電壓，比較器輸出翻轉(zhuǎn)為負(fù)，此時邏輯控制電路判斷發(fā)生輸入過壓情況，給出控制信號將功率開關(guān)MOS 管的柵極電壓下拉至0V，從而關(guān)斷了開關(guān)MOS 管，使得輸入高壓無法通過開關(guān)MOS 管傳導(dǎo)到后端器件，從而實現(xiàn)了過壓保護(hù)功能。

2.2.2 輸入電流保護(hù)

對于OCP 功能的設(shè)計，OCP 模塊首先采樣通過功率開關(guān)管的電流，再將這個采樣電流通過一個電阻來生成一個與輸出電流成正比的采樣電壓，然后將這個電壓與芯片內(nèi)部生成的一個基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，當(dāng)采樣電壓小于基準(zhǔn)電壓時，邏輯控制電路判斷沒有發(fā)生輸入過流情況，此時功率開關(guān)管正常導(dǎo)通，輸入電流可以順利通過功率開關(guān)管流入到后端電路，當(dāng)采樣電壓大于基準(zhǔn)電壓時，邏輯控制電路判斷發(fā)生了輸入過流情況，邏輯控制電路給出控制信號將功率開關(guān)管的柵極電壓拉至0V，關(guān)斷功率開關(guān)管，使得輸入端的大電流無法通過功率開關(guān)管流到后端電路，從而實現(xiàn)了過流保護(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，功率開關(guān)管本身存在著內(nèi)阻RDSON，這樣當(dāng)電流通過功率管時就會產(chǎn)生熱量，單位時間功耗為：

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，隨著時間的推移，就會使得芯片內(nèi)部的溫度升高，溫度過高時，就可能對功率開關(guān)管或者控制電路產(chǎn)生損害，因此就需要對芯片的工作溫度進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)發(fā)現(xiàn)溫度過高時，通過OTP模塊輸出一個邏輯信號到邏輯控制電路，來將功率開關(guān)管關(guān)斷，從而切斷了流過芯片的電流，芯片溫度就會慢慢回落，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BAT 引腳對鋰電池電壓進(jìn)行采樣，再與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，如果發(fā)現(xiàn)鋰電池電壓超過某個閾值，也就意味著鋰電池電量已經(jīng)充滿，再繼續(xù)充電的話可能會對鋰電池造成損害，此時就將功率開關(guān)管關(guān)斷，從而切斷了鋰電池充電電流，對鋰電池形成保護(hù)。

2.3 關(guān)鍵模塊設(shè)計

2.3.1 邏輯控制電路

本芯片針對過壓、過流、過溫、鋰電池過充等過程中的可能發(fā)生的各種情況，特別設(shè)計了一個邏輯控制電路模塊。其電路如圖3 所示，輸入端OVP、OCP、OTP、BOVP 分別為前端各個比較器模塊的輸出邏輯信號，輸出端EN 為控制功率開關(guān)管柵極電壓的使能信號，輸出EN 為高的時候，POWER MOS 導(dǎo)通，EN低的時候，POWER MOS 關(guān)斷。

圖3 中兩個COUNTER 模塊為計時器電路，分別受OVP 和OCP 信號控制，當(dāng)OVP/OCP 為低的時候，計數(shù)器模塊停止工作，輸出為低，OVP/OCP 為高時，計數(shù)器開始工作，經(jīng)過一段預(yù)設(shè)時間后，輸出為高。

圖3 邏輯控制電路

2.3.1.1 過壓狀態(tài)

如果發(fā)生過壓情況，則輸入OVP 信號為低，此時EN=0，POWER MOS 關(guān)斷，如果過壓情況解除，此時OVP 信號為高，但是此時計數(shù)器輸出仍然為低，由于RS 觸發(fā)器的鎖存作用，EN仍為低，同時計數(shù)器電路開始計時，當(dāng)達(dá)到預(yù)設(shè)的時間間隔時，計數(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)脫離過壓狀態(tài)。

2.3.1.2 過流狀態(tài)

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

2.3.1.3 過溫或鋰電池過充狀態(tài)

如果發(fā)生過溫或者鋰電池過充情況，則OTP 或BOVP 為低，此時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充閾值電壓以下時，此時OTP 或者BOVP 為高，此時EN 為高，POWER MOS 導(dǎo)通。

2.3.2 Charge Pump 電路設(shè)計

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

開關(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，則開關(guān)管柵極電壓值就不可能超過輸入電壓值，即

這樣，輸出電壓就會比輸入電壓至少小一個VTH 電壓值，也就意味著輸入電壓無法完整的通過開關(guān)，發(fā)生了損耗，這樣就會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關(guān)管的柵極電壓升高到至少要比輸入電壓VIN 高一個VTH 電壓值以上。本芯片設(shè)計了一種Charge Pump 電路來實現(xiàn)這一升壓功能，如圖4 所示。

圖4 Charge Pump 電路

Charge Pump 電路又稱為電荷泵，是一種通過在電容之間轉(zhuǎn)移電荷而實現(xiàn)升壓的電路結(jié)構(gòu)，他不需要任何的運放或者調(diào)制電路就可以實現(xiàn)升壓，電路原理和電路結(jié)構(gòu)都相對簡單，因此得到了廣泛的應(yīng)用[2]。Charge Pump 是通過兩個反相的時鐘利用電容上的電平不能突變的原理來實現(xiàn)升壓[3]。

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

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

圖5 Charge Pump 電路工作時序圖

當(dāng)CLK=VDD 時，則CLKB=0，此時VA 趨向于VDD，VB 趨向于0，此時PM1 和NM2 導(dǎo)通，PM2 和NM1 關(guān)斷，此時A 點通過PM1 與CP 相連接，B 點通過NM2 與VDD 相連接，此時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，那么C1 在CLKB 這半個時鐘周期內(nèi)，就是在向C3 充電，C3 在CLKB 時間內(nèi)的所增加的電量由C1 和C2 的電容以及CLKB 的時間所決定。

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

3 版圖設(shè)計

芯片版圖采用0.18um BCD 工藝設(shè)計，上半部分為功率開關(guān)MOS 管，下半部分為控制電路。芯片的面積為780um*1230um。版圖設(shè)計時，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鐘產(chǎn)生電路分開擺放，同時敏感線與噪聲線也不能相鄰走線。驅(qū)動模塊的位置盡量靠近功率開關(guān)管，這樣可以減少驅(qū)動走線的長度，從而避免寄生參數(shù)對于驅(qū)動能力的影響。

4 測試結(jié)果

芯片流片后，測試出各項功能的典型參數(shù)如表1 所示，各項參數(shù)都符合設(shè)計預(yù)期值和市場需求。

表1 芯片的各項功能典型參數(shù)

進(jìn)一步對芯片OVP 功能的測試波形，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，VOUT 隨之上沖，之后馬上芯片的OVP 功能開始作用，將功率開關(guān)管關(guān)斷，輸出電壓開始回落，此時芯片沒有帶負(fù)載，因此回落速度較慢。即VOUT 的上沖電壓不超過6.1V。

5 結(jié)論

本文設(shè)計了一種基于0.18um BCD 工藝的過壓過流保護(hù)芯片，內(nèi)部集成了一個高壓NMOS 開關(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導(dǎo)通或者關(guān)斷開關(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)過流閾值的功能，當(dāng)外接可調(diào)電阻為25k 的時候，過流閾值為1A。過壓閾值為6.1V。芯片可廣泛應(yīng)用于電子產(chǎn)品充電等領(lǐng)域。