一种功率开关的电流阈值测试电路及方法与流程

1.本发明属于开关电源技术领域，更具体的是涉及一种功率开关的电流阈值测试电路及方法。


背景技术：

2.开关电源由于其高转换效率在供电系统中得到广泛应用。开关电源中功率管都需要驱动电路来打开或关断。常见的拓扑结构有降压型（buck）、升压型（boost）、升降压型（buck-boost）等。
3.开关管的导通速度对系统可靠性和系统转换效率有直接影响。为了提高系统的可靠性，开关电源电路一般会集成过流保护功能。图1是一种现有的带过流保护功能的降压型开关电源的功率级等效电路，如图1所示，m1、m2为功率开关，基准电压ref和比较器cmp1构成了过流保护电路。当通过m1的电流大于设定阈值ref时，sw节点电压低于ref，oc输出高信号，从而通过驱动控制电路将m1关掉，实现过流保护的目的。
4.功率开关m1的过流保护阈值不能过高也不能过低。过高则达不到保护器件的目的，过低将导致不能提供正常的输出。因此，器件出厂前需要利用自动化测试机台对过流保护阈值进行测试以检验该指标是否满足要求。
5.图2是现有的一种功率开关过流保护阈值测量电路图，如图2所示，在开关节点sw端外加一个可编程的电流源isw，当isw电流小于晶体管m1的过流保护阈值时，m1导通，逐渐增加isw的电流，当isw电流达到过流保护阈值时，m1关断，sw处的电流变低，此时记录isw的电流即得到过流保护阈值。该方案存在如下问题：1. 当isw电流达到过流保护阈值时m1突然关断，sw快速从接近vdd电平变为接近地电平，该快速变化容易损伤器件，也容易对自动化测试机台造成损伤。
6.2.由于isw电流不能线性变化，而是呈阶梯型变化，导致测试时间长，大大降低了测试效率。


技术实现要素：

7.（一）要解决的技术问题本发明旨在解决如何减小对器件损伤的同时提高器件电流限制阈值测试效率和精度的技术问题。
8.（二）技术方案为解决上述技术问题，本发明的一方面提出一种功率开关的电流阈值测试电路，用于测试功率开关的功率管电流阈值，所述测试电路包括驱动电路、比较器、反向驱动器、分别与所述驱动电路连接的第一功率开关及第二功率开关；所述第一功率开关与第二功率开关的输出端连接形成开关节点，所述开关节点与所述比较器的负极输入端连接，所述比较器的正极输入端接基准电压，输出端与所述反向驱动器的输入端连接，所述反向驱动器的输出端与所述第二功率开关的栅极连接构成闭合
回路。
9.根据本发明的优选实施方式，所述第一功率开关与第二功率开关均为nmos管。
10.根据本发明的优选实施方式，所述驱动电路与所述第一功率开关、第二功率开关之间分别设置有驱动信号开关，所述第一功率开关的栅极与所述驱动电路断开并接高电平。
11.根据本发明的优选实施方式，所述第二功率开关的栅极与所述驱动电路断开并与所述反相驱动器的输出端连接，使所述第二功率开关始终处于导通状态。
12.根据本发明的优选实施方式，所述比较器输出端与所述反向驱动器输入端连接构成运算放大器，使得当比较器的正极输入端与负极输入端电压相等时，所述开关节点处电压与所述基准电压相等。
13.根据本发明的优选实施方式，所述比较器的正极输入端与负极输入端构成所述运算放大器的输入端，所述反向驱动器构成所述运算放大器的第二放大级。
14.根据本发明的优选实施方式，当所述开关节点处电压等于所述比较器的基准电压时，所述第一功率开关处电流为电流阈值。
15.本发明第二方面提出一种功率开关的电流阈值测试方法，其特征在于，包括：将上述的测试电路通电；将所述第一功率开关的栅极连接高电平，同时保持所述第二功率开关处于导通状态；当所述开关节点处电压与所述基准电压相等时，测量第一功率开关的电流即为第一功率开关的电流阈值。
16.（三）有益效果本发明通过将比较器和反向驱动器配置成运算放大器，将电流限制阈值测试由动态测试改为静态测试，大大提高了阈值测量精度和测量速度，因此提高了测试效率，同时避免了功率管在大电流情况下的突然关断，减小了对器件和自动化测试机台的损伤。
附图说明
17.图1是现有的一种带过流保护功能的降压型开关电源的功率级等效电路。
18.图2是现有的一种功率开关过流保护阈值测量电路图。
19.图3是现有的一种功率开关过流保护阈值测量方法信号示意图。
20.图4是现有的一种比较器电路图。
21.图5是本发明的一个实施例的功率开关过流保护阈值测量电路图。
22.图6是本发明的一个实施例的比较器和反向驱动器电路图。
23.图7是采用本发明的方案测量功率开关过流保护阈值仿真图。
24.图8是本发明的功率开关过流保护阈值测试方法流程图。
实施方式
25.在对于具体实施例的介绍过程中，对结构、性能、效果或者其他特征的细节描述是为了使本领域的技术人员对实施例能够充分理解。但是，并不排除本领域技术人员可以在特定情况下，以不含有上述结构、性能、效果或者其他特征的技术方案来实施本发明。
26.附图中的流程图仅是一种示例性的流程演示，不代表本发明的方案中必须包括流程图中的所有的内容、操作和步骤，也不代表必须按照图中所显示的顺序执行。例如，流程图中有的操作/步骤可以分解，有的操作/步骤可以合并或部分合并，等等，在不脱离本发明的发明主旨的情况下，流程图中显示的执行顺序可以根据实际情况改变。
27.附图中的框图一般表示的是功能实体，并不一定必然与物理上独立的实体相对应。即，可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理单元装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。
28.各附图中相同的附图标记表示相同或类似的元件、组件或部分，因而下文中可能省略了对相同或类似的元件、组件或部分的重复描述。还应理解，虽然本发明中可能使用第一、第二、第三等表示编号的定语来描述各种器件、元件、组件或部分，但是这些器件、元件、组件或部分不应受这些定语的限制。也就是说，这些定语仅是用来将一者与另一者区分。例如，第一器件亦可称为第二器件，但不偏离本发明实质的技术方案。此外，术语“和/或”、“及/或”是指包括所列出项目中的任一个或多个的所有组合。
29.现有技术中，测量功率开关过流保护阈值的方法是在开关节点sw端外加一个可编程电流源isw。当isw电流小于过流保护阈值时，第一功率开关m1导通，逐渐增加isw的电流，当isw电流达到过流保护阈值时，m1关断，sw变低。当sw电压等于ref电压的时候oc翻转，此时电流阈值ioc等于isw的电流，即得到过流保护阈值。
30.图3是现有的一种功率开关过流保护阈值测量方法信号示意图，如图3所示，上述方法存在如下缺陷，isw电流不能线性变化，而是呈台阶状变化。
31.为了提高测量精度，需要尽量减小每次电流的变化，即图中的istep的高度；而为缩短测试时间，需要尽可能的减小电流变化的次数和每个台阶停留的时间。假设电流限制阈值为10a，测量精度为1%，则istep最大为10a*1%=0.1a，所以需要100步，假设每步需要的时间为2ms，则总共需要的时间为200ms。一般情况下要达到1%精度的话istep需要远小于1%。因此仅这一项的测试时间就大于200ms，大大降低了测试效率。
32.为解决上述技术问题，本发明提出一种功率开关的电流阈值测试电路，将比较器和反向驱动器配置成运算放大器，将电流限制阈值测试由动态测试改为静态测试，大大提高了阈值测量精度和测量速度。
33.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
34.图5是本发明的一个实施例的功率开关过流保护阈值测量电路图，如图5所示，所述测试电路包括驱动电路drv1和drv2、比较器cmp1、反向驱动器、分别与所述驱动电路连接的第一功率开关m1及第二功率开关m2；所述第一功率开关m1与第二功率开关m2的输出端连接形成开关节点sw，所述开关节点sw与所述比较器cmp1的负极输入端连接，所述比较器cmp1的正极输入端接基准电压ref，输出端与所述反向驱动器的输入端连接，所述反向驱动器的输出端与所述第二功率开关m2的栅极连接构成闭合回路。
35.优选的，第一功率开关m1与第二功率开关m2均为nmos管，第一功率开关m1也可以选用pmos管，或者第一功率开关m1与第二功率开关m2也可以选用三极管。
36.所述驱动电路与所述第一功率开关m1、第二功率开关m2之间分别设置有驱动信号开关tm，所述第一功率开关m1的栅极与所述驱动电路断开并接高电平m1g。所述第二功率开关m2的栅极与所述驱动电路断开并与所述反相驱动器的输出端m2g连接，使所述第二功率开关m2始终处于导通状态。
37.图4是现有的一种比较器电路图，如图4所示，晶体管mp1、mp2、mp3和bias构成电流源偏置。晶体管mn1和mn2构成比较器的输入端，mn3构成比较器的第二级放大。oc为比较器输出信号。
38.图6是本发明的一个实施例的比较器和反向驱动器电路图，如图6所示，在现有比较器电路的基础上增加了反向驱动器，共同构成了运算放大器，mn1和mn2依然构成运算放大器的输入端，因此运算放大器的输入失调电压和比较器cmp1的输入失调电压基本相同。反向驱动器包括晶体管mn4、mp4、mp5和r1，构成第二放大级，还包括用作环路补偿器件的c1，保持环路的稳定。
39.当所述开关节点sw处电压高于所述比较器的基准电压ref时，所述第一功率开关m1导通；当所述开关节点sw处电压低于所述比较器的基准电压ref时，所述第一功率开关m1断开；当所述开关节点sw处电压等于所述比较器的基准电压ref时，所述比较器处于虚短状态，所述第一功率开关m1处电流为限制阈值电流，具体原理如下：根据运算放大器的工作原理，在稳定状态下比较器处于虚短状态，开关节点sw电压将与ref电压相等，结合图3，此时第一功率开关电流阈值ioc*rm1=vdd-ref，由于sw电压=ref电压，所以m1处的电压等于电流与rm1的乘积，还等于vdd-sw=vdd-ref，所以推导出此时m1处的电流等于ioc，也就是电流阈值，所以通过测量静态条件下m1中的电流（即vdd上的电流）即可测得电流限制阈值。
40.本实施例仅列举了降压型电压转换器，该原理可同样应用于升压型、升降压型等各种需要动态测量电流限制阈值的场合。
41.图7是采用本发明的方案测量功率开关过流保护阈值仿真图，如图7所示，采用本发明提出的静态测试方法，从下面的仿真结果可以看出，m1电流达到稳态的时间小于0.1ms。sw电压与ref电压的误差取决于运算放大器+反相驱动器+功率开关m2放大级形成的总的增益，一般情况下，这个增益会远远大于1000倍。按该增益为1000计算，sw电压与ref电压的误差小于0.1%（1/1000），即稳态下m1中的电流与设定电流限制的值误差小于0.1%，效果明显好于现有技术中的动态测试方法。
42.图8是本发明的功率开关过流保护阈值测试方法流程图，如图8所示，本发明还提出了一种功率开关的电流阈值测试方法，包括：将上述实施例中的测试电路通电；将所述第一功率开关的栅极连接高电平，同时保持所述第二功率开关处于导通状态；当所述开关节点处电压与所述基准电压相等时，测量第一功率开关的电流即为第一功率开关的电流阈值。
43.本发明通过将比较器和反向驱动器配置成运算放大器，将电流限制阈值测试由动
态测试改为静态测试，大大提高了阈值测量精度和测量速度，因此提高了测试效率，同时避免了功率管在大电流情况下的突然关断，减小了对器件和自动化测试机台的损伤。
44.本领域技术人员可以理解，实现上述实施例的全部或部分步骤被实现为由计算机数据处理设备执行的程序（计算机程序）。在该计算机程序被执行时，可以实现本发明提供的上述方法。而且，所述的计算机程序可以存储于计算机可读存储介质中，该存储介质可以是磁盘、光盘、rom、ram等可读存储介质，也可以是多个存储介质组成的存储阵列，例如磁盘或磁带存储阵列。所述的存储介质不限于集中式存储，其也可以是分布式存储，例如基于云计算的云存储。
45.以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，本发明不与任何特定计算机、虚拟装置或者电子设备固有相关，各种通用装置也可以实现本发明。以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种功率开关的电流阈值测试电路，用于测试功率开关的功率管电流阈值，其特征在于，所述测试电路包括驱动电路、比较器、反向驱动器、分别与所述驱动电路连接的第一功率开关及第二功率开关；所述第一功率开关与第二功率开关的输出端连接形成开关节点，所述开关节点与所述比较器的负极输入端连接，所述比较器的正极输入端接基准电压，输出端与所述反向驱动器的输入端连接，所述反向驱动器的输出端与所述第二功率开关的栅极连接构成闭合回路。2.根据权利要求1所述的功率开关的电流阈值测试电路，其特征在于，所述第一功率开关与第二功率开关均为nmos管。3.根据权利要求2所述的功率开关的电流阈值测试电路，其特征在于，所述驱动电路与所述第一功率开关、第二功率开关之间分别设置有驱动信号开关，所述第一功率开关的栅极与所述驱动电路断开并接高电平。4.根据权利要求3所述的功率开关的电流阈值测试电路，其特征在于，所述第二功率开关的栅极与所述驱动电路断开并与所述反相驱动器的输出端连接，使所述第二功率开关始终处于导通状态。5.根据权利要求4所述的功率开关的电流阈值测试电路，其特征在于，所述比较器输出端与所述反向驱动器输入端连接构成运算放大器，使得当比较器的正极输入端与负极输入端电压相等时，所述开关节点处电压与所述基准电压相等。6.根据权利要求5所述的功率开关的电流阈值测试电路，其特征在于，所述比较器的正极输入端与负极输入端构成所述运算放大器的输入端，所述反向驱动器构成所述运算放大器的第二放大级。7.根据权利要求5所述的功率开关的电流阈值测试电路，其特征在于，当所述开关节点处电压等于所述比较器的基准电压时，所述第一功率开关处电流为电流阈值。8.一种功率开关的电流阈值测试方法，其特征在于，包括：将如权利要求1-7任一项所述的测试电路通电；将所述第一功率开关的栅极连接高电平，同时保持所述第二功率开关处于导通状态；当所述开关节点处电压与所述基准电压相等时，测量第一功率开关的电流即为第一功率开关的电流阈值。

技术总结
本发明属于开关电源技术领域，提供一种功率开关的电流阈值测试电路及方法，测试电路包括驱动电路、比较器、反向驱动器、分别与驱动电路连接的第一功率开关及第二功率开关；第一功率开关与第二功率开关的输出端连接形成开关节点，开关节点与比较器的负极输入端连接，比较器的正极输入端接基准电压，输出端与反向驱动器的输入端连接，反向驱动器的输出端与第二功率开关的栅极连接构成闭合回路。本发明通过将比较器和反向驱动器配置成运算放大器，将电流限制阈值测试由动态测试改为静态测试，大大提高了阈值测量精度和测量速度，因此提高了测试效率，同时避免了功率管在大电流情况下的突然关断，减小了对器件和自动化测试机台的损伤。伤。伤。


技术研发人员：董贤辉 李芳园 吕洪涛
受保护的技术使用者：北京升宇科技有限公司
技术研发日：2023.06.20
技术公布日：2023/9/22