基于BCD 高压工艺的过压过流保护开关芯片设计

陈超

（上海晶准电子科技有限公司，上海 201100）

1 芯片介绍

本文所设计的芯片是一款集成过压保护及过流保护为一体的保护开关芯片，实现在输入端检测到高压或者大电流时将开关及时关闭，从而阻隔了高压或者大电流的通过，避免了对后端器件造成损害，此外，本芯片还具有过温保护以及锂电池过充保护等功能，可以实现在充电过程中对整个系统的全面保护工作。

本次设计的芯片主要由功率开关管和控制电路两部分组成，开关管漏极和源极分别与芯片的输入和输出相连接，控制电路的输出与开关管的栅极连接，因此通过调整控制电路的输出电压就可以控制开关管的导通与关断。

由于芯片的输入电压可能是高压，因此不能用普通的CMOS 工艺来设计，而需要采用高压BCD 工艺。功率开关管的性能要求是耐高压、RDSON小、开关速度快，所以需要采用BCD 工艺中的DMOS 来设计[1]。

具体功率管可以采用NMOS 或者PMOS，以图1 中的NMOS 管为例，该芯片的工作原理：当输入电压和输入电流不大时，控制电路的输出电压为高，此时开关管导通，外部输入的电压和电流可以顺利的通过开关管，流入到后端电路；当输入电压较高或者输入电流较大时，控制电路的输出电压为低，此时开关管关闭，高压和大电流就被阻隔在开关管输入端一侧，无法进入后端电路，从而达到了保护的目的。

图1 保护开关芯片的工作原理

2 电路设计

2.1 拓扑结构

如图2，该开关保护芯片拓扑结构，具有6 个端口分别是VIN、VOUT、EN、GND、ISET、BAT。

图2 芯片拓扑结构图

VIN 为输入端，前端的电压及电流从该端口流入芯片，输入电压和电流除了通过芯片提供给后端电路外，还为芯片本身提供正常工作所必需的电压和电流。

VOUT 为输出端，前端输入电压及电流经过芯片处理后从此端口流出芯片，流向后端电路。

EN 为使能端，主要作用是控制芯片开始和终止工作。

GND 为接地端，与系统的最低电位连接，作用是给芯片内部提供一个最低基准电平。

ISET 为过流阈值调节端，作用是通过外接一个电阻到地，之后通过调整这个电阻的阻值来调节芯片的过流阈值。

BAT 为电池电压检测端，其与系统内的锂电池正极相连接，从而通过检测锂电池电压值来判断锂电池电量是否已经充满。

2.2 保护芯片功能及工作原理

如图2 所示，该芯片的主要功能模块包括VREF、OVP、OCP、OTP、BOVP、Charge Pump、Control Logic、Driver 等，由于芯片的输入电压有可能是高压，而芯片内部大部分器件都是低压器件，如果直接采用输入电压来给内部模块供电的话，极有可能会对器件造成损害，因此首先需要将输入高压通过一个降压模块转换为低压来为内部电路供电，即图2 中VREF 为实现这一功能的模块。

其中OVP、OCP、OTP、BOVP 四个模块分别对输入电压、输入电流、芯片温度、电池电压进行监测，并且根据不同情况输出逻辑判断信号到Control Logic 模块，然后经过处理后输出信号来控制Driver 模块，进而控制功率开关管的栅极电压。Charge Pump 模块的作用是为Driver 模块提供所必需的高电平电源。

2.2.1 输入电压保护

针对OVP 功能，首先芯片通过一串分压电阻来对输入电压进行采样，采样分压与芯片内部生成的一个基准电压共同作为一个比较器——即图2 中OVP 模块的正负输入端，当输入电压较低时，电阻分压小于基准电压，此时比较器输出为正，逻辑控制电路判断没有发生过压情况，功率开关MOS 管仍然导通，输入电压和电流可以正常通过，当输入电压上升到某一电平的时候，采样分压开始超过基准电压，比较器输出翻转为负，此时逻辑控制电路判断发生输入过压情况，给出控制信号将功率开关MOS 管的栅极电压下拉至0V，从而关断了开关MOS 管，使得输入高压无法通过开关MOS 管传导到后端器件，从而实现了过压保护功能。

2.2.2 输入电流保护

对于OCP 功能的设计，OCP 模块首先采样通过功率开关管的电流，再将这个采样电流通过一个电阻来生成一个与输出电流成正比的采样电压，然后将这个电压与芯片内部生成的一个基准电压进行比较，当采样电压小于基准电压时，逻辑控制电路判断没有发生输入过流情况，此时功率开关管正常导通，输入电流可以顺利通过功率开关管流入到后端电路，当采样电压大于基准电压时，逻辑控制电路判断发生了输入过流情况，逻辑控制电路给出控制信号将功率开关管的栅极电压拉至0V，关断功率开关管，使得输入端的大电流无法通过功率开关管流到后端电路，从而实现了过流保护功能。

2.2.3 芯片温度保护

由于芯片的最大带载能力可以达到1A 以上，功率开关管本身存在着内阻RDSON，这样当电流通过功率管时就会产生热量，单位时间功耗为：

如果芯片封装的散热能力不足以抵消芯片所产生的热量的话，随着时间的推移，就会使得芯片内部的温度升高，温度过高时，就可能对功率开关管或者控制电路产生损害，因此就需要对芯片的工作温度进行监测，当发现温度过高时，通过OTP模块输出一个逻辑信号到逻辑控制电路，来将功率开关管关断，从而切断了流过芯片的电流，芯片温度就会慢慢回落，从而保护芯片本身不受高温的损害。

2.2.4 电池电压保护

BOVP 模块的工作原理与OVP 模块基本相同，不同的是BOVP 模块通过BAT 引脚对锂电池电压进行采样，再与基准电压进行比较，如果发现锂电池电压超过某个阈值，也就意味着锂电池电量已经充满，再继续充电的话可能会对锂电池造成损害，此时就将功率开关管关断，从而切断了锂电池充电电流，对锂电池形成保护。

2.3 关键模块设计

2.3.1 逻辑控制电路

本芯片针对过压、过流、过温、锂电池过充等过程中的可能发生的各种情况，特别设计了一个逻辑控制电路模块。其电路如图3 所示，输入端OVP、OCP、OTP、BOVP 分别为前端各个比较器模块的输出逻辑信号，输出端EN 为控制功率开关管栅极电压的使能信号，输出EN 为高的时候，POWER MOS 导通，EN低的时候，POWER MOS 关断。

图3 中两个COUNTER 模块为计时器电路，分别受OVP 和OCP 信号控制，当OVP/OCP 为低的时候，计数器模块停止工作，输出为低，OVP/OCP 为高时，计数器开始工作，经过一段预设时间后，输出为高。

图3 逻辑控制电路

2.3.1.1 过压状态

如果发生过压情况，则输入OVP 信号为低，此时EN=0，POWER MOS 关断，如果过压情况解除，此时OVP 信号为高，但是此时计数器输出仍然为低，由于RS 触发器的锁存作用，EN仍为低，同时计数器电路开始计时，当达到预设的时间间隔时，计数器模块输出变为高, 则EN 也为高, POWER MOS 导通。这样设计的目的是防止由于输入电压不稳而产生某些电压毛刺使得系统误判断输入电压已经脱离过压状态。

2.3.1.2 过流状态

如果发生过流情况，则输入OCP 信号为低，此时EN=O，POWER MOS 关断，如果过流情况解除，此时OCP 信号为高，但是此时计数器输出仍然为低，由于RS 触发器的锁存作用，EN仍为低，同时计数器电路开始计时，当达到预设的时间间隔时，计数器模块输出为高, EN 为高, POWER MOS 导通。这样设计是为了防止瞬间脉冲电流的干扰。

2.3.1.3 过温或锂电池过充状态

如果发生过温或者锂电池过充情况，则OTP 或BOVP 为低，此时EN=0，POWER MOS 关断，直到温度下降到阈值温度以下，或者锂电池电压下降到过充阈值电压以下时，此时OTP 或者BOVP 为高，此时EN 为高，POWER MOS 导通。

2.3.2 Charge Pump 电路设计

由于芯片所采用的功率开关管为NMOS 管，因此输入电压VIN 为开关管的漏极，输出电压VOUT 为开关管的源极，在开关MOS 管正常导通时，此时VOUT 与开关管栅极电压VG 的关系为

开关管栅极电压由Driver 模块提供，如果Driver 模块的供电电源与其它模块是同一电源电压，并且都由输入电压直接产生，则开关管栅极电压值就不可能超过输入电压值，即

这样，输出电压就会比输入电压至少小一个VTH 电压值，也就意味着输入电压无法完整的通过开关，发生了损耗，这样就会限制输入电压的有效范围以及后端器件的输入电压范围，因此必须采取措施将开关管的栅极电压升高到至少要比输入电压VIN 高一个VTH 电压值以上。本芯片设计了一种Charge Pump 电路来实现这一升压功能，如图4 所示。

图4 Charge Pump 电路

Charge Pump 电路又称为电荷泵，是一种通过在电容之间转移电荷而实现升压的电路结构，他不需要任何的运放或者调制电路就可以实现升压，电路原理和电路结构都相对简单，因此得到了广泛的应用[2]。Charge Pump 是通过两个反相的时钟利用电容上的电平不能突变的原理来实现升压[3]。

图5 为电路的工作时序图，电容C1 和C2 的下极板分别与时钟周期信号CLK 和时钟反相信号CLKB 连接，时钟周期信号的高电平为芯片内部电源电压VDD，低电平为0。

在初始状态时，假设CLK=0，则CLKB=VDD，此时由于电容的耦合作用，图5 中A 点电压VA 趋向于0，B 点电压VB 趋向于VDD，因此此时PM2 和NM1 导通，PM1 和NM2 关断，此时A点 通 过 NM1 与 VDD 相 连 接，C1 两 端 电 压 差 为VOUT-O=VOUT，B 点通过PM2 与CP 相连接，C2 两端电压差为VCP-VDD。

图5 Charge Pump 电路工作时序图

当CLK=VDD 时，则CLKB=0，此时VA 趋向于VDD，VB 趋向于0，此时PM1 和NM2 导通，PM2 和NM1 关断，此时A 点通过PM1 与CP 相连接，B 点通过NM2 与VDD 相连接，此时C1的负极板电压为VDD，由于电容两端电压差不能突变，仍然为VOUT，因此C1 正极板电压即VCP=VDD+VOUT，由于C3 的正极板连接CP 点，那么C1 在CLKB 这半个时钟周期内，就是在向C3 充电，C3 在CLKB 时间内的所增加的电量由C1 和C2 的电容以及CLKB 的时间所决定。

由于C1 和C2 的工作周期是完全反相的，这样在整个CLK周期内，C1 和C2 交替给C3 充电，最终C3 上正极板相对于地的电压即为VDD+VOUT，从而实现了升压功能。

3 版图设计

芯片版图采用0.18um BCD 工艺设计，上半部分为功率开关MOS 管，下半部分为控制电路。芯片的面积为780um*1230um。版图设计时，将较为敏感易受到干扰的模块比如bandgap 等与噪声较大的模块比如时钟产生电路分开摆放，同时敏感线与噪声线也不能相邻走线。驱动模块的位置尽量靠近功率开关管，这样可以减少驱动走线的长度，从而避免寄生参数对于驱动能力的影响。

4 测试结果

芯片流片后，测试出各项功能的典型参数如表1 所示，各项参数都符合设计预期值和市场需求。

表1 芯片的各项功能典型参数

进一步对芯片OVP 功能的测试波形，设备结果显示：

上面的波形为输入电压VIN，下面的波形为输出电压VOUT，VIN 初始电压为4V，当瞬间向上跳变到7V 时，VOUT 随之上冲，之后马上芯片的OVP 功能开始作用，将功率开关管关断，输出电压开始回落，此时芯片没有带负载，因此回落速度较慢。即VOUT 的上冲电压不超过6.1V。

5 结论

本文设计了一种基于0.18um BCD 工艺的过压过流保护芯片，内部集成了一个高压NMOS 开关管，可以根据不同的输入电压、输入电流、温度以及锂电池电压来导通或者关断开关管，从而起到保护后端器件的目的。芯片具备外部可调过流阈值的功能，当外接可调电阻为25k 的时候，过流阈值为1A。过压阈值为6.1V。芯片可广泛应用于电子产品充电等领域。