一种用于高边开关芯片的输出级电路和反极性保护电路

本发明属于功率集成电路，具体涉及一种用于高边开关芯片的输出级电路和反极性保护电路。

背景技术：

1、智能功率开关芯片是指将控制与驱动电路、功率半导体晶体管、保护电路和一些接口电路单片集成的集成电路，与传统机械开关、分立开关器件相比具有更高的可靠性和稳定性、以及更小的面积与制造成本，被广泛应用于汽车电子领域、航空航天领域、军事通信领域以及工业制造领域等。在汽车应用中，电池供电系统要求电子设备能够提供足够的反极性保护能力，可靠的电子器件通常需要承受高达-16v(反向电压)的电源电压至少两分钟。

2、智能功率开关芯片的输出通道通常包含一个功率半导体开关(通常是mosfet)，其中负载连接到输出通道中并通过半导体开关连接至电源电压。因此，负载可根据半导体开关的通断状态来接通或断开与电源电压的连接路径。假设半导体开关的导通电阻为100mω，额定负载电流为1a，则在正常工作期间，输出通道的功耗为100mw。功率半导体开关通常具有一个与沟道电流路径并联的反向体二极管，在正常工作期间，该体二极管处于反偏截止状态，然而，在电源反接时(反极性时)，该体二极管正向导通并提供反向负载电流路径。假设体二极管的正向导通压降为0.7v，则在反极性时由于体二极管导通产生的输出通道功耗为700mw，是正常工作期间的7倍。这可能会导致大量的发热甚至使器件损坏。因此，需要设计一种可靠的反极性保护电路来防止该情况的发生。

3、例如，在专利文献：用于n衬底高侧开关的反向极性保护(公开号cn103715193a)所公开的现有技术中，将半导体功率开关管的栅极通过一个“开关电路”连接至接地端，在反极性时接地端能够经由所述“开关电路”向功率开关管栅极充电(反极性时接地端为高压)，从而抬升栅极电压使功率管开启，减小输出通道的功耗。但是，构成所述“开关电路”的pmos管在反极性时需要耐受10v以上电压，若开关芯片驱动感性负载，在快速退磁阶段pmos管则需要耐受将近30v电压，因此对该器件的耐压能力具有一定的要求，而选用中高耐压的器件通常需要占据较大的版图面积。

4、再例如，在专利文献：高侧开关(公开号cn112054792a)所公开的现有技术中，通过增加充电电阻连接在半导体功率开关管的栅极与接地端之间，在反极性时充电电阻能够提供接地端到栅极的充电路径，从而抬升功率管栅极电压使功率管开启，减小输出通道的功耗。但是，由于在正常工作期间，功率管的栅极电压由驱动电路决定，当功率管被指示开启时，驱动电路将浮动电源端电压(通常是电源端电压vs+6v)施加给功率管栅极与充电电阻的一端，因此在充电电阻所在支路上将会产生额外的电流和功耗。

技术实现思路

1、本发明的目的在于在反极性时能够降低输出通道的功耗和发热，提供一种用于高边开关芯片的输出级电路和反极性保护电路；

2、为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种用于高边开关芯片的反极性保护电路，包括：

3、第一反极性保护电路，连接在电源端vs和接地端之间，用于检测电源端和接地端之间的供电电压，并根据供电电压产生控制信号；

4、第二反极性保护电路，分别与电源端vs、接地端和芯片输出端out连接，用于检测电源端和接地端之间的供电电压，并根据供电电压提供电源端到芯片输出端out之间的低阻路径。

5、进一步地，所述第一反极性保护电路包括：nmos管mn2、nmos管mn3、电阻r1、电阻r2、电阻r3、二极管d1、二极管d2、二极管d3以及二极管d4；

6、所述nmos管mn2的栅极连接至接地端，且所述nmos管mn2的栅极还经由电阻r2连接至nmos管mn2的源极；

7、所述nmos管mn2的源极经由电阻r1连接至二极管d1的阳极，所述二极管d1的阴极连接至电源端vs；

8、所述nmos管mn2的漏极分别与二极管d2的阳极、二极管d3的阴极以及电阻r3一端连接，所述二极管d2的阴极连接至nmos管mn3的漏极，所述二极管d3的阳极连接至内部地信号gndint，所述电阻r3另一端连接至二极管d4的阳极；

9、所述nmos管mn3的源极连接至接地端；

10、所述nmos管mn3的栅极连接至逻辑信号en。

11、进一步地，所述第二反极性保护电路包括：nmos管mn4、nmos管mn5、电阻r4、电阻r5、电阻r6、电阻r7、二极管d5、二极管d6、二极管d7、二极管d8、功率管t2以及第二钳位保护电路；

12、所述nmos管mn4的栅极连接至接地端，且所述nmos管mn4的栅极还经由电阻r5连接至nmos管mn4的源极；

13、所述nmos管mn4的源极经由电阻r4连接至二极管d5的阳极，所述二极管d5的阴极连接至电源端vs；

14、所述nmos管mn4的漏极分别与二极管d6的阳极、二极管d7的阴极以及电阻r6一端连接，所述二极管d6的阴极连接至nmos管mn5的漏极，所述二极管d7的阳极连接至内部地信号gndint，所述电阻r6另一端连接至二极管d8的阳极，所述二极管d8的阴极连接至n型功率管t2的栅极连接，所述n型功率管t2的漏极连接至电源端vs，所述n型功率管t2的源极连接至芯片输出端out，所述n型功率管t2的栅极经由第二钳位保护电路连接至电源端vs，并且所述n型功率管t2的栅极还经由电阻r7连接至芯片输出端out；

15、所述nmos管mn5的源极连接至接地端；

16、所述nmos管mn5的栅极连接至逻辑信号en。

17、进一步地，所述第二钳位保护电路包括：

18、二极管da，其阴极连接电源端vs，阳极连接齐纳二极管dz1的阳极；

19、齐纳二极管dz1，其阴极连接主功率管t1的栅极，阳极连接二极管da的阳极；

20、且所述第二钳位保护电路用于限制功率管t2的栅极电压，确保功率管t2工作在安全工作区内。

21、进一步地，所述逻辑信号en通过驱动电路控制主功率管t1的开启或关断，当主功率管t1开启时，所述逻辑信号en为第一逻辑电平，当主功率管t1关断时，所述逻辑信号en为第二逻辑电平。

22、进一步地，所述所述内部地信号gndint在极性正常和反极性时恒为约0v。

23、本发明还提供了一种用于高边功率开关芯片的输出级电路，包括：

24、主功率管t1，连接在电源端vs与芯片输出端out之间，用于提供电源端到芯片负载的电流路径；

25、驱动电路，连接在浮动电源端vcp与芯片输出端out之间，并与主功率管t1栅极连接，用于产生驱动主功率管t1开启的升压开启信号；

26、第一钳位保护电路，连接在电源端vs与主功率管t1栅极之间，用于限制主功率管t1栅极和漏极之间的最大压差；

27、权利1-6任意一项所述的反极性保护电路，连接在电源端vs与接地端之间，并与主功率管t1的栅极相连，用于在电源极性反接时控制主功率管t1开启。

28、进一步地，所述驱动电路包括：

29、pmos管mp1，其源极连接至浮动电源端vcp，漏极连接至主功率管t1栅极，栅极接入用于指示主功率管t1开启或关断的指示信号；

30、nmos管mn1，其源极连接至芯片输出端out，漏极连接至主功率管t1栅极，栅极接入用于指示主功率管t1开启或关断的指示信号；

31、由pmos管mp1和nmos管mn1共同组成推挽结构，作为驱动电路或驱动电路的输出级，在电源极性正常时控制主功率管t1开启或关断。

32、进一步地，所述第一钳位保护电路与权利要求3所述的第二钳位保护电路具有相同的结构，用于限制主功率管t1的栅极电压，确保主功率管t1工作在安全工作区内。

33、有益效果：本发明所提供的反极性保护电路采用全低压nmos管架构，在任何工作状态下对器件没有额外耐压要求，与中高压器件相比选用全低压器件进一步减小了版图面积，且反极性保护电路仅在反极性时工作，而在正常工作期间不会干扰主功率管的正常开启与关断过程，其中所提供反极性保护电路在正常工作期间不会产生额外电流与功耗，在反极性工作期间，第一反极性保护电路控制主功率管t1导通以降低功耗和发热，实现反极性保护，第二反极性保护电路提供电源端和输出端out之间的低阻路径，抑制由于n型衬底驱动电路的寄生三极管开启而导致的反极性保护失效。