[发明专利]一种高侧开关的输出级电路

说明书

一种高侧开关的输出级电路，属于功率集成电路技术领域。本发明提出的输出级电路将输出负压钳位模块与功率管栅极驱动模块、功率管结合起来用于实现感性负载快速退磁，采用功率管代替传统方案中利用类似齐纳电路流过大电流，节约了版图面积；通过负反馈系统将感性负载退磁时功率管源极的负电压的绝对值限制在了有限的范围内以保证整个系统的安全工作，功率管栅极驱动模块中通过第一NMOS管、第七PMOS管限制功率管栅源电压的大小，保证在任何情况下功率管的栅氧均不会被击穿；同时在输出负压钳位模块运用了超级源极跟随器的结构提高了输出负压钳位时的负反馈环路的环路增益，提高了钳位的精度。

技术领域

本发明属于功率集成电路技术领域，涉及一种高侧开关的输出级电路，用于高侧功率开关的感性负载快速退磁。

背景技术

高侧功率开关因为其集成度高、易于控制等优点在汽车电子和工业控制领域有着重要的应用。在汽车电子中高侧功率开关替代了原有的继电器，可用于驱动喷油器、电机、车灯等各种不同的车载设备。而喷油器、电机等设备作为负载而言通常是表现出感性的特点。因此智能高侧功率开关需要具有在关断后能够快速地泄放感性负载上的磁能，以保证整个系统安全工作。

高侧功率开关通常采用在功率管处并联一个类似齐纳二级管的钳位电路来实现感性负载快速退磁的功能，其基本原理如图1所示，其中VBB是电源电压，V_OUT是输出端的电压，BV是类似齐纳电路的击穿电压。当电压VBB-V_OUTBV时，钳位电路提供一条VBB到V_OUT的低阻通路，维持电感电流以消除电感上的磁能。

由于功率开关的负载电流通常会很大，所以当开关关断时钳位电路中会流过较大的电流，对于集成电路而言就需要该钳位电路有较大的版图面积，因此从经济性来说，这种感性负载快速退磁电路不利于节省版图面积也不利于提高集成度。

为了节省版图面积，提高集成度，有文献针对PMOS做功率管的高侧开关提出了图2所示的结构，其中VBB是电源电压，V_OUT是输出端的电压。当控制信号HSON为逻辑低电平时PMOS管M2导通，PMOS功率管M1关断，因此V_OUT的极性由正变负，当V_OUT＝-[V_F2+V_GS3+R₂(V_GS1/R_ON2)+R₂(V_GS3/R₁)]时，NMOS管M3导通，当|VGS1||VTH1|时，PMOS功率管M1导通，从而维持电感电流以消除电感上的磁能，其中V_F2是二极管D2的正向导通电压；V_GS3是NMOS管M3导通时的栅源电压；V_GS1是PMOS功率管M1导通时的栅源电压，R_ON2是PMOS管M2的导通阻抗，VTH1是PMOS功率管M1的阈值电压。这种结构存在的问题是：环路增益较低，当NMOS管M3导通时不能很精确地限制PMOS功率管M1的栅源电压V_GS，存在栅源电压V_GS过大击穿栅氧化层的风险。

发明内容

针对上述高侧开关输出级存在的钳位电路版图面积大、功率管栅氧化层容易击穿的不足之处，本发明提出一种高侧开关的输出级电路，能够在实现PMOS功率管的高侧功率开关感性负载快速退磁的同时减小版图面积，且保证在任何情况下功率管的栅氧均不会被击穿。

本发明的技术方案是：

一种高侧开关的输出级电路，所述高侧开关采用PMOS功率管，所述输出级电路包括功率管栅极驱动模块和输出负压钳位模块，

所述功率管栅极驱动模块包括第一NMOS管、第二NMOS管、第三NMOS管、第一PMOS管、第二PMOS管、第六PMOS管、第七PMOS管、第一电流源和第二电阻，其中第二电阻为大电阻；