专利名称：负载驱动电路及保护方法
技术领域：
本发明涉及负载驱动电路，特别涉及其保护技术。
技术背景在电机驱动器、开关电源、运算放大器的输出级等很多电子电路中， 使用对负载提供驱动电流或驱动电压的负载驱动电路。负载驱动电路一般执行推挽(push pull)动作，即向负载排出(push)电流，或者从负载吸 入(pull)电流的动作。负载驱动电路包括例如串联连接在电源电压与接 地电压之间的高侧(high side)晶体管和低侧(low side )晶体管，两个晶 体管的连接点作为输出端子与负载相连接。在这样的负载驱动电路中，若输出端子接地或者与电源线相连，则晶 体管和作为驱动对象的负载有可能流过过电流。因此，设置有短路保护或 者称为电源-输出短路保护的保护功能。专利文献l中记载有相关技术。专利文献l:特开平8- 097640号公报
发明内容
〔发明所要解决的课题〕本发明是鉴于这样的课题设计的，其目的在于提供一种具有在地线-输出短路或电源-输出短路时能很好地保护电路的保护功能的负载驱动 电路。〔用于解决课题的手段〕 根据本发明的一个方案，提供一种负载驱动电路，包括串联连接于第 1固定电压和第2固定电压之间的作为双极型晶体管的高侧晶体管和低侧 晶体管，且对与作为两个晶体管的连接点的输出端子相连接的负载提供与 两个晶体管的导通、截止状态相应的驱动电流。该负载驱动电路包括电 流源，控制提供给高侧晶体管和低侧晶体管的基极电流；保护电路，将输 出端子的输出电压与预定的阈值电压进行比较，在满足预定的条件时，减
少高侧晶体管和低侧晶体管的至少 一者的基极电流。根据该方案，若输出电压脱离预定的范围，则判定为是电路异常，通 过减少高侧晶体管或低侧晶体管的基极电流，高侧晶体管或低侧晶体管的 导通程度被减弱，或者成为截止，所以实现了电路保护。另外，这里所说 的"减少基极电流"也包括完全关断的情况。保护电路可以在输出电压低于预定的下限阈值电压时，减少高侧晶体 管的基极电流。通过比较输出电压和下限阈值电压，能够检测到地线_输出短路状 态，当地线-输出短路时，通过减弱高侧晶体管的导通程度，能够保护电 路。保护电路可以进一步监视高侧晶体管的导通、截止状态，在高侧晶体 管导通的状态下，当输出电压低于下限阈值电压时，减少高侧晶体管的基 极电流。在高侧晶体管导通的状态下，若输出端子与地线发生短路，则有可能 流过大电流，所以通过检测高侧晶体管的导通、截止状态，能够实现合适 的电路保护。保护电路可以在输出电压高于预定的上限阈值电压时，减少低侧晶体 管的基极电 流o通过比较输出电压与上限阈值电压，能够检测电源-输出短路状态， 当发生电源-输出短路时，通过减弱低侧晶体管的导通程度，能够保护电 路。保护电路可以进一步监视低侧晶体管的导通、截止状态，在低侧晶体 管导通的状态下，当输出电压高于上限阔值电压时，减少低侧晶体管的基 极电流。在低侧晶体管导通的状态下，若输出端子与电源发生短路，则有可能 流过大电流，所以通过检测低侧晶体管的导通、截止状态，能够实现合适 的电路保护。本发明的另一方案也是负载驱动电路。该负载驱动电路包括串联连 接于第1固定电压和第2固定电压之间的作为双极型晶体管的高侧晶体管 和低侧晶体管；生成驱动基准电流的驱动基准电流源；第1晶体管，基极 被提供驱动基准电流，将该结果所流过的集电极电流提供给高侧晶体管的
基极；比较器，对作为高侧晶体管和低侧晶体管的连接点的输出端子的电压与预定的阈值电压进行比较，检测电路异常；以及修正电流源，根据比较器的输出信号而成为有效状态，在电路异常时生成修正电流，使提供给 第1晶体管的驱动基准电流减少修正电流。根据该方案，当检测到电路异常时，高侧晶体管的基极电流被减小， 能够保护电路。根据本发明的另一方案，提供一种负载驱动电路的保护方法，该负载驱动电路包括串联连接于第1固定电压和第2固定电压之间的作为双极型晶体管的高侧晶体管和低侧晶体管，且对与作为两个晶体管的连接点的输 出端子相连接的负载提供与两个晶体管的导通、截止状态相应的驱动电比较，当输出电压低于下限阈值电压时，生成预定电平的异常信号的步骤； 以及当异常信号被生成时，减少高侧晶体管的基极电流的步骤。可以还包括检测高侧晶体管的导通、截止状态的步骤。可以在高侧晶 体管导通，且预定电平的异常信号被生成时，减少高侧晶体管的基极电流。本发明的另一方案也涉及负载驱动电路的保护方法，该负载驱动电路 包括串联连接于第1固定电压和第2固定电压之间的作为双极型晶体管的 高侧晶体管和低侧晶体管，且对与作为两个晶体管的连接点的输出端子相 连接的负载提供与两个晶体管的导通、截止状态相应的驱动电流。该保护 方法包括将输出端子的输出电压与预定的上限阈值电压进行比较，当输 出电压高于上限阈值电压时，生成预定电平的异常信号的步骤；以及当异 常信号被生成时，减少低侧晶体管的基极电流的步骤。可以还包括检测低侧晶体管的导通、截止状态的步骤。可以在低侧晶 体管导通，且预定电平的异常信号被生成时，减少低侧晶体管的基极电流。另外，将以上结构要件的任意组合、本发明的结构要件以及表达方式 在方法、装置、系统等之间相互置换的方案，作为本发明的实施方式也是 有效的。〔发明效果〕根据本发明的一个方案，能实现在地线-输出短路或电源-输出短路 时很好地保护电路的保护功能。
图1是表示实施方式的负载驱动电路的结构的电路图。 图2是表示实施方式的负载驱动电路的结构的电路图。
具体实施方式
以下，基于优选的实施方式参照
本发明。对各附图中所示的 相同或等同的结构要素、部件、处理标注相同的标号，并适当省略重复的 说明。另外，实施方式只是例示，并非限定本发明，实施方式中所描述的 所有特征及其组合，不一定就是本发明的本质特征。图1是表示实施方式的负载驱动电路10的结构的电路图。图l的电 路图是功能性地表示负载驱动电路10的结构的图，首先，利用图1来说明负载驱动电路10的概要。图1的负载驱动电路10包括第1晶体管Ql、 第2晶体管Q2、动作4企测电路16、异常4企测比较器CMP1、电流源12、 逻辑门14。输出端子Tl与未图示的负载相连接。第1晶体管Ql、第2晶体管 Q2都是NPN型的双极型晶体管，被串联连接在提供作为第1固定电压的 电源电压Vcc的电源端子T2与提供作为第2固定电压的接地电压0V的 接地端子GND之间。第1晶体管Ql是高侧晶体管，第2晶体管Q2是低 侧晶体管，两个晶体管的连接点为输出端子Tl。第1晶体管Q1导通时， 经由输出端子Tl向负载提供源电流II,第2晶体管Q2导通时，经由输 出端子Tl从负载吸入吸收电流(sink current) 12。负载驱动电路10对负 载提供与第1晶体管Ql、第2晶体管Q2的导通、截止状态相应的驱动电 流Idrv。驱动电流Idrv由源电流II和^及收电流12的差量得出。电流源12对作为高侧晶体管的第1晶体管Q1提供基极电流IM。为 以所希望的状态驱动负载而调节基极电流Ibl的值。同样地，第2晶体管 Q2的基极也连接有未图示的电流源。在图1中，异常检测比较器CMP1、逻辑门14、动作检测电路16构 成保护电路20。该保护电路20实现地线-输出短路保护功能。保护电路 2 0将输出端子T1的输出电压Vout与预定的阈值电压Vth相比较，当满足 预定的条件时，减少作为高侧晶体管的第1晶体管Ql的基极电流。在本 实施方式中，预定的条件是VouKVth。阈值电压Vth是接地电压OV附近200710137195.4
的电压，被设定为电路正常工作时输出电压Vout所能取到的电压范围的外侧。异常检测比较器CMP1对输出电压Vout与阈值电压Vth进行比较， 输出在Vout<Vth时变成高电平的异常检测信号Sabn。异常检测信号Sabn 经由逻辑门14输入到电流源12。另外，在本说明书中高电平和低电平是 表示某信号的相对电压值。保护电路20具备进一步监视作为高侧晶体管的第1晶体管Ql的导 通、截止状态的功能。保护电路20在第1晶体管Q1导通的状态下，当输 出电压Vout低于下限阈值电压Vth时，使由电流源12生成的第1晶体管 Ql的基极电流Ibl减小。第1晶体管Ql的监视功能由动作检测电路16来实现。动作检测电路 16包括第3晶体管Q3、第1电阻R1。第3晶体管Q3与第1晶体管Ql 一样是NPN型的双极型晶体管，与第1晶体管Ql进行基极和射极共连的 电流镜连接。第3晶体管Q3的集电极与电源端子T2之间设置有第1电阻 Rl。第3晶体管Q3流过与第1晶体管Ql成比例的电流II，，第1电阻 Rl上产生与电流Il，成比例的电压降。即，在第1晶体管Ql导通的状态 下，由于第1电阻R1产生某程度的电压降，所以第1电阻R1与第3晶体 管Q3的连接点的电压Sl成为低电平，在第1晶体管Ql截止的状态下， 电压S1成为高电平。以下，将第3晶体管Q3和第1电阻R1的连接点的 电压Sl也称为动作检测信号。动作检测信号Sl经由逻辑门14输入到电 流源12。逻辑门M是"与"门，输出在异常检测信号Sabn为高电平且动作检 测信号Sl为低电平时变成高电平的控制信号S2，除此之外的时候输出成 为低电平的控制信号S2。电流源12在控制信号S2成为高电平时，减小 提供给第1晶体管Ql的基极电流Ibl。下面说明如上那样构成的负载驱动电路10的动作。在负载驱动电路IO进行正常的动作期间，异常检测信号Sabn是低电 平，所以从逻辑门14输出的控制信号S2总是低电平，电流源12将用于 以所希望的状态驱动负载的基极电流Ibl提供给第1晶体管Ql。若负载驱动电路10的输出端子Tl与地线短路，变成VouKVth,则 异常检测信号Sabn变成高电平。在该状态下，若第1晶体管Q1截止，则 动作检测信号Sl是高电平，所以控制信号S2成为低电平，电流源12将与正常动作时相同的基极电流Ibl提供给第1晶体管Ql。而原本在第1 晶体管Q1截止的状态下，基极电流IM是比较小的，或者是0。在输出端子Tl与地线短路的状态下，若第1晶体管Ql导通，则动 作检测信号Sl变成低电平，控制信号S2变成高电平，所以电流源12减 小基极电流IM，减弱第1晶体管Ql导通的程度，或者完全使之截止。如上所述，根据图1的负载驱动电路10,通过由保护电路20检测地 线-输出短路状态，在地线-输出短路时减少第1晶体管Ql的基极电流 Ibl,能够谋求电路保护。进而，保护电路20具有动作检测电路16,检测第1晶体管Ql的导 通、截止状态，并仅在第1晶体管Ql导通的状态下减小第1晶体管Ql 的基极电流Ibl。在第1晶体管Ql导通的状态下，若输出端子T1与地线 之间短路，则有可能流过大电流，所以利用图l的负载驱动电路10，通过 检测第1晶体管Ql的导通、截止状态，能够实现合适的电路保护。在图1的负载驱动电路10中，各信号的高电平、低电平的逻辑值的 设定只是一例，本领域技术人员能够容易地理解进行适当的逻辑反转也能 实现同样的功能。接下来，参照更具体的电路图说明实施方式的负载驱动电路10的结 构。图2是表示实施方式的负载驱动电路10a的结构例的电路图。图2的 负载驱动电路10a与图1的负载驱动电路10 —样具备地线-输出短路时 的保护功能。负载驱动电路10a包括第1晶体管Ql、第2晶体管Q2、电流源12a、 动作检测电路16a、异常检测比较器CMP1。图2的异常检测比较器CMP1对应于图1的异常检测比较器CMP1， 包括比较器CMP2、第1 二极管Dl、第2二极管D2、第4晶体管Q4、第 2电阻R2。比较器CMP2的非反相输入端子与输出端子Tl相连，施加输 出电压Vout。第1 二极管Dl和第2 二极管D2串联连接，生成由Vth = Vfx2给出的阈值电压。Vf是二极管的顺方向电压。也可以不使用第l二 极管Dl和第2二极管D2,而是利用由带隙基准电路生成的恒定电压作为 阈值电压Vth。阈值电压Vth被施加在比较器CMP2的反相输入端子。第4晶体管Q4是NPN型双极型晶体管，射极接地，基极与比较器 CMP2的输出相连接。第4晶体管Q4的集电极与电源端子T3之间设置有 第2电阻R2。另外，电源端子T3也可以与电源端子T2共通，或者也可 以提供其他电源电压。第4晶体管Q4、第2电阻R2作为反相器来发挥作 用，使比较器CMP2的输出信号反转。第2电阻R2与第4晶体管Q4的 连接点的电压作为异常检测信号Sabn输出到逻辑门14。图2的异常检测 信号Sabn与图1的异常4企测信号Sabn—样，在正常动作时、即Vout>Vth 时成为j氐电平，在异常时、即VouKVth时成为高电平。在图2中，动作检测电路16a具有图1的动作检测电路16和逻辑门 14的功能。动作;险测电路16a包括第3晶体管Q3、第1电阻R1、第5晶 体管Q5。第3晶体管Q3、第1电阻R1的连接形式与图1相同。第5晶 体管Q5是PNP型双极型晶体管，基极被施加异常检测信号Sabn,射极与 电源端子T3相连，与第1电阻R1并联设置。在正常动作时，异常检测信号Sabn为低电平，所以第5晶体管Q5 成为导通状态。第5晶体管Q5导通后，第1电阻R1被旁路掉，第l电 阻R1中流过的电流变得极微小，所以不产生电压降，结果，控制信号+ S2 变成高电平。在异常时，异常检测信号Sabn为高电平，所以第5晶体管Q5成为截 止状态。此时，若第1晶体管Ql导通，则第3晶体管Q3中流过与第1 晶体管Q1成比例的电流。此时，由于第5晶体管Q5是截止的，所以第3 晶体管Q3中流过的电流是经由第1电阻R1被提供的。结果，第1电阻 Rl产生电压降，控制信号*82成为低电平。在异常时，若第1晶体管Ql是截止状态，则第3晶体管Q3不流过 电流，所以第1电阻R1不产生电压降，控制信号*82成为高电平。因此，从动作检测电路16&输出的控制信号*82成为使图1的控制信 号S2逻辑反转了的信号，可知图2的动作检测电路16a具有与图1的动 作检测电路16、逻辑门14同等的功能。从动作检测电路16a输出的控制信号fS2被输入到电流源12a。电流 源12a包括驱动基准电流源18、》务正电流源19、第6晶体管Q6。第6晶体管Q6是PNP型双极型晶体管，与第1晶体管Ql以达林顿 (Darlington)方式连接。即，第6晶体管Q6的射极与电源端子T3相连， 集电极与第1晶体管Ql的基极相连接。驱动基准电流源18生成用于以所
希望的状态驱动负载的驱动基准电流Ixl。由驱动基准电流源18生成的驱 动基准电流Ixl成为第6晶体管Q6的基极电流，第6晶体管Q6的基极被 提供驱动基准电流Ixl,将其结果所流过的集电极电流提供给第1晶体管 Ql的基极。修正电流源19具有根据控制信号+ S2而变成有效状态(active),在电 路异常时生成修正电流Ix2，从作为基极电流提供给第1晶体管Ql的驱动 基准电流Ixl中减少^务正电流1x2的功能。修正电流源19包括第7晶体管Q7、第3电阻R3。第7晶体管Q7是 PNP双极型晶体管，集电极与第6晶体管Q6的基极相连，射极与第6晶 体管Q6的射极相连。控制信号*82经由第3电阻R3被输入到第7晶体管 Q7的基极。控制信号fS2为低电平时，第7晶体管Q7成为导通状态，修正电流 源19成为有效状态，生成修正电流Ix2。此时，第6晶体管Q6的基极电 流成为Ixl - 1x2,比通常动作时减少了 。下面说明如上那样构成的图2的负载驱动电路10a的动作。在输出端 子Tl没有与地线短路而是正常动作时，控制信号申S2是高电平，所以修 正电流源19成为非有效状态，第1晶体管Ql流过与由驱动基准电流源 18生成的驱动基准电流Ix 1相应的基极电流。现在，在第1晶体管Ql导通的状态下，若输出端子Tl与地线短路， 则控制信号*82变成低电平，修正电流源19成为有效状态。结果，第6 晶体管Q6的基极电流减少，第1晶体管Ql的基极电流Ibl也减少，第1 晶体管Ql的导通程度被减弱，实现了电路保护。这样，通过图2的负载驱动电路10a,在作为高侧晶体管的第1晶体 管Ql导通的状态下，若发生地线-输出短路，则使第1晶体管Ql的基 极电流Ibl减少，能够实现电路保护。以上，基于实施方式说明了本发明。该实施方式是个例示，可以对各 结构要件和各处理过程的组合进行各种变形，本领域技术人员能够理解这 些变形例也在本发明的范围内。以下对这样的变形例进行说明。在图1或图2的电路中，双极型晶体管的PNP型或NPN型可以适当 替换。另外，在一部分晶体管中，也可以利用MOSFET( Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor: 场效应晶体管)。
另外，在图1、图2的电路中，说明了进行地线-输出短路保护的情 况，但也可以作为进行电源-输出短路保护的结构。此时，动作检测电路16为检测第2晶体管Q2的导通、截止状态而与第2晶体管Q2并联连接。 异常检测比较器CMP1将输出电压Vout与上限阈值电压Vth进行比较， 将Vout〉Vth的状态判定为电源-输出短路状态。逻辑门14的输出被输入 到控制第2晶体管Q2的基极电流的电流源，当输出电压Vout高于预定的 上限阈值电压Vth时，减少第2晶体管Q2的基极电流。
另外，动作检测电路16是对与第1晶体管Q1并联设置的晶体管中流 过的电流进行电压转换，检测第1晶体管Ql的导通截止的，但不限于此。 例如也可以采用与第1晶体管Ql串联设置电阻，基于该电阻所产生的电 压降来检测导通、截止状态的结构。本说明书的负载驱动电路包括所有具有串联连接高侧晶体管和低侧 晶体管的电路结构，且两个晶体管的连接点与负载相连接这样的电路形式 的电路。因此，运算放大器的推挽输出级、电机驱动器的桥电路、音频放 大器等全都被包括在负载驱动电路中。基于实施方式对本发明进行了说明，但显然实施方式仅是表示本发明 的原理、应用，在不脱离权利要求书所规定的本发明的思想的范围内，可 以对实施方式进行很多变形例以及变更配置。
权利要求
1.一种负载驱动电路，包括串联连接于第1固定电压和第2固定电压之间的作为双极型晶体管的高侧晶体管和低侧晶体管，且对与作为两个晶体管的连接点的输出端子相连接的负载提供与两个晶体管的导通、截止状态相应的驱动电流，该负载驱动电路的特征在于，包括电流源，控制提供给上述高侧晶体管和上述低侧晶体管的基极电流；以及保护电路，将上述输出端子的输出电压与预定的阈值电压进行比较，在满足预定的条件时，减少上述高侧晶体管和上述低侧晶体管的至少一者的基极电流。
2. 根据权利要求1所述的负载驱动电路，其特征在于高侧晶体管的基极电 流。
3. 根据权利要求2所述的负载驱动电路，其特征在于 上述保护电路还监视上述高侧晶体管的导通、截止状态，在上述高侧晶体管导通的状态下，当上述输出电压低于上述下限阈值电压时，减少上 述高侧晶体管的基极电流。
4. 根据权利要求1所述的负载驱动电路，其特征在于 上述保护电路在上述输出电压高于预定的上限阈值电压时，减少上述低侧晶体管的基极电流。
5. 根据权利要求4所述的负载驱动电路，其特征在于 上述保护电路还监视上述低侧晶体管的导通、截止状态，在上述低侧晶体管导通的状态下，当上述输出电压高于上述上限阈值电压时，减少上述低侧晶体管的基极电 流。
6. —种负载驱动电路，其特征在于，包括串联连接于第1固定电压和第2固定电压之间的作为双极型晶体管的 高侧晶体管和低侧晶体管；生成驱动基准电流的驱动基准电流源；第1晶体管，基极被提供上述驱动基准电流，将其结果所流过的集电 极电流提供给上述高侧晶体管的基极；比较器，对作为上述高侧晶体管和上述低侧晶体管的连接点的输出端 子的电压与预定的阈值电压进行比较，检测电路异常；以及修正电流源，根据上述比较器的输出信号而成为有效状态，在电路异 常时生成修正电流，使提供给上述第1晶体管的上述驱动基准电流减少上 述修正电 流。
7. —种负载驱动电路的保护方法，该负载驱动电路包括串联连接于第 1固定电压和第2固定电压之间的作为双极型晶体管的高侧晶体管和低侧 晶体管，且对与作为两个晶体管的连接点的输出端子相连接的负载提供与 两个晶体管的导通、截止状态相应的驱动电流，该保护方法的特征在于， 包括将上述输出端子的输出电压与预定的下限阈值电压进行比较，当上述 输出电压低于上述下限阈值电压时，生成预定电平的异常信号的步骤；以 及当上述异常信号被生成时，减少上述高侧晶体管的基极电流的步骤。
8. 根据权利要求7所述的保护方法，其特征在于还包括检测上述高侧晶体管的导通、截止状态的步骤， 当上述高侧晶体管导通，且上述预定电平的异常信号被生成时，减少 上述高侧晶体管的基极电流。
9. 一种负载驱动电路的保护方法，该负载驱动电路包括串联连接于第 1固定电压和第2固定电压之间的作为双极型晶体管的高侧晶体管和低侧 晶体管，且对与作为两个晶体管的连接点的输出端子相连接的负载提供与 两个晶体管的导通、截止状态相应的驱动电流，该负载驱动电路的保护方 法的特征在于，包括将上述输出端子的输出电压与预定的上限阈值电压进行比较，当上述 输出电压高于上述上限阈值电压时，生成预定电平的异常信号的步骤；以 及当上述异常信号被生成时，减少上述低侧晶体管的基极电流的步骤。
10. 根据权利要求9所述的保护方法，其特征在于还包括检测上述低侧晶体管的导通、截止状态的步骤， 当上述低侧晶体管导通，且上述预定电平的异常信号被生成时，减少 上述低侧晶体管的基极电流。
全文摘要
本发明提供一种负载驱动电路及保护方法，实现在发生地线-输出短路或电源-输出短路时很好地保护电路的保护功能。负载驱动电路(10)包括串联连接于第1固定电压(Vdd)和第2固定电压(GND)之间的双极型晶体管的第1晶体管(Q1)和第2晶体管(Q2)，且对与两个晶体管的连接点的输出端子(T1)相连的负载提供与两个晶体管的导通截止状态相应的驱动电流(Idrv)。电流源(12)控制提供给第1晶体管的基极电流(Ib1)。保护电路(20)将输出端子的输出电压(Vout)与预定的阈值电压(Vth)进行比较，并监视第1晶体管的导通截止状态。保护电路在输出电压＜阈值电压且第1晶体管导通的状态下，减少第1晶体管的基极电流。
文档编号H03F1/52GK101119099SQ20071013719
公开日2008年2月6日 申请日期2007年7月30日 优先权日2006年8月1日
发明者新山贤一 申请人:罗姆股份有限公司