CN100433492C - 一种具有温度补偿的限流电路及方法 - Google Patents

Abstract

一种具有温补偿功能的限流电路及方法，其电路包括：基准电流电路，用于产生基准电流；温度补偿电路，用于产生具有正温度系数的电流，使基准电流得以补偿，并将经过补偿后的具有负温度系数的电流，作为电流比较器的比较基准；电流感应电路，用于对需要限流的电流元件上流过的电流进行检测，并将结果输出到电流比较器；电流比较器，用于将来自温度补偿电路补偿后的电流与电流感应电路得到的电流进行比较，控制要求限流的元件开或关；缓冲器，用于对电流比较器的输出进行放大。本发明限流电路本身是经过温度补偿的，其限流点本身是随着温度的变化而实时变化的，不仅实现了真正意义上的连续可调，而且由于没有额外的温度检测电路，整个电路在同一集成电路中实现，降低了成本。

Description

一种具有温度补偿的限流电路及方法

技术领域

本发明提供一种具有温度补偿的限流电路及方法。

背景技术

由于集成电路封装散热的限制，在设计集成电路，尤其是大功率的集成电路时，必须考虑对芯片的功率限制。芯片的功率通常主要由某个需要流过大电流的元件决定的，当该元件上的电流增加时，芯片的功率增大，温度也随之升高。为防止功率过大，温度升高而导致芯片被烧毁，常常需要限流机制来限制该元件上流过的最大电流。

目前的集成电路中，限流电路的限流值通常是固定，而不随温度的变化而改变，如果芯片工作的环境温度较高，而且流过所需限流元件上的电流也较大但没有达到限流电路的限流点时，这时的功率也可能超过芯片允许的最大功率，产生的热量超过封装散热的极限而将芯片烧坏。

中国专利公开号为CN01132110.5所公开的一种实现开关电源限流点连续调节及温度保护的电路，包括一个温度检测电路和一个限流电路。当温度检测电路检测到开关电源内部的温度超过一定值时，发出需要改变限流电路限流点的信号给限流电路，以改变限流电路的限流点，达到开关电源内部的温度和环境温度的热平衡。

其局限性在于，温度变化必须超过一定值时，才改变限流电路的限流点。而当温度变化小于规定值的时候不会改变限流电路的限流点。因此，在这个过程中，系统的可靠性有可能因为某些特殊原因导致的判决失误而得不到相应的保证。

发明内容

本发明旨在提供一种具有温度补偿的限流电路及方法，使限流电路的限流点本身是随着温度的变化而实时变化，实现连续可调，保证芯片在不同温度情况下的安全，提高芯片的可靠性。

本发明所提供的一种具有温度补偿的限流电路，用于需要限流的电流元件上，其特征在于：包括基准电流电路(1)、温度补偿电路(2)、电流加法器(3)、电流感应电路(4)、电流比较器(5)和缓冲器(6)，其中：基准电流电路(1)，用于产生基准电流，所述基准电流具有零温度系数；温度补偿电路(2)，用于产生具有正温度系数的电流，使基准电流在所述电流加法器(3)中得到补偿，将经过零温度系数的基准电流减去正温度系数的电流后的具有负温度系数的电流，输出到电流比较器(5)的正输入端，作为所述电流比较器(5)的比较基准，其中所述基准电流大于所述具有正温度系数的电流；电流感应电路(4)，用于对需要限流的电流元件上流过的电流进行检测，并将结果输出到所述电流比较器的负输入端；电流比较器(5)，用于将所述经所述温度补偿电路(2)补偿并输出到电流比较器(5)的正输入端的电流与所述电流感应电路(4)得到的电流进行比较，并将比较的结果输出至所述缓冲器，控制所述需要限流的电流元件开或关；缓冲器(6)，用于对所述电流比较器(5)的输出进行放大，增强该电流比较器(5)输出的驱动能力。

此外，本发明还提供了一种具有温度补偿的限流方法，用于需要限流的电流元件上，包括下列步骤：首先，产生具有零温度系数的基准电流和具有正温度系数的电流，其中所述基准电流大于所述具有正温度系数的电流；其次，使基准电流和具有正温度系数的电流通过电流加法器，产生零温度系数的基准电流减去正温度系数的电流后的具有负温度系数的电流；然后，将该具有负温度系数的电流作为电流比较的基准，同时对需要限流的电流元件上流过的电流进行检测，产生感应得到的电流；最后，将所述经补偿的电流与所述感应得到的电流进行比较，并将比较的结果进行放大后，控制所述需要限流的电流元件开或关。采用了上述的技术解决方案，本发明无需额外的温度检测电路，限流电路本身是经过温度补偿的，经过温度补偿的限流电路的限流点本身是随着温度的变化而实时变化的，不仅实现了真正意义上的连续可调，而且由于没有额外的温度检测电路，整个电路在同一集成电路中实现，降低了成本。另外，本发明对温度变化的反应速度灵敏，提高了系统的可靠性。

附图说明

图1是本发明与没有温度补偿限流电路的限流点随温度变化曲线比较示意图；

图2是本发明具有温度补偿的限流电路的原理框图；

图3是本发明中温度补偿电路及基准电流电路的原理图；

图4是本发明温度补偿电路及基准电流电路的原理图；

图5是本发明限流电路实施例之一的原理图；

图6是本发明限流电路实施例之二的原理图。

具体实施方式

本发明具有温度补偿的限流电路的基本思想是：当所需限流的电流元件上流过的电流达到限流电路的给定限流值时，限流电路的输出信号将所需限流元件关断；当温度升高时，限流电路的限流值降低；当温度降低时，限流电路的限流值升高。

需限流的元件为NMOS晶体管、PMOS晶体管、NPN晶体管或PNP晶体管。限流的元件被置于同一半导体集成器件之外。

本发明提供的一种具有温度补偿的限流方法，用于对需要限流的电流元件上，包括下列步骤：首先，产生基准电流和具有正温度系数的电流；其次，使基准电流和具有正温度系数的电流通过电流加法器，产生补偿后的具有负温度系数的电流；然后，将该具有负温度系数的电流作为电流比较的基准，同时对需要限流的电流元件上流过的电流进行检测，产生感应得到的电流；最后，将来自温度补偿后的电流与电流感应得到的电流进行比较，并将比较的结果进行放大后，控制要求限流的元件开或关。

以下参照附图描述本发明的具体工作情况。

如图2所示，本发明具有温度补偿的限流电路，用于对所要求限流的元件7，通常为NMOS晶体管，PMOS晶体管，NPN晶体管或PNP晶体管进行限流。包括基准电流电路1、温度补偿电路2、电流加法器3、电流感应电路4、电流比较器5和缓冲器6，其中：

基准电流电路1，用于产生基准电流；

温度补偿电路2，用于产生具有正温度系数的电流，使基准电流在加法器3中得以补偿。经过补偿后的电流具有负温度系数，输出到电流比较器5的正输入端，作为电流比较器5的比较基准；

电流感应电路4，用于对需要限流的电流元件7上流过的电流进行检测，并将结果输出到电流比较器5的负输入端；

电流比较器5，用于将来自温度补偿后的电流与电流感应得到的电流进行比较，并将比较的结果输出到缓冲器6，控制要求限流的元件7开或关；

缓冲器6，用于对电流比较器5的输出进行放大，增强电流比较器5输出的驱动能力。

参见图3，基准电流电路及温度补偿电路。基准电流电路包括PMOS晶体管电流镜11、12和零温度系数电流源13。

参见图4，温度补偿电路2包括依次相连的正温度系数电流源201、用于启动该电流源201电路的启动电路202和启动控制电路203，且PMOS晶体管12上的电流大于所述正温度系数电流源201中NMOS晶体管210上的电流，PMOS晶体管12上的电流I₁₂减去NMOS晶体管210上的电流便得到负温度系数的电流I_bias＝I₁₂-I₂₁₀。

参见图4，温度补偿电路的具体实施电路，包括：PMOS晶体管21、22和NMOS晶体管电流镜23、24以及电阻25，它们构成具有正温度系数的电流源。

NMOS晶体管29，构成电流镜的PMOS晶体管27、28，PMOS晶体管28的漏极与晶体管21、23的漏极相连，是上述正温度系数电流源的启动电路，为其提供启动电流。PMOS晶体管26，其源端和漏极分别接在电流镜27、28的栅极。当电源电压VDD大于晶体管的阈值电压V_THP和V_THN后，就会在晶体管27、29构成的支路上产生电流，晶体管28上的电流是晶体管27上的镜象。

PMOS晶体管26的作用在于，当在具有正温度系数电流源的晶体管电流镜21、22上有电流产生后，将电流镜27、28的栅极的电位拉到VDD，关掉启动电路。NMOS晶体管210和23构成电流镜，晶体管210上的电流是晶体管23上电流的镜象。设计时保证晶体管12上的电流大于晶体管210上的电流，因为晶体管12上的电流具有零温度系数，而晶体管210上的电流具有正温度系数，这样便得到负温度系数的电流I_bias＝I₁₂-I₂₁₀。

参见图5，电流比较器5包括：由PMOS晶体管51、52、55和电阻53、54构成差分比较电路；由NMOS晶体管58、59构成的电流镜；以及由PMOS晶体管57、56、55构成电流镜。NMOS晶体管58、59将经温度补偿后的基准电流I_bias用于差分比较电路的基准电流。PMOS晶体管57、56和55构成电流镜，PMOS晶体管55为该比较电路提供尾电流，PMOS晶体管56的漏极连接到NMOS晶体管43的漏极。PMOS晶体管52的漏极和电阻54的一端相连，输出到缓冲器6的输入端。

NMOS晶体管7是所需限流的元件，电流源8表示流过元件7的电流。

NMOS晶体管41、43和电阻42是电流感应电路，NMOS晶体管43的漏极与PMOS晶体管56的漏极以及PMOS晶体管51的栅极相连。

NMOS晶体管41、43与所需限流的元件7具有相同的单位尺寸。由于电流源3具有负温度系数，这样晶体管51的栅极电压V_ref具有负温度系数。

缓冲器6的输入端和输出端分别连接到比较器的输出端和元件7的栅极。NMOS晶体管41的漏极和栅极分别与元件的漏极和栅极相连。NMOS晶体管41的源端和电阻42的一端相连。电流源8的电流流过的所需限流元件7和NMOS晶体管41以及电阻42，在电阻42上产生压降V_CS。当电流源8的电流增大时，V_CS也增加；当V_CS大于V_ref时，比较器5输出低电平，经过缓冲器放大后输出到元件7的输入端，将元件7关断。

当所需限流的元件为PMOS晶体管时，参见图6。NMOS晶体管53′的漏极和PMOS晶体管51的漏极以及晶体管53′、54′的栅极相连；晶体管54′的漏极和晶体管52的漏极以及缓冲器6的输入端相连。PMOS晶体管41，电阻42和元件7具有相同的单位尺寸。电阻42的两端分别连在电源和晶体管41的源端；晶体管41的漏极和栅极分别与元件7的漏极和栅极相连。缓冲器6的输入端连到比较器5的输出端，经过反相后和元件7的栅极相连。

图1显示了本发明与现有没有温度补偿限流电路的限流点随温度变化曲线的比较。没有温度补偿的限流电路中，限流电路的限流点不随温度的变化而变化，当所需限流元件上流过的电流达到限流值时，随着环境温度的升高，芯片的温度可能会超过芯片所能承受的最高温度而被烧坏。而本发明所述的采用温度补偿的限流电路，由于限流电路的限流点随芯片温度的上升而降低，芯片温度不会由于环境温度的升高而超过其安全工作温度从而导致芯片被烧坏。而当环境温度降低时，芯片所允许的最大功率也会升高。

本发明采用电流比较，减小了随工艺和温度变化不同芯片限流点之间的差异，一致性得到了很好的保证。

以上诸实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变型，因此所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴之内，应由各权利要求限定。而纳入权利要求的范围之内。

Claims (8)

1.一种具有温度补偿的限流电路，用于需要限流的电流元件上，其特征在于：包括基准电流电路(1)、温度补偿电路(2)、电流加法器(3)、电流感应电路(4)、电流比较器(5)和缓冲器(6)，其中：

基准电流电路(1)，用于产生基准电流，所述基准电流具有零温度系数；

温度补偿电路(2)，用于产生具有正温度系数的电流，使基准电流在所述电流加法器(3)中减去所述正温度系数的电流得到补偿后的具有负温度系数的电流，将所述负温度系数的电流输出到电流比较器(5)的正输入端，作为所述电流比较器(5)的比较基准，其中所述基准电流大于所述具有正温度系数的电流；

电流感应电路(4)，用于对需要限流的电流元件上流过的电流进行检测，并将结果输出到所述电流比较器的负输入端；

电流比较器(5)，用于将输出到电流比较器(5)的正输入端的所述具有负温度系数的电流与所述电流感应电路(4)得到的电流进行比较，并将比较的结果输出至所述缓冲器，控制所述需要限流的电流元件开或关；

缓冲器(6)，用于对所述电流比较器(5)的输出进行放大，增强该电流比较器(5)输出的驱动能力。

2.根据权利要求1所述的具有温度补偿的限流电路，其特征在于：所述基准电流电路(1)包括构成电流镜的第一PMOS晶体管(11)、第PMOS晶体管(12)和与所述两个PMOS晶体管(11、12)的栅极分别相连的零温度系数电流源(13)。

3.根据权利要求2所述的具有温度补偿的限流电路，其特征在于：所述温度补偿电路(2)包括依次相连的正温度系数电流源(201)、用于启动该正温度系数电流源(201)的启动电路(202)和启动控制电路(203)，且所述第二PMOS晶体管(12)上的电流大于所述正温度系数电流源(201)上的电流，以便得到负温度系数的电流(I_bias)。

4.根据权利要求3所述的具有温度补偿的限流电路，其特征在于：

所述正温度系数电流源(201)包括构成电流镜的第三PMOS晶体管(21)和第四PMOS晶体管(22)、构成电流镜的第一NMOS晶体管(23)和第二NMOS晶体管(24)、与所述第一NMOS晶体管(23)构成电流镜的第三NMOS晶体管(210)，以及第一电阻(25)，其中所述第三和第四PMOS晶体管(21、22)的栅极都和第二NMOS晶体管(24)的漏极连接，所述第一和第二NMOS晶体管(23、24)的栅极与第一NMOS晶体管(23)的漏极及第三PMOS晶体管(21)的漏极连接于一点，所述第三NMOS晶体管(210)的源极接地，所述第一电阻(25)的两端分别与第NMOS晶体管(24)的源极和地连接；

所述启动电路(202)包括第四NMOS晶体管(29)以及构成电流镜的第五PMOS晶体管(27)和第六PMOS晶体管(28)，所述第五和第六PMOS晶体管(27、28)的栅极都和所述第四NMOS晶体管(29)的漏极连接；

所述启动控制电路(203)为第七PMOS晶体管(26)，用于当所述第三和第四PMOS晶体管(21、22)上有电流产生后，将所述第五和第六PMOS晶体管(27、28)的栅极的电位拉到VDD，关掉所述启动电路；其中：

所述第六PMOS晶体管(28)的漏极与第三PMOS晶体管(21)的漏极和第一NMOS晶体管(23)的漏极相连于一点；

所述第七PMOS晶体管(26)的漏极与所述第五和第六PMOS晶体管(27、28)的栅极连接于一点。

5.根据权利要求1所述的具有温度补偿的限流电路，其特征在于：

所述的电流比较器(5)包括：由第八、第九和第十PMOS晶体管(51、52、55)以及第二和第三电阻(53、54)构成的差分比较电路；由第五和第六NMOS晶体管(58、59)构成的电流镜；以及由第十、第十一和第十PMOS晶体管(55、57、56)构成的电流镜，第十PMOS晶体管(55)为所述差分比较电路提供尾电流，其中所述第五和第六NMOS晶体管(58，59)的源极都接地，所述第五和第六NMOS晶体管(58，59)的栅极都和第六NMOS晶体管(59)的漏极相连；所述第十、第十一和第十二PMOS晶体管(55，57，56)的栅极和第十一PMOS晶体管(57)的漏极及第五NMOS晶体管(58)的漏极相连于一点；第十二PMOS晶体管(56)的漏极和第八PMOS晶体管(51)的栅极相连；第八、第九PMOS晶体管(51，52)的源极和第十PMOS晶体管(55)的漏极相连于一点。

6.根据权利要求5所述的具有温度补偿的限流电路，其特征在于：

所述电流感应电路(4)是由第七、第八NMOS晶体管(41、43)和第四电阻(42)所组成，第八NMOS晶体管(43)的漏极、所述电流比较器(5)中的第十二PMOS晶体管(56)的漏极以及第八PMOS晶体管(51)的栅极连接于一点，其中所述第七NMOS晶体管(41)的源极和第九PMOS晶体管(52)的栅极及第四电阻(42)的一端相连；第四电阻(42)的另一端及第八NMOS晶体管(43)的源极都接地。

7.根据权利要求1所述的具有温度补偿的限流电路，其特征在于：

所述的电流比较器(5)包括：由第八、第九和第十PMOS晶体管(51、52、55)、第九和第十NMOS晶体管(53′、54′)构成的差分比较电路；由第五、第六和第十一NMOS晶体管(58、59、56)构成的电流镜；以及由第十和第十一PMOS晶体管(55、57)构成的电流镜，其中：

第九NMOS晶体管(53′)的漏极分别和其栅极、第八PMOS晶体管(51)的漏极以及第十NMOS晶体管(54′)的栅极相连于一点；第十NMOS晶体管(54′)的漏极和第九PMOS晶体管(52)的漏极以及缓冲器(6)的输入端相连于一点，其中：

所述第五、第六、第十一NMOS晶体管(58，59，56)的栅极和第六NMOS晶体管(59)的漏极相连于一点；第十、第十一PMOS晶体管(55，57)的栅极和第十一PMOS晶体管(57)的漏极以及第五NMOS晶体管(58)的漏极相连于一点；第十PMOS晶体管(55)的漏极和第八、第九PMOS晶体管(51，52)的源极相连于一点；第八PMOS晶体管(51)的栅极连接到第十一NMOS晶体管(56)的漏极；第九、第十NMOS晶体管(53’，54’)的栅极与第八、第九PMOS晶体管(51，53)的漏极相连于一点；第十NMOS晶体管(54’)的漏极与第九PMOS晶体管(52)的漏极相连；第五、第六、第九、第十和第十一NMOS晶体管(58，59，53’，54’，56)的源极都接地。

8.一种具有温度补偿的限流方法，用于需要限流的电流元件上，包括下列步骤：

首先，产生具有零温度系数的基准电流和具有正温度系数的电流，其中所述基准电流大于所述具有正温度系数的电流；

其次，使基准电流和具有正温度系数的电流通过电流加法器，使零温度系数的基准电流减去正温度系数的电流，得到补偿后的具有负温度系数的电流；

然后，将该具有负温度系数的电流作为电流比较的基准，同时对需要限流的电流元件上流过的电流进行检测，产生感应得到的电流；

最后，将所述补偿后的负温度系数的电流与所述感应得到的电流进行比较，并将比较的结果进行放大后，控制所述需要限流的电流元件开或关。

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