CN101118450B - 一种用于线性稳压器的折返式限流电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于线性稳压器的折返电流限制电路，整个折返限流电路由电压控制电流源、电流控制电流源、电流控制电压源和电压缓冲电路构成，以线性稳压器的输入端电压Vi与输出端的电压Vo的差，(Vi-Vo)，作为控制电压信号，减小了现有技术中，以线性稳压器输出端电压Vo作为控制信号，所造成的对线性稳压器带负载能力和输出电压范围的影响。

Description

一种用于线性稳压器的折返式限流电路

技术领域

本发明涉及半导体集成电路，具体涉及一种用于线性稳压器的折返式限流电路。

背景技术

电流限制电路，是线性稳压器的重要组成部分，它通过限制稳压器内部的电压调整晶体管(串接于稳压器输入电压端、输出电压端的一个功率晶体管)的输出电流，保障了电压调整晶体管始终处于安全工作区(SafeOperation Area)。

图1(A)是双极型功率晶体管，(B)是MOS型功率晶体管的安全工作区。由图1可以看到，对于功率管，尤其是MOS型功率管，功耗限制(Power Limit)是限定其工作范围的主要因素，因而线性稳压器的电流限制电路，主要是使电压调整晶体管的功耗没有超出安全工作区。

当前，常见的限流电路可分为两类：折返限流(Foldback CurrentLimit)和常值限流(Constant Current Limit)电路。折返限流电路，又被称作电压控制的限流(Voltage-dependent Current Limit)电路，该电路的特征为：限流电路受电路的一个电压信号(如电路的输出电压信号)控制，且对该控制信号的具体电压值，限流电路将有一个具体的阈值电流和一个短路电流与之对应，当由于某种原因，例如电路的负载过重，使电路的输出电流大于了阈值电流，限流电路将使电路的输出电流迅速下降为短路电流。例如，图2(A)所示的折返限流电路，受电压信号Vo控制，对应于电压信号Vo的值V1，限流电路有阈值电流I_MAX和短路电流Ishort与V1对应，当电路的输出电流大于I_MAx后，限流电路使电压信号Vo与输出电流迅速下降为Vshort和Ishort。常值限流电路如图2(B)所示，其特点是：电路的最大输出电流始终为限流阈值电流I_MAX，而与电路中的电压信号无关。因为折返限流的阈值电流大于短路电流，而常值限流的阈值电流即为短路电流，所以折返限流的阈值电流大于常值限流的阈值电流，故当前线性稳压器大多采用折返限流电路。

现有技术的用于线性稳压器的折返限流电路，多以稳压器的输出电压作为控制信号。例如图3所示的电路，该电路是本专业技术人员所熟知的折返限流电路，在图3的折返限流电路300中，当电压放大器10的正向输入端的电压大于负向输入端的电压时，电压放大器10将限制电压调整管200的栅极1的电压的下降，从而限制调整管200的输出电流。由图3可以得到，当发生限流时，电流采样电阻20上的压降Vthreshold为：

$\mathrm{Vthreshold}=\mathrm{Vo}*(\frac{R4}{R2}*\frac{R1+R2}{R3+R4}-1)---\left(1\right)$

由(1)式可得到Vo下的阈值电流I_MAX为：

$I_{\mathrm{MAX}}=\frac{\mathrm{Vo}}{\mathrm{Rs}}*(\frac{R4}{R2}*\frac{R1+R2}{R3+R4}-1)---\left(2\right)$

由于功耗限制是限制稳压器的电压调整晶体管工作范围的主要因素，故(2)式中的阈值电流I_MAX，在稳压器的输出电压Vo的控制下，其取值，应满足下式：

$I_{\mathrm{MAX}}\left(\mathrm{Vo}\right)\≤\frac{P_{\mathrm{MAX}}}{({\mathrm{Vi}}_{\mathrm{MAX}}-\mathrm{Vo})}---\left(3\right)$

在(3)式中，PMAX为电压调整晶体管能够承受的最大功率，ViMAX为线性稳压器最大输入电压。但是，电压调整管在稳压器的输入电压Vi低于最大输入电压ViMAX时，在保证不超出安全工作区的前提下，限流电路的阈值电流，只需要满足下式：

$I_{\mathrm{MAX}}(\mathrm{Vi}-\mathrm{Vo})\≤\frac{P_{\mathrm{MAX}}}{(\mathrm{Vi}-\mathrm{Vo})}---\left(4\right)$

对照(3)式和(4)式，可以得到两个结论：一是，由于现有技术的线性稳压器的折返限流电路，以稳压器的输出电压，而非实际输入电压和输出电压的差，作为控制电压信号，使稳压器的电流输出能力，也即稳压器的带负载能力，受到了限制；二是，若有(3)式中的IMAX(Vo)等于(4)式中的IMAX(Vi-Vo)，且ViMAX大于Vi，则有(4)式中的输出电压Vo小于(3)式中的输出电压Vo，即在相同的阈值电流范围下，输出电压的最小值受到了限制，也即稳压器的输出电压范围受到了限制。

发明内容

为减小在现有技术的线性稳压器的折返电流限制电路中，以稳压器的输出电压Vo作为控制信号，所造成的对稳压器带负载能力，和输出电压范围的限制，本发明提出了一种由线性稳压器实际工作输入电压和输出电压之差(Vi-Vo)作为控制电压信号的折返式电流限制电路。

为了实现上述任务，本发明采用如下的技术解决方案：

一种用于线性稳压器的折返限流电路，由电压控制电流源、电流控制电流源、电流控制电压源和电压缓冲电路构成：其特征在于，电压控制电流源的输出电流，由线性稳压器的输入端电压Vi与输出端电压Vo的差Vi-Vo控制，并作为电流控制电流源的控制电流；电流控制电流源的输出电流，为电流控制电压源的控制电流；电流控制电压源的正极接线性稳压器的输入电压端，负极为电流控制电压源的输出端，这样，电流控制电压源的正极与负极间的电压差受Vi-Vo控制；电压缓冲电路的输入端为电流控制电压源的负极，输出端接线性稳压器的压差放大器的输出端，和电压调整晶体管的栅极，电压缓冲电路的作用是将其输出端与输入端隔离，同时，钳位其输出端的电压不低于输入端电压的值，这样，线性稳压器的电压调整晶体管的源栅极驱动电压的最大值，受输入电压端的电压Vi与输出电压端的电压Vo的差Vi-Vo的控制。

本发明的用于线性稳压器的折返限流电路，与现有技术的线性稳压器的折返限流电路采用以稳压器输出电压作为控制电压信号相比，通过折返限流电路，受稳压器实际工作输入电压和输出电压的差(Vi-Vo)控制，提高了在输入电压低于最大输入电压的情况下的阈值电流，减小了限流电路对线性稳压器带负载能力和输出电压范围的限制。

附图说明

图1是功率管安全工作区，其中，图(A)为双极型功率晶体管安全工作区，图(B)为MOS型功率晶体管安全工作区。

图2为常用的电路限流，其中(A)为折返限流、(B)为常数限流。

图3为现有技术的一个折返限流电路实例。

图4为本发明的结构例示意图。

图5为本发明的一个实施例。

图6(A)为限流电路实施实例的钳位电压Vclamp随(Vi-Vo)的变化曲线。

图6(B)为稳压器最大输出电流随(Vi-Vo)的变化曲线。

以下结合附图和发明人给出的实施例对本发明作进一步的详细说明。

具体实施方式

如图4结构例中的折返限流电路100所示，利用电压控制电流源(VCCS)10，产生受稳压器输入端3的电压Vi和输出端4的电压Vo之差(Vi-Vo)，控制的电流I₁，利用电流控制电流源(CCCS)20，产生受I₁控制的电流I₂，而电流控制电压源(CCVS)30，其正极3与负极1间的电压(Vi-Vclamp)受I₂控制，即有：

I₁＝f(Vi-Vo)               (5)

I₂＝g(I₁)                  (6)

Vi-Vclamp＝h(I₂)           (7)

故有：

Vi-Vclamp＝h[g(I₁)]

＝h{g[f(Vi-Vo)])              (8)

即电流控制电压源30的正极3与负极1间的电压差(Vi-Vclamp)，是线性稳压器输入电压端3的实际工作电压Vi，与输出电压端4的电压Vo的差值的函数。

又因图4中的电压缓冲电路40，具有钳制其输出端2的电压Vc不低于其输入端1的电压Vclamp特性，所以线性稳压器的电压调整晶体管200的源极3，与栅极2间的电压差(Vi-Vc)，不低于(Vi-Vclamp)，从而达到由(Vi-Vo)控制限流电路的目的，而电压调整管200在源、栅极电压差VSG为(Vi-Vclamp)下的电流，即为在(Vi-Vo)下，限流电路的阈值电流。

图4给出的结构实例，以及以上对其限流原理的描述，是针对图4中的电压调整管200为PMOS或PNP型晶体管的情况，对于调整管200为NMOS或NPN型晶体管的情况，本专业的技术人员可由图4和上述的描述可方便的推得，故在此不再赘述。

图5中的折返限流电路实施实例100，包括了电压控制电流源10、电流控制电流源20、电流控制电压源30和电压缓冲电路40。

所述电压控制电流源10为：NPN型双极晶体管Q1的基极与稳压器输出端连接，集电极与栅、漏极短接的PMOS晶体管M1的栅或漏极，PNP型晶体管Q2的发射极连接于1，Q1的发射极与电流源Ib1的一端和Q2的基极连接，M1的源极接稳压器的输入电压端，Ib1的另一端接地，Q2的集电极2为压控电流源的电流输出端。

所述电流控制电流源20由电流源Ib2和由M2-M5构成的电流镜组成：NMOS晶体管M2的栅、漏极短接，与压控电流源10的输出端接于2，M2的源极接地，NMOS晶体管M3的栅极与M2的栅极连接，源极接地，漏极与PMOS晶体管M4的漏极连接，M4的栅极与漏极短接，源极接稳压器输入电压Vi，PMOS晶体管M5的源极接稳压器输入电压Vi，栅极与M4的栅或漏极连接，漏极与电流源Ib2接于3，3为电流控制电流源的输出端，Ib2的另一端接地。

所述电流控制电压源30为：栅、漏极短接的PMOS晶体管M6的栅极或漏极，与电流控制电流源20接于3，M6的源极接稳压器输入电压端。

所述电压缓冲电路40为：PNP型晶体管Q3的基极接于3，集电极接地，发射极与电流源Ib3的一端、NPN型晶体管Q4的基极连接，Ib3的另一端与Q4的集电极接稳压器输入电压端，Q4的发射极为限流电路输出端，与线性稳压器的电压调整管200的栅极、压差放大器的输出端连接于4。

下面对图5中的限流电路100的工作原理进行阐述。图6(A)为限流电路100内部节点3的电压值Vclamp，随稳压器输入与输出电压差(Vi-Vo)的变化，图6(B)为稳压器的最大输出电流IoMAX随(Vi-Vo)的变化。

在图5的电压控制电流源10中，由于Q1的VBE电压与Q2的VEB电压近似相等，故节点1的电压追随稳压器输出电压Vo，从而使有源电阻(栅、漏极短接的MOS晶体管或基、集电极短接的双极晶体管)M1的输出电流，受其源、漏极电压差，(Vi-Vo)的控制，而M1的电流IDM1与电流源Ib1的电流之差，为电压控制电流源10的输出电流。当稳压器的输出电压Vo升高到，使M1的电流与Ib1的电流相等时，电压控制电流源10的输出电流为0，此时线性稳压器工作于低漏失电压状态(Low-Dropout)。当稳压器的输出电压降低到，接近Q1和Ib1正常工作所需的最小电压之和时，M1源、漏极电压差(Vi-Vo)和电压控制电流源10的输出电流达到最大值，此时的稳压器工作于输出端短路或上电后的初始状态。

在电压控制电流源10中，采用有源电阻M1，而不采用无源电阻的原因在于，在集成电路上实现无源器件，成本较高(主要指对半导体工艺的要求和芯片面积的要求)，且无源器件的绝对误差较大。

图5的电流控制电流源20中，M2-M5为电流镜电路，M2的漏极电流IDM2等于电压控制电流源的输出电流，而M5的漏极电流IDM5，为电流镜的输出电流，IDM2与IDM5的关系由M2-M5管的相对尺寸有关：

$I_{\mathrm{DM}5}=\frac{\left(\frac{W}{L}\right)M5}{\left(\frac{W}{L}\right)M4}*\frac{\left(\frac{W}{L}\right)M3}{\left(\frac{W}{L}\right)M2}*I_{\mathrm{DM}2}$

$=\frac{\left(\frac{W}{L}\right)M5}{\left(\frac{W}{L}\right)M4}*\frac{\left(\frac{W}{L}\right)M3}{\left(\frac{W}{L}\right)M2}*(I_{\mathrm{DM}1}-\mathrm{Ib}1)---\left(9\right)$

$=\frac{\left(\frac{W}{L}\right)M5}{\left(\frac{W}{L}\right)M4}*\frac{\left(\frac{W}{L}\right)M3}{\left(\frac{W}{L}\right)M2}*f(\mathrm{Vi}-\mathrm{Vo})$

而电流源Ib2的电流与M5漏极电流之差(Ib2-IDM5)，即为电流控制电流源的输出电流。

图5中的电流控制电压源30由有源电阻M6构成，此处采用有源电阻，而不采用无源电阻的原因，与电压控制电流源10采用有源电阻M1的原因相同。由于M6的漏极电流为电流控制电流源30的输出电流，即(Ib2-IDM5)，这样，通过式(9)将有源电阻M6的源、漏极电压差(Vi-Vclamp)与稳压器的输入电压与输出电压之差(Vi-Vo)联系起来。

图5中的电压缓冲电路40，其实质是分别由共集电极连接的双极晶体管Q3、Q4构成的，两级串联的发射极电压跟随器。电压缓冲电路40的作用是将钳位电压产生节点3与线性稳压器的压差放大器的输出端4隔离，同时钳制电压调整晶体管200的栅极4的电压不低于限流电路内节点3的电压Vclamp，也即保证调整管的源栅极驱动电压VSG不大于限流电路中有源电阻M6的源漏极电压差(Vi-Vclamp)。

Claims (3)

1.一种用于线性稳压器的折返限流电路，由电压控制电流源(10)、电流控制电流源(20)、电流控制电压源(30)和电压缓冲电路(40)构成；其特征在于，电压控制电流源(10)的输出电流由线性稳压器的输入端电压(Vi)与输出端电压(Vo)的差(Vi-Vo)控制，并作为电流控制电流源(30)的控制电流；电流控制电流源(20)的输出电流(I2)，为电流控制电压源的控制电流；电流控制电压源(30)的正极接线性稳压器的输入电压端，负极为电流控制电压源(30)的输出端，这样，电流控制电压源(30)的正极与负极间的电压差受(Vi-Vo)控制；电压缓冲电路(40)的输入端为电流控制电压源(30)的负极，输出端接线性稳压器的压差放大器的输出端，和电压调整晶体管的栅极，电压缓冲电路的作用是将其输出端与输入端隔离，同时，钳位其输出端的电压不低于输入端电压的值，这样，线性稳压器的电压调整晶体管的源栅极驱动电压的最大值，受输入电压端的电压(Vi)与输出电压端的电压(Vo)的差(Vi-Vo)的控制。

2.如权利要求1所述的用于线性稳压器的折返限流电路，其特征是：所述的电压控制电流源(10)包括：第一NPN型双极晶体管(Q1)、PNP型双极晶体管(Q2)、第一PMOS晶体管(M1)和第一电流源(Ib1)，第一NPN型双极晶体管(Q1)的基极与线性稳压器输出电压端连接，第一NPN型双极晶体管(Q1)的集电极与第一PMOS晶体管(M1)的栅极和漏极连接，第一PMOS晶体管(M1)的栅极和漏极短接，PNP型双极晶体管(Q2)的发射极连接于第一PMOS晶体管(M1)的栅极或漏极，第一NPN型双极晶体管(Q1)的发射极与第一电流源(Ib1)的一端和PNP型双极晶体管(Q2)的基极连接，第一PMOS晶体管(M1)的源极接稳压器的输入电压端，第一电流源(Ib1)的另一端接地，PNP型双极晶体管(Q2)的集电极为压控电流源的电流输出端；

所述电流控制电压源由一个栅、漏极短接的PMOS型晶体管(M6)构成，其源极接线性稳压器的输入电压端，漏或栅极接电流控制电流源的输出端；

所述电压缓冲电路(40)包括：PNP型晶体管(Q3)、NPN型晶体管(Q4)和第二电流源(Ib3)；PNP型晶体管(Q3)的基极接PMOS型晶体管(M6)的漏极，集电极接地，发射极与NPN型晶体管(Q4)的基极连接，第二电流源(Ib3)的一端连接于线性稳压器的电压输入端(Vi)、另一端与NPN型晶体管(Q4)的基极连接，NPN型晶体管(Q4)的发射极为限流电路输出端，与线性稳压器的电压调整管(200)的栅极、压差放大器的输出端连接。

3.如权利要求2所述的用于线性稳压器的折返限流电路，其特征是：所述的电流控制电流源(20)包括，第三电流源(Ib2)、第一NMOS晶体管(M2)、第二NMOS晶体管(M3)、第二PMOS晶体管(M4)和第三PMOS晶体管(M5)构成，第一NMOS晶体管(M2)的栅、漏极短接，与压控电流源的输出端接于PNP型双极晶体管(Q2)的集电极，第一NMOS晶体管(M2)的源极接地，第二NMOS晶体管(M3)的栅极与第一NMOS晶体管(M2)的栅极连接，源极接地，漏极与第二PMOS晶体管(M4)的漏极连接，第二PMOS晶体管(M4)的栅极与漏极短接，源极接稳压器输入电压(Vi)，第三PMOS晶体管(M5)的源极接稳压器输入电压(Vi)，栅极与第二PMOS晶体管(M4)的栅或漏极连接，漏极与第三电流源(Ib2)接于PNP型晶体管(Q3)的基极，第三PMOS晶体管(M5)的漏极为电流控制电流源的输出端，第三电流源(Ib2)的另一端接地。

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