CN101243370B

CN101243370B - 电流限制器电路

Info

Publication number: CN101243370B
Application number: CN2006800298692A
Authority: CN
Inventors: 纪尧姆·德克勒穆
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2005-08-17
Filing date: 2006-07-17
Publication date: 2010-11-03
Anticipated expiration: 2026-07-17
Also published as: CN101243370A; JP2009505262A; WO2007020539A1; EP1917567A1; US20100219892A1

Abstract

本发明涉及用于基于在输出端(out)高电流注入来检测和快速限制大电流增加的电路结构。特别地，由驱动电路(40)通过低阻元件(R0)控制的、被电流过冲经过的栅控开关器件(P0)在使它的控制端由注入的高电流充电时，可以由本发明的电路可选择地驱动。从而，在由具有正斜率的陡前沿脉冲产生的大电压增加由电容(C)检测并被传送到栅极端(GateN)时，由于电容(C)通过栅极端(GateN)缓慢放电，在向栅控开关器件(P0)的栅极端(GateP)注入从晶体管(P3)发出的显著电流波峰时，本发明的电路将驱动电路(40)旁路。电流放大导致注入的电流峰值是通过利用具有大电流反射系数的电流镜(P4，P3)完成的并且由二极管(D0，D1)的出现而得到增强。在静止模式下，或在具有负斜率的陡前沿脉冲产生的大电压减小由电容(C)检测并被传送到栅极端(GateN)时，晶体管(P4)被经二极管(D1)流出电流的电流源变得短路，从而，电流镜(P4+P5，P3)实质上被具有低得多的电流反射系数的电流镜(P5，P3)取代。结果，灌电流源(CS2)的低电流足够吸收由电流镜(P3，P5)反射的更低的电流，并从而允许驱动电路(40)接管开关器件(P0)的控制。最后，这个电流结构单向工作，限制大电流增加不限制通过栅控开关器件(P0)的大电流减小。

Description

电流限制器电路

技术领域

本发明涉及电流限制器电路，尤其涉及能够基于对开关器件的控制端进行的高电流注入来感应和限制过度电流过冲的高速电路。这个电路是单向性的，限制电流增加但不限制电流减小。

背景技术

例如，诸如蜂窝电话、个人数字助理(PDA)、便携个人计算机、摄像机、数码相机或MP3播放器之类的便携和移动装置在不能获得交流电源时需要由操作的电池供电。例如，用于这样操作模式的电路由将电池和装置分离并表现0.1-0.5Ω范围内低阻性的可控开关器件组成。由于这个电路还可以作为电池充电电路，因此，它可以在任何时候在电池对装置进行供电的同一端子处连接到诸如壁式插头适配器之类的DC电源。在这个时刻，可控开关器件仍然处于低电阻模式，从而，存在于DC电源(例如，6V)和电池(例如，3.6V)之间的电压差将导致流经可控开关器件流向电池的电流过冲(例如，典型地～5A：(6V-3.6V)/0.5Ω或者更大)。虽然该可控开关器件通常由可以减小该电流(例如，降至1A)的驱动电路控制，然而，这个限制是基于电流调整的缓慢处理，该电流调整通常花费几微秒时间，这个时间由检测电流过冲所需的时间和充电并因此关闭可控开关器件所需的时间共享。而且，从电池对装置供电的反向模式向壁式插头适配器对电池充电的正向模式转变典型地以对应于壁式插头适配器连接的时间常量的5V/μs的斜率发生。因此，鉴于这些限时电流过冲会危害电池正常性能并减少电池寿命，所存在的减少这些过冲时间的解决方案在技术上证明是不可行的。

发明内容

因此，本发明的一个目的是为了提供用于电池充电电路的电流限制器电路结构，以通过栅控开关器件非常快速地检测和限制任何电流变化。为了改进安全性，电流限制器电路被制成单向性的，被配置以限制电流增加但不限制电流减小。

通过如权利要求1所述的可变电流放大器电路结构、如权利要求13所述的电流限制器电路结构、如权利要求17所述的电池充电电路结构以及如权利要求18所述的方法可以实现这个目的。

因此，电流限制器电路包括可变电流放大器电路和由驱动电路通过具有低阻抗的阻性元件控制的栅控开关装置。可变电流放大器电路的输出连接到栅控开关装置的控制端，从而允许可变电流放大器电路对后者进行控制。由于该阻性元件，这个控制对于在可变电流放大器电路输出端的高电流注入是有效的。

而且，可变电流放大器电路在它的输入端包括检测级，该检测级包括电容性元件，从而用以快速地检测和传送对应于电流变化的电压变化；随后是调整级，该调整级用于将受该变化和由偏置电压控制的电流影响的晶体管偏置电压调整为静态值；以及可变放大级，该可变放大级基于具有不同电流反射系数的电流镜的可变负载，从而只在检测到电压增加时向栅控开关装置的控制端注入高电流。晶体管的栅极被连接至检测级的输出端，该检测级从而非常缓慢地放电，并因此使驱动装置在通过栅控开关装置控制电流之前有足够的时间。要被可变放大级处理的电流可以在通过与保护电阻串连的二极管时以指数方式增大。因此，要被可变放大级注入的电流将更高，并将导致对控制端进行充电和关闭栅控开关装置的时间更短。

而且，可变电流放大电路有一个在它的输出端连接的灌电流源，该灌电流源吸收被放大的电流，经过放大的电流不被注入栅控开关装置的控制端。它的电流吸收能力很差，从而使得不能忽视驱动装置的作用。从而，电流限制器电路限制增大电流但不限制减小电流的单向工作用以满足更高的安全要求。

另外，电流限制器电路可以被耦接至电池充电电路，从而用以限制任何从电源装置流经栅控开关装置流向电池的电流过冲。

在从属的权利要求中定义了更进一步的有利实施例。

附图说明

现在，参照附图，基于优选实施例对本发明进行描述，其中：

图1示出了按照本发明原理在充电-播放模式下耦接至电流限制器电路的电池充电电路的示意性框图；

图2示出了通过恒定负载提高线性电流的电流限制器电路；

图3示出了通过恒定负载提高非线性电流的电流限制器电路；

图4a示出了按照本发明第一优选实施例的通过可变负载提高非线性电流的电流限制器电路；

图4b示出了按照本发明第一优选实施例在200ns期间(参照时间周期II)具有20μA灌电流源的0.3A电流过冲的仿真结果。

具体实施方式

在下文中，为了更好地描述诸如在图4a和图4b中所描述的第一优选实施例，将首先介绍图1、图2和图3中所分别描述的在充电-播放模式下耦接至电流限制器电路的电池充电电路、通过恒定负载提高线性电流的电流限制器电路、通过恒定负载提高非线性电流的电流限制器电路的示意性框图。

在图1中，通过端子in和out耦接至可变电流放大电路200的电池充电电路包括可与DC电源100和附件110连接的端子CHG、可与电池10连接的端子BAT以及耦接在两个端子之间并被驱动电路40通过阻性元件30所控制的栅控开关器件20，该阻性元件具有阻值足够低的电阻R0，不会干扰驱动电路40的作用。附件110可以是连接至端子CHG用以由电池10供电的USB插头。在保持连接时，DC电源100还可以共用同一端子CHG，用以对电池10进行充电，由此产生了从端子CHG向端子BAT的电流过冲。

图2描述了电流限制器电路，其中，栅控开关器件P0和阻性元件R0对应于图1中的框20和30。可变电流放大电路200示意性地包括用以检测、调整和放大的三级。检测级使电容C能够在向控制第一电流(例如，10μA)的N沟道晶体管N1的栅极端GateN传送电压变化之前检测到任何电压变化，从而，任何电压变化都将导致第一电流的电流变化。调整级允许在栅极端GateN的偏置电压被调整为静止模式的值。从而，第一电流首先被一个双P沟道晶体管P1、P2电流镜反射，该电流镜具有被电流镜中的每一晶体管的宽长比(W/L，其中W和L分别是沟道的宽度和长度)确定的电流反射系数(例如，0.1)，然后被一个双N沟道晶体管N2、N3电流镜反射，例如，该电流镜具有同样的电流反射系数(例如，0.1)。随后，将经过反射的第一电流(例如，10μA×0.1×0.1＝0.1μA)和由电流源CS1流出的参考电流(例如，100nA)进行比较。随后，比较结果将调整栅极电压GateN和流经N1的电流。

放大级对通过具有大于1的宽长比的电流镜的第一电流进行放大。第一电流被具有大电流反射系数(例如，40)的P沟道晶体管电流镜P1、P3反射以增强第一电流的放大倍数(例如，10μA×40＝400μA)。

在静态模式下，由两个P沟道晶体管电流镜P1、P3反射的经过放大的第一电流(例如，400μA)不足以补偿电流源CS2的灌电流(例如450μA)，从而，支路GateP、out将被灌入例如50μA的低电流，增强栅控开关器件P0的传导模式。在图1的DC电源100被连接至端子CHG之后，当电容C检测到正电压变化dV/dt时，在栅极端GateN处的偏置电压被上升的电压V(CHG)突然上拉，而电流过冲突然经过作为具有低电阻的电阻器的栅控开关器件P0。随后，该正变化被偏置电压传送至第一电流，该电流在被具有大电流反射系数(例如40)的P沟道晶体管电流镜P1、P3放大之前，将从例如10μA上升至25μA。由此产生的电流将变成高电流峰值，例如，25μA×40＝1000μA，这个电流峰值超过了电流源CS2的吸收电流的能力(例如450μA)。过电流峰值通过输出端out被注入，这个电流很大，以致阻性元件R0将作为开路电路。从而，在通过栅控开关器件P0停止电流增长时，栅极端GateP将由该过电流充电。

由于依赖于栅极端GateN的高阻抗导致电容C放电的时间很长，因此，由偏置电压驱动的第一电流会非常缓慢地返回它的静态值(例如，10μA)。通过P沟道晶体管电流镜(P1，P3)，经过反射的第一电流将回流至它的静态值(例如400μA)，并再次由电流源CS2(例如，450μA)所支配。从而，在栅控开关器件P0的栅极在栅极端GateP缓慢放电时，低的灌电流(例如50μA)将再次从端子GateP向输出端out环流。它会导致流经它的电流也缓慢增大。这种缓慢使驱动电路40能得到足够的时间以接管电流限制。然而，当电容C检测到负的电压变化dV/dt，在栅极端GateN的偏置电压会被减小的电压V(CHG)突然下拉，并导致第一电流的减小。不管放大级如何，电流源CS2的吸收电流能力(例如450μA)非常重要，以保持在栅极端GateP对栅控器件P0的栅极进行放电，并增强传导模式，该传导模式由不能关闭栅控开关器件P0的驱动电路40的同一动作控制。

这样经过恒定负载(也就是电流镜P1、P3)提高流经R1的第一电流的线性电流的电流限制器电路有几个缺点：在静态模式下在最后一个晶体管P3中的大电流消耗(例如400μA)，受限的电流注入率(例如从500μA到1mA的电流峰值)，这对栅控开关器件P0的栅极非常缓慢地充电，以及它的不限制电流减小的性能，这个性能对于通过快速停用栅控开关器件P0限制的安全因素而言是非常重要的。最后，利用这个电路，可以在1μs内获得3A的电流过冲。

可以如图3所示的那样改进该电路，其中，将晶体管N1的源极接地的阻性元件R1(例如100kΩ)现在被诸如二极管D0之类的非线性阻抗取代，该二极管被串连阻性元件R2(例如10kΩ)保护不被烧毁。从而，图3描述了通过恒定负载提高非线性电流的电流限制器电路。当电容C检测到正电压变化dV/dt时，在栅极端GateN处的偏置电压被上升的电压V(CHG)突然上拉。在以指数方式增大流经二极管D0的第一电流时，连接到该偏置电压的源极电势也增大。受到阻性元件R2的限制，电流增大从而可以达到100μA，并导致4mA的电流峰值，该电流峰值从放大级输出，并加速栅控开关器件P0的栅极的充电。凭借这种改进，在电流增大被停止并返回0之前，电流过冲可以在1μs内减少到0.8A。随后，通过栅控开关器件P0的电流将缓慢增大。然而，这个电路仍然显示两个缺点：静态模式下在最后一个晶体管P3中的大电流消耗(例如，400μA)，以及它的不限制电流减小的性能。

可以如图4a所示的那样更进一步地改进该电路，其中，本发明的第一优选实施例被示出，并存在于通过可变负载提高非线性电流的电流限制器电路中。两个电路之间的比较显示，检测级和调整级没有被改变，支路N1、R2、D0被复制在由同样的偏置电压驱动的支路N4、R3、D1中，并因此被同样的电流(例如10μA)流过，负载P1被改变成与P4串连的负载P5，P4与具有例如15μA的电流源CS3并联，现在，灌电流源CS2具有更差的电流吸收能力(例如，20μA)，晶体管P3具有比之前例如1/40的比率充分小的宽长比W/L。在静态模式下，流经晶体管P5的电流(例如10μA)足够低，以被电流源CS3可以提供的15μA所补偿。从而，晶体管N4的负载由晶体管P5和电流源CS3组成，晶体管P4被后者短路。它导致电流将被具有电流反射系数(例如1)的电流镜P3、P5放大，该电流反射系数比之前的电流镜P1、P3的电流反射系数(例如40)小得多。灌电流源CS2(例如20μA)因此将可以补偿该被放大的低电流，以及它的低电流吸收能力将不会干扰驱动电路40的作用。当电容C检测到正电压变化dV/dt时，在栅极端Gat eN的栅极上的偏置电压增大，在每个晶体管N1和N4中有电流峰值大约120μA的非线性电流增大。流经晶体管P5的电流(例如120μA)不再能够被电流源CS3可以提供的15μA的电流所补偿。从而，现在可以认为后者被晶体管P4旁路，以至于电流镜P3、P5被具有更大的电流反射系数100的电流镜P3、P4+P5所取代。从而，经过放大的电流100×120μA＝12mA将大大超过电流源CS2的电流吸收能力，并将非常迅速地对栅控开关器件的栅极进行充电。当电容C检测负电压变化dV/dt时，栅极端GateN上的偏置电压减小，以及在每一个晶体管N1和N4中有一个非线性电流减小，该非线性电流减小将被电流镜P3、P5反射。灌电流源CS2将完全补偿被反射的电流，以及，由于它的较弱的电流吸收能力，将不再吸收对栅控开关器件的栅极的放电的电流。驱动电路40的作用不会被忽视，以至于这样的电路操作单向性，限制电流的快速增大，但不限制电流的快速减小。

为了更好地说明本发明第一优选实施例的性能，图4b示出了在200ns期间(参照时间周期II)具有20μA灌电流源CS2的0.3A电流过冲的仿真结果，其中，时间周期I对应栅控开关器件P0的反向模式，时间周期II对应壁式插头适配器的插入后的过冲，时间周期III对应栅控开关器件P0的截止状态，时间周期IV对应偏置电压调整过程，以及时间周期V对应栅控开关器件P0的前向模式。

注意，诸如根据第一优选实施例所述的本发明可以在将所有元件的极性取反后扩展到第二优选实施例，并且由此使得第二优选实施例来检测和限制具有负的陡前沿的大电流增加。

总之，描述了基于在输出端out的高电流注入，用以检测和限制大电流增加的电流结构。特别地，由驱动电路40通过低阻性元件R0控制的、被电流过冲经过的栅控开关器件P0，在使其控制端由高注入电流充电时将由本发明的电路可选择地驱动。从而，当由具有正斜率的陡前沿脉冲产生的大电压增加被电容C检测到并被传送到栅极端GateN时，由于电容C通过栅极端GateN缓慢放电，所以在把从晶体管P3发出的显著电流峰值注入栅控开关器件P0的栅极端GateP时，本发明的电路将驱动电路40旁路。电流放大导致的被注入电流峰值是通过利用具有大电流反射系数的电流镜P4+P5、P3产生的，并被二极管D0、D1的出现而得到增强。在静态模式下，或当由负斜率的陡前沿脉冲产生的大电压减小被电容C检测到并被传送到栅极端GateN时，晶体管P4被流经二极管D1流出电流的电流源CS3变得短路，以至于电流镜P4+P5、P3实质上被具有更低电流反射系数的电流镜P5、P3取代。结果，灌电流源CS2的低电流足够吸收被电流镜P3、P5反射的更低的电流，随后，将允许驱动电路40接管开关器件P0的控制。最后，这个电路结构单向工作，通过栅控开关器件P0，限制电流的快速增大，但不限制电流的快速减小。

最后，但仍然很重要的是，注意，在包括权利要求的说明书中所使用的术语“包括”是为了说明所声明的特征、装置、步骤或部件的存在，而不是为了排除一个或多个其他特征、装置、步骤、部件或它们的组合的存在或附加。另外，在权利要求中的元件之前的单词“一个”或“一种”不排除多个这样元件的存在。而且，任何参考符号并非限制本权利要求的范围。

Claims

1.一种可变电流放大器电路结构，用以可变地对电流进行放大，所述可变电流放大器电路结构包括：

输入端(in)和输出端(out)；

检测级，用以检测电压变化，所述电压变化是在第一晶体管(N1)的第一控制端(GateN)被传送的，该第一晶体管控制第一电流，所述电压变化导致所述第一电流的电流变化，所述检测级具有耦接至所述输入端(in)的输入；

调整级，用以将在所述第一控制端(GateN)处的偏置电压以及由所述偏置电压控制的所述第一电流分别调整为第一和第二静态值，所述第一静态值是不受所述电压变化影响的电压值，所述第二静态值是不受所述电流变化影响的电流值；

可变放大级，用以基于一种对第一电流镜(P3，P5)和第二电流镜(P3，P4+P5)择一选择的布置，可变地对第二电流进行放大，其中，

所述第一电流镜(P3，P5)和第二电流镜(P3，P4+P5)包括至少两个晶体管，

所述第二电流是所述第一电流的复制，

第二电流镜(P3，P4+P5)具有比所述第一电流镜(P3，P5)大得多的电流反射系数，

由所述第二电流镜(P3，P4+P5)放大的所述第二电流通过所述输出端(out)被注入，直到所述第一电流被调整至所述第二静态值。

2.按照权利要求1所述的可变电流放大器电路结构，其中，所述检测级包括电容性元件(C)。

3.按照权利要求2所述的可变电流放大器电路结构，其中，所述第二电流是由第二晶体管(N4)控制的。

4.按照权利要求3所述的可变电流放大器电路结构，其中，所述第一电流镜(P3，P5)和第二电流镜(P3，P4+P5)形成所述第二晶体管(N4)的一个负载。

5.按照权利要求1-4任何一项所述的可变电流放大器电路结构，其中，所述电流变化是指数方式的。

6.按照权利要求5所述的可变电流放大器电路结构，其中，所述第一电流和第二电流中的每一个均流经一个二极管(D0，D1)。

7.按照权利要求6所述的可变电流放大器电路结构，其中，所述二极管(D0，D1)和第一阻性元件(R2，R3)串联连接。

8.按照权利要求1所述的可变电流放大器电路结构，其中，所述第一电流镜(P3，P5)和第二电流镜(P3，P4+P5)共用一个共用的晶体管(P3)，剩余的晶体管(P4，P5)串联连接。

9.按照权利要求8所述的可变电流放大器电路结构，其中，第三电流源(CS3)与所述第二电流镜(P3，P4+P5)的所述剩余的晶体管(P4，P5)中的一个(P4)并联连接，所述第三电流源(CS3)流出要被所述第一电流镜(P3，P5)反射的所述第二电流。

10.按照权利要求9所述的可变电流放大器电路结构，其中，第二电流源(CS2)在所述输出端(out)与所述共用晶体管(P3)串联，所述第二电流源(CS2)具有接近所述第二静态值的较弱的电流吸收能力，并吸收被所述第一电流镜(P3，P5)反射的所述第二电流。

11.按照权利要求3所述的可变电流放大器电路结构，其中，所述晶体管(N1，N4，P3，P4，P5)是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。

12.按照权利要求11所述的可变电流放大器电路结构，其中，所述第一(N1)和第二(N4)晶体管具有与包括在所述第一电流镜(P3，P5)和第二电流镜(P3，P4+P5)中的晶体管(P3，P4，P5)不同的极性。

13.一种电流限制器电路结构，用以限制电流增加，所述电流限制器电路结构至少包括：

如在前述权利要求中的任何一项所限定的可变电流放大器电路结构；

栅控开关装置(P0，20)，所述栅控开关装置(P0，20)被第三电流经过，并具有第一端子(CHG)、第二端子(BAT)和第二控制端(GateP)，其中，所述第一端子(CHG)连接到所述输入端(in)，所述第二控制端(GateP)连接到所述输出端(out)；

驱动装置(40)，用以通过第二阻性元件(R0，30)控制所述栅控开关装置(P0，20)，其中，所述第二阻性元件(R0，30)具有足够小的电阻值以不影响所述驱动装置的作用，并且在由所述第二电流镜(P3，P4+P5)所放大的所述第二电流通过所述输出端(out)被注入时，所述第二阻性元件(R0，30)的电阻值被认为是无穷大，所述输出电流响应于所述栅控开关装置(P0，20)上的电压变化对所述第二控制端(GateP)进行充电，以停止所述第三电流的增加。

14.按照权利要求13所述的电流限制器电路结构，其中，所述栅控开关装置(P0，20)是双向开关装置。

15.按照权利要求13或14所述的电流限制器电路结构，其中，所述栅控开关装置(P0，20)是功率金属氧化物半导体场效应晶体管(功率MOSFET)、绝缘栅双极晶体管(IGTB)，双极结晶体管(BJT)或其他任何可控半导体开关器件。

16.按照权利要求15所述的电流限制器电路结构，其中，所述栅控开关装置(P0，20)具有与包括在所述第一电流镜(P3，P5)和第二电流镜(P3，P4+P5)中的晶体管(P3，P4，P5)相同的极性。

17.一种电池充电电路结构，用以对工作在充电-播放模式下的电池进行充电，所述电池充电电路结构至少包括：

如权利要求13-16所限定的电流限制器电路结构，其中：

电池(10)将被连接至所述第二端子(BAT)，所述电池(10)对连接到所述第一端子(CHG)的装置(110)供电；

电源装置(100)将被连接至所述第一端子(CHG)，以对所述电池(10)进行充电，如果与所述电池(10)存在电压差，则所述连接的电源装置(100)产生所述电压变化。

18.一种用以检测和限制电流增大的方法，至少包括下列步骤：

在控制第一电流的第一控制端(GateN)处检测电压变化；

将在所述第一控制端(GateN)处的受所述电压变化影响的偏置电压调整为一个静态值，所述静态值是一个不受所述电压变化影响的值；

将所述第一电流复制为第二电流；

在通过第一电流镜(P3，P5)或第二电流镜(P3，P4+P5)可选择地反射所述第二电流时，可变地对所述第二电流进行放大，其中，所述第二电流镜(P3，P4+P5)具有比所述第一电流镜(P3，P5)大得多的电流反射系数；

将被所述第二电流镜(P3，P4+P5)反射的所述第二电流注向栅控开关装置(P0，20)连接的输出端(out)，以便通过所述栅控开关装置(P0，20)停止电流增大，所述注入步骤在所述偏置电压返回所述静态值时结束。