CN101527558B

CN101527558B - 具过电流保护的功率集成电路及其过电流保护电路与方法

Info

Publication number: CN101527558B
Application number: CN2008100073011A
Authority: CN
Inventors: 陈家敏; 简铭宏
Original assignee: Holtek Semiconductor Inc
Current assignee: Holtek Semiconductor Inc
Priority date: 2008-03-04
Filing date: 2008-03-04
Publication date: 2011-09-07
Anticipated expiration: 2028-03-04
Also published as: CN101527558A

Abstract

本发明公开了一种具过电流保护的功率集成电路及其过电流保护电路与方法，该功率集成电路接收一输入电压，并转换成一输出电压，以提供给一负载。其中，通过控制一功率晶体管以提供一输出电流给负载，并通过一输出控制单元来控制功率晶体管。进而在一过电流保护电路中设计一固定限流临界值及一折返限流临界值，用来进一步控制功率晶体管。当输出电流大于固定限流临界值时，将输出电流箝制于一固定电流值，以降低输出电压至一额定值；而当输出电流大于折返限流临界值时，则将输出电流限制于一低电流值，使输出电压降低至零电位。藉此，以达到保护功率集成电路内部电路及输出端负载的目的。

Description

具过电流保护的功率集成电路及其过电流保护电路与方法

技术领域

本发明涉及一种功率集成电路及其过电流保护电路与方法，特别是涉及一种具有两段限流保护机制的功率集成电路及其过电流保护电路与方法。

背景技术

近几年来，由于科技的发展，使得电子产品的产量大增，而在电子产品中，除了产品本身的功能电路之外，最需要被重视的部分就在于电源电路的部分，也就是所谓的电压调节器、电压稳压器等相同性质的功率集成电路(Power IC)，这些都足以影响产品运作的稳定与否。

而以上述的电压稳压器来讲，电压稳压器是一种可以提供固定电压至负载的电路，根据负载阻抗的变化，电压稳压器的输出电流也会随之调节，因此使输出电压维持在固定的电压电平。而随着电压稳压器使用于消费性电子产品、可携式电子产品等不同的产品，其中的设计也就会有不同的特色，例如：低输入-输出压差、高(低)输出功率、低静态电流、低噪声以及高电源拒斥等不同功能，以符合各种电子产品的使用需求。然而，不管在何种功率集成电路中，为了防止输出的电流过大、或者是当输出端发生短路时所造成的内部电路损毁，因此都会内建设计有过电流保护电路，以让功率集成电路操作在安全稳定的状态。

而目前现有技术在具过电流保护的功率集成电路方面，大致可有以下几种设计方式：

首先，请参考图1，为现有技术具过电流保护的功率集成电路的第一电路示意图。如图所示，其中的过电流保护电路9包含一限流开关晶体管Q₁及一感测电阻R₁，其中由于输出电流会流过感测电阻R₁，因此便可根据感测电阻R₁的跨压来设计电阻的阻值，而当输出电流到达不安全的值时，限流开关晶体管Q₁便会导通以限制输出电流的大小。换句话说，当输出电流增加，感测电阻R₁的跨压压降跟着增加，使得限流开关晶体管Q₁开始传导电流。而另一方面，参考电流源用于产生一偏压电流I₁，并且连接到限流开关晶体管Q₁的集极端，如此一来让原本流到功率晶体管Q₂的基极端的驱动电流I₂便会减少。因此，当发生输出电流超过限制的条件时，即可以达到限制输出电流的功效。

但是，此设计的过电流保护电路9有两个缺点：第一，由于输出电流会流过感测电阻R₁，因此当输出电流很大时，会造成感测电阻R₁的跨压过大，导致在感测电阻R₁上有较大的功率损耗。于是输入电压V_DD与输出电压V_OUT也就会有较大的电压差。第二，此电路9对温度的敏感度很高。由于限流开关晶体管Q₁的基-射极电压Vbe是负的温度系数，而感测电阻R₁是正的温度系数，因此会造成原先已设定调整好的限流临界值容易因为温度的增加而使限流临界值下降。

于是，请再参考图2，为现有技术具过电流保护的功率集成电路的第二电路示意图。如图所示，其中功率集成电路由一过电流保护电路9’搭配一稳压电路。其中，稳压电路包含一误差放大器EA、一功率晶体管M₁、一反馈电阻网络R_F1、R_F2及一参考电压源V_REF。当稳压电路的输出端的负载电流增加(或减少)时，输出电压V_OUT会下降(或上升)，此时反馈电阻网络R_F1、R_F2会将感测到的输出电压V_OUT变化量输入到误差放大器EA的输入端，再与参考电压源V_REF的参考值去作比较。于是误差放大器EA会产生一个控制信号来控制功率晶体管M₁导通电流I₃的大小，进而调节输出电压V_OUT到正常稳压值。

而过电流保护电路9’包含一感测晶体管M₂、多个晶体管M₃、Q₃、Q₄、Q₅、Q₆、一参考电流I₄及一电容C₁。其中，流过功率晶体管M₁的电流会经由感测晶体管M₂以成比例关系地产生感测电流，此电流进一步流过晶体管Q₄再映射至晶体管Q₃。而电流源提供的参考电流I₄通过晶体管Q₅映射至晶体管Q₆。并且电容C₁用来当作补偿电容以避免Q₃和Q₆的集极端发生震荡。如此一来，当负载电流过大而超过设定的限流临界值时，映射至晶体管Q₃的电流会增大，使输入电压V_DD与A点的跨压变大到可以使晶体管M₃导通，进而驱动功率晶体管M₁的栅极电压至高电位，以限制流过功率晶体管M₁的输出电流。

然而，此过电流保护电路9’的缺点为：第一，无折返电流机制，当输出端发生短路时会发生很高的热损耗。也就是说除了浪费功率之外，当输入输出的电压差较大时，功率晶体管M₁可能会发生损坏。第二则是在电路上需要设计使用补偿电容，因而会增加功率集成电路的面积。

因此，要如何改善上述现有技术的缺点，便是目前在过电流保护电路方面值得加以研究设计的地方。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种具过电流保护的功率集成电路及其过电流保护电路与方法，用于在过电流保护电路中，同时设计有固定限流(Constant Current Limit)及折返限流(Fold-back Current Limit)的两段限流机制，用于让搭配此一过电流保护电路的功率集成电路(Power IC)得以将输出电流箝制于一固定值，以避免过电流的发生，并且降低在输出端发生短路现象时，功率晶体管所产生的功率散溢及热耗损。藉此，以达到保护功率集成电路内部电路及输出端所连接的负载的目的。

为了实现上述目的，本发明提供了一种过电流保护电路，应用于一功率集成电路，该功率集成电路接收一输入电压，并依据一反馈电路的反馈信号，来控制一功率晶体管输出一输出电压及一输出电流，该反馈电路与该功率晶体管的输出端连接，而该过电流保护电路包括：

一固定限流电路，与该功率晶体管的控制端连接，设有一固定限流临界值；及

一折返限流电路，与该固定限流电路连接，设有一折返限流临界值，且该折返限流电路连接于该反馈电路，用于依据该反馈电路所产生的分压，而与该固定限流电路搭配进行运作；

该固定限流电路又包含：

一感测晶体管，用于感测流过该功率晶体管的电流量，以形成一感测电流；

一开关晶体管，作为该过电流保护电路的启动开关；及

一电压电平控制单元，用于依据该感测电流及一偏压电流进行电压电平偏移，以控制该开关晶体管的运作；

其中，当该输出电流大于该固定限流临界值时，该固定限流电路会将该输出电流箝制于一固定电流值，以降低该输出电压至一额定值；而当该输出电流大于该折返限流临界值时，该折返限流电路会搭配该固定限流电路以将该输出电流限制于一低电流值，使该输出电压降低至零电位。

所述的过电流保护电路，其中，该功率晶体管为P通道金属氧化半导体场效晶体管。

所述的过电流保护电路，其中，该反馈电路用于形成一负反馈控制。

所述的过电流保护电路，其中，在该电压电平控制单元控制该开关晶体管的一源-栅极电压大于该开关晶体管的一临界电压规格时，该开关晶体管进行导通，以让该固定限流电路及该折返限流电路进一步控制该功率晶体管以调整该输出电压及该输出电流。

所述的过电流保护电路，其中，该折返限流临界值依据一预估短路电流来设置。

藉此，在过电流或短路状况产生时，得以针对功率集成电路的内部电路及输出端的负载电路来进行保护。并且，本发明不仅可以有效地达到过电流及短路保护的作用，由于使用较少的组件，因而还可在标准互补金属氧化半导体(CMOS)制程中，缩小功率集成电路的面积。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1是现有技术具过电流保护的功率集成电路的第一电路示意图；

图2是现有技术具过电流保护的功率集成电路的第二电路示意图；

图3是本发明具过电流保护的功率集成电路的实施例方块图；

图4是本发明具过电流保护的功率集成电路的实施例电路示意图；

图5是本发明过电流保护方法的实施例流程图；

图6是本发明固定限流机制运作时的输出状态的瞬时分析图；及

图7是本发明折返限流机制运作时的输出状态的瞬时分析图。

现有技术的附图标记：

过电流保护电路9，9’

电容C₁

误差放大器EA

偏压电流I₁

驱动电流I₂

导通电流I₃

参考电流I₄

感测晶体管M₂

限流开关晶体管Q₁

功率晶体管M₁，Q₂

晶体管M₃，Q₃，Q₄，Q₅，Q₆

感测电阻R₁

反馈电组网络R_F1，R_F2

输入电压V_DD

输出电压V_OUT

参考电压源V_REF

本发明的附图标记：

功率集成电路1

功率晶体管11，M_PO

反馈电路12

输出控制单元13

过电流保护电路14

固定限流电路141

电压电平控制单元1411

折返限流电路142

输入电压源2

负载3

偏压电流I_B

输出电流I_OUT

误差放大器EA

感测晶体管M₁

晶体管M₂，M₃，M₄

开关晶体管M₅

电阻R₁，R₂，R₃，R_F1，R_F2

输入电压V_DD

输出电压V_OUT

参考电压源V_REF

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步更详细的描述。

本发明主要是在过电流保护电路中，同时设计有固定限流(Constant Current Limit)及折返限流(Fold-back Current Limit)的两段限流机制，用于让搭配此一过电流保护电路的功率集成电路(Power IC)得以避免过电流的发生，并且在输出端发生短路现象时，得以降低功率晶体管所产生的功率散溢及热耗损。藉此，以达到保护功率集成电路内部电路及输出端所连接的负载的目的。

请同时参考图3，为本发明具过电流保护的功率集成电路的实施例方块图。如图所示，本实施例提供一种功率集成电路1，是用于接收一输入电压源2所产生的一输入电压V_DD，并在正常的运作状态下得以转换成一输出电压V_OUT，以提供给一负载3使用。而本实施例的功率集成电路1包括：一功率晶体管11、一反馈电路12、一输出控制单元13及一过电流保护电路14。其中，功率晶体管11是接收该输入电压V_DD，并且通过输出控制单元13的控制以提供一输出电流I_OUT给负载3。

反馈电路12主要是用来侦测该输出电压V_OUT以产生一反馈信号。而输出控制单元13则是具有一参考电压源(图未示)，并且用于接收该反馈信号，以将反馈信号与该参考电压源进行运算，进而产生一电压控制信号来控制功率晶体管11的运作。

此外，过电流保护电路14中包含一固定限流电路141及一折返限流电路142。其中，固定限流电路141利用电路匹配而设计有一固定限流临界值；而折返限流电路142利用电路匹配而设计有一折返限流临界值，以让过电流保护电路14能够进一步控制功率晶体管11以调整输出电压V_OUT及输出电流I_OUT。

如此一来，当输出电流I_OUT大于固定限流临界值时，过电流保护电路14就会将输出电流I_OUT箝制于一固定电流值，以降低输出电压V_OUT并维持在一额定值。其中所箝制的固定电流值在实际设计上是依据功率集成电路1的不同而来加以匹配设计，以避免过电流状况的产生，在此并无加以限制其电流值大小；而相对的，将输出电压V_OUT维持在该额定值则是依据该固定电流值，而直接进行换算所得。

另外，当输出电流I_OUT大于折返限流临界值时，过电流保护电路14则会将输出电流I_OUT限制于一低电流值，使输出电压V_OUT能够降低至零电位。其中，折返限流临界值的订定是依据一预估短路电流来设计，也就是当输出电流I_OUT超过折返限流临界值时，表示在输出端的负载3有产生短路的情形。

请再参考图4，为本发明具过电流保护的功率集成电路的实施例电路示意图。本实施例是对应图3的实施例方块图，进一步揭示其实际实施的电路图，并且本实施例的电路主要是可用来实现电压稳压器的功率集成电路。

如图所示，其中的功率晶体管(M_PO)11可为P通道金属氧化半导体场效晶体管(P-Channel MOSFET，PMOS)的设计。而在反馈电路12方面，则可利用电阻R_F1及R_F2来组成一反馈电阻网络，以用来进行侦测输出电压V_OUT。

再者，在本实施例中，输出控制单元13的电路是例如包含了误差放大器EA及参考电压源V_REF，并且输出控制单元13、反馈电路12与功率晶体管(M_PO)11可如图所示是架构成一负反馈控制的设计，让误差放大器EA的一正向输入端(+)是接收反馈电路12所产生的反馈信号；而误差放大器EA的一反向输入端(-)则是连接该参考电压源V_REF，进而在将反馈信号与参考电压源V_REF进行误差放大运算后，产生该电压控制信号。

换句话说，当功率集成电路1的输出电压V_OUT产生变化时，反馈电路12会侦测输出电压V_OUT的变化量，并将其变化量传入误差放大器EA的正向输入端，由误差放大器EA将之与反向输入端的参考电压源V_REF进行运算，以产生电压控制信号来控制功率晶体管M_PO的栅极端，亦即控制功率晶体管M_PO所输出的输出电流I_OUT的大小，进而让电压稳压器的输出端可以稳压在固定的电压电平。

而在过电流保护电路14方面，在实际电路图中主要可分为固定限流电路141及折返限流电路142。其中，固定限流电路141至少包含：一感测晶体管M₁、一电压电平控制单元1411、一开关晶体管M₅及电阻R₂，R₃；而电压电平控制单元1411还进一步包括一偏压电流I_B及晶体管M₃，M₄。另外，折返限流电路142是包含晶体管M₂及电阻R₁，并且在实际运用上则是会搭配固定限流电路141来进行运作，以进一步控制功率晶体管M_PO的操作。而针对图4的实施例电路图的电路运作及组件连接关系，请再继续参考接下来的描述说明。

首先，以电路原理来看，电压稳压器供应至负载3的输出电流I_OUT约等于流过功率晶体管M_PO的电流量，仅有非常微小的电流会流过反馈电路12。因此，其中的感测晶体管M₁通过与功率晶体管M_PO共源极的连接，以及相同栅极的控制，用来达到感测流过功率晶体管M_PO的电流量，以产生一感测电流。

而感测晶体管M₁所产生的感测电流会流过晶体管M₂与电阻R₂。如此一来，在电阻R₂的两端便会产生一电压压降，以形成晶体管M₃的栅极端电压电平。而在本实施例中，实际电路会设计流过晶体管M₂的电流量大于流过电阻R₂的电流量。

在电压电平控制单元1411中，通过晶体管M₃与偏压电流I_B的设计，使电压电平控制单元1411得以依据感测电流及偏压电流I_B而进行电压电平偏移(level shift)。也就是晶体管M₃源极端的电压电平会等于电阻R₂的跨压、晶体管M₃规格上的临界电压(threshold voltage)以及晶体管M₃规格上的驱动电压(overdrive voltage)的加总总和。于是，再利用晶体管M₃源极端的电压来控制晶体管M₄的栅极端。而在晶体管M₄导通后，流过晶体管M₄的电流会流过电阻R₃，而电阻R₃两端所产生电压压降也就足以形成开关晶体管M₅的源-栅极电压，以控制开关晶体管M₅的运作。

而由于开关晶体管M₅是用于作为过电流保护电路14的启动开关，因此当开关晶体管M₅的源-栅极电压大到超过晶体管M₅规格上的临界电压时，开关晶体管M₅便会开始导通，进而让过电流保护电路14的限流机制可以开始运作。其中，在此固定限流电路141的部分，即可通过电路的匹配，而针对输出电流I_OUT来设计出所需的固定限流临界值。

如此一来，当输出电流I_OUT增加，流过晶体管M₂与流过电阻R₂的电流也会增加，使得晶体管M₃、M₄的栅极电压跟着增加。于是，流过晶体管M₄与电阻R₃的电流增加，造成电阻R₃两端电压压降增加。进而当输出电流I_OUT超过固定限流临界值时，使得开关晶体管M₅的源-栅极电压大于其规格上的临界电压，以使开关晶体管M₅导通。于是，功率晶体管M_PO的栅极电压就不会再继续减少而稳定维持在一定值，致使输出电流I_OUT会被箝制在一固定电流值，进而使输出电压V_OUT会开始下降至一额定值。而上述的动作机制即是“固定限流机制”正常运作下所产生的限流保护。

此外，在折返限流电路142的部分，由于晶体管M₂的栅极端是连接于反馈电路12的反馈端点，而此端点是输出电压V_OUT的分压端点，所以可以依据输出电压V_OUT的大小而来进一步进行短路保护。其中，在折返限流电路142中，可以通过晶体管M₂、电阻R₁及R₂的匹配设计而来决定出折返限流电路142在多大的电流量(折返限流临界值)下会开始折返电流，而此处所设计出的折返限流临界值即是依据实际电压稳压器的预估短路电流来进行设计，以表示超过此折返限流临界值时，就是输出端发生短路的情形。

于是，当输出电压V_OUT下降，使得晶体管M₂的栅极端电压电平在降到使晶体管M₂关闭时，当初流向晶体管M₂的电流会转往流向电阻R₂，造成晶体管M3的栅极电位持续增加，进而晶体管M₄的栅极电位也会持续增加。于是，流过晶体管M₄与电阻R₃的电流便持续增加，造成电阻R₃两端电压压降持续增加，致使开关晶体管M₅会将功率晶体管M_PO的栅极电压电平持续拉高，因此功率晶体管M_PO产生的输出电流I_OUT便会进行折返而持续降低，并且被限制在一低电流值，进而输出电压V_OUT会降到零电位。而上述的动作机制就是“折返限流机制”正常运作下所产生的限流保护，用于在产生短路电流时，可以大幅地降低功率晶体管M_PO的功率散逸及热损耗，并保护电压稳压器内部电路及输出端负载3的电路的安全。

而由于本发明是单纯通过晶体管电路来达成，并且过电流保护电路14会隔离控制信号。因此当过电流或短路状况排除后，整个功率集成电路1的输出具有快速的恢复时间(recovery time)，以将输出电压V_OUT恢复在正常的稳压状态；此外，在正常的运作状态下，过电流保护电路14亦不会影响到功率集成电路1的正常操作。

为了再进一步说明本发明的功率集成电路1在设计有过电流保护电路14时的运作流程，请再参考图5，为本发明过电流保护方法的实施例流程图。如图所示，本实施例提供一种过电流保护方法，其步骤包括：首先，步骤S501，启动功率集成电路1的运作，步骤S503，并在正常状态下稳定输出该输出电压V_OUT，以固定功率晶体管11提供该输出电流I_OUT。

接着，步骤S505，侦测输出电流I_OUT是否大于一折返限流临界值，以判断功率集成电路1启动时输出端的负载3电路是否有产生短路情形。步骤S507，若步骤S505的侦测结果为否，则表示并无任何短路状况产生，进而便继续进行侦测输出电流I_OUT是否大于一固定限流临界值。此时，步骤S509，若步骤S507的侦测结果为是，则表示有过电流状况产生，于是会启动过电流保护机制，以进一步通过固定限流电路141来箝制输出电流I_OUT于一固定电流值，因而降低输出电压V_OUT至一额定值。步骤S511，并且随后持续地进行判断过电流状况是否排除，若过电流状况仍旧未排除，则继续步骤S509进行箝制该输出电流I_OUT于固定电流值的动作，以降低输出电压V_OUT；而若步骤S511的判断结果为是的话，则分别表示过电流状况排除。于是，功率集成电路1便可快速地恢复，以稳定输出该输出电压V_OUT，并固定输出该输出电流I_OUT给负载3。

步骤S513，此外，若步骤S505的判断结果为是，则表示有短路状况产生，于是便进一步通过折返限流电路142来限制输出电流I_OUT于一低电流值，使输出电压V_OUT得以降至零电位。步骤S515，并且随后亦持续地进行判断该短路状况是否排除，而相同的，若短路状况仍未排除，则继续步骤S513进行限制输出电流I_OUT于低电流值的动作，以将输出电压V_OUT降在零电位。

而由于折返限流电路142是用于保护避免短路电流产生时所会造成的损坏。因此在设计上，折返限流临界值会设计的比固定限流临界值来得高。于是，若输出电流I_OUT已大于折返限流临界值时，则会在判断短路状况排除之后，再继续进行步骤S507以侦测固定限流临界值，判断是否有过电流的状况产生。最后，通过重复本实施例的步骤流程，以实现过电流保护方法的运作。

接下来，利用输出电压V_OUT与输出电流I_OUT的输出关系，来进一步说明本发明的实际功效。

请参考图6，为本发明固定限流机制运作时的输出状态的瞬时分析图。如图所示，当输出电流I_OUT在原本正常状态下产生过电流状态时(超过固定限流临界值)，此时会启动固定限流机制以将输出电流I_OUT箝制在固定电流值(其中固定电流值在此是设计成与固定限流临界值相同)；而输出电压V_OUT则会产生电压压降并维持在额定值。如此一来，表示固定限流电路141正常发挥作用。另外，当过电流状态排除后，输出电流I_OUT从过电流状态回至正常状态时，固定限流电路141会关闭，而功率集成电路1的输出电压V_OUT会快速的恢复到正常电压电平的稳压状态。

请再参考图7，为本发明折返限流机制运作时的输出状态的瞬时分析图。如图所示，当输出电流I_OUT在原本正常状态下突然发生短路状态时(超过折返限流临界值)，此时会启动折返限流机制以将输出电流I_OUT折返到一低电流值；而输出电压V_OUT则是会降到零电压电平。如此一来，表示折返限流电路142正常发挥作用。另外，当短路状态排除后，折返限流电路142会关闭，而功率集成电路1的输出电压V_OUT会快速地恢复到正常电压电平的稳压状态。

综上所述，本发明通过两段限流机制的设计，用于将过电流箝制于较低的固定电流值，并且可折返电流以降至低电流值的功能，藉以用来防止过电流、短路电流或电源启动峰值电流等异常状态所造成的损坏。如此一来，可用来将功率损耗降低，而不会有拴锁现象(latch-up)的情况发生。而且，当过电流或短路状况移除时，功率集成电路的输出具有快速的恢复时间，使输出电压恢复在正常状态。

此外，本发明除了可有效地进行过电流及短路保护的作用之外，由于使用较少的组件，因而还可在标准互补金属氧化半导体(CMOS)制程中，缩小功率集成电路的面积。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims

1.一种过电流保护电路，其特征在于，应用于一功率集成电路，该功率集成电路接收一输入电压，并依据一反馈电路的反馈信号，来控制一功率晶体管输出一输出电压及一输出电流，该反馈电路与该功率晶体管的输出端连接，而该过电流保护电路包括：

该固定限流电路又包含：

一开关晶体管，作为该过电流保护电路的启动开关；及

2.根据权利要求1所述的过电流保护电路，其特征在于，该功率晶体管为P通道金属氧化半导体场效晶体管。

3.根据权利要求1所述的过电流保护电路，其特征在于，该反馈电路用于形成一负反馈控制。

4.根据权利要求1所述的过电流保护电路，其特征在于，在该电压电平控制单元控制该开关晶体管的一源-栅极电压大于该开关晶体管的一临界电压规格时，该开关晶体管进行导通，以让该固定限流电路及该折返限流电路进一步控制该功率晶体管以调整该输出电压及该输出电流。

5.根据权利要求1所述的过电流保护电路，其特征在于，该折返限流临界值依据一预估短路电流来设置。