CN101578525A - 电流限制检测器 - Google Patents

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Abstract

诸如移动设备之类的设备可能受到短路和输出过载事件的影响。为了应对这种事件，移动设备一般包括电流限制电路。某些电流限制电路可包括用户可编程的功能。用户可编程的功能可能需要精确的电流限制检测器。一种提高使用单个电阻器件的电流限制检测器的分辨率和精度的方法是放大操作电流范围。本发明的各种实施例包括用于检测预先编程的电流限制的设备和方法。

Description

电流限制检测器
技术领域
本发明一般地涉及移动设备中的功率管理，更具体而言涉及具有在诸如负载开关(load switch)之类的设备中的应用的电流限制(currentlimit)检测器。
背景技术
电流限制是对可传递到负载的电流施加上限的措施。电流限制的一般目的是保护上游或下游的电路免受例如由于短路而产生的有害效果的影响。在电源和适配器中使用的负载开关应用中，电流可以被限制到低于负载开关设置。负载开关应用包括驱动通用串行总线(USB)连接器到各种外围设备的电力线。负载开关设备的示例包括由Advanced AnalogicTechnogies，Inc.(Sunnyvale，CA)生产为集成电路(IC)的电流受限负载开关设备，它被设计为保护外部功率端口并且延长便携式电子产品中电池的寿命。这种负载开关设备利用集成电流限制电路进行操作，该电路例如保护输入源免受负载电流的大的改变的影响，这种负载电流的大的改变本来会使得源脱离规范。
作为电流受限设备，负载开关能够抽取电流直至负载开关设置。如果电流超过了负载开关设置，则负载开关中的电流限制电路限制流经负载开关的电流。一般来说，电阻器(在IC外部或内部)被用于设置负载开关电流限制。一般来说，在负载开关的工作电压范围内，单个电流限制是基于设计者所选的电阻值来设置的。使用单个电阻器来实现宽工作电压范围(因而宽范围的负载电流)的一个缺点在于精度的丢失。这种丢失之所以可能发生是因为电阻值和容差(tolerance)一般地确定了可检测的电流增量的粒度水平。
例如，如图1所示，作为系统设计的一部分，用户选择具有电阻值RSET的电阻器。用户还定义与电阻值相关联的电流限制，从而建立这两个参数之间的一对一对应关系。电流限制可由设计者任意选择。在该示例中，设计者定义了100mA的电流限制以对应于100Ω的电阻值，并且定义了1A的电流限制以对应于1kΩ。在0至1V的工作电压范围内，电流限制不能利用1kΩ电阻器设置在低于1A的分辨率。对于低于1A的电流限制的分辨率，在系统设计期间需要选择低于1kΩ的电阻值。然而，工作电压范围必须也被相应限制。例如，为了获得140mA的电流限制，电阻值需要减小到140Ω。一种改变电阻值的方法是替换电阻器。即使利用不同的电阻值，分辨率也可能很低，例如由于电阻器容差(例如，5％、10％或者更大)。当电阻器被替换时，工作电压也发生改变。在该示例中，工作电压减小到0至0.14V。为了改善电流限制控制，需要具有更好的分辨率和精度的更好电流限制检测。
因此，需要改善对电流限制检测器的设计。这种设计的一个期望方面能够基本上增大利用特定电阻值可获得的精度和分辨率。
发明内容
本发明部分基于前面的陈述，并且根据其目的，本发明的各种实施例包括用于检测电流限制的设备和方法。通常，一种用于检测电流限制的设备的各种实现方式可以使用单个电阻器件，但是可以按其他方式补偿其固有问题(例如，受限工作电压范围)。其他方法可以在适于维持一个或多个步骤序列的配置中使用延迟元件，以或多或少地限制电流并防止竞态条件。作为一种对前述设计的可能替换方案(前述设计可能是不灵活的、使用受限的、或者两者兼有之)，所提出的新的实现方式使用集成电路(IC)或若干分立组件，这些组件一般更加灵活并且可高效检测电流限制。为了例示，在下面更详细地说明若干实施例。
根据一个实施例，一种用于检测电流限制的设备包括：多条电流路径、电阻器件、高参考电压端子和具有多个输入和一个输出的高电平比较器。每条电流路径适于传导电流，并且至少一条电流路径包括操作来中断其电流传导的电流开关。流经多条电流路径的电流总地组合以产生一电流总和。电阻器件具有预定电阻值并且耦合到多条电流路径。该电阻器件适于传导电流总和，该电流总和产生了跨电阻器件的电压降。预定电阻值被设置以建立电流总和与由用户定义电流限制之间的关系。高参考电压端子操作来提供高阈值电压。高电平比较器的一个输入操作来接收高阈值电压，并且另一个输入操作耦合到电阻器件。高电平比较器在输出处产生响应于电压降和高阈值电压之间的比较结果的信号。
在该实施例中，这种输出可以适于操作电流开关以逐步检测与电流总和相关联的用户定义电流限制。逐步可包括以阶梯方式逐步增大或减小。这种设备还可包括操作来提供低阈值电压的低参考电压端子和低电平比较器。低电平比较器的一个输入可以接收低阈值电压，并且另一个输入可以操作耦合到电阻器件。低电平比较器具有一输出，该输出产生响应于电压降和低阈值电压之间的比较结果的信号。这种输出信号可以适于逐步中断多条电流路径中的一条或多条上的电流传导。该设备还可包括电流OFF逻辑，该逻辑操作来检测设备处于休眠状态并且关断基本上所有的偏置电流。而且，该设备可包括操作串联耦合的多个延迟元件，这些延迟元件操作来串行地维持一状态序列。该序列的长度可以等于延迟元件的数目。延迟元件中的至少一个可以适于产生用于使得改变到序列中延迟元件的后续一个的状态的输出。每种状态定义了一个或多个晶体管中的哪些要中断通过它们各自的电流路径的电流传导。延迟元件可包括触发寄存器。
根据另一个实施例，一种用于检测电流限制的方法包括比较电压降和高阈值电压。在该方法中，电压降是流经多条电流路径的多个电流被组合成的流经一电阻器件的电流总和与电阻器件的电阻值的乘积。该电阻器件具有被设置以建立电流总和与由用户定义电流限制之间的关系的预定电阻值。每条电流路径适于传导电流，并且至少一条电流路径包括操作来中断其电流传导的电流开关。基于该比较，该方法还可包括通过逐步操作电流开关中的一个或多个来建立电流总和与用户定义电流限制之间的关系。
该方法还可包括比较电压降和低阈值电压。逐步中断电流开关中的一个或多个的电流传导的操作可以响应于对电压降与高和低阈值电压或者这两者的比较。
该方法还可包括关断基本上所有的偏置电流。这种关断操作可包括检测设备处于休眠状态并且激活电流OFF逻辑。而且，该方法可包括在操作串联耦合的多个延迟元件中维持一状态序列，并且逐步控制电流限制检测。特定延迟元件可以具有特定状态，并且可以响应于序列中在前延迟元件的输出。对电流限制检测的逐步控制可包括响应于序列中在前延迟元件的输出而改变特定延迟元件的特定状态。改变特定延迟元件的特定状态可包括串行地时钟驱动该序列向前一步。
根据另一个实施例，一种用于检测电流限制的装置包括电流限制检测器和电流限制控制器。电流限制检测器操作来检测电流，并且包括多条电流路径、电阻器件、高参考电压端子和高电平比较器，这基本上与上面参考一种用于检测电流限制的设备的一个实施例所描述的相同。电流限制控制器操作耦合到电流限制检测器，并且可以逐步限制输出电流以便不超过所检测出的用户定义电流限制。在该装置中，逐步限制输出电流的操作可包括在电流控制器处输出一控制信号序列。每个控制信号可以与输出电流的逐步限制中的一步相关联。这种装置还可包括操作耦合到电流限制检测器和电流限制控制器的电流限制部分。它操作来响应于从电流限制控制器接收的控制信号序列来调节输出电流。该装置还可包括电荷存储器件，该电荷存储器件适于与电流限制控制器协同操作并且提供能量库。该库能够提供突发功率。
在这些实施例中，可以存在各种可能的属性。电流开关可包括晶体管。电压降和高阈值电压之间的比较可包括确定电压降是否高于高阈值电压。电压降和低阈值电压之间的比较可包括确定电压降是否低于低阈值电压。每条电流路径可以传导对其而言特定量的电流，并且该量可以基于各自电流开关的缩放比。电阻器件可包括电阻器。延迟元件可包括触发寄存器。用于检测电流限制的设备可以实现在IC中或者实现为IC中的功能块。该IC也可以适合用在移动设备中。
本发明的这些和其他的实施例、特征、方面和优点将从这里的描述、权利要求和下面将描述的附图中得到更好地理解。
附图说明
结合在该说明书中并且构成该说明书的一部分的附图图示了本发明的各个方面，并且与具体实施方式一同用来说明其原理。在方便的情况下，相同的标号将在整个附图中用来指代相同或相似的元件。
图1是图示可在传统的电流限制检测器中实现的电流限制的分辨率的视图。
图2是图示根据本发明一个实施例可通过分段实现的电流限制的分辨率的视图。
图3A是根据本发明一个实施例的负载开关应用的框图。
图3B是根据本发明一个实施例的另一个负载开关应用的框图。
图4是根据本发明一个实施例的电流限制检测器的示意图。
图5是根据本发明一个实施例在电流开关被相继激活时、在RSET为1MΩ的情况下电流输出随时间的示例性图表。
图6图示了根据本发明一个实施例的电流限制检测器的电路细节。
图7图示了根据本发明一个实施例的负载开关设备的电路细节。
具体实施方式
诸如移动设备之类的设备可能受到短路和输出过载事件的影响。因此，利用能够检测电流限制的电路来保护这些设备并响应于这种检测而限制它们的供应电流是有利的。
因此，本发明的各种实施例包括用于检测电流限制的设备和方法。这些设备和方法优选地使用单个电阻器件来检测电流限制。
一种在使用单个电阻器件的特定工作电压范围中改善电流限制检测器的精度和分辨率的方法是放大整个工作电压范围。在一个实施例中，如图2所示，工作电压范围是0.75V至1.5V。该范围被划分为多个分段。在每个分段中，用户定义的电阻值RSET与用户定义电流限制相关联。尽管存在多个分段，其中每个分段具有相同的工作电压范围，但是在所选的电阻值和定义的电流限制之间维持一对一的对应关系。
在第一分段中，系统设计者选择了93.75kΩ的电阻值来与75mA和150mA之间的电流限制相关联。在第二分段中，187.5kΩ的电阻值被选为与150mA和300mA之间的电流限制相关联。电阻值和关联的电流限制是用户定义的，并且可以根据任何方案来选择，只要在分段之间没有重叠即可，即，只要在RSET和电流限制之间维持一对一对应关系即可。这使得能够在分段之间进行适当的转变。在图2中，对于每个分段，电阻值以及电流限制被加倍。在其他实施例中，在分段之间，电阻值、电流限制或这两者可以被对数或指数关联。例如，第一和第二分段可分别包括ln(93750)和ln(187500)的RSET。关联的电流限制可以根据对数样式、任何其他样式或者甚至随机地选择。通过放大工作电压范围(因而也放大操作电流范围)，可以提高分辨率和精度。
在操作中，一般在加电时，包括根据图2的电流限制检测器方案的负载开关设备将检测电流限制。例如，假定电阻值是1.5MΩ。在启动时，流经电流限制检测器的电流ISET可以使得电压VSET＝RSET×ISET大于上工作电压，即，大于1.5V。如果成立，则电流限制检测器可以通过减小电流ISET来作出响应。该减小后的流经电流限制检测器的电流仍然可能产生跨电阻器件的大于1.5V的电压VSET。如果成立，则电流ISET可以进一步减小。一旦所产生的电压低于1.5V，则电流不被进一步减小，因为电流限制检测器这时操作在工作电压范围内。此时，电流ISET指示相应的电流限制是多少，即，基于ISET和电流限制之间的关系，对ISET的确定也建立了电流限制。电流限制例如可能已被编程到负载开关设备内的存储器中。这样检测的电流限制随后可以被传输到与电流限制检测器耦合的电流限制控制器。电流限制控制器之后可以限制电流以低于电流限制并将其维持在该电平或者低于该电平。
电流限制一般是在系统或设备的安装或设立之后立即检测的，其中负载开关设备被结合在这种系统或设备中或者以其他方式耦合到这种系统或设备。之后，电流限制一般不被再次检测，直到功率被重新循环为止，例如当负载开关应用重新启动时(例如在加电时、醒来时，等等)。之后，电流限制检测器一般保持休眠，即，不执行其电流检测功能。
表1图示了电阻器件的电阻值RSET和相应的用户定义电流限制之间的关系。表1中的编号与图2中图示的那些匹配。通过按四阶(24＝16)增大电阻值，从93.75kΩ到1.5MΩ，电流限制同样地增大四阶，从75mA到1.2A。
Figure A20078004630500111
表1电阻值和相应的用户定义电流限制之间的关系
流经负载开关设备的总检测电流ISET可以按一个或多个步进改变。表1中所示的实施例允许通过逐步减小总电流流动来逐步检测电流限制。这种逐步检测可以通过在负载开关设备中包括多条电流路径来获得，其中ISET包括在每条电流路径上流动的电流的总和。另外，每条电流路径可包括电流开关(例如，晶体管T1、T2、T3、T4)，这些电流开关可以在各个晶体管被导通或截止时使得该路径上的电流开始或停止流动。表1中所示的实施例包括四条电流路径。导通晶体管(T1、T2、T3和T4)的信号分别被标示为S1、S2、S3和S4。负载开关设备的状态是控制晶体管的信号的状态，即，集合{S1，S2，S3，S4}的状态。使能信号(EN)定义该状态，即，各个信号中的哪些被激活。在其晶体管T1被信号S1控制的电流路径上流动的电流I1是1μA。在分别具有晶体管T2、T3和T4的电流路径上流动的电流I2、I3和I4分别是1μA、2μA和4μA。
例如，第一使能信号(EN1)可以被定义为S1+S2+S3+S4。当导通时，晶体管T1-T4允许关联的电流I1-I4流动，而当截止时，晶体管T1-T4中断在关联的电流路径上流动的电流。因而，EN1可以使得所有四个晶体管都导通。在这种情况下，8μA的总电流是由流经晶体管T1-T4(当被信号S1-S4导通时)的电流I1、I2、I3和I4的总和组成的。如上所述，电流限制是用户定义的。如果设计者将电阻值RSET选为93.75kΩ，则按照表1电流限制被设置在75mA。如果设计者将电阻值选为187.5kΩ，则电流限制被设置在150mA。如上所述，电流限制是用户定义的。设计者可以例如基于要结合电流限制检测器的负载开关设备的一个或多个应用来设置电流限制。
逐步电流限制检测可以通过以下方式获得：在第一步中，激活所有的S1-S4，使得总检测电流ISET最初为8μA。之后，在第二步中，S4可以被解除激活，使得总电流被限制到4μA(即，限制到I1+I2+I3＝1μA+1μA+2μA)。在第三步中，S3也可以被解除激活，使得总电流被限制到I1+I2，即，2μA。进一步的逐步减小可以通过解除激活S2之后解除激活S1来获得，使得电流被减小到I1(即，1μA)，并且之后减小到0μA，基本为0μA(例如，仅有偏置电流)，或者减小到没有偏置电流的0μA。其他的逐步减小也是可以的。各种其他的逐步减小序列(因而对电流限制的逐步检测)也是可以的。这种逐步检测还可包括各种水平的步进粒度或电流增量。
另一使能信号(EN8)可以被定义为S1。利用EN8，只有一条电流路径(即，I1)可以被导通或断开。因而，逐步电流限制检测可以限制为两步。其他的使能信号可包括被定义为S1+S2+S3的EN2和被定义为S1+S2的EN4。逐步减小电流的可能性的数目随着使能信号中包括的信号数目(Sj，j＝1、2、3和4)的减小而减小。然而，即使使用EN8(仅包括S1)，电流也可以通过以下方式逐步限制：首先激活S1，使得电流被限制到1μA，之后解除激活S1，使得电流被限制到0μA(不包括偏置电流，这将在下面进一步描述)。
一般来说，一个实施例包括单电阻值的单电阻器件。因此，对于任意一实施例仅表1中的一行中的参数适用。其他实施例也是可以的。例如，一个实施例可包括并行操作的两个或更多个电阻器件。这些实施例可以允许用户应用例如经由从用户应用输出的选择信号来在电阻器件之间进行选择。
图3A是示出根据本发明一个实施例具有负载开关设备306的应用300的实现方式的框图。如图所示，应用300包括操作经由通用串行总线(USB)304耦合到负载开关设备306的电源302。负载开关设备306又操作耦合到系统负载312。
电源302是适于向USB端口304提供电能的设备或系统。电源302的示例包括电池、直流(DC)电源、化学燃料电池、太阳能和其他类型的能量存储系统。
负载开关设备306包括电流限制检测器308和电流限制控制器310。电流限制检测器308操作来利用电阻器件检测电流限制。电阻器件可以是电阻器或者能够提供电阻(即，能够阻挡电流)的任何器件。电流限制检测器308可包括一个或多个比较器、电阻器和电流开关(例如晶体管)，这些元件操作连接并且用来检测电流的限制。电流限制检测器308将参考图4-7详细描述。
电流限制控制器310操作来接收来自电流限制检测器308的所检测出的电流限制并且限制流经负载开关设备306的电流。电流限制控制器310可包括操作互连的电流限制转换器、运算放大器、电阻器(例如电流感测电阻器)和晶体管。
系统负载312可以是连接到负载开关设备306的输出的任何设备。系统负载312的示例包括PCMCIA卡、致密闪存卡和相机闪光LED。
图3B是根据本发明一个实施例的另一负载开关应用316的框图。应用316包括电源302、负载开关设备306、系统负载312和电荷存储器件314。电源302操作耦合到负载开关设备306，负载开关设备306操作耦合到系统负载312和电荷存储器件314两者。与应用300中一样，负载开关设备306包括电流限制检测器308和电流限制控制器310。
电荷存储器件314作为适于提供突发功率的能量库工作。电荷存储器件314的示例包括升压转换器(boost converter)和诸如超级电容器之类的能量存储器件。通常，升压转换器是电压步进上升转换器，它经常被当作开关模式电源。与升压转换器不同，能量存储器件是基于电荷存储的，并且可以用作功率源。超级电容器是一类高能存储设备，其被设计来反复充电和再充电并且提供瞬时高放电电流，而且在放电操作之间可以进行快速再充电。电荷存储器件314还可包括升压转换器、超级电容器和任何其他类型的能量存储器件的组合。在某些实施例中，电荷存储器件314可以布置在负载开关设备306外部。例如，它可以可分离地耦合到负载开关设备306。在这种实施例中，电荷存储器件314适于与负载开关设备306协同操作并向负载开关设备306提供突发功率。
负载开关设备306的操作(包括通过顺序激活电流开关以使得电流逐步减小来检测电流限制)将参考图5来描述。
图4是根据本发明一个实施例的电流限制检测器400的示意图。电流限制检测器400包括高电平比较器COMP1、低电平比较器COMP2、电阻器件RSET、三个电阻器R1、R2和R3、高参考电压端子H、低参考电压端子L、电源端子S、导向连接点A的端子A、四个电流开关(例如晶体管)T1-T4、以及适于分别传导电流I1-I4的四条电流路径。电源端子S提供2.0V。电阻器R1-R3的值是相对于电源端子S处的电压、基于两个参考电压端子H和L处的期望阈值电压而设置的。用于设置电阻器的值的方法可以是若干种合适方法中的任何一种，包括预先选择固定R值、预先设置可变电阻器，等等。
在图示实施例中，高和低阈值电压分别是1.5V和0.12V。高参考电压端子H(1.5V)操作耦合到高电平比较器COMP1的一个输入。低参考电压端子L(0.12V)操作耦合到低电平比较器COMP2的一个输入。COMP1和COMP2中的每一个的另一输入操作经由端子A耦合到连接点A(或者简称为“点A”)。比较器的输出指示点A处的电压是在工作电压范围0.12V-1.5V的范围内还是在该范围外。点A表示电流限制检测器电路中的一个结，在该结处所有的电流路径相会并且来自所有电流路径的电流I1-I4组合以形成总和ISET(ISET＝I1+I2+I3+I4)。电阻器件RSET连接在端子A(或点A)和地之间。端子A处的电压是跨电阻器件的电压降，即，ISET×RSET。
高电平比较器COMP1操作来将端子A(点A)处的电压VSET与高阈值电压1.5V相比较并输出对VSET是否超过1.5V作出响应的信号。低电平比较器COMP2操作来将VSET与低阈值电压0.12V相比较并输出对VSET是否低于0.12V作出响应的信号。来自COMP1和COMP2之一或这两者的输出信号被用于确定S1-S4中的哪些被激活。如参考表1所描述的，S1-S4确定晶体管T1-T4中哪些导通，以及因而电流I1-I4中的哪些可以经由各个电流路径流动。比较器可以例如是正反馈运算放大器。
图4并没有示出适于接受来自COMP1和COMP2之一或这两者的输出作为输入并生成S1-S4的逻辑的细节。然而，这种逻辑的各种实现方式都是可能的，并且这些实现方式的具体部分可以变化。这些变化例如可以取决于使能信号如何被定义。在某些实施例中，使能信号可以参考截止(而不是导通)晶体管的信号来定义。例如，S1-S4可以表示导通晶体管的信号，而S1B-S4B可以分别表示截止晶体管T1-T4的信号。
在该实施例中，S1耦合到晶体管T1并操作来导通晶体管T1，从而使得1μA的电流I1流动。同样，S2、S3和S4分别耦合到晶体管T2、T3和T4并且操作来导通晶体管T2、T3和T4，从而相应地使得1μA、2μA和4μA的电流I2、I3和I4流动。T1-T4可包括晶体管或者任何其他类型的电流开关。晶体管的示例包括场效应晶体管(FET)、双极结晶体管(BJT)和其任意组合，场效应晶体管例如是结FET(JFET)和金属氧化物半导体FET(MOSFET)。
在操作中，电流限制检测开始于接通所有的四条电流路径，以使得电流ISET为8μA。如果例如RSET为1.5MΩ，则端子A处的电压VSET为12V(1.5MΩ×8μA＝12V)，这高于阈值电压1.5V。COMP1的输出将为真(TRUE)，因为满足条件VSET＞1.5V。COMP2的输出将为假(FALSE)，因为不满足条件VSET＜0.12V。COMP1的输出可以使得T1-T4中的一个或多个被导通或截止，这取决于使能信号和S1-S4如何被定义。
如果应用表1，则EN1被定义为S1+S2+S3+S4，并且EN2被定义为S1+S2+S3。这意味着电流限制检测器通过解除激活S4来作出响应，以截止T4并将电流ISET减小到4μA(I1+I2+I3＝1μA+1μA+2μA＝4μA)。在减小了ISET之后，端子A处的电压VSET为6V(1.5MΩ×4μA＝6V)，这仍然高于阈值电压1.5V。COMP1的输出仍然为真，并且电流限制检测器通过使能EN4＝S1+S2(即，通过解除激活S3)来作出响应，以截止T3并将ISET减小到2μA(I1+I2＝1μA+1μA＝2μA)。在该减小之后，VSET为3V(1.5MΩ×2μA＝3V)。电流检测器再次作出响应，通过截止T2以使能EN8＝S1来减小电流。所得到的电流ISET为1μA(仅I1)，这使得VSET为1.5V。
此时，VSET落在操作范围内，并且COMP1的条件为假。同样，COMP2的条件也为假，因为VSET(1.5V)不小于0.12V。根据表1，这样检测的电流限制为1.2A。电流限制检测器将1.2A的电流限制传输到电流限制控制器。
假定ISET最初为8μA，如果RSET被改为200kΩ，则跨电阻器件的电压降VSET为1.6V。因为该电压降超过了高阈值，即，VSET(1.6V)＞1.5V，所以COMP1输出切换到真，并且电流被限制到4μA。利用该降低后的电流，跨RSET的电压降减小到0.8V(点A处，200kΩ×4μA＝0.8V)。作为响应，COMP1输出可以改变到假(即，返回到其前一输出)，因为条件VSET＞1.5V再次变为假。为了避免或减轻振荡，一个或这两个比较器可以使用滞后。滞后也可以用于避免或减轻由于噪声或其他形式的干扰而引起的振荡。
对应于假的比较器(例如，COMP1、COMP2)的输出取决于对比较器的输入分别被设置为+/-或-/+可以为高或低。例如，+/-可以关联到N沟道晶体管(例如，PNP型BJT)，并且-/+可以关联到P沟道晶体管(例如，NPN型BJT)。比较器输出和其输入之间的其他关系也是可以的。
在某些实施例中，一条或更多条电流路径可以不包括电流开关。例如，S1和T1可以被省略，并且电流I1可以一直流动。然而，操作耦合到电流开关的至少一条电流路径是必需的，以获得逐步电流限制检测。某些实施例可以利用相比于图4所示更多或更少的Sj信号和/或更多或更少的电流开关来实现。
某些实施例可以仅包括高电平比较器，即，COMP1。在这样的实施例中，低电平比较器COMP2、电阻器R2和低参考电压端子L可以被省略。在这些配置中，在短路事件的情况下没有电流限制，在短路事件期间，实际上RSET等于0Ω到地。对COMP2的低阈值电压的选择可以基于包括噪声抗力的标准。在图4所示的实施例中，针对低电平比较器COMP2选择的低阈值电压为0.12V。在替换实施例中，可以选择另一非零值，例如80mV。由于热噪声，在所有电路和设备中都存在某一水平的电子噪声。在运送电流的电子由于热能撞击时，电子的随机运动可能引起电流或电压的随机变化。该现象可以将最小信号电平限制到电路可响应的电平，因为某一量的热噪声可能出现在输入电路中。噪声抗力标准可以考虑到这种现象。
在某些实施例中，电阻值可以基本为零，即，RSET实质上短路。在这样的实施例中，因为短路对应于虚拟的无穷大电流，所以没有电流限制。可以设计没有电阻器件的其他实施例。在这样的实施例中，代替RSET存在开路。在检测到开路后，电流限制检测器可以确定应用了固定电流限制。该固定电流限制可以是最高或最低电流限制，或者是在电流限制检测器的设计阶段确定的任何其他固定电流限制。因为RSET在开路中是虚拟无穷大的，所以在操作中，电流限制检测器可以在COMP1的条件总是为真时检测出开路。电流限制检测器随后可以例如对负载开关应用将电阻器标识为缺失。负载开关应用可以从而设置电流限制。在其他实施例中，电流检测器可以识别开路，并将与其关联的编程电流限制传输到电流限制控制器。
图4中示为0.12V的低阈值电压可以用于噪声抗力目的。因而，如果COMP2的条件被检测为真，则电压VSET低于0.12V，并且电流限制检测器可以向电流限制控制器告知没有电流限制。
各种实施例可以利用不同电阻值的电阻器件实现。对图4中所示的替换实施例例如可包括并联的多个电阻器件，而不是单个电阻器件RSET。在这种实施例中，负载开关应用能够选择这多个电阻器件中的哪些被使用。该选择可以取决于应用的本质。例如，相机闪光应用可以选择与PCMCIA卡应用不同的电阻值。
图5是根据本发明一个实施例在电流开关被相继激活时、在RSET为1MΩ的情况下电流输出随时间的示例性图表。图表(a)图示了ISET电流如何从8μA的初始值逐步减小。由于各个电流开关被一次一个地截止，因此它们使得电流路径上的电流停止流动。如参考图3所描述的，S4B与S4极性相反，并且在图表(c)中S4B被激活。当S4B被激活时，T4因此被截止，使得I4停止流动。电流I1、I2和I3继续流动，使得总电流ISET被限制到4μA(1μA+1μA+2μA)。图表(a)示出ISET下降到4μA。
根据图表(d)，S3B随后被激活，使得T3被截止并且I3停止流动。图表(a)示出作为响应、ISET下降到2μA(I1+I2＝1μA+1μA)。图表(e)示出S2B随后被激活，使得I2停止流动并且ISET(在图表(a)中)下降到1μA(即，I1)。
注意，其操作在图5中示出的实施例省略了用于接通和关断电流I1的电流开关。因此，没有S1B信号，并且ISET电流(I1，即1μA)持续地为ON，直到电流OFF(COFF)逻辑被激活(例如，被应用、被插入)为止。COFF逻辑的实施例在图6的下半部分中示出。某些实施例可包括操作来指示已到达检测序列的结束(即，检测序列已完成)并且电流限制检测器休眠的COFF逻辑。在图示实施例中，当S2B-S4B都是活动的时，即，当ISET为1μA时，到达检测序列的结束。因而，图表(b)(图5)图示了检测到电流范围的下端1μA，这使得COFF逻辑活动(例如，高)。COFF逻辑操作来当电流限制检测器休眠时关断电流限制检测器中的基本上所有的偏置电流。在图示实施例中，COFF逻辑耦合到I1电流路径并且操作来关断1μA的I1。作为响应，图表(a)中的ISET被减小到基本上等于零的电流。在其他实施例中，所有的电流路径都可包括操作来关断电流流动的电流开关。在这样的实施例中，COFF逻辑操作来关断基本上所有的偏置电流，但是不关断并不包括晶体管的任何电流路径。在这种实施例(未示出)中，在激活COFF逻辑后，所得到的总电流将同样基本上为零。
图5还图示了为了在多步中检测电流限制(而不是简单地关断所有电流的单个步骤，例如经由COFF逻辑)，有必要使负载开关设备包括至少一条电流路径，该路径具有晶体管和控制该晶体管是被导通还是关断的相应信号SjB(或Sj)。
电流限制检测器(例如，图4中的电流限制检测器400)可以按若干种方式实现。一种实现方式在图6中示出，图6图示了根据本发明一个实施例的电流限制检测电路。如图所示，高电平比较器COMP1操作连接到内部延迟元件(被示为FF1-FF3)。延迟元件操作彼此串联耦合并且操作来串行地维持一个状态序列。特定延迟元件(例如，FF1)的输出适于改变在序列中其后的延迟元件(例如，FF2)的状态。每种状态定义了一个或多个晶体管中的哪些要被导通，哪些要被截止。延迟元件可以是触发寄存器(FF)。FF的示例包括D-FF和JK FF。
在电流限制检测器中包括内部延迟元件允许比较器(例如，COMP1、COMP2、或这两者)记住一序列，该序列的长度基于所包括的FF的数目。在图示实施例中，电流限制检测器包括操作耦合到COMP1的三个FF(即，FF1、FF2和FF3)，并且因而电流限制检测器适于记住长度为三的一序列(相对于COMP1的操作)。在替换实施例中，可包括更多或更少的延迟元件。随着延迟元件的数目增大，可以记住的序列的长度也增大，继而可获得的电流分辨率也增大。例如，在如表1所定义的实施例中，状态序列允许对ISET进行逐步减小，从其中8μA(所有的I1-I4)流动的第一状态到其中4μA(I1-I3，但是无I4)流动的第二状态，并从第二状态到其中2μA(I1和I2，但是无I3和I4)流动的第三状态。
在优选实施例中，延迟元件防止了竞态条件(race conditions)。例如，如果序列中一个延迟元件的输出变得严重依赖于其他事件的定序和/或定时，例如当对逻辑门(例如FF)的输入变化时，竞态条件可能发生。例如，图6中FF2的输出取决于其输入的状态。在输入改变状态时，在输出改变之前可能发生有限延迟。在一简短时段内，输出可能改变到有害状态，然后再返回到设计状态。通常，某些电子系统能够容忍这种毛刺。然而，如果例如输出信号用作包含存储器(例如FF3)的其他元件的时钟，则电流限制检测器可能快速脱离其设计行为。实际上，该临时毛刺可能变为水久的。
延迟元件有利地允许时钟驱动状态序列转变。例如，通过按操作顺序激活(例如使能)延迟元件(即，FF1、然后是FF2、之后是FF3)，FF1不被激活，直到其输入稳定为止。FF2可以在一短时段后激活，该时段足以允许FF1的输出变稳定。因为FF1的输出也影响对FF2的输入，所以当FF2被激活时对FF2的输入是稳定的。同样，FF3可以不被激活，直到其输入(受FF2的输出的影响)稳定为止。这导致以类似于波纹时钟的时钟驱动该序列。因而，电流限制检测器不需要包括时钟振荡器。在三个这样的时钟循环之后，延迟元件稳定，并且延迟使能输入(在图6中标为DEX)处于OFF状态，这禁用了延迟元件。其他实施例可包括状态机来代替延迟元件。然而，图6中所示的电路由于其零动态电流消耗而可能是优选的。在替换实施例中，标为602的电路可以利用状态机实现。
图6还图示了适于产生COFF输出信号的COFF逻辑的实现方式。这种COFF输出信号可以用于关断基本上所有的偏置电流，如参考图5所描述的。
诸如1.5V参考电压之类的电阻值，即，与COMP1相关联的高阈值电压(或状态跳脱点)可能因电阻器容差(例如，电阻器R1-R3中的一个或多个的容差)而变化。电阻器容差的示例包括5％、10％以及更大。阈值电压值还可能由于围栏电压(即，由诸如电源单元之类的电源提供的电压)的变化而进一步变化。同样，0.12V参考电压，即，低阈值电压可能因电阻器容差、围栏电压的变化或这两者而变化。在图4和6的实施例中，围栏电压为2.0V。
图7示出了根据本发明一个实施例用于控制电流限制的装置700，该装置700包括电流限制检测器702。装置700包括电流限制检测器702、电流限制部分704、电流限制控制器706、系统负载312和电荷存储器件314。
电流限制检测器702基本上类似于图4或6的电流限制检测器，但是与图4的实施例相比，不同之处在于电流限制检测器702不包括晶体管T1。在缺少T1的情况下，电流I1一直流动。在某些实施例中，端子A并不直接连接到电阻器件，而是连接到电流限制部分704中包括的电流限制转换器710。电流限制转换器710操作来将电压转换为电流。电流限制转换器710可以用于对如图7所示的电路或任何负载开关设备充电。
电流限制检测和控制组件712包括图6的前述延迟元件FF1-FF3。电流限制控制器706操作耦合到电流限制检测和控制组件712、电流限制部分704以及系统负载312和电荷存储器件314。延迟元件的输出被馈送到电流限制控制器706。在某些实施例中，电荷存储器件314可以在装置700的外部并且适于与装置700协同操作。
电流限制控制器706操作来在接收到来自电流限制检测器702的所检测出的电流限制后，控制向系统负载312和电荷存储器件314输出的电流IOUT以便不超过所检测出的电流限制。这种限制可以以受控方式例如在递增步骤中执行。这种方式可以是渐进的或快速的，这例如取决于电流限制检测和控制组件712中包括的延迟元件的数目。电流限制控制器706可包括经缩放的晶体管T12、T13和T14。在该实施例中，T12被缩放4X，T13被缩放2X，并且T14被缩放1X。缩放晶体管之间的尺寸比可以对应于电流开关T1-T4的各自比率。例如，T12可以缩放4X，这对应于T4相对于T1(4μA vs.1μA)的缩放比。对于晶体管缩放(即，缩小器件尺度)等来说，大小匹配对于满足晶体管标准是很重要的。特定缩放(即，大小)的晶体管一般被排列到集成电路(IC)管芯上的同一区域。
电流限制部分704包括电流限制转换器710、运算放大器714、晶体管T10和T11、以及电流感测电阻器RS。晶体管T10和T11被缩放。在该实施例中，T10被缩放1X，并且T11被缩放0.002X。电流I和IOUT具有基本上固定的比率，该比率是由T10和T11的尺寸比确定的。在图示实施例中，该尺寸比为500(1/0.002＝500)。因而，T11是对T10的电流镜像。
如果流经T11的电流I大于电流限制转换器710的电流限制ILIM，则运算放大器714尝试减小电流，直到I基本上等于ILIM为止。如果I低于ILIM，则运算放大器714基本上将I维持在ILIM或者低于ILIM。ILIM的值可以例如是500×I。
装置700或其诸如电流限制检测器(例如，电流限制检测器702或者图4或6中所示的)之类的部分可以按多种方式实现。它可以利用分立组件实现，或者优选地，它可以实现在IC中或者实现为IC中的功能块。这种IC还可以适合用在移动设备中。移动设备的示例包括膝上型计算机、蜂窝电话、个人数字助理(PDA)、游戏机、其他电池操作的玩具，等等。
总地来说，尽管已参考本发明的某些优选版本相当详细地描述了本发明，但是其他版本也是可以的。因此，权利要求的精神和范围不应当被限制为这里包含的对优选版本的描述。

Claims (22)

1.一种用于检测电流限制的设备，包括：
多条电流路径，每条电流路径适于传导电流，并且至少一条电流路径包括能操作来中断其电流传导的电流开关，其中流经所述多条电流路径的电流总地组合以产生一电流总和；
耦合到所述多条电流路径的预定电阻值的电阻器件，该电阻器件适于传导所述电流总和，该电流总和产生跨所述电阻器件的电压降，所述预定电阻值被设置以建立所述电流总和与用户定义电流限制之间的关系；
操作来提供高阈值电压的高参考电压端子；以及
包括多个输入和一个输出的高电平比较器，其中所述输入之一操作来接收所述高阈值电压，并且所述输入中的另一个操作耦合到所述电阻器件，所述高电平比较器在所述输出处产生响应于所述电压降和所述高阈值电压之间的比较的信号，所述输出适于操作所述电流开关以逐步检测与所述电流总和相关联的用户定义电流限制。
2.如权利要求1所述的设备，其中所述电流开关包括晶体管。
3.如权利要求1所述的设备，其中所述电阻器件包括电阻器。
4.如权利要求1所述的设备，其中在每条电流路径上传导的电流的量基于其相应电流开关的缩放比。
5.如权利要求1所述的设备，其中所述电压降和所述高阈值电压之间的比较包括确定所述电压降是否超过所述高阈值电压。
6.如权利要求1所述的设备，还包括电流OFF逻辑，该逻辑操作来检测所述器件处于休眠状态，并且关断基本上所有偏置电流。
7.如权利要求1所述的设备，还包括操作串联耦合的多个延迟元件，所述多个延迟元件操作来串行地维持一状态序列，每种状态定义所述一个或多个电流开关中的哪些要中断通过它们各自的电流路径的电流传导。
8.如权利要求7所述的设备，其中所述状态序列的长度等于所述延迟元件的数目，所述延迟元件中的至少一个适于产生用于使顺序改变到所述延迟元件的后续一个的状态的输出。
9.如权利要求7所述的设备，其中所述延迟元件包括触发寄存器。
10.如权利要求1所述的设备，其中每条电流路径还适于传导对其而言特定的电流量。
11.如权利要求1所述的设备，该设备实现在集成电路(IC)中或者实现为IC中的功能块。
12.如权利要求11所述的设备，其中所述IC适合用在移动设备中。
13.如权利要求1所述的设备，还包括：
操作来提供低阈值电压的低参考电压端子；以及
包括多个输入和一个输出的低电平比较器，其中所述输入中的一个操作来接收所述低阈值电压，并且所述输入中的另一个操作耦合到所述电阻器件，所述低电平比较器在所述输出处产生响应于所述电压降和所述低阈值电压之间的比较的信号，所述输出信号适于逐步中断所述多条电流路径中的一条或多条上的电流传导。
14.如权利要求13所述的设备，其中所述电压降和所述低阈值电压之间的比较包括确定所述电压降是否低于所述低阈值电压。
15.一种用于检测电流限制的方法，包括：
比较电压降和高阈值电压，所述电压降是流经多条电流路径的多个电流被组合成的流经一电阻器件的电流总和与所述电阻器件的电阻值的乘积，所述电阻器件具有被设置以建立所述电流总和与用户定义电流限制之间的关系的预定电阻值，每条电流路径适于传导电流并且至少一条电流路径包括能操作来中断其电流传导的电流开关；
通过响应于所述比较逐步操作所述电流开关中的一个或多个来建立所述电流总和与用户定义电流限制之间的关系；以及
检测与所述电流总和相关联的用户定义电流限制。
16.如权利要求15所述的方法，还包括关断基本上所有偏置电流，其中关断包括检测所述设备处于休眠状态，并且激活电流OFF逻辑。
17.如权利要求15所述的方法，还包括比较所述电压降和低阈值电压，其中逐步中断所述电流开关中的一个或多个的电流传导是响应于对所述电压降和所述高阈值电压与所述低阈值电压之一或这两者的比较的。
18.如权利要求15所述的方法，还包括：
在操作串联耦合的多个延迟元件中维持一状态序列，其中特定延迟元件具有特定状态并且响应于序列中在前延迟元件的输出；以及
逐步控制电流限制检测包括响应于序列中在前延迟元件的输出的改变而改变所述特定延迟元件的特定状态。
19.如权利要求18所述的方法，其中改变所述特定延迟元件的特定状态包括串行地时钟驱动所述序列向前一步。
20.一种用于检测电流限制的装置，包括：
操作来检测电流的电流限制检测器，包括：
多条电流路径，每条电流路径适于传导电流，并且至少一条电流路径包括能操作来中断其电流传导的电流开关，其中流经所述多条电流路径的电流总地组合以产生一电流总和；
耦合到所述多条电流路径的预定电阻值的电阻器件，该电阻器件适于传导所述电流总和，该电流总和产生跨所述电阻器件的电压降，所述预定电阻值被设置以建立所述电流总和与用户定义电流限制之间的关系；
操作来提供高阈值电压的高参考电压端子；以及
包括多个输入和一个输出的高电平比较器，其中所述输入中的一个操作来接收所述高阈值电压，并且所述输入中的另一个操作耦合到所述电阻器件，所述高电平比较器在所述输出处产生响应于所述电压降和所述高阈值电压之间的比较的信号，所述输出适于操作所述电流开关以逐步检测与所述电流总和相关联的用户定义电流限制；以及
操作耦合到所述电流限制检测器的电流限制控制器，该电流限制控制器操作来逐步限制输出电流以便不超过所检测出的用户定义电流限制。
21.如权利要求20所述的装置，其中逐步限制所述输出电流包括在所述电流限制控制器处输出一控制信号序列，每个控制信号与所述输出电流的逐步限制中的一步相关联，并且该装置还包括操作耦合到所述电流限制检测器和所述电流限制控制器的电流限制部分，所述电流限制部分操作来响应于从所述电流限制控制器接收的控制信号序列来调节所述输出电流。
22.如权利要求20所述的装置，还包括电荷存储器件，所述电荷存储器件适于与所述电流限制控制器协同操作并且提供能够供应突发功率的能量库。
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