CN101595634A

CN101595634A - 短路保护电路

Info

Publication number: CN101595634A
Application number: CNA2007800506187A
Authority: CN
Inventors: 邱国富
Original assignee: National Semiconductor Corp
Current assignee: National Semiconductor Corp
Priority date: 2006-11-29
Filing date: 2007-11-28
Publication date: 2009-12-02
Anticipated expiration: 2027-11-28
Also published as: TW200841586A; WO2008067420A1; JP5284271B2; KR20090091150A; JP2010511254A; US20080123235A1; CN101595634B; US8416547B2

Abstract

本文描述了一种特别用于短路保护的技术。该技术涉及基于输出电流感测电流，并且作为响应产生电流感测信号。该技术还涉及缓冲电流感测信号。该技术还涉及当该输出电流超过阈值时限制该输出电流。

Description

短路保护电路

背景技术

在许多电路中，尤其在放大器中，需要使用短路保护限制输出驱动，以防止输出器件短路或者失控运行时变得过热。理想地，短路保护不应该影响电路其它正常可运行以或者其参数性能。临到电路的短路保护开始出现之前，通常造成在输入端观察到失调电压(offset voltage)。

广义上，该说明书公开了失调电压降低了的短路保护。

图1是示出在采用短路保护的电路中的负载电流与失调电压的曲线图100。实线表示在传统短路保护电路中观察到的关系。虚线表示理想的情况，即直到负载电流达到阈值(I_T)为止都没有观察到失调。在I_T，理想的保护电路随后突然导通，这被视为失调电压的瞬变。

图2示出用于实现短路保护的传统电路200。在电路200中，Q_out驱动输出电流。随着输出电流增大，R_sense上的压降也增大。当输出电流增大至一定量(I₁，参见图1)时，R_sense上的压降将造成Q_sense开始导通并且窃取一部分由电流源210提供的Q_out的基极电流。然而，Q_sense是逐渐导通，而不是突然导通(即，不是数字导通/截止)。换言之，电路200的可运行以方式为：Q_sense提早导通，以使得在输出电流达到短路阈值(I_T，参见图1)的时间点时它可以完全导通。在I₁和I_T之间的中间阶段期间，Q_out仍然能够提供所期望的电流，但是Q_sense已经开始窃取其一部分基极电流，并且在输入级(未示出)观察到逐渐增大的失调电压。通过图1中的实线示出该效果。在高精度的应用中，不期望发生这种类型的柔和改变。

发明内容

提供该发明内容从而以简单的形式介绍许多构思，这些构思将在以下具体实施方式部分做进一步描述。该发明内容不是为了标识出所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也是为了限制所要求保护的主题的范围。

本文描述了尤其是用于短路保护的技术。该技术涉及基于输出电流感测电流，并且作为响应产生电流感测信号。该技术还涉及缓冲该电流感测信号。该技术还涉及当该输出电流超过阈值时限制该输出电流。

因此，本发明提供用于具有减小的在输入端观察到的失调电压的短路保护的方法和电路。与逐渐导通并在一些情形下过早导通的传统短路保护相反，本发明的实施例实现短路保护电路的突然激活。这允许放大器等将其输出器件的能力最大化，而不会由于短路保护电路的逐渐激活导致浪费其一些能力。

附图说明

包含在说明书中形成该说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且与描述一起用于说明本发明的原理：

图1是示出在采用短路保护的传统电路中和在理想情况下的负载电流与偏置电压的曲线图。

图2示出用于实现短路保护的传统电路。

图3示出根据本发明各种实施例的短路保护电路的框图。

图4示出根据本发明各种实施例的示例性短路保护电路。

图5示出根据本发明各种实施例的示例性缓冲电路。

图6示出根据本发明各种实施例的替代短路保护电路。

图7示出根据本发明各种实施例的另一个替代短路保护电路。

图8示出根据本发明各种实施例的降低短路保护电路中的失调的流程图。

图9示出根据本发明各种实施例的基于输出电流产生电流感测信号的流程图。

具体实施方式

现在，将详细参照本发明的优选实施例，在附图中示出本发明的实例。虽然将结合优选实施例描述本发明，但是将理解的是，这些实施例不是为了将本发明限于这些实施例。相反，本发明意图覆盖可以包括在权利要求限定的本发明主旨和范围内的替换形式、修改和等同方式。此外，在对本发明的详细描述中，阐述了许多具体细节，以提供对本发明的彻底理解。然而，对于本领域的普通技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下来实践本发明。在有的情况下，没有详细描述公知的方法、程序、组件和电路，以避免不必要地模糊本发明。

简要地说，本发明的实施例涉及当短路保护电路导通时产生失调电压突变的方法和电路。总地来说，这通过缓冲电流感测电路来实现，以使得在短路保护电路逐渐导通的同时不影响整体电路的正常运转。

图3示出根据本发明各种实施例的短路保护电路300的框图。在一个实施例中，短路保护电路300形成放大器的一部分。然而，应该理解的是，实施例不只限于放大器。可以认识到，放大器通常包括输入级(未示出)、短路保护电路(例如，短路保护电路300)和输出级(例如，输出级340)。在一个实施例中，短路保护电路300包括用于产生输出电流的输出级340。短路保护电路300还可以包括电流感测电路320。电流感测电路320可运行以直接或间接地(例如，借助与输出电流成比例的另一电流)感测输出电流。电流感测电路320还可运行以基于所感测的电流产生电流感测信号。

短路保护电路300还包括与电流感测电路320连接的缓冲电路310。缓冲电路310可运行以缓冲由电流感测电路320产生的电流感测信号，并且当输出电流超过阈值时限制输出电流。这与不缓冲电流感测信号并由此导致过早限制输出电流的传统电路相反。

在一个实施例中，短路保护电路300还可以包括连接在输出级340和电流感测电路320之间的电流复制电路330。电流复制电路330可运行以产生与输出电流成比例的电流(下文中的“比例电流”)。在一个实施例中，电流复制电路330包含电流镜(current mirror)。然而，应该认识到，可以通过别的许多方式实现电流复制电路330。

在一个实施例中，短路保护电路300还可以包括与缓冲电路310和输出级340连接的偏置电路350。偏置电路350可运行以控制输出级340，并基于从缓冲电路310接收的控制信号而限制输出级的输出电流。

图4示出根据本发明各种实施例的示例性短路保护电路400。短路保护电路400可以包括缓冲电路410、电流感测电路420、电流复制电路430、输出级440和偏置电路450。输出级440可运行以产生输出电流。在一个实施例中，输出级450包括输出器件，例如输出晶体管Q_out。

电流复制电路430可运行以产生与输出电流成比例的复制电流。应该认识到，可以省略电流复制电路430，以及可以直接测量输出电流。在一个实施例中，电流复制电路430可以包括电流镜(晶体管Q₂和Q₃)。电流复制电路430还可以包括感测转移晶体管Q_xfer，该感测转移晶体管Q_xfer用于向电流镜提供输出电流的副本。因此，Q_xfer向Q₃提供输出电流的副本。然后通过Q₂镜像该电流。应该认识到，Q₂产生的电流的大小可以与输出电流不同，只要它保持与输出电流成比例就可以。

电流感测电路420可运行以感测该比例电流，并且基于该比例电流产生电流感测信号(I_Qsense)。例如，在一个实施例中，Q₂向电流感测电路420提供比例电流。然后，通过R_sense将比例电流转换成电压(V_sense)。因此，随着输出电流增大，通过Q₂的比例电流也增大，这造成V_sense增大。如果输出电流持续增大，它将最终达到阈值，其具有对应值V_sense。选择R_sense以使得在输出电流处于阈值时，V_sense使Q_sense变成完全工作。

如上所述，Q_sense逐渐导通而不是突然导通。在一个实施例中，逐渐导通的Q_sense的影响被缓冲电路410减弱。缓冲电路410可运行以缓冲在Q_sense逐渐导通时由Q_sense产生的I_Qsense。当Q_sense完全工作时，那么缓冲电路410可配置以使得输出电流受到限制。在一个实施例中，缓冲电路410通过使发送到输出级的偏置电流减小来实现这个目的。

图5示出根据本发明各种实施例的示例性缓冲电路410。在缓冲电路410的一个实施例中，晶体管M_N0、M_N1和M_N2向缓冲电路410提供偏置电流。具体地来说，M_N1镜像将用于Q_P2的M_N2处的偏置电流，M_N0镜像用于Q_P0、Q_P1、Q_N0和Q_N1的M_N2处的偏置电流。在正常运行期间，I_Qsense为0。然而，如上所述，随着该短路保护电路400的输出电流接近阈值，Q_sense开始导通。当这种情况发生时，Q_sense开始从缓冲电路410“窃取”电流I_Qsense。这样导致通过Q_P0和Q_P1的集电极电流增大。因此，Q_P1和Q_N1的集电极电压增大，其导致Q_P2的基极-发射极电压减小，转而减小通过Q_P2的集电极电流。由于M_N1具有固定电流，因此Q_P2的集电极电流减小导致偏置中不平衡。这种不平衡导致缓冲电路410的输出电压减小。缓冲电路410的输出电压的这种改变发生得非常快，这与V_sense的变化形成对照，V_sense的变化平缓得多。因此，通过缓冲电路410缓冲V_sense和I_Qsense的平缓变化，从而将它们转变成缓冲电路410输出的突变。

再次参照图4，短路保护电路400还可以包括用于控制输出级440的偏置电路450。偏置电路450还可运行以基于从缓冲电路410接收的控制信号(例如，输出电压)来限制输出电流。在一个实施例中，偏置电路450包括电流源I_bias，用于产生用于该输出级的第一偏置电流，以及第一晶体管M₁，用于产生用于该输出级的第二偏置电流。偏置电路450还可以包括第二晶体管M₂，第二晶体管M₂被连接成从缓冲电路410接收控制信号。因此，当缓冲电路410的控制信号(输出)降低时，通过Q₁的电流和由此通过M₁的电流减小，这导致Q_out的基极电流减小，由此限制输出电流。

可以对电路400进行修改以获得类似的结果。例如，图6示出根据本发明各种实施例的替代短路保护电路600。在短路保护电路600中，Q_sense在Q₁的基极从该缓冲电路410的输出吸取或“窃取”I_Qsense，而不是从该缓冲电路内部。这转而造成通过Q₁的电流减小。此外，应该认识到，可以实现根本没有缓冲电路410的短路保护电路600。例如，可以去除缓冲电路410，并且Q₁的基极可以直接连接到之前与缓冲电路410的非反相(noninverting)输入端连接的偏置。

图7示出根据本发明各种实施例的另一个替代短路保护电路700。在短路保护电路700中，Q_sense从偏置信号吸取或“窃取”I_Qsense，该偏置信号连接到缓冲电路410的非反相输入端。因此，当Q_sense导通时，开始反转(upset)缓冲电路410的偏置，最终造成其输出电压减小。

图8示出根据本发明各种实施例的减小短路保护电路的失调的流程图800。块810涉及基于输出电流产生电流感测信号。要认识到，这可以以多种方式来进行。例如，在一个实施例中，直接测量输出电流。在另一个实施例中，借助比例电流间接测量输出电流。图9示出根据本发明实施例的基于输出电流产生电流感测信号的流程图810。块812涉及基于输出电流产生比例电流。例如，可以通过使用电流镜来实现。块814涉及将该比例电流转换成对应电压。例如，可以通过使该比例电流通过电阻元件以产生该对应电压来实现。块816涉及基于该电压来产生电流感测信号。例如，可以通过向晶体管的输入端施加该电压来实现。

再次参照图8，块820涉及缓冲电流感测信号。在一个实施例中，这通过从缓冲电路“窃取”电流感测信号来实现。块830涉及当该输出电流超过阈值时限制该输出电流。在一个实施例中，这通过减小该缓冲电路的输出电压来实现，其由此导致输出电流对应减小。

因此，这些实施例提供了用于短路保护的方法和电路，该短路保护具有在输入端观察到的减小的失调电压。与逐渐导通并在一些情况下过早导通的传统短路保护相反，本发明实施例实现了短路保护电路的突然激活。这样允许放大器等能够将其输出器件的能力最大化，而不会由于短路保护电路的逐渐激活而丧失其一些能力。

广义上，本文描述的是特别用于短路保护的技术。该技术涉及基于输出电流感测电流以及作为响应产生电流感测信号。该技术还涉及缓冲电流感测信号。该技术还涉及当该输出电流超过阈值时限制该输出电流。

提供之前对所公开实施例的描述，以使得本领域的任何技术人员能够制造或使用本发明。对这些实施例的各种修改形式对于本领域的技术人员来说将是容易明白的，并且在不脱离本发明的精神和范围的情况下，本文限定的一般原理可以应用于其它实施例。因此，不是要将本发明限制为本文所示出的实施例，而是与本发明所公开的原理和新颖特征一致的最广范围。

Claims

1.一种短路保护电路，包括：

电流感测电路，所述电流感测电路用于感测比例电流，并且基于所述比例电流产生电流感测信号，其中，所述比例电流与由输出级产生的输出电流成比例；以及

缓冲电路，所述缓冲电路与所述电流感测电路连接，其中，所述缓冲电路可运行以缓冲所述电流感测信号，并且当所述输出电流超过阈值时使得所述输出电流受到限制。

2.根据权利要求1所述的短路保护电路，其中，所述电流感测电路包括：

电阻元件，所述电阻元件用于将所述比例电流转换成对应电压；以及

晶体管，所述晶体管与所述电阻元件和所述缓冲电路连接，其中，所述晶体管可运行以基于所述电压产生所述电流感测信号。

3.根据权利要求2所述的短路保护电路，其中，所述晶体管从所述缓冲电路吸取电流。

4.根据权利要求3所述的短路保护电路，其中，所述输出电流不响应所述晶体管初始导通而变化。

5.根据权利要求1所述的短路保护电路，还包括：

电流复制电路，所述电流复制电路与所述输出级和所述

电流感测电路连接，其中，所述电流复制电路可运行以产生所述比例电流。

6.根据权利要求5所述的短路保护电路，其中，所述电流复制电路包括电流镜。

7.根据权利要求6所述的短路保护电路，其中，所述电流复制电路包括感测转移晶体管，所述感测转移晶体管用于向所述电流镜提供所述输出电流的副本。

8.根据权利要求1所述的短路保护电路，还包括：

偏置电路，所述偏置电路与所述缓冲电路和所述输出电路连接，其中，所述偏置电路可运行以控制所述输出级，以及其中，所述偏置电路进一步可运行以基于从所述缓冲电路接收的控制信号限制所述输出电流。

9.根据权利要求8所述的短路保护电路，其中，所述偏置电路包括：

第一晶体管，所述第一晶体管被连接成接收所述控制信号；以及

第二晶体管，所述第二晶体管与所述第一晶体管连接，并且可运行以从输入级接收输入信号，其中，所述第二晶体管进一步可运行以产生用于所述输出级的偏置电流。

10.一种减小短路保护电路中的失调的方法，包括：

基于输出电流产生电流感测信号；

缓冲所述电流感测信号；以及

当所述输出电流超过阈值时，限制所述输出电流。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述产生所述电流感测信号包括：

基于所述输出电流产生比例电流，其中，所述比例电流与所述输出电流成比例；

将所述比例电流转换成对应电压；以及

基于所述电压产生所述电流感测信号。

12.根据权利要求10所述的方法，其中，所述电流感测信号是电流，并且所述缓冲包括：

从缓冲电路窃取所述电流感测信号，其中，当所述电流感测信号超过某个特定量时，所述缓冲电路减小缓冲输出电压。

13.一种短路保护电路，包括：

电流感测电路，所述电流感测电路用于感测由输出级产生的输出电流，并且基于所述输出电流产生电流感测信号；以及

缓冲电路，所述缓冲电路连接所述电流感测电路，其中，所述缓冲电路可运行以缓冲所述电流感测信号，并且当所述输出电流超过阈值时，使得所述输出电流受到限制。

14.根据权利要求13所述的短路保护电路，其中，所述电流感测电路包括：

电阻元件，所述电阻元件用于将所述输出电流转换成对应电压；以及

15.根据权利要求14所述的短路保护电路，其中，所述晶体管从所述缓冲电路吸取电流。

16.根据权利要求15所述的短路保护电路，其中，所述输出电流不响应所述晶体管初始导通而变化。

17.根据权利要求13所述的短路保护电路，还包括：

偏置电路，所述偏置电路与所述缓冲电路和所述输出电路连接，其中，所述偏置电路可运行以控制所述输出级，其中，所述偏置电路进一步可运行以基于从所述缓冲电路接收的控制信号限制所述输出电流。

18.根据权利要求17所述的短路保护电路，其中，所述偏置电路包括：

19.一种短路保护电路，包括：

电流复制电路，所述电流复制电路与输出级连接，其中，所述电流复制电路可运行以产生比例电流，其中，所述比例电流与由所述输出级产生的输出电流成比例；

电流感测电路，所述电流感测电路包括第一晶体管，所述电流感测电路用于感测所述比例电流并且基于所述比例电流产生电流感测信号；以及

偏置电路，所述偏置电路与所述电流感测电路连接，其中，所述第一晶体管从所述偏置电路的第二晶体管的基极吸取电流感测电流，其中进一步，当所述输出电流超过阈值时，所述偏置电路可运行以使得所述输出电流受到限制，并且其中进一步，所述偏置电路还响应所述晶体管从所述偏置电路吸取所述电流感测电流而使得所述输出电流受到限制。

20.根据权利要求19所述的短路保护电路，其中，所述电流感测电路，包括：

电阻元件，所述电阻元件用于将所述比例电流转换成对应电压，其中，所述晶体管基于所述电压可运行以产生所述电流感测信号。

21.根据权利要求19所述的短路保护电路，其中，所述输出电流不响应所述晶体管初始导通而变化。

22.根据权利要求19所述的短路保护电路，其中，所述电流复制电路包括电流镜。

23.根据权利要求19所述的短路保护电路，其中，所述电流复制电路包括感测转移晶体管，所述感测转移晶体管用于向所述电流镜提供所述输出电流的副本。

24.根据权利要求19所述的短路保护电路，其中，所述偏置电路包括：

第三晶体管，所述第三晶体管与所述第二晶体管连接，

并且可运行以从输入级接收输入信号，其中，所述第三晶体管进一步可运行以产生用于所述输出级的偏置电流。