CN102047520A - 具有零负载电荷泵的热插拔控制器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有零负载电荷泵的热插拔控制器，包括传输晶体管(2)，其限制从电路抽出的限制电流，而不使用串联电阻器，并且同时从外部的电源抽出最小的电流。输出电流(Iout)的电流镜像(KIout)被形成并且与参考电流(Iref)相比。在输出电流(Iout)增加时，镜像电流(KIout)按比例地增加，并且在越过阈值(Iref)时，传输晶体管(2)被截止。传输晶体管(2)被电荷泵(CP)偏置，该电荷泵提供电压(Voc)，从电荷泵抽出电流镜像(Iddc)的电流(Idc)控制传输晶体管(2)。

Description

具有零负载电荷泵的热插拔控制器
技术领域
本发明涉及“热插拔”控制器，并且更具体地涉及用于在热插拔时从板载电荷泵抽出约零电流的“热插拔”控制器。“热插拔”指的是将电路插入到计算机系统中或者从计算机系统中移除电路，而不移除系统或使系统断电。
背景技术
在过去，在将电路插上和拔出计算机或其它这样的电子系统中时，电力被断开。这是必要的，因为随着电路板或模块被插入连接器或从连接器移除，随机地产生接触和断开接触可能损害电路和/或系统。无法控制可能的与电力、接地以及信号输入和输出的误连接。
然而，需要断开连接以及后面重新连接电力是麻烦的，尤其在整个系统可能必须被断电(可能以设定顺序)的情况下，后面的上电(可能以设定顺序)，以及重建条件可能花费太多的时间。此外，断电或上电的任何错误可能产生可损害电路的电力假信号(powerglitches)和高电流。
现在，把电路、存储器、控制器等插入和拔出电子系统时通常并不移除电力。然而，这些热插拔电路在这样的系统中占据宝贵的空间，并且相对于它们保护的系统通常必须位于外部。
授予Bezzi等(Bezzi)的、题为“热插拔电流限制电路和方法”的美国专利No.6,400,203涉及可以“热插拔”的电流限制电路。Bezzi在他的图1中示出了他的使用感测电阻器Rsense的发明的实例。该感测电阻器与负载电流串联并且感测电阻器两端的电压用来控制涉及的负载电流。串联的感测电阻器的使用限制了在正常操作期间电路的电压动态范围，消耗电力并且增加电路的阻抗。
授予Inn等(Inn)的、题为″通过自举(bootstrapping)加速MOS晶体管的截止″的另一美国专利No.6,275,395描述了另一电流限制电路。该电路也使用与负载电流串联的感测电阻器。它具有与Bezzi的专利类似的限制。
现有技术的电路消耗太多的管芯区域和电力，而同时表现出高的传输FET和串联感测电阻器的“接通”阻抗(RDSon)。
发明内容
本发明提供一种输出电流限制电路，其包括节省管芯面积和设计时间的小电荷泵。由于来自电荷泵的电流较小，因此可以使用更高的电荷泵电压，对于相同的传输FET管芯面积，该更高的电荷泵电压转变为更低的RDSon(“导通”FET电阻)。另外，实现了精确的电流感测方案，该方案保持负载电流限制精度，节省来自电荷泵的电流；并且不使用串联的感测电阻器，其保持电路动态范围并且不增加电路“导通”阻抗(RDSon)。
在一个实施例中，与现有技术相比，本发明从Vcc抽出较少的电流，具有更低的RDSon阻抗，使用更高的电压以及更低的电流，其消耗更少的管芯面积并且是更简单的设计。
例示性地，形成输出电流的电流镜像并且与参考电流进行比较。在流过传输晶体管的输出电流增加时，镜像电流增加。在镜像电流变得高于参考电流时，电路使传输晶体管截止。
在一个实施例中，使用输出电压Vcp的电荷泵CP，从电荷泵抽出电流Idc。Idc被镜像为驱动传输晶体管的控制端子的Iddc。在传输晶体管是FET时，Iddc把与栅极相关联的寄生电容充电达到使Iddc关断的Vcp。此时，Vcp上的唯一负载是电流源Idc，并且在泄漏和噪音容许的情况下，可以使该电流尽量小。
例示性地，电流限制电路包括连接在输入端和输出端之间的传输晶体管。传输晶体管漏极连接到输入端并且其源极连接到输出端。感测晶体管被放置为与传输晶体管平行，共享公共漏极和栅极连接。电荷泵供应电压Vcp，从电荷泵抽出电流Idc。Idc被镜像为Iddc，其驱动栅极连接以导通传输晶体管和感测晶体管。
运算放大器的输入端连接到传输晶体管源极以及感测晶体管源极输出端以保持两个点的电压彼此相等。以这样的方式，感测晶体管中的电流是输出电流的镜像。
形成参考电流，比较器比较镜像电流与参考电流并且产生表示哪个电流更高的信号。例示性地，可以有利地使用另一镜像电路。
在镜像电流超过参考电流时，比较器导通控制晶体管，该控制晶体管驱动栅极连接，使得传输晶体管和感测晶体管截止。
本领域技术人员将明白，尽管以下具体实施方式将参考说明性实施例、附图和使用方法进行描述，但是本发明不意图被限制于这些实施例和使用方法。更确切些，本发明具有宽的范围并且意图被解释为如伴随的权利要求中阐述的。
附图说明
本发明以下描述引用附图，其中：
图1是具体实现本发明的实例的示意性框图。
具体实施方式
图1示出了本发明的一个实施例。这里，传输FET 2被置于Vin和Vout之间并且控制提供给下游的电子器件(未示出)的电流Iout。
Vin(而不是Vcp)向感测电路提供精确的电流，该感测电路间接地感测通过传输FET 2的电流并且在到达设计极限时限制该电流。如下所述，在正常操作期间，几乎没有电流从Vcp获取。
在典型操作期间，在没有过电流条件时，并且如上所述，电荷泵CP提供电压Vcp，从该电荷泵抽出电流Idc。该电流被镜像，产生驱动与GATE相关联的电容(未示出)的Iddc。GATE被驱动达到接近Vcp，于是它停止充当电流源。电流源Idc将继续工作，从Vcp抽出电流，但是可以使Idc小到与噪音和漏电一致。
仍然考虑典型操作，GATE信号为高，使得传输FET 2和感测FET导通。这两个晶体管的漏极都连接到Vin。运算放大器4从Vin供电，其反相输入端被连接到位于传输FET 2的源极的Vout，并且同相输入端被连接到感测FET的源极。运算放大器4将保持其输入端的电压差接近相等，从而传输FET 2和感测FET是电流反射镜。感测FET源极电流是Iout的镜像。如本领域技术人员所公知的，电流镜像可以具有相等的电流，它们可以被设计为彼此成比例。
运算放大器是负反馈条件的一部分，其将保持其输入端的电压差接近零。运算放大器的输出端驱动FET T3的栅极，其使来自感测FET的源极的电流被吸收(sink)。
如果例如T3被截止，则来自感测FET的源极电流将运算放大器4的非反相输入端驱动为较高，直到T3导通为止。如果T3导通，驱动其漏极以接地，则Vout将运算放大器的反相输入端驱动为高于非反相输入端，并且使得运算放大器输出端变得更高，从而导通T3。以这样的方式，运算放大器两个输入端的电压差将接近零。
然而在典型操作中，运算放大器4的输出端也驱动T1的栅极，其中T1和T3形成另一电流反射镜。在该情况下，T1的漏电流是KIout或Iout的成比例的镜像(K是比例系数)。参考电流Iref经由R2从Vin抽出电流，并且KIout经由R1从Vin抽出电流。如图1所示，来自R1的输入被供应给比较器8的反相输入端。来自R2的输入被供应给比较器8的非反相输入端。在典型操作中，到比较器8的反相输入高于非反相输入，并且比较器8的输出端OC为低，保持T2截止。
图1的电路被设计成能感测何时流过传输FET 2的电流过高并且作为响应使传输FET 2截止。在Iout增加时，Vout下降，更进一步地导通T3和T1。KIout(Iout的镜像)增加，在比较器8的反相输入端的电压降低。在该降低传递到非反相输入端上的电压时，输出端OC被驱动为高，导通T2，其又使传输FET 2和感测FET截止。
应当理解，上述实施例在本文中被作为实例给出并且其许多变型和替代是可能的。因此，应当宽广地将本发明视为仅如以下所附权利要求中阐述的那样限定。

Claims (8)

1.一种限制电流的电路，包括：
传输晶体管，限定第一输入端、第一输出端和第一控制端，其中输入端连接到输入电压，第一输出端将输出电流输送到负载；
感测晶体管，限定第二输入端、第二输出端和第二控制端，其中第二输入端连接第一输入端，并且第二控制端连接到第一控制端；
电荷泵，驱动第一控制端和第二控制端为高，其又导通传输晶体管和感测晶体管；
电流镜电路，连接到第一输出端和第二输出端并且形成输出电流的镜像电流；
比较器，比较镜像电流与参考电流并且产生表示哪个电流高于另一个的信号；
控制晶体管，在镜像电流超过参考电流时，比较器导通控制晶体管，其中控制晶体管驱动第一控制端和第二控制端，使传输晶体管和感测晶体管截止。
2.根据权利要求1的电路，其中输入电压是用于除第一控制端和第二控制端之外的电路的电源。
3.根据权利要求1的电路，其中电荷泵包括产生电压的电荷泵，从该电荷泵抽出电流，该电流被镜像并且镜像电流驱动第一控制端和第二控制端为高，其中被镜像的电流停止输送电流。
4.根据权利要求1的电路，其中形成输出电流的镜像电流的电流镜电路包括：
运算放大器，该运算放大器的一个输入端连接到第一输出端，该运算放大器的第二输入端连接到第二输出端，该运算放大器的输出端连接到接收来自第二输出端的电流的吸收晶体管，其中运算放大器通过用运算放大器的输出端控制吸收晶体管来保持第一输出端等于第二输出端，其中从第二输出端到吸收晶体管的电流是输出电流的镜像；
吸收电流的镜像电流，其也是输出电流的镜像；
参考电流；
其中比较器比较参考电流与镜像电流。
5.根据权利要求1的电路，其中所有的晶体管是N型FET。
6.一种限制电流的电路，包括：
传输晶体管，限定第一输入端、第一输出端和第一控制端，其中输入端连接到输入电压并且第一输出端将输出电流输送到负载；
电流镜电路，形成输出电流的镜像电流；
比较器，比较镜像电流与参考电流并且产生表示哪个电流高于另一个的信号；
控制晶体管，由该信号控制，该控制晶体管连接到第一控制端；
其中，在镜像电流超过参考电流时，比较器使传输晶体管截止。
7.一种限制输出电流的方法，该方法包括以下步骤：
通过传输晶体管传输输出电流；
对输出电流进行镜像；
比较镜像电流与参考电流并且产生表示哪个电流高于另一个的信号；
响应于比较，控制一个晶体管；
其中在镜像电流超过参考电流时，输出来自所述晶体管的、使传输晶体管截止的信号。
8.根据权利要求7的方法，还包括步骤：
利用第二电流镜导通传输晶体管，其中所述导通包括没有DC电流；以及
用输入电压为输出电流镜和所述比较供电；以及
用单独的电源为第二电流镜供电。
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