CN102055410B - 无需运算放大器的低功耗限流电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无需运算放大器的低功耗限流电路。它由一对匹配电阻、第一电流镜、第二电流镜、第三电流镜、一个与功率管匹配的NPN双极晶体管和一个基极电压固定的NPN双极晶体管构成。本发明电路结构新颖，电路结构简单，不需要运算放大器，大大降低了电路的功耗。本发明电路可实现整个电路的耗电20μA以下，且本发明电路的限流点取决于器件参数的比值，而非器件参数的绝对值，这使得限流点的设置很精确，基本不受温度影响。它可广泛应用于模拟集成电路中的电源管理电路，如采用双极工艺的单片DC-DC转换器电路中。

Description

无需运算放大器的低功耗限流电路

技术领域

本发明涉及一种限流电路，特别涉及一种无需运算放大器的低功耗限流电路。它直接应用的领域是模拟集成电路中的电源管理电路，尤其是基于双极工艺的单片DC-DC转换器电路。

背景技术

DC-DC转换器虽然有不同的拓扑结构，但所有的DC-DC转换器都需要过流保护的功能。如果没有过流保护功能，当负载电流突然变大时，DC-DC转换器的功率级就会产生大量热量，导致局部过热，使器件被烧毁。因此，完善的限流保护功能对于保证DC-DC转换器的器件长期高可靠性显得尤为重要。

目前，常见的基于双极工艺的DC-DC转换器的限流电路如图1所示(来自文献1：MacroCorsi等，文献名称：“Current sensing schemes for use in BiCMOS integrated circuits”，Bipolar/BiCMOS Circuits and Technology Meeting，1995，Page 55-57)。它采用在电源V_CC和功率NPN双极晶体管Q_Na的集电极之间加入串联电阻R_Sa，通过比较器对串联电阻上感应的电压和预设值进行比较，产生限流信号。但此种电路结构有以下缺点：1)精度不高，对温度敏感。该电路的限流点设置取决于限流电阻的绝度值，而低阻值高精度的电阻在工艺实现通常比较困难，电阻本身有温度漂移，其阻值随温度变化，因而影响限流点的设置。2)功耗大。运算放大器会消耗一定的功耗，其他的一些辅助模块如偏置电路等，也会消耗部分电流，因而导致其功耗过大。一般常规限流电路的耗电都在100μA以上。

发明内容

为克服传统比较器的精度不高、功耗大的问题，本发明提供一种无需运算放大器的低功耗限流电路，且本发明电路无需运算放大器，结构简单、便于使用。

为实现上述目的，本发明为解决上述技术问题提出了一种无需运算放大器的低功耗限流电路，它包括：

作匹配电阻对的第一电阻R_s、第二电阻R_q，其中，R_s的一端接电源V_CC，R_s的低电位端A与PNP双极晶体管Q₃的发射极、PNP双极晶体管Q₄的发射极连接在一起，R_q的一端接电源V_CC，R_q的低电位端B与NPN双极晶体管Q_S的集电极相接；和

作第一电流镜的PNP双极晶体管Q₁、PNP双极晶体管Q₂，其中，Q₁的基极与Q₂的基极相连，Q₁的发射极与Q₂的发射极相连，Q₁、Q₂的发射极与NPN双极晶体管Q_S的集电极相接，Q₁、Q₂的基极与恒流源I_B相连，Q₂的基极与自身的集电极相连，Q₁的集电极与NPN双极晶体管Q₅的集电极、NPN双极晶体管Q₇的集电极连接在一起；和

作第二电流镜的PNP双极晶体管Q₃、PNP双极晶体管Q₄，其中，Q₃的基极与Q₄的基极相连，Q₃的发射极与Q₄的发射极相连，Q₃、Q₄的发射极与第一电阻R_s的低电位端A相接，Q₃、Q₄的基极与恒流源I_B相接，Q₃的集电极与自身的基极相连接，Q₄的集电极、NPN双极晶体管Q₆的集电极与过流控制信号端OC相连接；和

作第三电流镜的NPN双极晶体管Q₆、NPN双极晶体管Q₇，其中，Q₆的基极与Q₇的基极相连，Q₆的发射极与Q₇的发射极相连，Q₆、Q₇的发射极接地，Q₆、Q₇的基极与Q₇的集电极、Q₅的集电极连接在一起，Q₆的集电极与Q₅的发射极相接；和

NPN双极晶体管Q_S、NPN功率双极晶体管Q_N，其中，Q_S的基极与Q_N的基极相连，Q_S的发射极与Q_N的发射极相连，Q_S、Q_N的基极与功率管前级驱动输出端V_D相接，Q_S、Q_N的发射极与输出端V_OUT相接，Q_S的集电极、Q₁的发射极、Q₂的发射极与第二电阻R_q的低电位端B连接在一起，Q_N的集电极接电源V_CC；和

NPN双极晶体管Q₅，其中，Q₅的基极与固定偏置电压V_Bias相连接，Q₅的集电极和Q₁的集电极与Q₇的集电极连接在一起，Q₅的发射极与Q₆的集电极相接。

有益效果：

本发明的无需运算放大器的低功耗限流电路与常规限流电路相比，它具有以下特点：

1.具有精确且与温度无关的限流点设置。电路的限流触发点取决于一个恒流电流以及器件面积的比值，而非取决于器件的绝对值。虽然器件参数的绝对值很难精确控制，但器件参数的比值可以通过优化的版图设计做得非常精确，因而使本电路的限流点设计更精确，且由于器件参数的比值受温度的影响很小，使电路的限流点设置基本与温度无关。

2.低功耗。由于本发明电路的结构无需运算放大器，大幅降低了电路的功耗，本发明电路实现的耗电在20μA以下。而常规限流电路仅是其中的运算放大器，本身消耗的耗电有几十微安以上，总耗电在100μA以上，因而本发明电路较之常规限流电路节省功耗5倍以上。

附图说明

图1为常规限流电路的电路原理图；

图2为本发明的无需运算放大器的低功耗限流电路的电路原理图。

具体实施方式

本发明的具体实施方式不仅限于下面的描述，现结合附图加以进一步说明。

本发明具体实施的无需运算放大器的低功耗限流电路的电路原理图如图2所示。具体结构和连接关系与本说明书的发明内容部分相同，此处不再重复。

图2中，I_B是一个恒流源，Q_N为NPN功率晶体管，Q_S与Q_N共用基极和发射极，Q_S和Q_N发射极面积的比值为1∶N。当Q_N导通时，假定通过Q_N的电流为I_out，则Q_S上的电流为I_out/N，Q_S上的电流会通过连接到它的集电极的电阻R_q，在B节点处形成电压V_B，而流经R_s的电流会在A节点处形成电压V_A。

根据负载情况的不同，电压V_A和V_B会相应变化，从而产生不同的过流控制信号OC。当负载电流在预设值范围内时，过流控制信号OC为低，显示电路处于正常工作状态；当负载电流超过预设值时，过流控制信号OC为高，电路进入过流保护状态。

当负载电流在预设值范围内时，由于Q_S上的电流约为Q_N上的电流的1/N，流经Q_S的电流也会比较小，R_q上的压降就会比较小，节点B上的电压V_B会高于Q₃的发射极电压V_A。由于Q₂和Q₃共用基极，使得Q₂的EB结压降要大于Q₃的EB结压降，几乎所有的偏置电流I_B都流经Q₂，而Q₃上几乎没有电流通过；流经Q₂的电流经过Q₁镜像之后，从Q₁的集电极流出。由于Q₃上几乎没有电流通过，与之形成镜像的Q₄同样也几乎没有电流通过。Q₆和Q₇的电流全部由Q₁的集电极提供，晶体晶体管Q₅和Q₆都处于导通状态。

通过适当设置偏置电压V_Bias，可得到过流控制信号OC的值。本发明中Q₂和Q₁发射极面积的比值为1∶K，V_Bias电压为1V，此电压经过Q₅的BE结压降后，便可以得到过流控制信号OC的电压值。假设Q₅的BE结压降为0.7V，则过流控制信号OC的电压为1V-0.7V＝0.3V。

当负载电流超过预设值时，流经功率晶体管Q_N上的电流会比较大，流经Q_S上的电流也会相应变大，此时，R_q上的压降比较大，节点B上的电压V_B会低于Q₃的发射极电压V_A。由于Q₂和Q₃又共用基极，从而使得Q₂的EB结压降要小于Q₃的EB结压降，几乎所有的偏置电流I_B都会流经Q₃，而Q₂上几乎没有电流通过。与Q₂组成电流镜的Q₁同样没有电流通过，这样Q₁就无法为Q₇提供电流，Q₇以及和它组成电流镜的Q₆上几乎都没有电流通过。流经Q₃的电流经过Q₄镜像之后对OC节点充电，使得过流信号OC的电压变高。此时，电路处于过流状态。

本发明中Q₃和Q₄发射极面积的比值为1∶P，Q₇和Q₆发射极面积的比值为1∶M。以下对本发明电路中限流点的设置给出说明，并给出限流点的表达式。

当负载电流在预设值范围内时，V_B电压大于V_A电压；当输出负载处于过流状态时，V_B电压小于V_A电压。当输出电流由小变大时，V_A逐渐变小而V_B逐渐变大，直至V_A等于V_B，过流信号开始被触发，各有一半偏置电流I_B分别流经Q₂和Q₃，而此时流经负载的电流即为预设的限流点I_max。

假定P＝K以及M＝1，当V_A＝V_B时，可以得到如下关系：

$R_s*I_B\frac{1+K}{2}=I_{\max }\frac{1}{N}{R}_q---\left(1\right)$

从(1)式，可得到限流点的表达式

$I_{\max }=I_{B}N\frac{R_s}{R_q}\frac{1+K}{2}---\left(2\right)$

(2)式中，N和K由晶体管发射极面积的比值决定，R_s/R_q由电阻面积的比值决定。通常工艺制造时，很难控制参数的绝对值，但是参数之间的匹配却可以做得比较精确。这样就可通过控制器件面积的比值来比较精确地设置限流点。以下给出本发明具体实现的一组参数。

表1给出了电路的一组参数设置。根据公式(2)给出的限流点计算方法，可计算出限流点的值为1A。当限流开始发生时，V_A等于V_B，Q₃和Q₂各有2.5μA的电流通过，由P＝K＝3可以得出Q₄和Q₁上的电流均为7.5μA，由此得出：整个限流电路的耗电仅为2.5μA+2.5μA+7.5μA+7.5μA＝20μA，功耗很小。

另外，由于限流点的设置仅与器件面积的比值有关，而温度变化不会对器件面积的比值造成较大影响，所以限流点的设置几乎与温度无关。因而本发明电路可精确设置限流点。

表1 无运算放大器的低功耗限流电路参数值

参数	P∶1	K∶1	N∶1	M∶1
					数值	3∶1	3∶1	1000∶1	1∶1
参数	IB	Rs	Rq
					数值	5μA	10kΩ	100Ω

本发明的限流电路采用常规3μm双极工艺制造。

本发明电路中，所述双极晶体管均为常规双极晶体管，最高击穿电压为36V，双极NPN晶体管β的典型值为100，双极PNP晶体管β的典型值为50；所述电阻均是常规Cr-Si薄膜电阻，典型值为1000Ω/□，最大值为1150Ω/□，最小值为850Ω/□。

Claims (1)

1.一种无需运算放大器的低功耗限流电路，其特征在于包括：

作匹配电阻对的第一电阻R_s、第二电阻R_q，其中，R_s的一端接电源V_CC，R_s的低电位端A与PNP双极晶体管Q₃的发射极、PNP双极晶体管Q₄的发射极连接在一起，R_q的一端接电源V_CC，R_q的低电位端B与NPN双极晶体管Q_S的集电极相接；和

作第一电流镜的PNP双极晶体管Q₁、PNP双极晶体管Q₂，其中，Q₁的基极与Q₂的基极相连，Q₁的发射极与Q₂的发射极相连，Q₁、Q₂的发射极与NPN双极晶体管Q_S的集电极相接，Q₁、Q₂的基极与恒流源I_B相连，Q₂的基极与自身的集电极相连，Q₁的集电极与NPN双极晶体管Q₅的集电极、NPN双极晶体管Q₇的集电极连接在一起；和

作第二电流镜的PNP双极晶体管Q₃、PNP双极晶体管Q₄，其中，Q₃的基极与Q₄的基极相连，Q₃的发射极与Q₄的发射极相连，Q₃、Q₄的发射极与第一电阻R_s的低电位端A相接，Q₃、Q₄的基极与恒流源I_B相接，Q₃的集电极与自身的基极相连接，Q₄的集电极、NPN双极晶体管Q₆的集电极与过流控制信号端OC相连接；和

作第三电流镜的NPN双极晶体管Q₆、NPN双极晶体管Q₇，其中，Q₆的基极与Q₇的基极相连，Q₆的发射极与Q₇的发射极相连，Q₆、Q₇的发射极接地，Q₆、Q₇的基极与Q₇的集电极、Q₅的集电极连接在一起，Q₆的集电极与Q₅的发射极相接；和

NPN双极晶体管Q_S、NPN功率双极晶体管Q_N，其中，Q_S的基极与Q_N的基极相连，Q_S的发射极与Q_N的发射极相连，Q_S、Q_N的基极与功率管前级驱动输出端V_D相接，Q_S、Q_N的发射极与输出端V_OUT相接，Q_S的集电极、Q₁的发射极、Q₂的发射极与第二电阻R_q的低电位端B连接在一起，Q_N的集电极接电源V_CC；和

NPN双极晶体管Q₅，其中，Q₅的基极与固定偏置电压V_Bias相连接，Q₅的集电极和Q₁的集电极与Q₇的集电极连接在一起，Q₅的发射极与Q₆的集电极相接。

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