CN102769281B - 一种快速响应限流保护电路 - Google Patents

Abstract

一种快速响应限流保护电路，能够快速响应功率开关管输出电流的变化，及时将输出电流限制在安全范围内，等待启动慢但精度高的由监测电阻、比较器和MOS管组成的精确限流电路进一步精确调整输出电流，从而实现快速限流与精确限流的组合，其特征在于，包括与第一MOS管即功率开关管栅极互连的第二MOS管即电流感应MOS管，所述电流感应MOS管的源极与所述功率开关管的源极直接互连，所述电流感应MOS管的漏极连接分压电路，所述分压电路连接快速响应限流开关电路。

Description

一种快速响应限流保护电路

技术领域

本发明涉及微电子集成电路技术，特别是一种快速响应限流保护电路。所述快速响应限流保护电路能够快速响应功率开关管输出电流的变化，及时将输出电流限制在安全范围内，等待启动慢但精度高的由监测电阻、比较器和MOS管组成的精确限流电路进一步精确调整输出电流，从而实现快速限流与精确限流的组合。

背景技术

当遇到热插拔、等效负载阻值突然变小或输出端突然短地的事件时，功率开关需要能快速响应的限流电路，用于抑制突然暴增的输出电流，保护内部大尺寸功率MOS管和上游电源总线安全。为此目的而设计的限流电路，首先要监测输出电流，其次将监测到的电流与基准做比较，最后是根据比较结果反馈控制功率开关，使输出电流保持在安全的电流范围内。一般而言，根据输出电流流过监测电阻产生的电压降与基准电压通过比较器得到的比较结果，反馈控制调整大尺寸的功率MOS管的栅压，将输出电流控制在安全范围内，从而完成限流保护功能。为能准确监测到短路电流，通常选择高边监测电流方式，即监测电阻放在电源与负载之间。为满足这样的监测方式，比较器要具有高共模电压和能识别监测电阻上毫伏级的电压降，但这样会导致其响应时间变长，所以有必要在此的基础上并行一路快速响应限流电路。现有技术中的一种快速响应限流电路如图1所示，其中虚线环绕部分为快速响应限流电路100，监测电阻R1、比较器A1和MOS管M3组成精确限流电路，快速响应限流电路100和精确限流电路分别与功率开关管M1连接，电荷泵101给功率开关管M1的栅极提供栅压。快速响应限流电路100包括与功率开关管M1栅极互连的电流感应MOS管M2，电流感应MOS管M2的漏极直接连接Vin端口，源极通过电阻R2连接Vout端口，源极同时连接三极管Q1的基极，三极管Q1的发射极连接Vout端口，三极管Q1的集电极连接到电流感应MOS管M2的栅极，即M2、R2和Q1组成快速响应限流电路。图1是包含现有技术中的快速响应限流电路100的应用电路，其工作方式具体说明如下：1.Vin端口接电源，Vout端口接负载。2.电荷泵给NMOS管M1(大尺寸功率管)和M2提供栅压。工作时，电荷泵会将它们的栅压提升到Vin+Vd(Vd>Vth,Vth为NMOS阈值电压)的电平上，以使这些NMOS导通。3.M1为大尺寸功率NMOS。4.R1为监测电阻。5.电路工作时，M2的电流与M1产生的输出电流成一定比例。6.M2、R2和Q1组成快速响应限流电路(图1中虚线框内电路)。在芯片工作时，当负载阻抗突然变低或者接地时，会使输出电流Iout变大，同时M2从功率管M1镜像到的电流也变大。镜像电流流过R2上产生的电压超过Vbe1(晶体管npn Q1阈值电压)时，导通的Q1会快速拉低M1和M2的栅压，并将输出电流Iout限定到安全范围内。以上过程发生时，由R1，A1和M3组成的精确限流电路尚未开始工作。等到R1，A1和M3组成的精确限流回路启动后，输出电流Iout被进一步降低，而R2上的电压小于Vbe1，Q1关闭，快速响应限流电路也关闭。虽然快速响应限流电路100也能够快速响应功率开关管M1输出电流的变化，但是根据场效应管电流公式可知，由于电流感应MOS管M2的源极上R2的存在，M2与功率开关管M1的栅源电压不相等。这使得M2、R2和Q1快速响应电路工作时，M2镜像M1的电流受R2上电压影响，二者电流之比并非常量。这无疑增加了确定电路及其元器件参数的难度。另外，在普通CMOS工艺中，npn晶体管（即三极管Q1）难以实现。即使厂家可以制造npn，成本也比利用普通CMOS工艺生产的芯片成本高。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的缺陷或不足，提供一种快速响应限流保护电路。所述快速响应限流保护电路能够快速响应功率开关管输出电流的变化，及时将输出电流限制在安全范围内，等待启动慢但精度高的由监测电阻、比较器和MOS管组成的精确限流电路进一步精确调整输出电流，从而实现快速限流与精确限流的组合。

本发明的技术方案如下：

一种快速响应限流保护电路，其特征在于，包括与第一MOS管即功率开关管栅极互连的第二MOS管即电流感应MOS管，所述电流感应MOS管的源极与所述功率开关管的源极直接互连，所述电流感应MOS管的漏极连接分压电路，所述分压电路连接快速响应限流开关电路。

所述分压电路包括第二电阻即分压电阻。

所述分压电路包括电流镜。

所述快速响应限流开关电路包括开关管，所述开关管通过MOS管电流镜镜像电路连接驱动电路输出端，所述驱动电路输出端连接所述功率开关管的栅极。

所述功率开关管为NMOS管，所述电流感应MOS管为NMOS管，所述开关管为PMOS管或PNP三极管，所述功率开关管的源极直接连接负载电压端口，所述功率开关管的漏极通过第一电阻即监测电阻连接电源电压端口。

所述功率开关管为PMOS管，所述电流感应MOS管为PMOS管，所述开关管为NMOS管或NPN三极管，所述功率开关管的源极直接连接电源电压端口，所述功率开关管的漏极连接负载电压端口。

所述驱动电路包括电荷泵。

所述功率开关管的漏极直接连接比较器输入端的负极，所述比较器输入端的正极连接参考电位，所述比较器输出端通过第三MOS管连接所述驱动电路输出端。

所述第三MOS管的源极接地，并通过电容连接所述第三MOS管的栅极，所述第三MOS管的漏极连接所述驱动电路输出端。

所述驱动电路包括逻辑管电路。

本发明的技术效果如下：本发明就是一种能够快速响应的限流电路，其具有低响应时间，结构简单和适于CMOS工艺的特点。与现有技术相比，本发明中将第二电阻即分压电阻R2从第二MOS管即电流感应MOS管M2的源极挪动到漏极，使第二MOS管即电流感应MOS管M2与第一MOS管即功率开关管M1（大尺寸功率管）的电流之比为常量，这简化了计算和设计，便于电路实现。另外，利用PMOS替代原有方案中的NPN晶体管，更易实现，并有效降低成本。

附图说明

图1是包含现有技术中的快速响应限流电路的应用电路。

图2是实施本发明快速响应限流保护电路的第一应用电路示意图。

图3是实施本发明快速响应限流保护电路的第二应用电路示意图。

图4是实施本发明快速响应限流保护电路的第三应用电路示意图。

图5是实施本发明快速响应限流保护电路的第四应用电路示意图。

图6是实施本发明快速响应限流保护电路的第五应用电路示意图。

图7是实施本发明快速响应限流保护电路的第六应用电路示意图。

图8是实施本发明快速响应限流保护电路的第七应用电路示意图。

图9是实施本发明快速响应限流保护电路的第八应用电路示意图。

附图标记说明如下：100-现有技术中的快速响应限流电路；101-驱动电路电荷泵；102-快速响应限流保护电路；103-驱动电路驱动器。V-电压；R-电阻；M-MOS管；Q-三极管；A-比较器。

具体实施方式

下面结合附图（图2-图9）对本发明进行说明。

如图2-图9所示，一种快速响应限流保护电路102，包括与第一MOS管即功率开关管M1（如图2-图9中的M1）栅极互连的第二MOS管即电流感应MOS管M2（如图2-图9中的M2），所述电流感应MOS管M2的源极与所述功率开关管M1的源极直接互连，所述电流感应MOS管M2的漏极连接分压电路（如图2-图9中的R2或电流源标记处），所述分压电路连接快速响应限流开关电路。所述分压电路包括第二电阻即分压电阻R2。所述分压电路包括电流镜。所述快速响应限流开关电路包括开关管（如图2-图9中的M4、Q1），所述开关管通过MOS管电流镜镜像电路（如图2-图9中的M5和M6组成的电流镜）连接驱动电路101或103输出端，所述驱动电路输出端连接所述功率开关管M1的栅极。所述功率开关管M1为NMOS管（如图2-图5中的M1），所述电流感应MOS管为NMOS管（如图2-图5中的M2），所述开关管为PMOS管（如图2、图4中的M4）或PNP三极管（如图3、图5中的Q1），所述功率开关管M1的源极直接连接负载电压端口Vout，所述功率开关管M1的漏极通过第一电阻即监测电阻R1连接电源电压端口Vin。所述功率开关管M1为PMOS管（如图6-图9中的M1），所述电流感应MOS管为PMOS管（如图6-图9中的M2），所述开关管为NMOS管（如图6和图8中的M4）或NPN三极管（如图7和图9中的Q1），所述功率开关管M1的源极直接连接电源电压端口Vin，所述功率开关管M1的漏极连接负载电压端口Vout。所述驱动电路包括电荷泵101。所述功率开关管M1的漏极直接连接比较器A1的负极，所述比较器A1的正极连接参考电位Vref，输出端通过第三MOS管M3连接所述驱动电路即电荷泵101输出端。所述第三MOS管M3的源极接地，并通过电容连接所述第三MOS管M3的栅极，所述第三MOS管M3的漏极连接所述驱动电路即电荷泵101输出端。所述驱动电路（如图2-图9中的101和103）包括逻辑管电路。

图2是实施本发明快速响应限流保护电路的第一应用电路示意图。其工作方式具体说明如下：1.Vin端口接电源，Vout端口接负载。2.电荷泵给M1(大尺寸功率NMOS管)和M2提供栅压。工作时，电荷泵会将它们的栅压提升到Vin+Vd(Vd>Vth,Vth为NMOS阈值电压)的电平上，以使M1和M2导通。3.M1为大尺寸功率NMOS管。4.R1为监测电阻。5.电路工作时，M2镜像流过M1的输出电流Iout，即流过M2的电流与流过M1的输出电流之比为常数。6.M2、M4、M5、M6、M7和R2组成快速响应电路。芯片工作时，当负载阻抗突然变低或者直接接地时，会产生能损坏芯片或电源的大电流，而M2从大尺寸功率管M1镜像到的电流也变大。当镜像电流在电阻R2上产生的电压降足以使M4(PMOS)开启后，M4的导通电流被M5和M6组成的电流镜镜像到电荷泵的输出端，并拉低M2和M1的栅压，所以输出电流Iout被钳制在安全范围内。等到R1、A1(具有高共模电压和高分辨率的比较器)和M3组成的限流电路开始工作后，输出电流Iout被进一步降低，同时M2镜像到的电流在R2上的电压降大于M4(PMOS)的阈值电压，所以M4关闭，而快速响应限流电路也关闭。图2所示电路中，将PMOS (M4)替换为PNP也一样实现限流保护的功能，如图3所示；同样在图2所示电路中，将电阻(R2)替换为电流镜也可实现限流保护的功能，如图4所示；由以上两点组合产生三种替代方案，即PNP+电阻(如图3所示)，PMOS+电流镜(如图4所示)和PNP+电流镜(如图5所示)，其工作原理相似。

图6是实施本发明快速响应限流保护电路的第五应用电路示意图。本发明针对功率管为NMOS的功率开关，同理可设计功率管为PMOS的功率开关的快速响应限流保护电路，如图6所示。图6所示电路工作原理：1)M1是大尺寸功率PMOS管；2)在工作时，M2镜像流过M1的输出电流，即流过M2的电流与流过M1的输出电流之比为常数。3)M2、M4、M5、M6和R2组成快速响应限流保护电路。芯片工作时，当负载阻抗突然变低或者直接接地时，会产生能损坏芯片或电源的大电流，而M2从功率管M1镜像到的电流也变大。此镜像电流在电阻R2上产生电压降。当该电压降足以使NMOS M4开启后，M4的导通电流被M5和M6组成的电流镜镜像到大尺寸PMOS(M1)的栅端，并拉高此栅压，所以输出电流Iout被钳制在安全范围内。等到芯片内带有比较器的限流电路(图6中未画出)开启后，输出电流Iout被进一步降低，当M2镜像电流流经R2产生的电压降小于M4的阈值电压时，所以M4关闭，而快速响应限流电路也关闭。图6所示电路中，NMOS(M4)可由NPN替换，如图7所示；电阻R2可由电流镜替换，如图8所示；由以上两点一共可组合出本发明的四种具体电路，即NMOS+电阻(如图6所示)、NPN+电阻(如图7所示)、NMOS+电流镜(如图8所示)和NPN+电流镜(如图9所示)。它们的工作原理相近。

在此指明，以上叙述有助于本领域技术人员理解本发明创造，但并非限制本发明创造的保护范围。任何没有脱离本发明创造实质内容的对以上叙述的等同替换、修饰改进和/或删繁从简而进行的实施，均落入本发明创造的保护范围。

Claims (1)

1.一种快速响应限流保护电路，其特征在于，包括与第一MOS管即功率开关管栅极互连的第二MOS管即电流感应MOS管，所述电流感应MOS管的源极与所述功率开关管的源极直接互连，所述电流感应MOS管的漏极连接分压电路，所述分压电路连接快速响应限流开关电路；所述快速响应限流开关电路包括开关管，所述开关管通过MOS管电流镜镜像电路连接驱动电路输出端，所述驱动电路输出端连接所述功率开关管的栅极；所述功率开关管为NMOS管或PMOS管：当所述功率开关管为NMOS管时，所述电流感应MOS管为NMOS管，所述开关管为PMOS管或PNP三极管，所述功率开关管的源极直接连接负载电压端口，所述功率开关管的漏极通过第一电阻即监测电阻连接电源电压端口；当所述功率开关管为PMOS管时，所述电流感应MOS管为PMOS管，所述开关管为NMOS管或NPN三极管，所述功率开关管的源极直接连接电源电压端口，所述功率开关管的漏极连接负载电压端口；

所述分压电路包括第二电阻即分压电阻；所述分压电路包括电流镜；所述驱动电路包括电荷泵；所述功率开关管的漏极直接连接比较器输入端的负极，所述比较器输入端的正极连接参考电位，所述比较器输出端通过第三MOS管连接所述驱动电路输出端；所述第三MOS管的源极接地，并通过电容连接所述第三MOS管的栅极，所述第三MOS管的漏极连接所述驱动电路输出端；所述驱动电路包括逻辑管电路。