CN103490396A

CN103490396A - 一种电流限制电路

Info

Publication number: CN103490396A
Application number: CN201310442488.9A
Authority: CN
Inventors: 王钊
Original assignee: Wuxi Vimicro Corp
Current assignee: Wuxi Vimicro Corp
Priority date: 2013-09-25
Filing date: 2013-09-25
Publication date: 2014-01-01
Anticipated expiration: 2033-09-25
Also published as: CN103490396B

Abstract

本发明涉及一种电流限制电路，包括：比较单元，通过对基准电流与采样电流进行比较，得到过流判断信号，用以在所述采样电流发生过流时控制外部电路的电流始终不超过基准电流；所述基准电流为瞬态参考电流或稳态参考电流；触发器单元，用于确定所述比较单元接入的基准电流为瞬态参考电流或稳态参考电流；第一计数器，当所述采样电流高于瞬态参考电流时，所述第一计数器工作，所述第一计数器记满的时间为允许采样电流超过瞬态参考电流过流时间；第二计数器，当所述采样电流高于稳态参考电流时，所述第二计数器工作，所述第二计数器记满的时间为允许采样电流超过稳态参考电流的过流时间。

Description

一种电流限制电路

技术领域

本发明涉及电子电路技术领域，尤其涉及一种电流限制电路。

背景技术

传统的电源管理芯片中的电流限制电路一般为固定的一个电流阈值。例如电压调节器中，一般会控制其输出电流的峰值为某一电流阈值，通过负反馈来实现其最大输出电流为某一固定值。电流限制电路用于限制电源芯片在出现负载电流过大时不会损坏。而半导体电路在出现过流时的主要损坏方式为热损坏，即当芯片过热时而损坏。现有技术是通过设定一个恒定电流峰值来实现对最大平均电流的控制。

但实际系统中，有时会出现瞬间的电流过大，但持续时间不长，例如射频电路进行发射时，需要较高的瞬间电流。现有的电流限制电路会发生过流保护，导致输出电压下降，当输出电压下降剧烈时，导致有些电路无法正常工作。而持续时间不长的一定程度的过流情况并不会导致电压管理芯片温度升高太多，从而不会导致芯片损坏。另外瞬间提供大电流的设计有助于提高电源管理芯片在负载从轻载跳变到重载时的负载响应特性。当出现从轻载到重载的快速跳变时，能提供瞬间大电流的电源管理芯片可以以更大的输出电流来对输出节点充电，减小输出电压下降的幅度。

发明内容

本发明的目的是提供一种电流限制电路，能够实现对电路正常工作下限流保护的同时，还能实现对电路瞬态响应下的限流保护，可以支持瞬间需要更大电流输出的系统应用，避免系统由于瞬间大电流的限制而失常。

本发明提供了一种电流限制电路，包括：

比较单元，通过对基准电流与采样电流进行比较，得到过流判断信号，用以在所述采样电流发生过流时控制外部电路的电流始终不超过基准电流；所述基准电流为瞬态参考电流或稳态参考电流；

第一计数器，所述第一计数器的复位端与所述比较单元的输出端相连接，由所述过流判断信号为所述第一计数器提供第一复位信号；当所述采样电流高于瞬态参考电流时，所述第一计数器工作，所述第一计数器记满的时间为允许采样电流超过瞬态参考电流的过流时间；

触发器单元，所述触发器单元的时钟输入端与第一计数器的输出端相连接，所述触发器单元的数据端与电源电压相连接，所述触发器单元的正向输出端和反向输出端的输出信号分别用于对所述基准电流的输入进行控制选择，确定所述比较单元接入的基准电流为瞬态参考电流或稳态参考电流；

第二计数器，所述第二计数器的复位端与所述触发器单元的反向输出端相连接，所述触发器单元的反相输出端为所述第二计数器提供第二复位信号；所述第二计数器的时钟输入端与所述第一计数器的时钟输入端相连接；同时，所述第二计数器的输出端为所述触发器单元提供第三复位信号；当所述采样电流高于稳态参考电流时，所述第二计数器工作，所述第二计数器记满的时间为允许采样电流超过稳态参考电流的过流时间。

优选地，所述触发器单元的正向输出端用于控制接入所述稳态参考电流；所述触发器单元的反向输出端用于控制接入所述瞬态参考电流。

优选地，所述触发器单元包括一个或门和一个D触发器，所述第二计数器的输出信号与电流限制电路的上电复位信号通过接入或门生成D触发器的复位信号；

当所述电源电压低于阈值电压时，所述D触发器处于复位状态；当所述电源电压高于阈值电压且所述第二计数器处于复位状态时，所述D触发器处于工作状态。

进一步优选地，所述触发器单元还包括一个反相器，与所述D触发器的正向输出端相连接，使得所述反相器的输出端构成所述触发器单元的反向输出端。

优选地，电路上电复位后，所述比较器的接入的基准电流信号为瞬态参考电流信号；当采样电流高于瞬态电流时，所述比较单元生成过流控制信号，控制外部电路的输出被限制为瞬态电流；并且，所述第一计数器开始工作，当所述第一计数器记满后，所述触发器单元的时钟输入端接收所述第一计时器输出的时钟信号上升沿，所述触发器单元的正向输出端输出数字信号高电平，反馈控制所述比较器的接入的基准电流信号为稳态参考电流信号；所述触发器单元的反向输出端输出数字信号低电平，反馈控制所述第二计数器进入工作状态。

进一步优选地，当所述比较器的接入的基准电流信号为稳态参考电流信号之后，当采样电流高于稳态电流时，所述比较单元生成过流控制信号，控制外部电路的输出电流被限制为稳态电流；当所述第二计数器记满后，所述触发器单元的复位端接收所述第二计时器输出的时钟信号上升沿而复位，所述触发器单元的正向输出端输出数字信号低电平，所述触发器单元的反向输出端输出数字信号高电平，反馈控制所述比较器的接入的基准电流信号为瞬态参考电流信号，并反馈控制所述第二计数器进行复位。

在本发明提供的一种电流限制电路，能够实现对电路正常工作下限流保护的同时，还能实现对电路瞬态响应下的限流保护，可以支持瞬间需要更大电流输出的系统应用，避免系统由于瞬间大电流的限制而失常。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种电流限制电路的电路图；

图2为本发明实施例提供的一种电流限制电路中第一计数器的具体实现方式；

图3为本发明实施例提供的电流限制电路出现过流状态的电流控制示意图。

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种电流限制电路，适用于各种电源管理芯片的限流保护电路，如低压差电压调节器或直流-直流转换器等，能够实现对电路正常工作状态下稳态电流的限流保护，同时还能实现对电路瞬态响应下的更高阈值的限流保护，可以支持瞬间需要更大电流输出的系统应用，避免系统由于瞬间大电流的限制而失常。

图1为本发明实施例提供的一种电流限制电路的电路图。如图1所示，电流限制电路包括：比较单元1、第一计数器Timer1、触发器单元2和第二计数器Timer2。

比较单元1输入的比较信号分别为基准电流信号和采样电流信号。通过对基准电流信号与采样电流信号进行比较，在比较单元1的输出端输出的信号C为过流判断信号，用以在发生过流时根据过流判断信号控制外部电路的接通或关断，从而使外部电路的电流信号限定在基准电流信号范围之内。具体的，当采样电流信号高于基准电流信号时，比较单元1输出数字信号高电平；当采样电流信号不高于基准电流信号时，比较单元1输出数字信号低电平。其中，基准电流信号为瞬态参考电流信号I_H或稳态参考电流信号I_L，两者的选择将在下文中进行讨论。通过电流限制电路的输出反馈控制选择比较单元1输入的基准电流信号具体为瞬态参考电流信号I_H或是稳态参考电流信号I_L.。比较单元1具体可以由一个电流比较器com来实现。

第一计数器Timer1的复位端与比较单元1的输出端的过流判断信号C相连接，由过流判断信号控制第一计数器Timer1复位或工作。在本实施例中，第一计数器Timer1为低电平复位。

在一个具体的例子中，第一计数器Timer1可以为图2所示的电路，采用多级触发器串联的电路来实现计数功能。由多个下降沿时钟信号触发的D触发器构成，每个D触发器连接成2分频方式。qb为输出信号q的反相输出，R为复位端，为高电平复位。为了产生Timer1的低电平复位，为复位输入端增加了反相器INV3。D触发器的级数可以根据所需计时时间和输入时钟的频率决定，D触发器级数越多，产生的计时时间越长；采用的时钟输入信号CLK的频率越低，产生的计时时间越长。

触发器单元2的时钟输入端与第一计数器Timer1的输出端的输出信号B相连接。触发器单元2的数据端与电源电压VDD相连接，触发器单元2的正向输出信号AN和反向输出信号A分别对比较单元1的基准电流信号输入进行控制选择，当正向输出信号AN为高电平、反向输出信号A为低电平时，比较单元1的输入端与稳态参考电流信号I_L的接入开关S2闭合，将稳态参考电流信号I_L作为基准电流信号接入比较单元1，且比较单元1的输入端与瞬态参考电流信号I_H的接入开关S1断开，将稳态参考电流信号I_L作为基准电流信号接入比较单元1；当正向输出信号AN为低电平、反向输出信号A为高电平时，比较单元1的输入端与瞬态参考电流信号I_H的接入开关S1闭合，且比较单元1的输入端与稳态参考电流信号I_L的接入开关S2断开，将稳态参考电流信号I_H作为基准电流信号接入比较单元1。

第二计数器Timer2的复位端与触发器单元2的反向输出端相连接，触发器单元2的反相输出信号A为第二计数器Timer2提供复位信号；第二计数器Time2的时钟输入端与第一计数器Timer1的时钟输入端相连接，接收外部时钟信号；同时，第二计数器Timer2的输出信号D为触发器单元2的复位信号RST。在本实施例中，第二计数器Timer2为高电平复位。

第二计数器Timer2的具体电路实现与第一计数器Timer1相似，不同之处仅在于第二计数器Timer2为高电平复位，在图2中去掉反相器INV3即可实现。并且二者的串联触发器的级数可以不同。

优选的，触发器单元2包括一个或门OR2和一个D触发器ffdr，第二计数器Timer2的输出信号与电流限制电路的上电复位信号UV一并接入或门OR2生成D触发器ffdr的复位信号RST；电流限制电路的上电复位信号UV用于表示电路上电复位后的电源电压状态，当电源电压VDD低于电路正常工作所要求的阈值电压时，UV为高电平，当电源电压满足电路正常工作的阈值电压的要求时，UV为低电平。因此，当电源电压低于阈值电压时，UV为高电平，D触发器处于复位状态。

优选的，触发器单元2还包括一个反相器INV1，与D触发器ffdr的正向输出端AN相连接，使得反相器INV1的输出端即为触发器单元2的反向输出端A。

下面对图1所示电流限制保护电路的工作原理进行详细说明。

初始状态下，电源电压低于工作电压要求，上电复位信号UV为高电平，经过或门OR2的输出给D触发器ffdr的复位信号RST也为高电平，因此将D触发器ffdr的输出信号AN复位到低电平；第二计数器Timer2被D触发器ffdr的高电平反向输出信号A复位，第二计数器Timer2输出信号D为低电平。

当电路上电后，上电复位信号UV变为低电平，D触发器ffdr的复位端为低电平，复位控制不起作用。D触发器ffdr等待时钟信号上升沿的触发，因此输出信号AN仍维持为低电平。由此初始时开关S2关断，开关S1导通，比较器的负输入端连接到瞬态参考电流信号I_H，此时系统的过流阈值较高。Is为系统的采样电流信号，当Is小于I_H时，即瞬态电流不过流的情况下，比较器com输出的过流判断信号C为低电平。此时外部电路的电流信号为Is。计数器Time1为低电平复位方式，此时Timer1一直处于复位状态，输出信号B一直为低电平，D触发器ffdr的输出信号AN继续保持为低电平。

当发生瞬态过流的情况下，Is超过I_H，比较器com输出的过流判断信号C变为高电平，控制外部电路的电流信号被限定为I_H，同时对计数器的复位锁定解除。计数器Timer1将开始以时钟输入信号CLK计时。当计满后，Time1的输出信号B变为高电平，此时向D触发器ffdr提供一个时钟信号上升沿，D触发器ffdr将其数据端d的电源电压VDD的高电平信号输出至正向输出信号AN，即AN变为高电平，反向输出信号A则变为低电平。此时开关S2导通，且开关S1关断，稳态参考电流信号I_L被连接至比较器com的负输入端。当Is超过I_L，比较器com输出的过流判断信号C为高电平，控制外部电路的电流信号被限定为I_L；当Is小于I_L时，比较器com输出的过流判断信号C为低电平，外部电路的电流信号为Is。

而计数器Timer2以信号A为复位信号，因此当信号A为低电平时，Timer2开始以时钟信号CLK计数，当计满时，输出信号D变为高电平，经过或门OR2，D触发器ffdr的复位信号RST输出高电平，将D触发器ffdr的输出AN复位为低电平。然后继续循环计数器Timer1的计时。

由此可知，所述第一计数器记满的时间为允许瞬态电流过流的时间；所述第二计数器记满的时间为允许稳态电流过流的时间。如图3所示，计数器Timer1计满的时间对应于图3中的Ta时间；计数器Timer2计满的时间对应于图3中的Tb时间。当Timer1记满后，采样电流限流由I_H变为I_L，当Timer2记满后，采样电流限流又由I_L变为I_H，这是因为，造成瞬态大电流的导致因素很多，除了系统上电之外，还有例如手机系统中，无线发射电路工作时，导致系统所需瞬间电流增加，而无线发射电路不工作时，系统所需电流较小。目前的系统中有很多电路是间歇式工作的（一般工作时间较短，睡眠时间较长），这样是为了省功耗。因此需要针对这些工作过程中的瞬态电流变化也对电路进行限流保护。Tb可以根据常规大多数电路间歇式工作时的最长工作时间来确定。

由上述描述可见，图1所示的电流限制电路实现了图3描述的电流限制功能。输出的过流判断信号C具体可以用于控制关断功率管。例如对于以PMOS为功率器件的直流-直流转换器，可以通过过流判断信号C控制其关断，来起到电流限制功能，具体实现方式可以为用过流判断信号C与来自反馈环路的脉宽调制信号经过或逻辑后控制PMOS功率器件的栅极。

此外，本发明电路的比较输入还可以为：采样的电流信号Is仅为实际电流的1/N，其中N>0，同时参考电流信号I_H和I_L也设置为实际电流限制值的1/N。这样其实现的功能仍然与图1电路所实现的功能相同。

本发明提供了一种电流限制电路，能够实现对电路正常工作下限流保护的同时，还能实现对电路瞬态响应下的限流保护，可以支持瞬间需要更大电流输出的系统应用，避免系统由于瞬间大电流的限制而失常。本发明的电流限制电路还改善了电源管理芯片的负载响应特性。允许瞬间提供大电流的设计有助于提高电源管理芯片在负载从轻载跳变到重载时的负载响应特性。当出现从轻载到重载的快速跳变时，能提供瞬间大电流的电源管理芯片可以以更大的输出电流来对输出节点充电，减小输出电压下降的幅度。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种电流限制电路，其特征在于，所述电路包括：

2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述触发器单元的正向输出端用于控制接入所述稳态参考电流；所述触发器单元的反向输出端用于控制接入所述瞬态参考电流。

3.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述触发器单元包括一个或门和一个D触发器，所述第二计数器的输出信号与电流限制电路的上电复位信号通过接入或门生成D触发器的复位信号；

4.根据权利要求3所述的电路，其特征在于，所述触发器单元还包括一个反相器，与所述D触发器的正向输出端相连接，使得所述反相器的输出端构成所述触发器单元的反向输出端。

5.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，电路上电复位后，所述比较器的接入的基准电流信号为瞬态参考电流信号；当采样电流高于瞬态电流时，所述比较单元生成过流控制信号，控制外部电路的输出被限制为瞬态电流；并且，所述第一计数器开始工作，当所述第一计数器记满后，所述触发器单元的时钟输入端接收所述第一计时器输出的时钟信号上升沿，所述触发器单元的正向输出端输出数字信号高电平，反馈控制所述比较器的接入的基准电流信号为稳态参考电流信号；所述触发器单元的反向输出端输出数字信号低电平，反馈控制所述第二计数器进入工作状态。

6.根据权利要求5所述的电路，其特征在于，当所述比较器的接入的基准电流信号为稳态参考电流信号之后，当采样电流高于稳态电流时，所述比较单元生成过流控制信号，控制外部电路的输出电流被限制为稳态电流；当所述第二计数器记满后，所述触发器单元的复位端接收所述第二计时器输出的时钟信号上升沿而复位，所述触发器单元的正向输出端输出数字信号低电平，所述触发器单元的反向输出端输出数字信号高电平，反馈控制所述比较器的接入的基准电流信号为瞬态参考电流信号，并反馈控制所述第二计数器进行复位。