CN104242277B - 一种对负载或输出进行限流保护的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种对负载或输出进行限流保护的装置，该装置包括电源模块、限流电路、复位电路和负载，该限流电路包括场效应晶体管、电感、第零至第三电阻，其中：场效应晶体管、电感、第零电阻与负载串联连接，且第零至第三电阻与场效应晶体管构成反馈网络，当电流超过设定的电流阈值时，第零电阻的电阻值将瞬时由低阻值变为高阻值，并且，由于第零电阻的阻值变为高阻值，第零至第三电阻与场效应晶体管构成的反馈网络将把场效应晶体管的栅极电压设置到限流的电位，进而能够快速有效的实现限流，实现对瞬时大电流的快速反应，有效的保护电路元件。

Description

一种对负载或输出进行限流保护的装置

技术领域

本发明涉及电源或电路保护技术领域，尤其涉及一种对负载或输出进行限流保护的装置。

背景技术

电源或电路保护技术是电路系统或设备中的一种重要技术，由于电源或电路系统工作环境常常比较恶劣，时常会受到外界的干扰，使得系统的电流瞬时变大，影响电路可靠性及寿命。为此，限流电路是电源或者供电系统中必备的电路模块。

通常，限流电流由采样、反馈、限流处理等模块组成，由于各模块的寄生特性，这种限流电路的响应速度比较慢，通常为微秒级。而对于更快的电流毛刺，则无能为力。

本发明考虑上述问题，采用新一代阻变存储单元并配合反馈限流机制，克服常规限流电路速度慢的缺陷，使得限流的速度大大提升。并在环路中传入电感，有效抑制电流的上升时间。

本发明的优点在于，提出了一种几乎无延迟的限流机制。对待保护模块提供了一种更可靠的保障。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的在于，为克服目前常规的限流电路速度慢的特性，利用新型的阻变存储器件对大电流和电压的快速响应机制，并联合基于场效应晶体管的限流电路，提出了一种对负载或输出进行限流保护的装置，从而实现了对敏感器件进行更为可靠的保护。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种对负载或输出进行限流保护的装置，该装置包括电源模块101、限流电路102、复位电路103和负载104，该限流电路102包括场效应晶体管、电感L、第零至第三电阻(R0、R1、R2、R3)，其中：场效应晶体管、电感L、第零电阻R0与负载104串联连接，且第零至第三电阻(R0、R1、R2、R3)与场效应晶体管构成反馈网络，当电流超过设定的电流阈值时，第零电阻R0的电阻值将瞬时由低阻值变为高阻值，并且，由于第零电阻R0的阻值变为高阻值，第零至第三电阻(R0、R1、R2、R3)与场效应晶体管构成的反馈网络将把场效应晶体管的栅极电压设置到限流的电位，进而能够快速有效的实现限流。

上述方案中，所述第零电阻R0是具有阻变特性的阻变式存储器(RRAM)，当有大电流流过时，第零电阻R0的阻值将瞬时变大。

上述方案中，所述场效应晶体管为P沟道场效应晶体管T1，电感L、第零电阻R0、P沟道场效应晶体管T1的源漏极及负载104串联连接，第一齐纳二极管D1与P沟道场效应晶体管T1的栅源极并联，P沟道场效应晶体管T1的栅极经由第一电阻R1和电感L连接到电源模块101的正极，并经过该反馈网络连接到电源模块101的负极。

上述方案中，当电流增加时，流经第零电阻R0的电流和电压均增加，当流经第零电阻R0的电流或第零电阻R0两端的电压超过一定的阈值时，第零电阻R0的阻值将瞬间变大，使电流减小，与此同时，第零电阻R0阻值的变大将引起该反馈网络电阻的变化，并为P沟道场效应晶体管T1的栅极提供一个起限流控制作用的电位。在P沟道场效应晶体管T1的源漏极之间还并联连接有一第五电阻R5。第一齐纳二极管D1被反向偏置在P沟道场效应晶体管T1的源栅极上，其工作在反向偏置上，故其反向偏置电压应能使P沟道场效应晶体管T1正常工作，源漏电阻足够小。

上述方案中，所述场效应晶体管为N沟道场效应晶体管T2，电感L、第零电阻R0、N沟道场效应晶体管T2的源漏极及负载104串联连接，第二齐纳二极管D2与N沟道场效应晶体管T2的栅源极并联，N沟道场效应晶体管T2的栅极经由第二电阻R2和电感L连接到电源模块101的正极，并经过该反馈网络连接到电源模块101的负极。当电流增加时，流经第零电阻R0的电流和电压均增加，当流经第零电阻R0的电流或第零电阻R0两端的电压超过一定的阈值时，第零电阻R0的阻值将瞬间变大，使电流减小，与此同时，第零电阻R0阻值的变大将引起该反馈网络电阻的变化，并为N沟道场效应晶体管T2的栅极提供一个起限流控制作用的电位。在N沟道场效应晶体管T2的源漏极之间还并联连接有一第五电阻R5。第二齐纳二极管D2被反向偏置在N沟道场效应晶体管T2的源栅极上，其工作在反向偏置上，故其反向偏置电压应能使N沟道场效应晶体管T2正常工作，源漏电阻足够小。

上述方案中，所述复位电路103连接在第零电阻R0与负载104之间，当已完成对电路过流的保护时，第零电阻R0的阻值也已由低阻值变为高阻值，为了使电路能再次正常工作，采用复位电路103使第零电阻R0的阻值重新回到低阻值。所述复位电路103由电源(Vset)、第四电阻R4和第二开关S2串联构成，当已完成对电路过流的保护，第零电阻R0的阻值也已由低阻值变为高阻值，此时，接通第二开关S2，即可将第零电阻R0恢复到低阻值。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的这种对负载或输出进行限流保护的装置，由于第零电阻R0为具有阻变特性的阻变式存储器(RRAM)，当有大电流流过第零电阻R0时，第零电阻R0的阻值将瞬时变大，增加了串联回路的阻抗，与此同时，随着第零电阻R0阻值的增大，将使得由第零至第三电阻(R0、R1、R2、R3)与场效应晶体管构成的反馈网络总阻值增大，从电源上获得的压降增加，降低了场效应晶体管上的源极栅极压降，进一步限制了系统中的电流，从而实现了电源和负载进行保护。

2、本发明提供的这种对负载或输出进行限流保护的装置，采用具有对过流超快速反应的第零电阻R0和由第零至第三电阻(R0、R1、R2、R3)与场效应晶体管构成的反馈网络两种机制，可实现对系统瞬时大电流的快速反应，有效的保护系统元件。

附图说明

图1是依照本发明第一实施例的由P沟道场效应晶体管构成的对负载或输出进行限流保护的装置的示意图；

图2是依照本发明第二实施例的由N沟道场效应晶体管构成的对负载或输出进行限流保护的装置的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

图1和图2分别提供了依照本发明第一及第二实施例的P沟道场效应晶体管T1和采用N沟道场效应晶体管T2及阻变存储单元的第零电阻R0所构成的对负载或输出进行限流保护的装置的示意图，该装置包括电源模块101、限流电路102、复位电路103和负载104，该限流电路102包括场效应晶体管、电感L、第零至第三电阻(R0、R1、R2、R3)，其中：场效应晶体管、电感L、第零电阻R0与负载104串联连接，且第零至第三电阻(R0、R1、R2、R3)与场效应晶体管构成反馈网络，当电流超过设定的电流阈值时，第零电阻R0的电阻值将瞬时由低阻值变为高阻值，并且，由于第零电阻R0的阻值变为高阻值，第零至第三电阻(R0、R1、R2、R3)与场效应晶体管构成的反馈网络将把场效应晶体管的栅极电压设置到限流的电位，进而能够快速有效的实现限流。

其中，所述第零电阻R0是具有阻变特性的阻变式存储器(RRAM)，当有大电流流过时，第零电阻R0的阻值将瞬时变大。

所述场效应晶体管可以为P沟道场效应晶体管T1，也可以为N沟道场效应晶体管T2。当场效应晶体管为P沟道场效应晶体管T1时，电感L、第零电阻R0、P沟道场效应晶体管T1的源漏极及负载104串联连接，第一齐纳二极管D1与P沟道场效应晶体管T1的栅源极并联，P沟道场效应晶体管T1的栅极经由第一电阻R1和电感L连接到电源模块101的正极，并经过该反馈网络连接到电源模块101的负极。当电流增加时，流经第零电阻R0的电流和电压均增加，当流经第零电阻R0的电流或第零电阻R0两端的电压超过一定的阈值时，第零电阻R0的阻值将瞬间变大，使电流减小，与此同时，第零电阻R0阻值的变大将引起该反馈网络电阻的变化，并为P沟道场效应晶体管T1的栅极提供一个起限流控制作用的电位。在P沟道场效应晶体管T1的源漏极之间还并联连接有一第五电阻R5。第一齐纳二极管D1被反向偏置在P沟道场效应晶体管T1的源栅极上，其工作在反向偏置上，故其反向偏置电压应能使P沟道场效应晶体管T1正常工作，源漏电阻足够小。

当场效应晶体管为N沟道场效应晶体管T2时，电感L、第零电阻R0、N沟道场效应晶体管T2的源漏极及负载104串联连接，第二齐纳二极管D2与N沟道场效应晶体管T2的栅源极并联，N沟道场效应晶体管T2的栅极经由第二电阻R2和电感L连接到电源模块101的正极，并经过该反馈网络连接到电源模块101的负极。当电流增加时，流经第零电阻R0的电流和电压均增加，当流经第零电阻R0的电流或第零电阻R0两端的电压超过一定的阈值时，第零电阻R0的阻值将瞬间变大，使电流减小，与此同时，第零电阻R0阻值的变大将引起该反馈网络电阻的变化，并为N沟道场效应晶体管T2的栅极提供一个起限流控制作用的电位。在N沟道场效应晶体管T2的源漏极之间还并联连接有一第五电阻R5。第二齐纳二极管D2被反向偏置在N沟道场效应晶体管T2的源栅极上，其工作在反向偏置上，故其反向偏置电压应能使N沟道场效应晶体管T2正常工作，源漏电阻足够小。

复位电路103连接在第零电阻R0与负载104之间，当已完成对电路过流的保护时，第零电阻R0的阻值也已由低阻值变为高阻值，为了使电路能再次正常工作，采用复位电路103使第零电阻R0的阻值重新回到低阻值。所述复位电路103由电源(Vset)、第四电阻R4和第二开关S2串联构成，当已完成对电路过流的保护，第零电阻R0的阻值也已由低阻值变为高阻值，此时，接通第二开关S2，即可将第零电阻R0恢复到低阻值。

再参照图1和图2，场效应晶体管(T1，T2)的源漏通道、电感L、第零电阻R0与负载104串联在电路中，第一及第二齐纳二极管(D1，D2)并联在场效应晶体管的栅源端，相对于场效应晶体管的栅源端反向连接。场效应晶体管的栅端经由反馈网络(R0、R1、R2、R3)分别连接到电源的正负极，栅端的电压由这个电阻网络经电源电压分压决定。电容C1与负载104并联，减小纹波电压。电压源Vset经分压电阻R4来给第零电阻R0复位使用。

当电路中的电流增大时，流经第零电阻R0的电流和电压均增加，当流经第零电阻R0的电流或者第零电阻R0两端的电压超过一定的阈值时，第零电阻R0的阻值将瞬间变大，使系统的电流减小，与此同时，第零电阻R0阻值的变大，将引起由(R0、R1、R2、R3)组成的反馈网络电阻的变化，并为场效应晶体管的栅极提供一个起限流控制作用的电位。

各个元件的参数选择参考如下：

第零电阻R0器件特性的选择需要综合其低阻值、高阻值、电流阈值、电压阈值、转变电压等参数。通常，低阻值应尽量低，以便对负载104不影响；高阻值的选择应与第二及第三电阻(R2、R3)在一个量级或者更大，需保证，在高阻值上，栅极能得到一个合适的限流电位。

反馈网络的选择原则是，在电路正常工作电流下，第零电阻R0为低阻值，需保证第一电阻R1两端的压降应大于或等于第一及第二齐纳二极管(D1，D2)的最大反向电压；并且，第零至第三(R0、R1、R2、R3)所组成的反馈网络的电阻应比负载电阻大很多，以减少限流电路的功耗。

第四电阻R4的选择原则是，应与第零电阻R0的高组态相匹配，因为由第四电阻R4和第零电阻R0串联，且之间电压为与Vs、Vset之差，因此，第四电阻R4的选取需保证第零电阻R0上的电压降能够超过发生转变的电压阈值。

第一及第二齐纳二极管(D1，D2)是反向偏置在场效应晶体管的源栅极上，其工作在反向偏置上，故其反向偏置电压应能使场效应晶体管正常工作，源漏电阻足够小。

以上所述的具体实施例，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例而已，并不用于限制本发明，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 (14)

1.一种对负载或输出进行限流保护的装置，其特征在于，该装置包括电源模块(101)、限流电路(102)、复位电路(103)和负载(104)，该限流电路(102)包括场效应晶体管、电感(L)、第零至第三电阻(R0、R1、R2、R3)，其中：

电感(L)、场效应晶体管源漏极、负载(104)和第零电阻(R0)依次串联连接，且场效应晶体管的栅极与第一电阻(R1)一端相连接，第一电阻(R1)的另一端连接到电感(L)上，场效应晶体管的栅极并经由第二电阻(R2)连接到电源模块(101)的负极，同时场效应晶体管的栅极经由第三电阻(R3)连接到第零电阻(R0)的一端，所述第零电阻(R0)的另一端连接到电源模块(101)的负极，当电流超过设定的电流阈值时，第零电阻(R0)的电阻值将瞬时由低阻值变为高阻值，并且，由于第零电阻(R0)的阻值变为高阻值，第二电阻(R2)两端的总体电阻增加，分压增加，将把场效应晶体管的栅极电压设置到限流的电位，进而能够快速有效的实现限流；

所述复位电路(103)连接在第零电阻(R0)与负载(104)之间，当已完成对电路过流的保护时，第零电阻(R0)的阻值也已由低阻值变为高阻值，为了使电路能再次正常工作，采用复位电路(103)使第零电阻(R0)的阻值重新回到低阻值。

2.根据权利要求1所述的对负载或输出进行限流保护的装置，其特征在于，所述第零电阻(R0)是具有阻变特性的阻变式存储器(RRAM)，当有大电流流过时，第零电阻(R0)的阻值将瞬时变大。

3.根据权利要求1所述的对负载或输出进行限流保护的装置，其特征在于，所述场效应晶体管为P沟道场效应晶体管(T1)，电感(L)、第零电阻(R0)、P沟道场效应晶体管(T1)的源漏极及负载(104)串联连接，第一齐纳二极管(D1)与P沟道场效应晶体管(T1)的栅源极并联，P沟道场效应晶体管(T1)的栅极经由第一电阻(R1)和电感(L)连接到电源模块(101)的正极，并经过第二电阻(R2)连接到电源模块(101)的负极，同时P沟道场效应晶体管(T1)的栅极还经由第三电阻(R3)连接到第零电阻(R0)。

4.根据权利要求3所述的对负载或输出进行限流保护的装置，其特征在于，所述第零至第三电阻(R0、R1、R2、R3)与所述场效应晶体管构成反馈网络，则当电流增加时，流经第零电阻(R0)的电流和电压均增加，当流经第零电阻(R0)的电流或第零电阻(R0)两端的电压超过一定的阈值时，第零电阻(R0)的阻值将瞬间变大，使电流减小，与此同时，第零电阻(R0)阻值的变大将引起该反馈网络电阻的变化，并为P沟道场效应晶体管(T1)的栅极提供一个起限流控制作用的电位。

5.根据权利要求3所述的对负载或输出进行限流保护的装置，其特征在于，在P沟道场效应晶体管(T1)的源漏极之间还并联连接有一第五电阻(R5)。

6.根据权利要求3所述的对负载或输出进行限流保护的装置，其特征在于，第一齐纳二极管(D1)被反向偏置在P沟道场效应晶体管(T1)的源栅极上，其工作在反向偏置上，故其反向偏置电压应能使P沟道场效应晶体管(T1)正常工作。

7.根据权利要求1所述的对负载或输出进行限流保护的装置，其特征在于，所述复位电路(103)由电源(Vset)、第四电阻(R4)和第二开关(S2)串联构成，当已完成对电路过流的保护，第零电阻(R0)的阻值也已由低阻值变为高阻值，此时，接通第二开关(S2)，即可将第零电阻(R0)恢复到低阻值。

8.一种对负载或输出进行限流保护的装置，其特征在于，该装置包括电源模块(101)、限流电路(102)、复位电路(103)和负载(104)，该限流电路(102)包括场效应晶体管、电感(L)、第零至第三电阻(R0、R1、R2、R3)，其中：

电感(L)、第零电阻(R0)、负载(104)和场效应晶体管源漏极依次串联连接，且场效应晶体管的栅极与第二电阻(R2)一端相连接，第二电阻(R2)的另一端连接到电感(L)上，场效应晶体管的栅极并经由第一电阻(R1)连接到电源模块(101)的负极，同时场效应晶体管的栅极经由第三电阻(R3)连接到第零电阻(R0)的一端，所述第零电阻(R0)的另一端连接到电源模块(101)的正极，当电流超过设定的电流阈值时，第零电阻(R0)的电阻值将瞬时由低阻值变为高阻值，并且，由于第零电阻(R0)的阻值变为高阻值，第二电阻(R2)两端的总体电阻增加，分压增加，将把场效应晶体管的栅极电压设置到限流的电位，进而能够快速有效的实现限流；

所述复位电路(103)连接在第零电阻(R0)与负载(104)之间，当已完成对电路过流的保护时，第零电阻(R0)的阻值也已由低阻值变为高阻值，为了使电路能再次正常工作，采用复位电路(103)使第零电阻(R0)的阻值重新回到低阻值。

9.根据权利要求8所述的对负载或输出进行限流保护的装置，其特征在于，所述第零电阻(R0)是具有阻变特性的阻变式存储器(RRAM)，当有大电流流过时，第零电阻(R0)的阻值将瞬时变大。

10.根据权利要求8所述的对负载或输出进行限流保护的装置，其特征在于，所述场效应晶体管为N沟道场效应晶体管(T2)，电感(L)、第零电阻(R0)、N沟道场效应晶体管(T2)的源漏极及负载(104)串联连接，第二齐纳二极管(D2)与N沟道场效应晶体管(T2)的栅源极并联，N沟道场效应晶体管(T2)的栅极经由第二电阻(R2)和电感(L)连接到电源模块(101)的正极，并经过第一电阻(R1)连接到电源模块(101)的负极，同时N沟道场效应晶体管(T2)的栅极还经由第三电阻(R3)连接到第零电阻(R0)。

11.根据权利要求10所述的对负载或输出进行限流保护的装置，其特征在于，所述第零至第三电阻(R0、R1、R2、R3)与所述场效应晶体管构成反馈网络，则当电流增加时，流经第零电阻(R0)的电流和电压均增加，当流经第零电阻(R0)的电流或第零电阻(R0)两端的电压超过一定的阈值时，第零电阻(R0)的阻值将瞬间变大，使电流减小，与此同时，第零电阻(R0)阻值的变大将引起该反馈网络电阻的变化，并为N沟道场效应晶体管(T2)的栅极提供一个起限流控制作用的电位。

12.根据权利要求10所述的对负载或输出进行限流保护的装置，其特征在于，在N沟道场效应晶体管(T2)的源漏极之间还并联连接有一第五电阻(R5)。

13.根据权利要求10所述的对负载或输出进行限流保护的装置，其特征在于，第二齐纳二极管(D2)被反向偏置在N沟道场效应晶体管(T2)的源栅极上，其工作在反向偏置上，故其反向偏置电压应能使N沟道场效应晶体管(T2)正常工作。

14.根据权利要求8所述的对负载或输出进行限流保护的装置，其特征在于，所述复位电路(103)由电源(Vset)、第四电阻(R4)和第二开关(S2)串联构成，当已完成对电路过流的保护，第零电阻(R0)的阻值也已由低阻值变为高阻值，此时，接通第二开关(S2)，即可将第零电阻(R0)恢复到低阻值。