CN104426515A - 电流控制电路、模块及软启动电路 - Google Patents

电流控制电路、模块及软启动电路 Download PDF

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Abstract

一种电流控制电路(100)，包括：第一终端(102)；第二终端(104)；在第一终端(102)与第二终端(104)之间的多个并联的晶体管模块(106)，每个晶体管模块(106)包括：主晶体管，包括主漏极(110)、主源极(112)和主栅极，其中主源极(112)和主漏极(110)定义主源-漏路径，主漏极(110)耦合到第一终端(102)，主源极(112)耦合到第二终端(104)，主栅极耦合到本地控制端(114)；感应晶体管，包括感应漏极(110)、感应源极(116)和感应栅极，其中感应源极(116)和感应漏极(110)定义感应源-漏路径，感应漏极(110)耦合到第一终端(102)，感应栅极耦合到本地控制端(114)，感应源极(116)配置为提供本地反馈信号(118)；本地控制器(120)，配置为：接收本地反馈信号(118)和主控制信号(124)；以及根据本地反馈信号(118)和主控制信号(124)向本地控制端(114)提供本地控制信号(126)，以控制流经主源-漏路径和感应源-漏路径的电流。

Description

电流控制电路、模块及软启动电路
技术领域
本发明涉及电流控制电路，用于控制第一终端与第二终端之间流动的电流。特别地，尽管非限制地，本发明涉及电流控制电路，其包括电流感应功率MOSFET(金属氧化物半导体场效应管)。
背景技术
在线性模式的操作，如“热插拔”、“软启动”、和“eFuse”操作中，电流控制有利于限制操作时流通的电流。特别地，有利于减小或防止由于放电的容性负载突然切入电路而引起的高电流浪涌。由于噪声脉冲效应，这种电流浪涌可以导致供电干扰，或导致敏感电路的故障。在比较极端情况下，由于高电流浪涌还可能熔断熔丝或可能错开断路器，并使得一个或多个系统断线。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供一种电流控制电路，其包括：
第一终端；
第二终端；
在第一终端与第二终端之间的多个并联的晶体管模块，每个晶体管模块包括：
主晶体管，包括主漏极、主源极和主栅极，其中主源极和主漏极定义主源-漏路径，主漏极耦合到第一终端，主源极耦合到第二终端，主栅极耦合到本地控制端；
感应晶体管，包括感应漏极、感应源极和感应栅极，其中感应源极和感应漏极定义感应源-漏路径，感应漏极耦合到第一终端，感应栅极耦合到本地控制端，感应源极配置为提供本地反馈信号；
本地控制器，配置为：
接收本地反馈信号和主控制信号；以及
根据本地反馈信号和主控制信号向本地控制端提供本地控制信号，以控制流经主源-漏路径和感应源-漏路径的电流。
该电流控制电路可以有利地减小在测量流经电路的电流时所消耗的功率。此外，由于每个晶体管模块具有本地控制，改善了电流共享，还可以每个晶体管工作于安全运行区域以外的可能性。
本地控制器可配置为根据本地反馈信号和主控制信号之间的差异来确定本地控制信号。
本地反馈信号可以表征流经感应晶体管的电流，也可以表征流经主晶体管的电流。
主控制信号可表征感应晶体管或晶体管模块所要的电流水平。多个晶体管模块中的每一个的本地控制器可配置为接收相同的主控制信号。
本地控制信号可配置为控制电流，从而流经感应源-漏路径的电流趋向于由主控制信号所表征的所需的电流水平。
主晶体管和感应晶体管可形成在公共管芯上。主晶体管和感应晶体管可包括电流感应晶体管，例如电流感应功率MOSFET。
主晶体管的面积可以比感应晶体管的面积至少大一个数量级，或可选地，大数个数量级。主晶体管的漏极的面积可以比感应晶体管的漏极的面积至少大一个数量级，或可选地，大数个数量级。
本地控制器可包括差分放大器，差分放大器包括两个输入和一个输出，两个输入分别从主晶体管的开尔芬源极接触和感应晶体管的感应源极接收信号；一个输出提供本地反馈信号。
电流控制电路可进一步包括主控制器。本地控制器可配置为向主控制器提供主反馈信号。主控制器可配置为根据从多个晶体管模块所接收的主反馈信号来提供主控制信号。主反馈信号可表征流经感应晶体管的电流。
主控制器可配置为：
根据主反馈信号来确定可以施加到主晶体管和感应晶体管的最大功率，从而主晶体管和感应晶体管位于相应的安全运行区域；以及
根据确定的最大功率来设置主控制信号。
本发明还提供一种模块，配置为插入背板电源，所述模块包括本发明所述的任意的电流控制电路。
本发明还提供一种用于控制流向电容性负载的电流的软启动电路，所述软启动电路包括本发明所述的任一电流控制电路。
附图说明
以下将结合附图对于本发明的实施方式进行进一步描述，其中：
图1所示的是一种电流控制电路；以及
图2所示的是另一种电流控制电路。
具体实施方式
电流感应功率金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)提供了一种测量负载电流的低损耗方法，在部分示例中，可以省去对于电流旁路电阻器的需求。
感应功率MOSFET可以在公共衬底上包括数千个晶体管元胞，其布置为平行的，并共享公共的漏极和栅极电极。在感应功率MOSFET中的每个晶体管元胞或元件都是相同的，从而施加到感应功率MOSFET的漏极上的电流在各元胞之间均等地分配。在这种设计中，部分晶体管的源极电极与其他的源极电极之间分离开来，并连接到单独的源极端。因此，所得到的电流感应MOSFET可以视为等同于两个并联的晶体管，其具有公共的栅极和漏极端，但具有不同的源极端。该两个晶体管可以称为主FET和感应FET，主FET包括晶体管元胞中的大多数，感应FET包括少得多的晶体管元胞。主FET的面积除以感应FET的面积定义了一个感应率n。在使用中，感应FET导通施加到公共漏极端上的电流中的一小部分，该部分与感应率n成反比。关于感应功率晶体管的更多细节由名为“电流感应功率MOSFET”的恩智浦操作说明书AN10322、版本02，2009年6月24日提供，可以在恩智浦公司网站上http：//www.nxp.com/documents/application_note/AN10322.pdf获得。
图1所示的是用于控制在第一终端102和第二终端104之间流通的电流的电流控制电路100。该电路100包括多个互相并联连接在第一终端102与第二终端104之间的晶体管模块106。在本实施方式中有两个晶体管模块106，可以理解的是可以在图1的电路中加入更多个晶体管模块106。图1中还示出了一个主控制器122。
每个晶体管模块106包括感应功率MOSFET 108及本地控制器120。如上所述，感应功率MOSFET 108包括位于公共衬底/管芯上的主晶体管和感应晶体管。主晶体管称为主FET，感应晶体管称为感应FET。
主FET具有主漏极、主源极112和主栅极。感应FET具有感应漏极、感应源极116和感应栅极。主漏极和感应漏极连接为公共漏极，在图1中以110标识。主栅极和感应栅极连接到本地控制端114。
主源极112和公共漏极110定义主源-漏路径。公共漏极110连接到第一终端102。主源极112连接到第二终端104。感应源极116和公共漏极110定义感应源-漏路径。感应源极116配置为向本地控制器120提供本地反馈信号118。
本地控制器120接收本地反馈信号118，以及自主控制器122接收主控制信号124。主控制信号124表明晶体管模块106欲使用的电流水平。以下将详细叙述，主控制信号124可以是根据电流控制电路100所需的运行条件设置的固定值，也可以是动态地根据电流控制电路100的测得参数而设置的。
本地控制器120根据本地反馈信号118和主控制信号124而向感应功率MOSFET 108的本地控制端114提供本地控制信号126。本地控制信号126控制流经主源-漏路径和感应源-漏路径的电流。例如，可以设置主FET和感应FET的栅极的电压水平，从而流经感应功率MOSFET108的电流(由本地反馈信号118确定)趋向于由主控制信号124所表征的值。利用主控制信号124和本地控制信号118，可以使得感应功率MOSFET 108独立于其他晶体管模块106中的感应功率MOSFET而得到控制，从而它们可以有效并高效地共享电路100的电流供应需求。这与不具有此种控制的电路形成对比，在彼种情况下，感应功率MOSFET 108之间的差异(例如由于元件之间的耐受性差别导致的)可以增致感应功率MOSFET 108之间的电流分享出现不平衡，尤其是在启动阶段。例如，感应功率MOSFET 108中的一个可能在其他感应功率MOSFET之前导通，如果没有本地控制的话，将会导致这个感应功率MOSFET 108会流过比其在整体电流中所占份额更多的电流。这种不平衡可能会导致感应功率MOSFET 108中的一个或多个将流过太多的电流，从而其功率会超出安全运行区(Safe Operating Area，SOA)，进而引致感应功率MOSFET108失效。
由于不需要使用高功率感应电阻器，该电流控制电路100可以有利地减小在测量流经电路的电流时所消耗的功率。此外，由于每个晶体管模块106具有本地控制，改善了电流共享，还可以减小每个感应功率MOSFET 108工作于安全运行区域以外的可能性。由于减小功耗和改善电流共享，还包括以下的优点：
·由于减小功率带来的效率提升；
·由于测量电流时使用更少的能是不是，从而产生更小的热量，可以使得印刷电路板(PCB)具有更佳的热能管理；
·由于测量电流时产生更小的热量，可以提升电流控制电路100以及可能的其他关联电路的可靠性；
·由于可以不需要感应电阻器和/或热能管理元件，从而可以节省PCB区域的空间；
·由于电路100的功耗下降，在运行电流控制电路100时可以降低成本。
图2所示的是另一种电流控制电路200，其用于控制在第一终端202和第一终端204之间流通的电流。图2中的与图1中所示的各元件相应的元件的标号与图1中亦相似，并以200序列的标号进行标识，在此并不赘述。
多个晶体管模块206的每一个与公共负载234串联于第一终端202和第二终端204之间。图2中的本地控制器220包括电流电压变换器230和误差放大补偿模块232。电流电压变换器230和误差放大补偿模块232可以形成在单个集成电路(IC)上。电流电压变换器230的一种实施示例由美国专利申请US2008/0191779A1披露，其作为参考引用在本文中。
本实施方式中，感应功率MOSFET 208的主FET包括两个主源极接触：高电流源极接触212a和开尔芬源极接触(Kelvin Source Contact)212b。高电流源极接触212a由阻抗提供，例如接合线，从而使其可以处理相对较高的电流。开尔芬源极接触212b连接到主晶体管的主源极，以提供主晶体管源极电势的精确判定。
主FET的开尔芬源极接触212b连接到电流电压变换器230的第一输入端。感应FET的感应源极连接到电流电压变换器230的第二输入端。电流电压变换器230的目的是在感应FET的感应源极216处可靠地、方便地提供信号，以用作后续处理。在本实施方式中，电流电压变换器230包括差分放大器(图未示)，其具有两个输入端，分别从主FET的开尔芬源极接触212b处和感应FET的感应源极216处接收信号。差分放大器平衡主FET的开尔芬源极接触212b和感应FET的感应源极216处的电势。通过这种方式，可以维持流经感应FET的漏-源路径的电流与流经主FET的漏-源路径的电流之间的恒定比率，从而感应率n可以用来根据所确定的流经感应FET的电流而精确地计算出流经感应功率MOSFET 208的电流。
电流电压变换器230具有输出，其提供表征流经感应FET的电流的信号。电流电压变换器230的输出连接到运算放大器228的反相输入端，运算放大器228位于误差放大补偿模块232中。来自主控制器222的主控制信号224作为运算放大器228的同相输入端的输入。主控制信号224表征晶体管模块206所需要的电流水平。运算放大器228的输出表征主控制信号224与流经感应FET的电流之间的差异。
应当理解的是，图2中所示的误差放大补偿模块232的实施仅为示例性的，也可以使用提供所需功能的其他实施方式。
主控制信号224可以是根据电流控制电路200所需的运行条件设置的固定值。该固定值可以由用户基于设计参数而设置。例如，如果需要流经负载234的总电流为20A，则主控制信号224可以设置为每个感应功率MOSFET 208贡献10A(在该实施方式中，电流控制电路200包括两个感应功率MOSFET 208)。
可选地，主控制信号可以依据电流控制电路的测得参数而动态地设置。如图2所示，晶体管模块206向主控制器222提供主反馈信号236。在该实施方式中，该主反馈信号236由电流电压变换器230的输出提供，其表征流经感应功率MOSFET 208的电流。每个晶体管模块206都提供相似的主反馈信号236。在本实施方式中，主反馈信号236被结合在一起，从而将各个电流值加总，并提供给主控制器222的反馈端。图2中的主控制器222的反馈端标记为“ISENSE”。主控制器222随后可以利用ISENSE处接收到的信号来确定在不超过安全运行区域的情况下允许各感应功率MOSFET 208流过多少电流。MOSFET在不超过安全运行区域(SOA)的情况下可以处理的功率是感应功率MOSFET 208的漏-源路径上的压降(Vds)乘以感应功率MOSFET 208的漏极电流(Id)，以及热装置、时间和二次击穿机制的函数。SOA典型地由图像来表现。主控制器222可以处理ISENSE处接收的信号，以确定施加到感应功率MOSFET 208上的功率，并设置主控制信号224，从而流经感应功率MOSFET 208的电流被控制在MOSFET 208运行于SOA的水平。在部分实施方式中，主控制器222可以将ISENSE处接收到的信号与感应功率MOSFET 208的漏-源路径的已知电阻和/或感应功率MOSFET 208上的测得压降一起处理，以确定施加到感应功率MOSFET 208上的功率。通过这种方式，有利于控制流经感应功率MOSFET 208的电流，从而降低元件失效的可能性。
主控制器222可以由现有的控制器，如Linear TechnologyCorporation的LT4256元件来简单地实现，或者由其他控制器，如MaximIntegrated、Texas Instruments、或Analog Devices所提供。
本发明所述的一个或多个实施方式可以在需要控制上电电流浪涌的应用中提供软启动/热插拔控制。此类应用可以包括模块/板插入背板以连接到电源的示例应用中，例如在服务器系统或电信设备中。上述示例还包括高功率负载切换应用，其中放电容性负载被切入电源轨。此外，本发明所述的实施方式还可以用于软启动电路，以控制向容性负载提供的电压。在这些应用中，MOSFET安全运行区间是关键参数，低的RDSON(当主FET导通时，在公共漏极与高电流源极接触之间的电阻)也较为重要，因为其在MOSFET全部导通时有助于减小能量耗散。
应当理解的是，本发明所述的任何控制器都可以是模拟控制器或数字控制器。
本发明所述的感应功率MOSFET可以是例如在恩智浦操作说明书AN10322中描述的功率FET。此外，在恩智浦有限公司的美国专利US7737507B2中提到的场效应管具有安全运行区域(SOA)，其特别适用于本发明以上所述的一个或多个电路。
应当理解的是，本发明描述中所述的“连接到”或“耦合到”，都可以表示直接或间接地连接或耦合。亦即，本发明描述中所述的两个元件连接或耦合也可以意味着在所述相连接或耦合的元件中间还有其他一个或多个元件，且该等元件的连接仍然使得上述连接或耦合可以实现所需的功能。

Claims (15)

1.一种电流控制电路，其特征在于，包括：
第一终端；
第二终端；
在第一终端与第二终端之间的多个并联的晶体管模块，每个晶体管模块包括：
主晶体管，包括主漏极、主源极和主栅极，其中主源极和主漏极定义主源-漏路径，主漏极耦合到第一终端，主源极耦合到第二终端，主栅极耦合到本地控制端；
感应晶体管，包括感应漏极、感应源极和感应栅极，其中感应源极和感应漏极定义感应源-漏路径，感应漏极耦合到第一终端，感应栅极耦合到本地控制端，感应源极配置为提供本地反馈信号；
本地控制器，配置为：
接收本地反馈信号和主控制信号；以及
根据本地反馈信号和主控制信号向本地控制端提供本地控制信号，以控制流经主源-漏路径和感应源-漏路径的电流。
2.根据权利要求1所述的电流控制电路，其特征在于，本地控制器配置为根据本地反馈信号和主控制信号之间的差异来确定本地控制信号。
3.根据权利要求1或2所述的电流控制电路，其特征在于，本地反馈信号表征流经感应晶体管的电流。
4.根据前述任一权利要求所述的电流控制电路，其特征在于，主控制信号表征感应晶体管所要的电流水平。
5.根据前述任一权利要求所述的电流控制电路，其特征在于，多个晶体管模块中的每一个的本地控制器配置为接收相同的主控制信号。
6.根据前述任一权利要求所述的电流控制电路，其特征在于，本地控制信号配置为控制电流，从而流经感应源-漏路径的电流趋向于由主控制信号所表征的所需的电流水平。
7.根据前述任一权利要求所述的电流控制电路，其特征在于，主晶体管和感应晶体管形成在共同的管芯上。
8.根据权利要求7所述的电流控制电路，其特征在于，主晶体管和感应晶体管包括电流感应晶体管。
9.根据前述任一权利要求所述的电流控制电路，其特征在于，主晶体管的面积比感应晶体管的面积至少大一个数量级。
10.根据前述任一权利要求所述的电流控制电路，其特征在于，本地控制器包括差分放大器，差分放大器包括：
两个输入，分别从主晶体管的开尔芬源极接触和感应晶体管的感应源极接收信号；以及
输出，提供本地反馈信号。
11.根据前述任一权利要求所述的电流控制电路，其特征在于，进一步包括主控制器；本地控制器配置为向主控制器提供主反馈信号；主控制器配置为根据从多个晶体管模块所接收的主反馈信号来提供主控制信号。
12.根据权利要求11所述的电流控制电路，其特征在于，主反馈信号表征流经感应晶体管的电流。
13.根据权利要求11或12所述的电流控制电路，其特征在于，主控制器配置为：
根据主反馈信号来确定可以施加到主晶体管和感应晶体管的最大功率，从而主晶体管和感应晶体管位于相应的安全运行区域；以及
根据确定的最大功率来设置主控制信号。
14.一种模块，配置为插入背板电源，其特征在于，所述模块包括前述任一权利要求所述的电流控制电路。
15.一种用于控制流向电容性负载的电流的软启动电路，其特征在于，所述软启动电路包括权利要求1至13中任一项所述的电流控制电路。
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