CN105700598B - 一种用于电压稳压器的折返限流电路 - Google Patents

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Abstract

一种用于电压稳压器的折返限流电路，连接在稳压器的输出上，包括PMOS管P2、P3、P4，NMOS管N1以及电阻R3和R4，PMOS管P2、P3、P4的源极和衬底都连接电源VDD，PMOS管P2的栅极连接稳压器中差分放大器EA的输出端，PMOS管P2的漏极连接电阻R3的一端，电阻R3另一端连接电阻R4的一端和NMOS管N1的栅极，电阻R4的另一端接地，NMOS管N1的源极连接稳压器的输出端OUT，NMOS管N1的漏极连接PMOS管P3的漏极和栅极并与PMOS管P4的栅极连接在一起，NMOS管N1的衬底接地，PMOS管P4的漏极连接稳压器中差分放大器EA的输出端。

Description

一种用于电压稳压器的折返限流电路
技术领域
本发明涉及稳压电源，尤其涉及一种用于电压稳压器的折返限流电路(foldbackcurrent limit)。
背景技术
电压稳压器在输出端外接低阻抗负载会导致过流情况。现有技术有一种通用的电流控制方法是固定电流限制，这种电路有一个准确设置的最大限制电流，不随负载或者短路情况影响。固定电流限制的电源有一个主要的缺点是当输出端短路时需要一个传输管来作为调节器件，用来泻放电流。
发明内容
本发明的目的是，提供一种用于电压稳压器的折返限流电路，可以降低电压稳压器输出短路时的输出电流，并且通过器件上的压降来提供正反馈，进而实现进一步降低输出功耗的目的。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种用于电压稳压器的折返限流电路，电压稳压器包括差分放大器EA、功率传输PMOS管P1以及输出电压的电阻反馈网络R1和R2，差分放大器EA的负向输入端连接基准电压VREF，PMOS管P1的栅极连接差分放大器EA的输出端，PMOS管P1的源极和衬底连接电源VDD，PMOS管P1的漏极连接电阻R1的一端并作为电压稳压器的输出端OUT，电阻R1的另一端连接电阻R2的一端和差分放大器EA的正向输入端，电阻R2的另一端接地；其特征在于：
设置折返限流电路，包括PMOS管P2、P3、P4，NMOS管N1以及电阻R3和R4，PMOS管P2、P3、P4的源极和衬底都连接电源VDD，PMOS管P2的栅极连接电压稳压器中差分放大器EA的输出端，PMOS管P2的漏极连接电阻R3的一端，电阻R3另一端连接电阻R4的一端和NMOS管N1的栅极，电阻R4的另一端接地，NMOS管N1的源极连接电压稳压器的输出端OUT，NMOS管N1的漏极连接PMOS管P3的漏极和栅极并与PMOS管P4的栅极连接在一起，NMOS管N1的衬底接地，PMOS管P4的漏极连接电压稳压器中差分放大器EA的输出端。
上述折返限流电路中，可用PMOS管P5替代电阻R4，此时折返限流电路中的PMOS管P2的漏极连接电阻R3的一端和NMOS管N1的栅极，电阻R3另一端连接PMOS管P5的源极和衬底，PMOS管P5的栅极接地，PMOS管P5的漏极连接电压稳压器的输出端OUT。
上述返限流电路中用PMOS管P5替代电阻R4的同时，还可以用电阻R5替代PMOS管P3，电阻R5的一端连接电源VDD，电阻R5的另一端连接NMOS管N1的漏极和PMOS管P4的栅极。
本发明的优点和显著效果：本发明通过提供一个包含非线性器件的折返电流限制电路来实现限制输出过流，该非线性器件的电流和电压之间是平方关系，这样，电压的一个轻微变化就会导致电流的一个大变化。可以将短路电流减小到小于最大限制电流。在这种器件中，当输出电流大于最大限制电流时，输出电压和电流同时下降。优点是在短路时，不仅能减小稳压器的功耗，还可以保护负载器件免受过流的影响。因为在这种稳压器中，串联传输管的尺寸和散热都是由其承受的最大功耗决定，折返电流电路可以有效地减小这种器件的尺寸和成本，包括后面的负载中的相关器件。
附图说明
图1是本发明用于电压稳压器的折返限流电路图；
图2是图1另一种实施方式；
图3是图2另一种实施方式；
图4是使用折返限流前后电压-电流曲线图。
具体实施方式
由图1，PART1部分为传统的线性稳压器，包括差分放大器EA，功率传输管P1，以及输出电压的电阻反馈网络R1和R2。其中差分放大器EA的输入端分为正向输入和反向输入，分别标注为+和-，其中正向输入端接R1和R2的连接端，负向输入端接基准电压VREF。差分放大器EA的输出接功率传输管P1的栅极。功率传输管P1的漏极接电阻R1的一端，并提供输出电压OUT，功率传输管P1源极和衬底一起接至VDD。电阻R1的另一端连接电阻R2的一端和差分放大器EA的正向输入端，电阻R2的另一端接地。其工作原理为，OUT电压通过电阻反馈网络R1和R2输出到差分放大器EA的正向输入端，同基准电压VREF进行比较，EA的输出信号控制OUT保持稳定。当OUT下降时，EA的正向端电压下降，导致小于VREF，EA输出电压下降，控制P1栅极电位下降，从而提升P1漏端电压，即OUT上升。反之亦然。
PART2部分为折返限流电路，连接于PART1部分的输出上，包括PMOS管的P2，P3，P4，NMOS管的N1以及电阻网络R3和R4。其中P2，P3，P4的源极和衬底都接至VDD，P2的栅极接至差分放大器EA的输出，P2的漏极接至电阻R3一端，电阻R3另一端接至电阻R4一端，并接至N1的栅极，电阻R4的另一端接地。N1的源极接至OUT，N1的漏极接至P3的漏极，并且P3的漏极和其栅极连接在一起同时连接P4的栅极，N1的衬底接地，P4的漏极接至EA输出和P1栅极的连接点。其工作原理为，通过镜像负载电流，P2输出电流到电阻网络R3和R4上，R4的分压为N1栅极提供工作电压。当VG(N1)-VS(N1)<VTH(N1)时，VG(N1)是N1的栅极电位，VS(N1)是N1的源极电位，VTH(N1)是N1的阈值，那么N1处于关闭状态，同时与其串联的P3管没有电流，P3管的镜像管P4也没有电流，因此折返限流电路不影响PART1传统的线性稳压器的正常工作。
当VG(N1)-VS(N1)>VTH(N1)时，那么N1处于开启状态，NMOS管饱和导通电流满足：(VDS＞VGS-VTH条件下)
μn为电子载流子的迁移率，COX为单位面积的栅氧化层电容，W/L为输出管的宽长比，VGS为NMOS管的栅源电压差，VTH为NMOS管阈值。同时P3和P4也有电流流过，P4的电流将EA的输出端电压向上拉升，从而提高P1栅极电位，起到减小P1驱动能力的作用，即减小流过P1的驱动电流。极限情况下，当P4的上拉电流能力远大于EA的下拉电流能力时，P1的栅极电位会被拉至VDD，从而完全关闭P1管，即没有输出电流。利用P2尺寸、R3和R4电阻值，设置合适的N1栅极电位、P3和P4的尺寸来调整P4的上拉电流能力，那么当出现OUT＝0时，N1会马上导通，带动P3和P4导通，并通过P4上拉电流将短路电流由大电流拉迅速拉低，限制在一个比较小的范围内，最终稳定下来，实现短路电流折返功能，起到保护线性稳压器的作用。
图2是图1电路的另一种改进方式，通过引入PMOS管P5来代替图1中的电阻R4，此时折返限流电路中的P2的漏极连接电阻R3的一端和N1的栅极，电阻R3另一端连接P5的源极和衬底，P5的栅极接地，P5的漏极与N1的源极一起连接电压稳压器的输出端OUT。将N1栅极接至P2的漏极，可以显著改善折返限流电路的应用范围，并提高输出电流范围。正常工作时，P5漏极接至OUT，同时P5的栅极为地，OUT>0,因此P5进入线性区，类似一个线性电阻。此时有VG(N1)-VS(N1)＝IP2*(R3+RP5)≈VTH(N1)，达到最大电流时IP2＝VTH(N1)/[IP2*(R3+RP5)]，IP1＝N*IP2＝N*VTH(N1)/[IP2*(R3+RP5)]，其中N＝(W/L)P1/(W/L)P2，为P1和P2的尺寸之比，RP5为P5在线性区的导通电阻值，IP1和IP2分别为P1和P2中流过的电流。当短路时，OUT＝0，VG(P5)＝VD(P5)，P5进入二极管模式，此时VG(N1)-VS(N1)＝IP2*R3+VSG(P5)，由于VSG(P5)>Vth(P5),通过搭配合适的Vth(P5)、P2尺寸、电阻R3以及N1尺寸，可以导致IP2较小时即可以有IP2*R3+VSG(P5)>Vth(N1),开启N1，P3和P4电流增加，从而拉高P1栅极电位，减小流过P1的驱动电流最终稳定下来，实现短路电流折返功能，起到保护线性稳压器的作用。将R4换成P5，可以利用P5随着OUT电压变化，器件状态由线性切换到二极管状态，导致P5线性状态时，N1依靠P2的较高电流开启，从而P1输出比较大电流，而P5二极管状态时，N1依靠P5的栅源电压差开启，所需P2电流很小，从而P1输出电流急剧下降。
图3是在图2用PMOS管P5来代替图1中的电阻R4基础上，同时通过引入电阻R5代替图1中的PMOS管P3，电阻R5的一端连接电源VDD，电阻R5的另一端连接NMOS管N1的漏极和PMOS管P4的栅极。此实施方式可以实现更加灵活的控制P4的栅极电压变化，从而提高P4上拉电流能力，增强折返限流电路的效果。
参看图4，在恒压阶段，稳压器的输出电压VOUT稳定，输出电流IOUT可以增加，当增加到一定值后，输出电压VOUT下降，输出电流IOUT不再增加，当OUT＝0，即短路时，输出电流急剧下降，并稳定在一个较低的水平上。

Claims (2)

1.一种用于电压稳压器的折返限流电路，电压稳压器包括差分放大器EA、功率传输PMOS管P1以及输出电压的电阻反馈网络R1和R2，差分放大器EA的负向输入端连接基准电压VREF，PMOS管P1的栅极连接差分放大器EA的输出端，PMOS管P1的源极和衬底连接电源VDD，PMOS管P1的漏极连接电阻R1的一端并作为电压稳压器的输出端OUT，电阻R1的另一端连接电阻R2的一端和差分放大器EA的正向输入端，电阻R2的另一端接地；
设置折返限流电路，包括PMOS管P2、P3、P4，NMOS管N1以及电阻R3和R4，PMOS管P2、P3、P4的源极和衬底都连接电源VDD，PMOS管P2的栅极连接电压稳压器中差分放大器EA的输出端，PMOS管P2的漏极连接电阻R3的一端，电阻R3另一端连接电阻R4的一端和NMOS管N1的栅极，电阻R4的另一端接地，NMOS管N1的源极连接电压稳压器的输出端OUT，NMOS管N1的漏极连接PMOS管P3的漏极和栅极并与PMOS管P4的栅极连接在一起，NMOS管N1的衬底接地，PMOS管P4的漏极连接电压稳压器中差分放大器EA的输出端；
其特征在于：用PMOS管P5替代电阻R4，此时折返限流电路中的PMOS管P2的漏极连接电阻R3的一端和NMOS管N1的栅极，电阻R3另一端连接PMOS管P5的源极和衬底，PMOS管P5的栅极接地，PMOS管P5的漏极连接电压稳压器的输出端OUT。
2.根据权利要求1所述的用于电压稳压器的折返限流电路，其特征在于：用电阻R5替代PMOS管P3，电阻R5的一端连接电源VDD，电阻R5的另一端连接NMOS管N1的漏极和PMOS管P4的栅极。
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