CN108664075B - 具有独特短路保护的功率输出级 - Google Patents

Abstract

一种具有独特短路保护的功率输出级，包括：差分输入单元,设有第一差分对管、第二差分对管、镜像电流源电路、第一电阻、第二电阻构成的回路，第一差分对管耦接一基准电压和采样电压，第一差分对管、第二差分对管依据基准电压以及采样电压以产生第一输出信号，并将第一输出信号经第二差分对管的集电极送至中间放大单元；中间放大单元，接收第一输出信号并依据第一输出信号放大以产生一第二输出信号；功率输出单元受控于第二输出信号的驱动且对依据第二输出信号放大并输出一输出电压；采样单元，与功率输出单元耦接，对输出电压进行分压以产生采样电压，并将采样电压输出至差分输入单元。

Description

具有独特短路保护的功率输出级

技术领域

本发明涉及应用于短路保护的功率输出级，其短路电流设定简单，可从

近似0到功率输出级的过流点，线路结构简洁，易集成化。

背景技术

长期以来，大部分的功率输出级只有过流保护，没有短路保护。假定功率输出级的输入电压Vin为12V，输出电压Vout为9V，输出过流保护点IoM为2A。正常工作时其功率损耗PD 1为(Vin-Vout)×IoM＝6W。但在输出短路时，其功率损耗PD 2为(Vin-0)×IoM＝24W。输出短路时的功率损耗PD 2远大于正常工作时其功率损耗PD 1。这样对功率输出管的要求就必须按输出短路时的功率损耗PD 2来设计，这是很不经济的。否则，功率输出管在输出短路时极易损坏。

虽有一小部分功率输出级有短路保护，其短路电流Ios是由输入电压Vin与输出电压Vout差来设定的。

某一功率输出级的输入电压Vin为12V，输出电压Vout为9V，输出过流保护点IoM为2A。在(Vin-Vout)差为9V时，输出电流Io为2A；在(Vin-Vout)差为12V时，输出电流Io为1A；在(Vin-Vout)差为18V时，输出电流Io为100mA。正常工作时其功率损耗PD 1为(Vin-Vout)×IoM＝6W。但在输出短路时，其功率损耗PD2为(Vin-0)×Ios＝12W。

另一功率输出级的输入电压Vin为9V，输出电压Vout为6V，输出过流保护点IoM为2A。在(Vin-Vout)差为9V时，输出电流Io为2A；在(Vin-Vout)差为12V时，输出电流Io为1A；在(Vin-Vout)差为18V时，输出电流Io为100mA。正常工作时其功率损耗PD 1为(Vin-Vout)×IoM＝6W。但在输出短路时，其功率损耗PD2为(Vin-0)×Ios＝18W。

所以，这种短路保护的功率输出级也未能将输出短路时的功率损耗PD2远小于正常工作时的功率损耗PD 1。

用户需要在输出短路时的功率损耗PD2远小于正常工作时功率损耗PD 1的功率输出级。

发明内容

为了解决上述问题，本发明公开了一种具有独特短路保护的功率输出级，包括：

差分输入单元,设有第一差分对管、第二差分对管、一镜像电流源电路、一第一电阻、一第二电阻构成的回路，镜像电流源电路与第二差分对管耦接而成为第二差分对管的负载，第一差分对管的发射极与第二差分对管的基极之间分别对称耦接所述第一电阻、所述第二电阻，第一差分对管、第二差分对管耦接偏置电流源，第一差分对管耦接一基准电压和一采样电压，第一差分对管、第二差分对管依据所述基准电压以及所述采样电压以产生第一输出信号，并将所述第一输出信号经第二差分对管的集电极送至中间放大单元；

所述中间放大单元与第二差分对管的集电极耦接，所述中间放大单元内设有具有放大功能的达林顿管，达林顿管接收所述第一输出信号并依据第一输出信号放大以产生一第二输出信号；

功率输出单元，与所述中间放大单元耦接，受控于所述第二输出信号的驱动且依据第二输出信号放大并输出一输出电压；

采样单元，与功率输出单元耦接，对输出电压进行分压以产生所述采样电压，并将所述采样电压输出至所述差分输入单元。

所述的具有独特短路保护的功率输出级，差分输入单元进一步包括：第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管、第四晶体管、第五晶体管、第六晶体管，其中，所述第一晶体管、第二晶体管组成所述第一差分对管，第三晶体管、第四晶体管组成第二差分对管，第五晶体管、第六晶体管构成所述镜像电流源电路。

所述的具有独特短路保护的功率输出级，偏置电流源包括第一偏置电流源、第二偏置电流源、第三偏置电流源，第二偏置电流源与第三偏置电流源大小相等或者不相等，第一偏置电流源、第二偏置电流源、第三偏置电流源均与电源端耦接，第一偏置电流源为第二差分对管提供偏置电流，第二偏置电流源和第三偏置电流源为第一差分对管提供偏置电流。

所述的具有独特短路保护的功率输出级，所述第一晶体管的发射极与第三晶体管的基极之间耦接一所述第一电阻，第一晶体管的基极耦接所述基准电压，所述第一晶体管的发射极、第三晶体管的基极与所述第二偏置电流源耦接；

所述第二晶体管的发射极与第四晶体管的基极之间耦接一所述第二电阻，第二晶体管的基极耦接所述采样电压，所述第二晶体管的发射极、第四晶体管的基极与所述第三偏置电流源耦接；

所述第三晶体管的发射极、第四晶体管的发射极与所述第一偏置电流源耦接，所述第三晶体管的集电极和第四晶体管的集电极分别与所述第五晶体管的集电极、第六晶体管的集电极对应耦接，所述第五晶体管的发射极、第六晶体管的发射极、第一晶体管的发射极、第二晶体管的发射极均耦接接地电压，所述第五晶体管的基极与第六晶体管的基极耦接，第三晶体管的集电极分别与所述第五晶体管的基极与第六晶体管的基极耦接；

所述第六晶体管的集电极与中间放大单元耦接。

所述的具有独特短路保护的功率输出级，所述中间放大单元还包括一与所述达林顿管耦接的一防自激回路，所述防自激回路与所述第六晶体管的基极、达林顿管的基极、达林顿管的集电极耦接，所述达林顿管的集电极与所述功率输出单元耦接，所述达林顿管的发射极耦接接地电压。

所述的具有独特短路保护的功率输出级，所述达林顿管是依次连接的第七晶体管、第八晶体管构成的同极型达林顿三极管，第七晶体管、第八晶体管为NPN型三极管，第七晶体管的发射极与接地电压之间串连接一电阻。

所述的具有独特短路保护的功率输出级，所述功率输出单元包括一第九晶体管、一上偏置电阻、一下偏置电阻、一输出端，所述第九晶体管的发射极与所述电源端耦接，所述上偏置电阻、所述下偏置电阻串联于所述第九晶体管的发射极与所述第七晶体管、第八晶体管的集电极之间，所述第九晶体管的基极耦接于上偏置电阻与所述下偏置电阻之间，所述第九晶体管的集电极与所述采样单元耦接，所述输出端自第九晶体管的集电极引出。

所述的具有独特短路保护的功率输出级，所述采样单元包括第一采样电阻、第二采样电阻，所述第一采样电阻、第二采样电阻串联于所述第九晶体管的集电极与接地电压之间，所述第一采样电阻、第二采样电阻对所述输出电压分压以产生所述采样电压，并经设置在所述第一采样电阻、第二采样电阻之间的反馈线输送至所述第二晶体管的基极。

所述的具有独特短路保护的功率输出级，第一偏置电流源与第三晶体管的发射极之间，第一偏置电流源与第四晶体管的发射极之间分别耦接一电阻。

本发明还公开了一种集成电路，包含如权利要求1-9任一所述的功率输出级。

综上所述，本发明专利具有独特短路保护的功率输出级，对于现有技术其功效在于：

1.输出短路时的功率损耗P_D2远小于正常工作时的功率损耗P_D 1。

2.短路输出电流Ios受控于差分输入单元内的第二电阻R2。

附图说明

图1具有独特短路保护的功率输出级的电路图。

其中附图标记为：

电源端Vin；第一晶体管T1；第二晶体管T2；第三晶体管T3；第四晶体管T4；第五晶体管T5；第六晶体管T6；第七晶体管T7；第八晶体管T8；第九晶体管T9；第一电阻R1；第二电阻R2；第三电阻R3；第四电阻R4；第五电阻R5；第六电阻R6；上偏置电阻R7；下偏置电阻R8；第一采样电阻R9；第二采样电阻R10，接地电压GND。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案进行详细的描述，以更进一步了解本发明的目的、方案及功效，但并非用以限定本发明。

请参照图1，图1是本发明优选实施例提供的具有独特短路保护的功率输出级的示意图。如图1所示，本发明优选实施例提供的具有独特短路保护的功率输出级，包含：差分输入单元、中间放大单元、功率输出单元和采样单元。

差分输入单元,耦接至少一偏置电流源的输入，且接收一基准电压Vref、一采样电压Vsa以产生一第一输出信号,进一步差分输入单元包括第一差分对管、第二差分对管、一镜像电流源电路、一第一电阻、一第二电阻；

至少一偏置电流源包括第一电流源I1、第二电流源I2、第三偏置电流源，第二电流源I2与第三偏置电流源I3大小相等或者不相等，第一电流源I1、第二电流源I2、第三偏置电流源I3均与电源端Vin耦接。

差分输入单元进一步包括：第一晶体管T1、第二晶体管T2、第三晶体管T3、第四晶体管T4、第五晶体管T5、第六晶体管T6，其中，第一晶体管T1、第二晶体管T2组成第一差分对管，第三晶体管T3、第四晶体管T4组成第二差分对管，第五晶体管T5、第六晶体管T6构成第二差分对管的镜像电流源负载。第一电流源I1为第二差分对管提供偏置电流，第二电流源I2和第三电流源I3为第一差分对管提供偏置电流。

第一晶体管T1的发射极与第三晶体管T3的基极之间耦接一第一电阻R1，第一晶体管T1的基极耦接基准电压Vref，第一晶体管T1的发射极、第三晶体管T3的基极与第二电流源I2耦接；

第二晶体管T2的发射极与第四晶体管T4的基极之间耦接一第二电阻R2，第二晶体管T2的基极耦接采样电压Vsa，第二晶体管T2的发射极、第四晶体管T4的基极与第三偏置电流源I3耦接；

第三晶体管T3的发射极、第四晶体管T4的发射极与第一电流源I1耦接，第三晶体管T3的发射极、第四晶体管T4的发射极与第一电流源I1之间分别串接第三电阻R3和第四电阻R4，第三晶体管T3的集电极和第四晶体管T4的集电极分别与第五晶体管T5的集电极、第六晶体管T6的集电极对应耦接，第五晶体管T5的发射极、第六晶体管T6的发射极、第一晶体管T1的发射极、第二晶体管T2的发射极均耦接接地电压GND，第五晶体管T5的基极与第六晶体管T6的基极耦接，第三晶体管T3的集电极分别与第五晶体管T5的基极与第六晶体管T6的基极耦接；第六晶体管T6的集电极与中间放大单元耦接。

中间放大单元，与所述差分输入单元耦接，接收所述第一输出信号并依据第一输出信号放大以产生一第二输出信号；所述中间放大单元包括：一达林顿管、与所述达林顿管耦接的一防自激回路，所述防自激回路与所述第六晶体管T6的基极、达林顿管的基极、达林顿管的集电极耦接，达林顿管的集电极与所述功率输出单元耦接，达林顿管的发射极耦接接地电压GND。所述达林顿管是依次连接的第七晶体管T7、第八晶体管构成的同极型达林顿三极管，第七晶体管T7、第八晶体管T8为NPN型三极管，第七晶体管T7的发射极与接地电压GND之间串连接一第六电阻R6。

防自激回路包括一第五电阻R5、一电容C1构成的回路，第五电阻R5与所述第七晶体管T7的集电极耦接，电容C1分别与第七晶体管T7的基极、差分输入单元的第六晶体管T6的集电极耦接，在第七晶体管T7的发射极与接地电压GND之间串接第六电阻R6用以增加第七晶体管T7的工作电流。

功率输出单元，与所述中间放大单元耦接，受控于所述第二输出信号的驱动且对依据第二输出信号放大并输出一输出电压；所述功率输出单元包括一第九晶体管T9、一上偏置电阻R7、一下偏置电阻R8、一输出端，所述第九晶体管T9的发射极与所述电源端耦接，所述上偏置电阻、所述下偏置电阻串联于所述第九晶体管T9的发射极与所述达林顿管的集电极之间，所述第九晶体管T9的基极耦接于上偏置电阻R7与所述下偏置电阻R8之间，也就是说，下偏置电阻R8耦接于第九晶体管T9的基极与中间放大单元中第七晶体管T7、第八晶体管T8的集电极之间，用以限制流过晶体管T7、T8的最大电流。输出端自第九晶体管T9的集电极引出。

采样单元，与功率输出单元的第九晶体管T9的集电极耦接，对输出电压进行分压以产生所述采样电压Vsa，并将所述采样电压Vsa输出至所述差分输入单元。进一步，所述采样单元包括第一采样电阻R9、第二采样电阻R10，所述第一采样电阻R9、第二采样电阻R10串联于所述第九晶体管T9的集电极与接地电压GND之间，所述第二晶体管T2的基极耦接于所述第一采样电阻R9、第二采样电阻之间R10。

通过以上的联接，当功率输出级的输出端接地时，第九晶体管T9的集电极电流将受控于差分输入单元内第二电阻R2上的压降。

通过以上的连接，当功率输出级的输出端不接地且输出电压达到稳压值Vref(R9+R10)/R10前。即输出电压在0＜Vout≤Vref(R9+R10)/R10。差分输入单元的输入两端分别连接基准电压Vref和大于零且小于或等于Vref的采样电压Vsa，第一输出信号驱动中间放大单元，经高增益的中间放大单元放大后输出第二输出信号以驱动功率输出单元，此时驱动功率输出单元内的第九晶体管T9的集电极电流不限制，只有增加过流保护回路才能限制第九晶体管T9的集电极电流。

当功率输出级的输出端接地时，即输出电压Vout＝0。差分输入单元的输入两端分别连接基准电压Vref和电源端Vin，其中电源端Vin＝0。差分输入单元内的第四晶体管T4的集电极电位V4c为：

V4c＝Vbe2+(I1+I2)×R2+Vbe4-Vces4 (1)

其中：Vbe2为第二晶体管T2的发射极-基极电压，Vbe2＝V_Tln(Ie2/Ies2)，Ie2为第二晶体管T2的发射极电流，Ie2＝I1+I2，V_T≈26mV，Ies2为第二晶体管T2的发射极反向饱和漏电流，发射极反向饱和漏电流由晶体管制作工艺和发射区面积决定；第四晶体管T4与第二晶体管T2类型相同及大小相等，反向饱和漏电流相等，Vbe4为第四晶体管T4的发射极-基极电压，Vbe4＝V_Tln(Ie4/Ies)，Ie4为第四晶体管T4的发射极电流，Ie4＝I1；Vces4为第四晶体管T4的饱和压降，此时第四晶体管T4的集电极电流近似为零，处于深饱和态，Vces4≈0。

中间放大单元内的第七晶体管T7的基极电位V7b与差分输入单元内的第四晶体管T4的集电极电位V4c相等。即

V7b＝V4c (2)

对于中间放大单元内的第七晶体管T7的基极电位V7b为：

V7b＝Vbe7+Vbe8 (3)

其中：Vbe7为第七晶体管T7的发射极-基极电压，Vbe7＝V_Tln(Ie7/Ies7)，Ie7为第七晶体管T7的发射极电流，Ies7为第七晶体管T7的发射极反向饱和漏电流；Vbe8为晶体管T8的发射极-基极电压，Vbe8＝V_Tln(Ie8/Ies8)，Ies8为第八晶体管T8的发射极反向饱和漏电流，第八晶体管T8与第七晶体管T7类型相同，第八晶体管T8与第七晶体管T7发射区面积之比为N，Ies8＝N×Ies7。

对于功率输出单元，短路输出电流Ios为：

Ios＝β×(Ic7+Ic8-Vbe9/R7) (4)

其中：β为晶体管T9的直流放大倍数；Ic7为第七晶体管T7的集电极电流，Ic7≈Ie7；Ic8为第八晶体管T8的集电极电流，Ic8≈Ie8；Vbe9为第九晶体管T9的发射极-基极电压，Vbe9＝V_Tln(Ie9/Ies9)，Ie9＝Ios(1+β)/β，Ie9为第九晶体管T9的发射极电流，Ies9为第九晶体管T9的发射极反向饱和漏电流。

联立式1～4，不难发现短路输出电流Ios受控于电阻R2。

以下举具体实施例说明本发明提供的功率输出级的有益效果，例如某一功率输出级的输入电压Vin为12V，输出电压Vout为9V，输出过流保护点IoM为2A。短路输出电流Ios为200mA。正常工作时其功率损耗P_D1为(Vin-Vout)×IoM＝6W。但在输出短路时，其功率损耗P_D2为(Vin-0)×Ios＝2.4W。

另一功率输出级的输入电压Vin为9V，输出电压Vout为6V，输出过流保护点IoM为2A。短路电流为100mA。正常工作时其功率损耗P_D1为(Vin-Vout)×IoM＝6W。在输出短路时，其功率损耗P_D2为(Vin-0)×Ios＝0.9W。

另外本发明还提供了一种集成电路，包含至少一个如图1所示的独特短路保护的功率输出级。但本发明并不以此为限，在其他实施例中使用者可根据实际使用的需要设计成多路功率输出的电路。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种具有独特短路保护的功率输出级，其特征在于，包括：

差分输入单元,包括第一差分对管、第二差分对管、一镜像电流源电路、一第一电阻、一第二电阻，镜像电流源电路与第二差分对管耦接而成为第二差分对管的负载，第一差分对管的发射极与第二差分对管的基极之间分别对称耦接所述第一电阻、所述第二电阻，第一差分对管、第二差分对管耦接偏置电流源，第一差分对管耦接一基准电压和一采样电压，第一差分对管、第二差分对管依据所述基准电压以及所述采样电压以产生第一输出信号，并将所述第一输出信号经第二差分对管的集电极送至中间放大单元；

所述中间放大单元与第二差分对管的集电极耦接，所述中间放大单元内设有具有放大功能的达林顿管，达林顿管接收所述第一输出信号并依据第一输出信号放大以产生一第二输出信号，所述达林顿管是依次连接的第七晶体管、第八晶体管构成的同极型达林顿三极管，第七晶体管、第八晶体管为NPN型三极管，第七晶体管的发射极与接地电压之间串连接一电阻；

功率输出单元，与所述中间放大单元耦接，受控于所述第二输出信号的驱动且依据第二输出信号放大并输出一输出电压，所述功率输出单元包括一第九晶体管、一上偏置电阻、一下偏置电阻、一输出端，所述第九晶体管的发射极与电源端耦接，所述上偏置电阻、所述下偏置电阻串联于所述第九晶体管的发射极与所述第七晶体管、第八晶体管的集电极之间，所述第九晶体管的基极耦接于上偏置电阻与所述下偏置电阻之间，所述第九晶体管的集电极与采样单元耦接，所述输出端自第九晶体管的集电极引出；

所述采样单元对所述输出电压进行分压以产生所述采样电压，并将所述采样电压输出至所述差分输入单元。

2.如权利要求1所述的具有独特短路保护的功率输出级，其特征在于，差分输入单元进一步包括：第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管、第四晶体管、第五晶体管、第六晶体管，其中，所述第一晶体管、第二晶体管组成所述第一差分对管，第三晶体管、第四晶体管组成第二差分对管，第五晶体管、第六晶体管构成所述镜像电流源电路。

3.如权利要求2所述的具有独特短路保护的功率输出级，其特征在于，偏置电流源包括第一偏置电流源、第二偏置电流源、第三偏置电流源，第二偏置电流源与第三偏置电流源大小相等或者不相等，第一偏置电流源、第二偏置电流源、第三偏置电流源均与电源端耦接，第一偏置电流源为第二差分对管提供偏置电流，第二偏置电流源和第三偏置电流源为第一差分对管提供偏置电流。

4.如权利要求3所述的具有独特短路保护的功率输出级，其特征在于，

所述第一晶体管的发射极与第三晶体管的基极之间耦接一所述第一电阻，第一晶体管的基极耦接所述基准电压，所述第一晶体管的发射极、第三晶体管的基极与所述第二偏置电流源耦接；

所述第二晶体管的发射极与第四晶体管的基极之间耦接一所述第二电阻，第二晶体管的基极耦接所述采样电压，所述第二晶体管的发射极、第四晶体管的基极与所述第三偏置电流源耦接；

所述第三晶体管的发射极、第四晶体管的发射极与所述第一偏置电流源耦接，所述第三晶体管的集电极和第四晶体管的集电极分别与所述第五晶体管的集电极、第六晶体管的集电极对应耦接，所述第五晶体管的发射极、第六晶体管的发射极、第一晶体管的发射极、第二晶体管的发射极均耦接接地电压，所述第五晶体管的基极与第六晶体管的基极耦接，第三晶体管的集电极分别与所述第五晶体管的基极与第六晶体管的基极耦接；

所述第六晶体管的集电极与中间放大单元耦接。

5.如权利要求4所述的具有独特短路保护的功率输出级，其特征在于，所述中间放大单元还包括一与所述达林顿管耦接的一防自激回路，所述防自激回路与所述第六晶体管的基极、达林顿管的基极、达林顿管的集电极耦接，所述达林顿管的集电极与所述功率输出单元耦接，所述达林顿管的发射极耦接接地电压。

6.如权利要求4所述的具有独特短路保护的功率输出级，其特征在于，所述采样单元包括第一采样电阻、第二采样电阻，所述第一采样电阻、第二采样电阻串联于所述第九晶体管的集电极与接地电压之间，所述第一采样电阻、第二采样电阻对所述输出电压分压以产生所述采样电压，并经设置在所述第一采样电阻、第二采样电阻之间的反馈线输送至所述第二晶体管的基极。

7.如权利要求4所述的具有独特短路保护的功率输出级，其特征在于，第一偏置电流源与第三晶体管的发射极之间，第一偏置电流源与第四晶体管的发射极之间分别耦接一电阻。

8.一种集成电路，包含如权利要求1-7任一所述的功率输出级。