CN109116908A - 一种应用于稳压器的限流电路 - Google Patents

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张洪俞
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Abstract

本发明提出了一种用于稳压器的限流电路，将传统限流电路使用电阻进行电流电压转换并驱动MOS管栅极的做法，升级为使用二极管连接方式的MOS管采样电压，并采用电流镜镜像电流的方式传导功率管栅极限流控制电流，通过调节串联NM3、NM4……NMn的数量，NMOS管的宽长比以及电流镜的镜像倍数关系，可以将限流触发电流Imax设置的比较高。当限流触发后，系列正反馈会导致限流效应大幅增强，功率PMOS管PM1的输出电流急剧减小，最终短路维持电流Imin会保持在较低值。

Description

一种应用于稳压器的限流电路
技术领域
本发明涉及集成电路稳压电源设计领域，尤其涉及一种用于稳压器芯片的限流电路。
背景技术
稳压器属于功率器件，当负载阻抗降低，输出电流急剧增大时，需要有限流电路限制电流增大，以避免出现芯片烧毁的问题。传统的稳压器及其限流电路如图3所示。输出电流由PMOS管PM1提供，当负载电流增大时，流过PM1的电流会增大甚至会导致其烧毁，需要限流电路为其提供保护。PMOS管PM2的栅极与PMOS功率管PM1栅极相连，起到镜像PM1电流的作用，因此流过PMOS管PM2的电流与流过PMOS管PM1的电流的比例，等于PMOS管PM2的宽长比与PMOS管PM1的宽长比的比例。当负载阻抗降低导致PMOS管PM1的电流增加时，PMOS管PM2电流会等比例增加，PMOS管PM2电流流过电阻R3导致电阻R3两端电压也随之增加，当PMOS管PM2的电流随着PMOS管PM1的电流增大到足够大，导致电阻R3两端的电压超过NMOS管NM2的阈值时，NMOS管NM2导通。NMOS管NM2的电流流过电阻R4，使得电阻R4两端电压升高，随着输出功率管PM1电流继续增大，使得电阻R4两端电压超过PMOS管PM4的阈值电压，导致PMOS管PM4导通，将功率PMOS管PM1的栅极电压上拉，使得PMOS管PM1的栅源电压VGS变低，起到降低PMOS管PM1输出电流的作用。最终如图4所示输出短路后输出电流为短路维持电流Imin。
图3结构在一些大电流稳压器的应用中希望限流的触发电流Imax要足够大以确保系统的带载能力，而触发限流后输出短路的维持电流Imin要尽量小以降低短路电流消耗。但图3结构由于采用电阻来采样电流产生MOS管的栅源电压，电阻是线性器件，电压只能随电流线性变化，无法快速跳变以增强对NMOS管NM2栅源电压的驱动能力，作用效果较弱。因此，难以将限流触发电流Imax和短路维持电流Imin的差大幅度拉大，如果需要得到较大的Imax，则Imin不可避免也要随之提高，增加了短路后的功耗。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种应用于稳压器的限流电路，解决现有技术限流电路限流触发电流Imax与短路维持电流Imin的差难以拉大的问题。通过优化电路结构实现较强的正反馈，在限流触发电流较高的前提下，通过较强的正反馈将输出电流快速拉低，最终得到较低的短路维持电流。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种应用于稳压器的限流电路，稳压器包括误差放大器EA，PMOS输出功率管PM1，输出电压反馈电阻R1和R2，误差放大器EA的正向输入端连接基准电压信号Vref，误差放大器EA的负向输入端连接电阻R1与R2的连接端，误差放大器EA的输出端连接PMOS输出功率管PM1的栅极，PMOS管PM1的源极与衬底互联并连接电源VDD，PMOS管PM1的漏极连接电阻R1的一端并作为稳压器输出端，输出电压Vout，电阻R1的另一端连接电阻R2的一端，电阻R2的另一端接地，其特征在于：
设置限流电路，包括PMOS管PM2、PM3和PM4，NMOS管NM1、NM2和NM3，PMOS管PM2的源极和衬底、PMOS管PM3的源极和衬底以及PMOS管PM4的的源极和衬底均连接电源VDD，PMOS管PM2的栅极与误差放大器EA的输出端、PMOS管PM4的漏极以及PMOS功率管PM1的栅极连接在一起，PMOS管PM2的漏极与NMOS管NM1的漏极和栅极以及NMOS管NM2的栅极连接在一起，NMOS管NM1的衬底、NMOS管NM2的衬底以及NMOS管NM3的源极和衬底均接地，NMOS管NM1的源极与NMOS管NM3的栅极和漏极相连接，NMOS管NM2的源极连接稳压器的输出电压Vout，NMOS管NM2的漏极与PMOS管PM3的漏极和栅极以及PMOS管PM4的栅极连接在一起。
所述限流电路中的NMOS管NM3可以采用由多个NMOS管串联构成的结构，即NM31、NM32……NM3n串联，该串联结构中，所有NMOS管的衬底互连并接地，每个NMOS管的栅极均与自身的漏极相连并连接前一个NMOS管的漏极，最后一个NMOS管NM3n的漏极接地。
所述的基准电压信号Vref可由现有技术的基准电压电路产生并提供。
本发明的优点及显著效果：本发明将传统限流电路使用电阻进行电流电压转换并驱动MOS管栅极的做法，升级为使用二极管连接方式的MOS管采样电流，并采用电流镜镜像电流的方式传导功率管栅极限流控制电流，通过调节NM3串联结构中NMOS管NM31、NM32……NM3n的数量、NMOS管的宽长比以及电流镜的镜像倍数关系，可以将限流触发电流Imax设置为所需要的大电流。当限流触发后，负载阻抗继续减小直至Vout对GND短路，NMOS管NM2的源极随着Vout下降，NMOS管NM2的栅源电压VGS随之增大，并且NMOS管NM2受衬偏效应影响减小，NMOS管NM2的阈值电压会随之降低，这一系列正反馈会导致限流效应大幅增强，功率PMOS管PM1的输出电流急剧减小，最终如图5所示，短路维持电流Imin会保持在较低的电流。
附图说明
图1是本发明稳压器及其限流电路的电路图；
图2是本发明的一种衍生电路；
图3是传统架构限流电路；
图4是传统架构限流电路的输出电压电流曲线；
图5是本发明性能升级后限流电路的输出电压电流曲线；
具体实施方式
图1是实现本发明的电路图，具体电路分为稳压电路和限流电路两部分。
左侧虚线框为稳压电路为传统稳压器结构，包括误差放大器EA，外部基准电路提供的基准电压信号Vref，功率PMOS管PM1，分压电阻R1和R2。其工作原理为：分压电阻R1和R2、误差放大器和功率PMOS管PM1构成闭环反馈回路，误差放大器通过调节功率PMOS管PM1的栅极电压控制PM1的漏极电压Vout，使得电阻分压网络R1和R2直接的反馈电压始终保持与误差放大器EA的同相输入端的基准电压Vref相等。当由于负载变化等原因导致输出电压Vout低于反馈网络稳定电压时，电阻R1和R2产生的分压也将随之降低，导致误差放大器EA的反向输入端电压低于Vref，误差放大器EA的输出电压将降低以增加PMOS功率管PM1的驱动能力，增大驱动电流，提高输出电压Vout直至重新获得系统平衡。反之亦然。
右侧虚线框为限流电路，PMOS管PM2按比例镜像功率PMOS管PM1的电流，当功率PMOS管PM1的电流在正常电流范围内时，流过PMOS管PM2的电流较小，流过PMOS管PM2的电流流入二极管接法的NMOS管NM1和NM3，使得NMOS管NM1和NM3处于饱和区。饱和区栅源电压公式如下：
VGS为NMOS管的栅极和源极的电压差，μn为载流子电子的迁移率，COX为单位面积的栅氧化层电容，W/L为宽长比，VTH为NMOS管阈值。NMOS管NM2的栅极电压为NMOS管NM1和NM3的栅源电压之和，即VGNM2＝VGSNM1+VGSNM3。这个电压相比于传统限流架构采用电阻采样电流得到的电压有明显优势，只要系统输出功率PMOS管PM1有一个小电流，镜像到PMOS管PM2，提供给NMOS管NM1和NM3，就可以使得NMOS管NM2的栅极维持至少两个NMOS阈值电压。而采用电阻分压，当限流启动后，功率管电流减小，限流作用强度也会随之减小，只能依靠限流启动后输出电压Vout下降带来的NMOS管NM2的衬偏作用减弱，导致阈值电压降低来维持限流作用强度，但作用效果不强，因此短路维持电流难以维持较低。
在正常工作情况下，NMOS管NM2的栅极维持两个阈值电压VTH以上的电压，但由于NMOS管NM2的源极为Vout，电压高于地电位，而且在衬偏效应的影响下阈值较高，因此NM2不会导通。当负载阻抗降低导致功率PMOS管PM1的电流升高超过设定的保护电流时，PMOS管PM2的电流随之增大，导致NMOS管NM1和NM3的栅源电压VGS电压增大，NMOS管NM2的栅极电压高于其阈值电压，NMOS管NM2导通，进而通过PMOS管PM3和PMOS管PM4镜像电流，将PMOS功率管PM1的栅极电压拉高，导致输出驱动能力下降。随着负载阻抗进一步降低直至短路，输出电压Vout会随之下降。此时NMOS管NM1和NM3仍将保持小电流导通，NMOS管NM2的栅极电压将维持在两个阈值电压附近，而NMOS管NM2的源极电压将随着输出电压Vout降低，并且NMOS管NM2的衬偏效应将随之减弱，阈值电压进一步减小，最终导致NMOS管NM2的栅源电压VGS增大，上述作用相互起到正反馈作用，限流强度进一步增强，最终将得到较低的限流维持电流。
如图2所示，可以将NMOS管NM3改为多个NMOS管串联构成，NM31、NM32……NM3n，可以适应不同输出电压Vout的应用环境。
如图5所示，与传统的稳压器及其限流电路的输出电压电流曲线图4相比，短路维持电流Imin会保持在较低的电流。

Claims (3)

1.一种应用于稳压器的限流电路，稳压器包括误差放大器EA，PMOS输出功率管PM1，输出电压反馈电阻R1和R2，误差放大器EA的正向输入端连接基准电压信号Vref，误差放大器EA的负向输入端连接电阻R1与R2的连接端，误差放大器EA的输出端连接PMOS输出功率管PM1的栅极，PMOS管PM1的源极与衬底互联并连接电源VDD，PMOS管PM1的漏极连接电阻R1的一端并作为稳压器输出端，输出电压Vout，电阻R1的另一端连接电阻R2的一端，电阻R2的另一端接地，其特征在于：
设置限流电路，包括PMOS管PM2、PM3和PM4，NMOS管NM1、NM2和NM3，PMOS管PM2的源极和衬底、PMOS管PM3的源极和衬底以及PMOS管PM4的的源极和衬底均连接电源VDD，PMOS管PM2的栅极与误差放大器EA的输出端、PMOS管PM4的漏极以及PMOS功率管PM1的栅极连接在一起，PMOS管PM2的漏极与NMOS管NM1的漏极和栅极以及NMOS管NM2的栅极连接在一起，NMOS管NM1的衬底、NMOS管NM2的衬底以及NMOS管NM3的源极和衬底均接地，NMOS管NM1的源极与NMOS管NM3的栅极和漏极相连接，NMOS管NM2的源极连接稳压器的输出电压Vout，NMOS管NM2的漏极与PMOS管PM3的漏极和栅极以及PMOS管PM4的栅极连接在一起。
2.根据权利要求1所述的一种应用于稳压器的限流电路，其特征在于：所述限流电路中的NMOS管NM3采用由多个NMOS管串联构成的结构，即NM31、NM32……NM3n串联，该串联结构中，所有NMOS管的衬底互连并接地，每个NMOS管的栅极均与自身的漏极相连并连接前一个NMOS管的源极，最后一个NMOS管NM3n的源极接地。
3.根据权利要求1、2所述的一种应用于稳压器的限流电路，其特征在于：所述的基准电压信号Vref由基准电压电路产生并提供。
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