CN109343644B

CN109343644B - 一种自动调节限流保护电路

Info

Publication number: CN109343644B
Application number: CN201811582723.1A
Authority: CN
Inventors: 王彬; 夏剑平; 范青; 黄堃; 王云飞
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2018-12-24
Filing date: 2018-12-24
Publication date: 2020-05-05
Anticipated expiration: 2038-12-24
Also published as: CN109343644A

Abstract

本发明公开了一种自动调节限流保护电路，将输出电压与电源电压相比较，根据输出电压与电源电压的差值大小，决定限流阈值的大小的方法实现功率管自动调节限流值功能。本发明包括功率管、用于检测功率管电流的采样管、用于检测输出电压的单位增益放大器、以及与电源电压的分压的多路电压比较器，多路电压比较器控制着多路电流开关从而决定着限流阈值的大小，将功率管电流变化采样与限流值进行比较，起到限流保护电路的作用。本发明利用输出电压与电源电压的差值决定限流阈值，适用于大功率、宽输入输出的电源稳压芯片，具有灵活方便，结构简单，节省成本的特点。

Description

一种自动调节限流保护电路

技术领域

本发明属于集成电路技术领域，具体涉及一种自动调节限流保护电路。

背景技术

过流保护电路广泛地应用于功率器件和电源管理芯片中，如超低压差线性稳压器，DC-DC转换器或其他大功率系统中。过流保护电路通常为整个系统提供过流检测的功能，特别是电源管理芯片为负载提供电流时，由于负载问题导致电源管理芯片提供过大电流，此时过流保护电路启动，限制最大输出电流或者使整个系统关闭起到保护整个电路的作用，是大功率器件中不可缺少的单元模块。

过流保护电路的原理是通过电流采样电路将功率管的电流按一定的比例采样与额定限流电流进行比较，当采样电流超过额定限流电流时，限流保护电路启动限制功率管的输出电流，处于限流状态；当功率管的电流较小时，限流保护电路无法被启动，处于关闭状态，整个系统处于正常工作状态；当功率管电流从限流状态逐渐减小时，系统能够自动恢复工作状态，起到保护系统的作用。

本发明的设计主要应用于宽范围输入输出的大电流低压差线性稳压器系统中，低压差线性稳压器所输出电流较大，同时在输入输出压差较大即功率管的源漏端压差较大情况下，功率管易发生雪崩击穿现象和烧坏器件。

为了保护电路不会因为负载电流过大，造成芯片升温至烧毁，需要引入能够根据输入输出状态调节的限流保护电路。在传统的限流保护电路中，限流阈值为一固定值会存在以下两种现象：1、当低压差线性稳压器工作在输入输出压差较大即功率管的源漏端压差较大时，若极限电流较大，流过功率管的大负载电流易产生较大功耗发生电路烧片现象；2、当电路工作在输入输出压差较小即功率管的源漏端压差较小时，若极限电流较小，流过功率管的大负载电流易使限流保护电路启动，导致功率管处于截至状态，电路无法进行工作。因此，希望限流保护电路可根据输入输出不同状态下实现极限电流连续可调，从而保证电路在不同的工作状态下都能够稳定工作。针对传统宽范围输入输出的大功率低压差线性稳压器限流保护电路限流阈值无法可调的缺点，在传统限流保护电路的基础上进一步改进，提出了一种限流阈值可根据输入输出状态自动可调节的限流保护电路。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种对于宽范围输入输出的大功率电源管理芯片的自动调节限流保护电路。通过本发明的电路应用，可以根据输入输出的电压关系自动调节限流阈值的大小，电路应用更加灵活方便，无需片外电路调节，节省成本，应用简单。

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：

本发明提供一种自动调节限流保护电路，包括第一功率管、第一MOS管、第一反馈电阻、第二反馈电阻、第一开关管、第二MOS管、第三MOS管、第一电流源、第二电流源、第三电流源、第四电流源、第一开关、第二开关、第三开关、第一比较器、第二比较器、第三比较器、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第四MOS管、以及第四比较器；第一功率管、第一反馈电阻、第二反馈电阻构成稳压器的输出电压；第一MOS管的栅极依次与第一功率管的栅极、第一开关管漏极相连；第二MOS管的漏极与其栅极均与第三MOS的栅极、第一MOS管的漏极相连；第四比较器的输出端与第四MOS管的栅极相连；第四MOS管的漏极分别与第四比较器的反相输入端、第五电阻的第一端、第一比较器的反相输入端、第二比较器的反相输入端、第三比较器的反相输入端相连；第一电阻的第二端及第二电阻的第一端均与第一比较器的同相输入端相连；第二电阻的第二端及第三电阻的第一端均与第二比较器的同相输入端相连；第三电阻的第二端及第四电阻的第一端均与第三比较器的同相输入端相连；第一比较器的输出端控制第三开关；第二比较器的输出端控制第二开关；第三比较器的输出端控制第一开关；第二电流源的第二端与第一开关的第一端相连；第三电流源的第二端与第二开关的第一端相连；第四电流源的第二端与第三开关的第一端相连；第三MOS管的漏极分别与第一电流源的第二端、第一开关的第二端、第二开关的第二端、第三开关的第二端、以及第一开关管的栅极相连。

具体的，所述第一反馈电阻的第二端和第二反馈电阻的第一端连接至反馈电压V_FB。

具体的，所述第一功率管为PMOS管，所述第一功率管、第一反馈电阻、第二反馈电阻、以及反馈电压V_FB构成了输出电压电路。

具体的，所述第四比较器的同相输入端连接有输出电压V_OUT。

具体的，所述第一电流源、第二电流源、第三电流源、第四电流源为稳压电路系统提供稳压电流。

具体的，所述第一开关、第二开关、第三开关为PMOS管开关。

具体的，所述第一功率管、第一MOS管、第一开关管、第一电流源、第二电流源、第三电流源、第四电流源、第一电阻、第四MOS管上连接有电源电压VDD，所述电源电压VDD为整个系统的供电电压。

具体的，所述第三MOS管、第一电流源、第二电流源、第三电流源、第四电流源、以及第一开关管构成电流比较器开关电路。

本发明具有以下有益效果：本发明分别由电源管理系统中的功率管、对功率管电流进行采样的采样管、控制功率管工作的开关管、电流比较电路、输入电压分压电路、输出电压采样电路、电压比较电路、电流源控制电路组成。采样管对功率管流过的电流进行等比例采样，获得与功率管电流的变化一致的采样电流；输出电压采样电路得到输出电压值；输入电压分压电路将输入电压分为不同电压值；电压比较电路将输入电压的分压值与输出电压的采样值进行比较输出；根据电压比较电路的输出状态控制电流源开关，实现根据不同的输入输出电压得到不同的限流阈值电流；电流比较电路将限流阈值电流与采样电流进行比较，比较输出值控制开关管决定系统的工作状态；当采样电流小于限流阈值电流时，系统处于正常工作状态；当采样电流大于限流阈值电流时，开关管使功率管停止工作，将电流输出限流在阈值输出电流状态，输出电流不在增加，起到保护整个系统的作用。整个系统根据输入输出电压的变化自动调节输出电流，当输入输出电压相差较大时，即功率管的源漏压差较大时，电压比较电路输出控制开关减小阈值电流使功率管的最大输出电流降低起到保护功率管的作用；当输入输出电压相差较小时，即功率管的源漏压差较小时，可以输出较大的电流，此时电压比较电路输出控制开关增加阈值电流使功率管的最大输出电流变大实现较大的电流输出能力。本发明的应用能够实现自动调节电源管理系统限流阈值，具有片外应用电路简单方便的特点。

附图说明

图1为本发明一种自动调节的限流保护电路第一实施例的原理图。

图2为本发明一种自动调节的限流保护电路第二实施例的原理图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施方式。

为了达到本发明的目的，如图1所示，在本发明的其中一种实施方式中提供一种自动调节的限流保护电路，包括第一功率管M_POW、第一MOS管M₁、第一反馈电阻R_FB1、第二反馈电阻R_FB2、第一开关管M_S、第二MOS管M₂、第三MOS管M₃、第一电流源I₁、第二电流源I₂、第三电流源I₃、第四电流源I₄、第一开关S₁、第二开关S₂、第三开关S₃、第一比较器A₁、第二比较器A₂、第三比较器A₃、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、第四MOS管M₄、以及第四比较器A₄；第一功率管M_POW、第一反馈电阻R_FB1、以及第二反馈电阻R_FB2构成稳压器的输出电压V_OUT；第一MOS管M1的栅极依次与第一功率管M_POW的栅极、第一开关管M_S漏极相连；第二MOS管M₂的漏极与其栅极均与第三MOS的M₃栅极、第一MOS管M₁的漏极相连；第四比较器A₄的输出端与第四MOS管M₄的栅极相连；第四MOS管M₄的漏极分别与第四比较器A₄的反相输入端、第五电阻R₅的第一端、第一比较器A₁的反相输入端、第二比较器A₂的反相输入端、第三比较器A₃的反相输入端相连；第一电阻R₁的第二端及第二电阻R₂的第一端均与第一比较器A₁的同相输入端相连；第二电阻R₂的第二端及第三电阻R3的第一端均与第二比较器A₂的同相输入端相连；第三电阻R₃的第二端及第四电阻R₄的第一端均与第三比较器A₃的同相输入端相连；第一比较器A₁的输出端控制第三开关S₃；第二比较器A₂的输出端控制第二开关S₂；第三比较器A₃的输出端控制第一开关S₁；第二电流源I₂的第二端与第一开关S₁的第一端相连；第三电流源I₃的第二端与第二开关S₂的第一端相连；第四电流源I₄的第二端与第三开关S₃的第一端相连；第三MOS管M₃的漏极分别与第一电流源I₁的第二端、第一开关S₁的第二端、第二开关S₂的第二端、第三开关S₃的第二端、以及第一开关管M_S的栅极相连。

所述第一反馈电阻R_FB1的第二端和第二反馈电阻R_FB2的第一端连接至反馈电压V_FB。

所述第一功率管为PMOS管，所述第一功率管与第一反馈电阻、第二反馈电阻、反馈电压V_FB构成了输出电压电路。

所述输出电压V_OUT与第四比较器A₄的同相输入端相连。

所述第一电流源I₁、第二电流源I₂、第三电流源I₃、第四电流源I₄为稳压电路系统提供稳压电流。

所述第一开关S₁、第二开关S₂、第三开关S₃为PMOS管开关。

所述第一功率管、第一MOS管、第一开关管、第一电流源、第二电流源、第三电流源、第四电流源、第一电阻、第四MOS管上连接有电源电压VDD，所述电源电压VDD为整个系统的供电电压。

所述第三MOS管M₃、第一电流源I₁、第二电流源I₂、第三电流源I₃、第四电流源I₄、以及第一开关管M_S构成电流比较器开关电路。

本发明中一种自动调节的限流保护电路第一实施例的具体工作原理如下：

采样管对功率管流过的电流进行等比例采样，获得与功率管电流的变化一致的采样电流；输出电压采样电路得到输出电压值；输入电压分压电路将输入电压分为不同电压值；电压比较电路将输入电压的分压值与输出电压的采样值进行比较输出；根据电压比较电路的输出状态控制电流源开关，实现不同的输入输出电压得到不同的限流阈值电流；电流比较电路将限流阈值电流与采样电流进行比较，比较输出值控制开关管决定系统的工作状态；当采样电流小于限流阈值电流时，系统处于正常工作状态，当采样电流大于限流阈值电流时，开关管使功率管停止工作，将电流输出限流在阈值输出电流状态，输出电流不在增加，起到保护整个系统的作用。整个系统根据输入输出电压的变化自动调节输出电流；当输入输出电压相差较大时，即功率管的源漏压差较大时，电压比较电路输出控制开关减小阈值电流使功率管的最大输出电流降低保护功率管的作用；当输入输出电压相差较小时，即功率管的源漏压差较小时，具有较大电流输出的能力。，此时电压比较电路输出控制开关增加阈值电流使功率管的最大输出电流变大实现较大的电流输出能力。

在第一实施例中，第一MOS管M₁将第一功率管M_POW的输出电流按MOS管的宽长比例缩写采样出来，得到

通过由第二MOS管M₂和第三MOS管M₃组成电流镜的比例关系，可以得到第三MOS管M₃的电流，即电流比较器的功率管采样电流为：

其中，根据电路设计原理，将第一功率管M_POW、第一MOS管M₁、第二MOS管M₂和第三MOS管M₃的宽长比关系为：

输入电压的分压电路为将输入电压分为不同的压值V_A、V_B和V_C。

通过将第四比较器A₄连接为单位增益放大器的结构使D点电压为：

第一比较器A₁、第二比较器A₂、第三比较器A₃分别将V_D和V_A、V_B、V_C进行电压比较，三个电压比较器的输出将改变电流值

I_limit＝I₁+I₂+···+I_K,(K＝2,3,4)。

若V_D>V_C，则第三比较器A₃输出为低电平信号，第一开关S1导通，则I_limit＝I₁+I₂；

若V_D>V_B，则第二比较器A₂输出为低电平信号，第二开关S2导通，则I_limit＝I₁+I₂+I₃；

若V_D>V_A，则第一比较器A₁输出为低电平信号，第三开关S₃导通，则I_limit＝I₁+I₂+I₃+I₄。

通过上式的计算得到，输出电压V_OUT与电源电压VDD越接近，则I_limiit值越大，允许流过功率管的电流越大。

通过第三MOS管M₃和电流源控制电路相连接，电流I_limiit与I_M3的电流值进行电流比较，当I_limiit>I_M3时，流过第三MOS管支路的电流为I_M3，输出电压VE为高电平VDD，第一开关管M_S处于截止状态，第一功率管M_POW正常工作；当I_limiit<I_M3时，流过第三MOS管支路的电流为I_limiit，输出电压V_E为低电平，第一开关管M_S处于导通状态，第一功率管M_POW处于截止状态，使第一功率管M_POW的电流不再增加起到稳定输出电流的目的。本发明的应用实现了不同输入输出电压状态下自动调节限流阈值的功能，完成了当输入输出电压相差较大时，即功率管的源漏压差较大时，电压比较电路输出控制开关减小阈值电流使功率管的最大输出电流降低保护功率管的作用；当输入输出电压相差较小时，即功率管的源漏压差较小时，具有较大电流输出的能力。

本发明中一种自动调节的限流保护电路第二实施例的带隙基准电压电路具体工作原理如下：

图2是在图1的基础之上，将第一开关S₁、第二开关S₂、第三开关S₃以实际电路的应用形式表示，第一开关S₁、第二开关S₂、第三开关S₃均为PMOS器件。

通过上述第一实施例，可发现本发明过温保护电路以一种结构简单，过温阈值控制精确，实用性强的特点。

在本发明中，“连接”、“相连”、“连”、“接”等表示电性相连的词语，如无特别说明，则表示直接或间接的电性连接。上述的所有电流源，电阻的第一端和第二端均是按照电流的流经方向定义的，电流首先经过的一端为第一端，另一端就为第二端。

为了进一步地优化本发明的实施效果，在本发明的另一种实施方式中，在前述内容的基础上，上述的以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种自动调节限流保护电路，其特征在于，包括第一功率管、第一MOS管、第一反馈电阻、第二反馈电阻、第一开关管、第二MOS管、第三MOS管、第一电流源、第二电流源、第三电流源、第四电流源、第一开关、第二开关、第三开关、第一比较器、第二比较器、第三比较器、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第四MOS管、以及第四比较器；所述第一功率管、第一反馈电阻、第二反馈电阻构成稳压器的输出电压；所述第一MOS管的栅极依次与第一功率管的栅极、第一开关管漏极相连；所述第二MOS管的漏极与其栅极均与第三MOS的栅极、第一MOS管的漏极相连；所述第四比较器的输出端与第四MOS管的栅极相连；所述第四MOS管的漏极分别与第四比较器的反相输入端、第五电阻的第一端、第一比较器的反相输入端、第二比较器的反相输入端、第三比较器的反相输入端相连；所述第一电阻的第二端及第二电阻的第一端均与第一比较器的同相输入端相连；所述第二电阻的第二端及第三电阻的第一端均与第二比较器的同相输入端相连；所述第三电阻的第二端及第四电阻的第一端均与第三比较器的同相输入端相连；所述第一比较器的输出端控制第三开关；所述第二比较器的输出端控制第二开关；所述第三比较器的输出端控制第一开关；所述第二电流源的第二端与第一开关的第一端相连；所述第三电流源的第二端与第二开关的第一端相连；所述第四电流源的第二端与第三开关的第一端相连；所述第三MOS管的漏极分别与第一电流源的第二端、第一开关的第二端、第二开关的第二端、第三开关的第二端、以及第一开关管的栅极相连。

2.根据权利要求1所述的自动调节限流保护电路，其特征在于，所述第一反馈电阻的第二端和第二反馈电阻的第一端连接至反馈电压V_FB。

3.根据权利要求2所述的自动调节限流保护电路，其特征在于，所述第一功率管为PMOS管，所述第一功率管、第一反馈电阻、第二反馈电阻、以及反馈电压V_FB构成了输出电压电路。

4.根据权利要求2所述的自动调节限流保护电路，其特征在于，所述第四比较器的同相输入端连接有输出电压V_OUT。

5.根据权利要求4所述的自动调节限流保护电路，其特征在于，所述第一电流源、第二电流源、第三电流源、第四电流源为稳压电路系统提供稳压电流。

6.根据权利要求2所述的自动调节限流保护电路，其特征在于，所述第一开关、第二开关、第三开关为PMOS管开关。

7.根据权利要求2所述的自动调节限流保护电路，其特征在于，所述第一功率管、第一MOS管、第一开关管、第一电流源、第二电流源、第三电流源、第四电流源、第一电阻、第四MOS管上连接有电源电压VDD，所述电源电压VDD为整个系统的供电电压。

8.根据权利要求2所述的自动调节限流保护电路，其特征在于，所述第三MOS管、第一电流源、第二电流源、第三电流源、第四电流源、以及第一开关管构成电流比较器开关电路。