CN109633242B - 一种大电流低功耗检测采集电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大电流低功耗检测采集电路，包括两个连接供电电压的比例电阻R1和R2，电阻R1和电阻R2的电阻比为4:1；电阻R1连接第一电流镜，电阻R2连接第二电流镜；所述电阻R2上还连接有金属寄生电阻RM，RM和R2之间连接有功率管；所述第一电流镜上接入短路电路Isc；所述第一电流镜的一端和第二电流镜的一端串联后依次串联接两个三极管，并且与电阻R5连接；所述第一电流镜的另一端依次串联两个三极管，然后连接电阻R3；所述第二电流镜的另一端依次串联两个三极管，然后连接电阻R4。利用金属互联寄生电阻的压降，通过快速响应电流比较器对功率管的驱动形成负反馈控制，实现实时高效的检测采集功能。

Description

一种大电流低功耗检测采集电路

技术领域

本发明属于电流检测采集技术领域；具体涉及一种大电流低功耗检测采集电路。

背景技术

随着集成电路工艺的发展，越来越多的大功率负载电源管理芯片趋于把功率分离器件集成到芯片内部，一方面提高了集成度，但同时也使得芯片内部的功耗激增，特别是当输出电流过载甚至短路时，功率管上的输出功耗将会永久损害电源管理芯片和后级负载器件，因此输出电流和功率检测采集技术是电源管理芯片的重要研究方向。目前，常用的电流检测技术有电阻采样输出电流检测方式和电流镜采样输出电流检测方式。

电阻采样输出电流检测方式包括采用具有低压差线性稳压器(Low DropoutRegulator,LDO)的输出电流采集及限制保护电路，采用了电阻采样输出电流的检测方式。如图1所示，图中的T1，T2为大功率晶体管，为了保证不发生二次击穿，它应该工作于连续运行的安全工作区，图中的R_SC和T3组成了电流检测采集及过流保护电路，其工作原理如下：

图1中限流电阻R_SC的大小为：

其中I_Om为调整管的最大可输出电流，当负载电流小于I_Om时，R_SC上的压降足够小，T3截止，此时T3的存在不影响调整管的工作；当输出电流等于I_Om时，T3管导通，从而分流了I_B1，使I_O维持在I_O＝I_Om＝V_BE3/R_SC。从而保护了调整管。

图1所示限流电路的优点是：电路结构简单，在某一特定温度下可以实现精确的限流。其缺点是：由于V_BE3是一个与温度有关的物理量，其值随温度的升高而降低，所以针对同一电路，采用此种结构，其过流保护点随温度的升高而降低。此外，由于R_SC串联于功率管的发射极，在正常工作及限流保护时，其上产生了很大的Dropout压降，会直接增加电路的耗散功率，降低芯片的工作效率。例如，对于一个限流为3A的电路，R_SC上的压降为0.7V，R_SC的大小约为4.3Ω，T2上V_CE为0.3V，那么此时由于R_SC带来的功率损耗为2.1W。

电流镜采样输出电流检测包括具有电流镜采样的限流保护结构，如图2所示，其工作原理是：M_PS与M_PO中流过的电流成正比例，Q_PS和Q_PO是为了保证M_PS和M_PO的V_DS相等，消除由厄立效应带来的不匹配。电路正常工作时，当流经功率管M_PO的电流小于I_OCP时，M_PS中的电流小于I_OCP/A,v_C点电压降低，M_NOCP截止，V_SW点电压为一高电平，经由施密特触发器，M_POCP点的电压为一高电平，M_POCP截止，此时限流保护部分不工作。当流经功率管M_PO的电流大于I_OCP时，M_PS中的电流大于I_OCP/A,此时多余的电流对M_NOCP充电，vc电压升高，M_NOCP导通，V_SW点电压降低，经由施密特触发器，M_POCP点的电压降低，M_POCP导通，V_BUF电电位被拉高，功率管关断，实现限流保护。该方式通过电流镜采样输出电流，也可以精确地实现过流保护及限流功能，而且不会引入额外的DROPOUT电压增量。但M_PS的电流随着输出电流的增大而增大，以及各部分偏置电路均会带来额外的功耗；此外此结构的反馈环路采用两级反向运算放大器，在设计时还需考虑环路稳定性问题。

发明内容

本发明提供了一种大电流低功耗检测采集电路；利用金属互联寄生电阻的压降，通过快速响应电流比较器对功率管的驱动形成负反馈控制，实现实时高效的检测采集功能。

本发明的技术方案是：一种大电流低功耗检测采集电路，包括两个连接供电电压的比例电阻R1和R2，电阻R1和电阻R2的电阻比为4:1；电阻R1连接第一电流镜，电阻R2连接第二电流镜；所述电阻R2上还连接有金属寄生电阻RM，RM和R2之间连接有功率管；所述第一电流镜上接入短路电路Isc；所述第一电流镜的一端和第二电流镜的一端串联后依次串联接两个三极管，并且与电阻R5连接；所述第一电流镜的另一端依次串联两个三极管，然后连接电阻R3；所述第二电流镜的另一端依次串联两个三极管，然后连接电阻R4；且两个电流镜的另一端之间构成一对比例电流源；所述第二电流镜另一端连接的两个三极管之间连接两个并联的三极管。所述电阻R3和电阻R4的电阻比为2:1；所述电阻R3、电阻R4和电阻R5均接地。

更进一步的，本发明的特点还在于：

其中第一电流镜为与电阻R1并联的两个三极管，且两个三极管的基极连接；第二电流镜为与电阻R2并联的两个三极管，且两个三极管的基极连接。

其中第一电流镜和第二电流镜的两个三极管均为PNP三极管。

其中电阻R1的阻值为8KΩ，电阻R2的阻值为2KΩ。

其中第一电流镜和第二电流镜构成一对1:4的比例电流源。

其中第一电流镜和第二电流镜两端连接的两个三极管依次为PNP三极管和NPN三极管。

其中第一电流镜和第二电流镜另一端连接的两个NPN三极管形成一对比例电流源。

其中金属寄生电阻RM的阻值为60mΩ。

其中第二电流镜另一端连接的两个三极管之间连接的两个并联的三极管的发射极连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：电流监测电路是功率输出类模拟电路，是电源管理类电路中必不可少的部分，本发明提供的电路可以实现对输出电流大小的监测，从而设置合理的限流保护阈值，避免因流过载、短路而导致芯片或者后端负载的永久性损坏。本发明提出的检测采集技术，完全兼容于标准的双极工艺，通过投片测试，该电路起到检测采集作用的同时，符合现代电源管理芯片对高效率低功耗的要求。具有良好的应用前景和经济效益。

附图说明

图1为现有的应用于低压差线性稳压器的输出电流采样及限制保护电路；

图2为现有的电流镜采样的限流保护电路；

图3为本发明一实施例的电路结构图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进一步说明。

本发明提供了一种大电流低功耗检测采集装置，该采集装置的电路结构如图3所示，包括连接供电电压的比例电阻R1和电阻R2，其中电阻R1的阻值为8KΩ，电阻R2的阻值为2KΩ；电阻R2还串联一个金属寄生电阻RM，金属寄生电阻RM的阻值为60mΩ，且金属寄生电阻RM和电阻R2之间还连接有一个功率管，该功率管为三极管，其中三极管的发射极连接在金属寄生电阻RM和电阻R2之间。

电阻R1和电阻R2分别连接第一电流镜和第二电流镜。第一电流镜包括与电阻R1并联的PNP三极管QP24和PNP三极管QP23；其中QP24和QP23的发射极与电阻R1连接；QP24和QP23的基极同时与QP23的集电极连接；QP24和QP23的发射极还接入短路电路Isc。第二电流镜包括与电阻R2连接的PNP三极管QP22和QP21；其中QP22和QP21的发射极与电阻R2连接；QP22和QP21的基极同时与QP22的集电极连接。

其中PNP三极管QP22和QP23的集电极同时连接PNP三极管QP26的发射极连接，QP24的集电极与PNP三极管QP27的发射极连接，QP21的集电极与PN三极管QP25的发射极连接；且QP25、QP26和QP27的基极互相连接。

QP25的集电极连接NPN三极管QN45的集电极，QP26的集电极连接NPN三极管QN46的集电极，QP27的集电极连接NPN三极管QN47的集电极；其中QN47和QN45构成一对比例电流源；QN47的集电极与其基极连接，QN47的集电极与QN46的发射极连接；QN45的基极与QN46的发射极连接；QN46的基极连接不随温度变化的电压偏置VBG，VBG为1.23V。

QN45的发射极连接电阻R4，QN46的发射极连接电阻R5，QN47的发射极连接电阻R3。其中电阻R3＝14KΩ，电阻R4＝7KΩ，电阻R5＝8.25KΩ。

其中QN45和QP25之间还连接有两个并联的三极管，具体的包括一个PNP三极管QP29和一个NPN三极管QN44。QP29的基极、QN44的基极和QN的集电极连接并连接在QP25和QN45之间；QN44的发射极和QP29的发射极连接。

本发明提供的上述大电流低功耗检测采集装置，其工作原理及功耗计算过程是：

其中VBG为一不随温度变化的电压偏置，其电压为1.23V，此时流经QN46的电流为：

由于RM为金属布线的寄生电阻；R1与R2为一组4：1的比例电阻；R3与R4为一组2：1的比例电阻；QN47与QN45构成一对比例电流源；QP24与QP23构成一对电流镜；QP22与QP21构成一对电流镜。则其满足以下关系：I_{C_QN47}：I_{C_QN45}＝1:2，I_{C_QP24}＝I_{C_QP23}，I_{C_QP22}＝I_{C_QP21}，I_{C_QP23}+I_{C_QP22}≈70uA；则有I_{C_QP24}+I_{C_QP21}≈70uA。

当输出电流较小时，寄生电阻RM上的压降可以忽略，QN45与QN47构成一对2:1的比例电流源，而(QP22+QP21)与(QP23+QP24)构成一对4:1比例电流源。此时：I_{C_QP21}：I_{C_QP24}＝4:1，I_{C_QP24}＝I_{C_QN47}＝14μA，I_{C_QP21}＝56μA，I_{C_QN45}＝2×I_{C_QN47}＝28μA。QP21的IC大于QN45的IC，VCCS点保持高电位，为了满足节点电流KCL定律，该节点对外输出约28uA电流，流入功率管的基极，增大功率管的基极驱动电流，减小DROPOUT电压。

随着输出电流的增大，当输出电流达到临界限流保护点时，电阻RM上的压降增大，不能忽略，使得(QP22+QP21)的发射极电压降低，直至(QP22+QP21)与(QP23+QP24)的电流大小满足2:1关系。根据三极管BE结电压每降低18mV,其集电极电流减小为原来的1/2,当RM上的压降为18mV时，由4：1变为2：1，此时QP21和QP25的IC恰好等于QN45的IC。VCCS节点不再对外输出电流。

当输出电流进一步增大或者功率管输出与地短路时，(QP22+QP21)与(QP23+QP24)的电流小于2:1关系，I_{C_QN45}＞I_{C_QP21}，VCCS节点电压降低,抽取功率管的基极电流，从而实现限流保护。

对于一个限流为3A的电路，根据以上分析：限流时RM上的压降为18mV，那么RM的大小约为当金属寄生电阻为60mΩ。如果金属方阻按30mΩ/mm计算，其大小约为2mm，版图设计上易于实现。

当功率管输出为1A时，RM寄生电阻上的功率损耗仅为60mW，功率管上的DROPOUT电压增加60mV。当功率管输出为2A时，RM寄生电阻上的功率损耗仅为120mW，功率管上的DROPOUT电压增加120mV。

此外，图3中ISC为电路的外接端口，在实际应用中可以根据不同的应用需求，通过在ISC与电源端口VCC之间并联不同阻值电阻，改变(QP22+QP21)与(QP23+QP24)电流大小的初始比例，灵活实现不同的限流保护点。

Claims (9)

1.一种大电流低功耗检测采集电路，其特征在于，包括两个连接供电电压的比例电阻R1和R2，电阻R1和电阻R2的电阻比为4:1；电阻R1连接第一电流镜，电阻R2连接第二电流镜；所述电阻R2上还连接有金属寄生电阻RM，RM和R2之间连接有功率管；所述第一电流镜上接入短路电路Isc；

所述第一电流镜的一端和第二电流镜的一端串联后依次串联接两个三极管，并且与电阻R5连接；所述第一电流镜在串联接连两个三极管中间连接VCCS系统，所述VCCS系统包含一个PNP三极管QP29和一个NPN三极管QN44；

所述第一电流镜的另一端依次串联两个三极管，然后连接电阻R3；所述第二电流镜的另一端依次串联两个三极管，然后连接电阻R4；且两个电流镜的另一端之间构成一对比例电流源；

所述第二电流镜另一端连接的两个三极管之间连接两个并联的三极管；

所述电阻R3和电阻R4的电阻比为2:1；

所述电阻R3、电阻R4和电阻R5均接地；

第一电流镜包括与电阻R1并联的PNP三极管QP24和PNP三极管QP23；其中QP24和QP23的发射极与电阻R1连接；QP24和QP23的基极同时与QP23的集电极连接；QP24和QP23的发射极还接入短路电路Isc；第二电流镜包括与电阻R2连接的PNP三极管QP22和QP21；其中QP22和QP21的发射极与电阻R2连接；QP22和QP21的基极同时与QP22的集电极连接；

当输出电流较小时，寄生电阻RM上的压降忽略，QN45与QN47构成一对2:1的比例电流源，而第二电流镜与第一电流镜构成一对4:1比例电流源；

随着输出电流的增大，当输出电流达到临界限流保护点时，电阻RM上的压降增大，不能忽略，使得第二电流镜的发射极电压降低，直至第二电流镜与第一电流镜的电流大小满足2:1关系，VCCS节点不再对外输出电流；

当输出电流进一步增大或者功率管输出与地短路时，第二电流镜与第一电流镜的电流小于2:1关系，VCCS节点电压降低,抽取功率管的基极电流，从而实现限流保护。

2.根据权利要求1所述的一种大电流低功耗检测采集电路，其特征在于，所述第一电流镜为与电阻R1并联的两个三极管，且两个三极管的基极连接；第二电流镜为与电阻R2并联的两个三极管，且两个三极管的基极连接。

3.根据权利要求1所述的一种大电流低功耗检测采集电路，其特征在于，所述第一电流镜和第二电流镜的两个三极管均为PNP三极管。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的一种大电流低功耗检测采集电路，其特征在于，所述电阻R1的阻值为8KΩ，电阻R2的阻值为2KΩ。

5.根据权利要求4所述的一种大电流低功耗检测采集电路，其特征在于，所述第一电流镜和第二电流镜构成一对1:4的比例电流源。

6.根据权利要求1所述的一种大电流低功耗检测采集电路，其特征在于，所述第一电流镜和第二电流镜两端连接的两个三极管依次为PNP三极管和NPN三极管。

7.根据权利要求6所述的一种大电流低功耗检测采集电路，其特征在于，所述第一电流镜和第二电流镜另一端连接的两个NPN三极管形成一对比例电流源。

8.根据权利要求1所述的一种大电流低功耗检测采集电路，其特征在于，所述金属寄生电阻RM的阻值为60mΩ。

9.根据权利要求1所述的一种大电流低功耗检测采集电路，其特征在于，所述第二电流镜另一端连接的两个三极管之间连接的两个并联的三极管的发射极连接。

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