CN110018708A - 一种基于电流运算的可靠限流电路 - Google Patents

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Abstract

一种基于电流运算的可靠限流电路，通过电流镜和放大器的组合，有利于使限流电路结构简单，稳定可靠，设计复杂度低，能够兼容低压差线性稳压器和轨到轨输出放大器，同时在正常工作状态不会对前级放大器产生额外负载，其特征在于，包括第一电流采样管，所述第一电流采样管与被限流输出管组成第一电流镜，所述被限流输出管为MOS管，所述被限流输出管的漏极连接第一放大器的正向输入端，所述第一放大器的负向输入端连接第六MOS管的源极，所述第六MOS管的栅极连接所述第一放大器的输出端，所述第六MOS管的源极连接所述第一电流采样管，所述第六MOS管的漏极连接第二电流镜，所述第二电流镜连接第三电流镜，所述第三电流镜连接前级放大器的输出端。

Description

一种基于电流运算的可靠限流电路
技术领域
本发明涉及输出级的过流保护电路技术，特别是一种基于电流运算的可靠限流电路，通过电流镜和放大器的组合，有利于使限流电路结构简单，稳定可靠，设计复杂度低，能够兼容低压差线性稳压器和轨到轨输出放大器，同时在正常工作状态不会对前级放大器产生额外负载。
背景技术
输出级的过流保护电路即限流电路，限流电路在正常情况下不会工作，因此对限流电路的期望是不会影响主电路的工作，并且具有较低的设计复杂度，较高的可靠性。低压差线性稳压器和输出放大器由于直接驱动外部负载，为了在短路和过流等故障情况下保护器件的安全，限流电路是必须要添加的功能模块。本发明人发现，现有技术中的低压差线性稳压器中的限流电路结构虽然简单，但针对稳定性问题的补偿设计会增加额外的前级放大器负载和设计复杂度。为了克服采用比较器进行限流产生的振荡问题，有的现有设计采用了电流比较器和连续时间限流相结合的办法，这样虽然保证了稳定性，消除了对放大器的负载，但设计的复杂度较高，在功耗和面积上都有牺牲。并且，以上这些设计都不能兼容轨到轨输出放大器的需求。
例如，本发明人检索到的一篇相关文献(Chuan L,Quan-Yuan F.Design ofcurrent limiting circuit in low dropout linear voltage regulator[C]//Microwave Conference Proceedings,2005.APMC 2005.Asia-Pacific ConferenceProceedings.IEEE,2005,2:4pp)，该结构在传统的低压差线性稳压器添加了限流电路，其中限流电路由电流采样电路和电流比较器构成，比较器的输出通过一个上拉管限制功率管的驱动电压。这个电路的主要问题是采用比较器输出来限制驱动电流，容易使放大器的输出产生振荡。为了保持稳定性，需要添加补偿电路，这增加了前级放大器的负载和设计复杂度。这个电路在应用到放大器中还有一个问题，在要求放大器具有轨到轨输出能力的时候，电流采样电路的精度会不可接受，特别是当功率管工作在线性区，采样管工作在饱和区，这时采样管与功率管的电流几乎没有相关性。
又例如，本发明人检索到的另一篇相关文献(Hsieh C Y,Yang C Y,Chen K H.Alow-dropout regulator with smooth peak current control topology forovercurrent protection[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2010,25(6):1386-1394.A Low-Dropout Regulator With Smooth Peak Current Control Topologyfor Overcurrent Protection)，为了克服采用比较器进行限流产生的振荡问题，这篇论文采用了电流比较器和连续时间限流相结合的办法，其中连续时间限流电路具有较低的环路增益，能够限制输出级的最大电流，且不存在振荡问题，但是在连续时间限流电路工作时会对前级产生负载，影响放大器的精度和速度。为了克服这个问题，采用了电流比较器进行过流检测，当过流发生时，电流比较器输出会使能连续时间限流电路，把输出电流限制在可接受范围。电流比较器采用了迟滞设计，保证限流时比较器不会误翻转，产生系统级限流振荡。当过流消失时，会再次触发限流比较器，进而关断连续时间限流电路，稳压器恢复到正常工作状态。这个电路的主要缺点是设计复杂度较高，电流比较器和连续时间限流电路都需要电流采样电路，这对应双倍的采样电流和器件面积；电流比较器需要采用较大的电流迟滞，来消除可能存在的振荡问题；此电路只能用在线性稳压器中，对轨到轨输出放大器等具有大输出摆幅的电路不适用。
对比现有的限流电路，本发明人认为，还没有一种限流电路同时具有结构简单，稳定可靠，设计复杂度低等特点，并且能够兼容低压差线性稳压器和轨到轨输出放大器的设计，在正常工作状态不会对前级放大器产生额外负载。有鉴于此，本发明人完成了本发明。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的缺陷或不足，提供一种基于电流运算的可靠限流电路，通过电流镜和放大器的组合，有利于使限流电路结构简单，稳定可靠，设计复杂度低，能够兼容低压差线性稳压器和轨到轨输出放大器，同时在正常工作状态不会对前级放大器产生额外负载。
本发明技术方案如下：
一种基于电流运算的可靠限流电路，其特征在于，包括第一电流采样管，所述第一电流采样管与被限流输出管组成第一电流镜，所述被限流输出管为MOS管，所述被限流输出管的漏极连接第一放大器的正向输入端，所述第一放大器的负向输入端连接第六MOS管的源极，所述第六MOS管的栅极连接所述第一放大器的输出端，所述第六MOS管的源极连接所述第一电流采样管，所述第六MOS管的漏极连接第二电流镜，所述第二电流镜连接第三电流镜，所述第三电流镜连接前级放大器的输出端。
所述被限流输出管为被限流输出端第一MOS管即PMOS输出管，所述第一电流采样管为第一PMOS管，所述第一PMOS管与所述PMOS输出管栅极互连，所述第一PMOS管的源极与所述PMOS输出管的源极均连接工作电压端，所述第六MOS管为PMOS管，所述第六MOS管的源极连接所述第一PMOS管的漏极，所述PMOS输出管的漏极连接所述前级放大器的负向输入端，所述前级放大器的正向输入端连接放大器正输入电压端，所述前级放大器的输出端通过电容连接所述PMOS输出管的漏极，所述PMOS输出管的栅极直接连接所述前级放大器的输出端，所述PMOS输出管的漏极直接连接被限流输出端第二MOS管的漏极，所述限流输出端第二MOS管为NMOS管，所述限流输出端第二MOS管的源极接地，所述限流输出端第二MOS管的栅极连接控制电压端。
所述第二电流镜包括栅极互连的第二NMOS管和第三NMOS管，所述第二NMOS管的源极和所述第三NMOS管的源极均接地，所述第二NMOS管的漏极和栅极连接，所述第二NMOS管的漏极连接所述第六MOS管的漏极，所述第三NMOS管的漏极连接所述第三电流镜。
所述第三电流镜包括栅极互连的第四PMOS管和第五PMOS管，所述第四PMOS管的源极和所述第五PMOS管的源极均连接工作电压端，所述第五PMOS管的漏极连接所述前级放大器的输出端，所述第四PMOS管并联有电流源，所述第四PMOS管的漏极连接栅极，所述第四PMOS管的漏极连接所述第三NMOS管的漏极。
所述被限流输出管为被限流输出端第二MOS管即NMOS输出管，所述第一电流采样管为第一NMOS管，所述第一NMOS管与所述NMOS输出管栅极互连，所述第一NMOS管的源极与所述NMOS输出管的源极均接地，所述第六MOS管为NMOS管，所述第六MOS管的源极连接所述第一NMOS管的漏极，所述NMOS输出管的漏极连接所述前级放大器的负向输入端，所述前级放大器的正向输入端连接放大器正输入电压端，所述前级放大器的输出端通过电容连接所述NMOS输出管的漏极，所述NMOS输出管的栅极直接连接所述前级放大器的输出端，所述NMOS输出管的漏极直接连接被限流输出端第一MOS管的漏极，所述限流输出端第一MOS管为PMOS管，所述限流输出端第一MOS管的源极连接工作电压端，所述限流输出端第一MOS管的栅极连接控制电压端。
所述第二电流镜包括栅极互连的第二PMOS管和第三PMOS管，所述第二PMOS管的源极和所述第三PMOS管的源极均连接工作电压端，所述第二PMOS管的漏极和栅极连接，所述第二PMOS管的漏极连接所述第六MOS管的漏极，所述第三PMOS管的漏极连接所述第三电流镜。
所述第三电流镜包括栅极互连的第四NMOS管和第五NMOS管，所述第四NMOS管的源极和所述第五NMOS管的源极均接地，所述第五NMOS管的漏极连接所述前级放大器的输出端，所述第四NMOS管并联有电流源，所述第四NMOS管的漏极和栅极连接，所述第四NMOS管的漏极连接所述第三PMOS管的漏极。
本发明技术效果如下：本发明一种基于电流运算的可靠限流电路，通过采用三个电流镜和放大器的组合结构，能够使限流电路结构简单，稳定可靠，设计复杂度低，能够兼容低压差线性稳压器和轨到轨输出放大器，同时在正常工作状态不会对前级放大器产生额外负载。
本发明具有如下特点：1、结构简单。2、设计复杂度低。3、兼容低压差线性稳压器和轨到轨输出放大器的设计。4、限流平滑，无振荡。5、本发明具有明确的输出限流起始点，最大稳定输出限流值，在这期间限流电流平滑工作。6、在输出限流起始点之前，正常工作状态对主放大器近似零负载。7、稳定的限流进入，可靠的限流退出。
本发明只以简单的两个MOS管代表电流镜，是为了在在简化电路的同时，方便同行理解设计的原理和意图，实际上电流镜的实现方式多种多样，采用任意一种电流镜结构都能实现上述限流电路。
附图说明
图1是实施本发明一种基于电流运算的可靠限流电路的结构原理示意图。
图2是本发明应用在NMOS输出限流的实现示意图。
图3是本发明应用在Class AB轨到轨输出放大器的输出限流的实现示意图。
附图标记列示如下：1-第一电流镜；2-第二电流镜；3-第三电流镜；4-被限流输出端第二MOS管；MP-被限流输出端第一MOS管；MN-被限流输出端第二MOS管；IO-被限流输出电流；VDD-工作电压端；VIP-放大器正输入电压端；GM1-前级放大器；I1-前级放大器最大输出电流(Max current)；M1-第一电流采样管；M6-第六MOS管；A或A1-第一放大器；I0-电流源或电流源电流值或阈值电流源；1：N-第一电流镜的电流镜像比例(其中N为正整数，1：N为镜像与被镜像之比)；1：M-第二电流镜的电流镜像比例(其中M为正整数，1：M为镜像与被镜像之比)；K：1-第三电流镜的电流镜像比例(其中K为正整数，K：1为镜像与被镜像之比)；PMOSCurrent Limit-PMOS限流电路；NMOS Current Limit-NMOS限流电路。
具体实施方式
下面结合附图(图1-图3)对本发明进行说明。
图1是实施本发明一种基于电流运算的可靠限流电路的结构原理示意图。图2是本发明应用在NMOS输出限流的实现示意图。图3是本发明应用在Class AB轨到轨输出放大器的输出限流的实现示意图。如图1至图3所示，一种基于电流运算的可靠限流电路，包括第一电流采样管M1，所述第一电流采样管M1与被限流输出管组成第一电流镜1，所述被限流输出管为MOS管(例如图1中的被限流输出端第一MOS管MP，或图2中的被限流输出端第二MOS管MN，或图3中的MP和MN)，所述被限流输出管的漏极连接第一放大器A(图1中为A，图2中为A1)的正向输入端(+)，所述第一放大器A的负向输入端(-)连接第六MOS管M6的源极，所述第六MOS管M6的栅极连接所述第一放大器A的输出端，所述第六MOS管M6的源极连接所述第一电流采样管M1，所述第六MOS管M6的漏极连接第二电流镜2，所述第二电流镜2连接第三电流镜3，所述第三电流镜3连接前级放大器GM1的输出端。
如图1所示，所述被限流输出管为被限流输出端第一MOS管MP即PMOS输出管，所述第一电流采样管M1为第一PMOS管，所述第一PMOS管与所述PMOS输出管栅极互连，所述第一PMOS管的源极与所述PMOS输出管的源极均连接工作电压端VDD，所述第六MOS管M6为PMOS管，所述第六MOS管M6的源极连接所述第一PMOS管的漏极，所述PMOS输出管的漏极连接所述前级放大器GM1的负向输入端(-)，所述前级放大器GM1的正向输入端(+)连接放大器正输入电压端VIP，所述前级放大器GM1的输出端通过电容CC连接所述PMOS输出管的漏极，所述PMOS输出管的栅极直接连接所述前级放大器GM1的输出端，所述PMOS输出管的漏极直接连接被限流输出端第二MOS管4的漏极，所述限流输出端第二MOS管4为NMOS管(即图1中MN)，所述限流输出端第二MOS管的源极接地，所述限流输出端第二MOS管的栅极连接控制电压端(即图1中VBN)。所述第二电流镜2包括栅极互连的第二NMOS管(即图1中M2)和第三NMOS管(即图1中M3)，所述第二NMOS管的源极和所述第三NMOS管的源极均接地，所述第二NMOS管的漏极和栅极连接，所述第二NMOS管的漏极连接所述第六MOS管M6的漏极，所述第三NMOS管的漏极连接所述第三电流镜3。所述第三电流镜3包括栅极互连的第四PMOS管(即图1中M4)和第五PMOS管(即图1中M5)，所述第四PMOS管的源极和所述第五PMOS管的源极均连接工作电压端VDD，所述第五PMOS管的漏极连接所述前级放大器GM1的输出端，所述第四PMOS管并联有电流源I0，所述第四PMOS管的漏极连接栅极，所述第四PMOS管的漏极连接所述第三NMOS管的漏极。
如图2所示，所述被限流输出管为被限流输出端第二MOS管MN即NMOS输出管(即图2中的MN)，所述第一电流采样管M1为第一NMOS管，所述第一NMOS管与所述NMOS输出管栅极互连，所述第一NMOS管的源极与所述NMOS输出管的源极均接地，所述第六MOS管M6为NMOS管，所述第六MOS管M6的源极连接所述第一NMOS管的漏极，所述NMOS输出管的漏极连接所述前级放大器GM1的负向输入端(-)，所述前级放大器GM1的正向输入端(+)连接放大器正输入电压端VIP，所述前级放大器GM1的输出端通过电容CC连接所述NMOS输出管的漏极，所述NMOS输出管(即图2中的MN)的栅极直接连接所述前级放大器GM1的输出端，所述NMOS输出管的漏极直接连接被限流输出端第一MOS管(即图2中MP)的漏极，所述限流输出端第一MOS管为PMOS管，所述限流输出端第一MOS管的源极连接工作电压端VDD，所述限流输出端第一MOS管的栅极连接控制电压端VBP。所述第二电流镜2包括栅极互连的第二PMOS管和第三PMOS管，所述第二PMOS管的源极和所述第三PMOS管的源极均连接工作电压端VDD，所述第二PMOS管的漏极和栅极连接，所述第二PMOS管的漏极连接所述第六MOS管M6的漏极，所述第三PMOS管的漏极连接所述第三电流镜3。所述第三电流镜3包括栅极互连的第四NMOS管和第五NMOS管，所述第四NMOS管的源极和所述第五NMOS管的源极均接地，所述第五NMOS管的漏极连接所述前级放大器GM1的输出端，所述第四NMOS管并联有电流源I0，所述第四NMOS管的漏极和栅极连接，所述第四NMOS管的漏极连接所述第三PMOS管的漏极。
如图1所示，本发明应用在PMOS输出限流。本电路的工作原理如下，在放大器A1的控制下，M1的漏级电压跟随MP的输出,无论MP是工作在饱和区还是线性区，M1都实现了对输出电流的1/N采样。采样电流再经过M2和M3的镜像，一方面实现了电流比例的调节，另一方面实现了采样电流方向的翻转，当电路处在正常工作状态时，经过两次电流镜像后的输出电流小于电流源I0的输出，M4和M5的栅极会被电流源I0上拉到电源，此时M5完全关闭，不影响放大电路的工作。此时我们可以得到本限流电路的第一个设计原则，上拉电流源I0的大小和最大正常输出电流(即被限流输出电流IO)的关系。
当输出短路或者负载继续减小时，输出电流继续增大，经过两次镜像后的电流开始大于I0，此时会有多余的电流流过M4，电流镜M4和M5开始工作，M5的输出电流会开始限制前级放大器GM1的输出，通常前级放大器GM1的最大驱动电流是有限的，在这里前级的最大输出电流记为I1，当M5的输出电流小于I1时，上拉电流小于下拉电流，驱动电压会继续降低，进而输出电流会继续增大，当M5的输出电流等于I1时，此时功率管的驱动电压不再下降，输出电流也不再上升，稳定在一个固定值。这时可以得到限流电路的第二个设计准则，最大输出电流IO和上拉电流源I0以及前级驱动电流I1的关系
即
本限流电路中电流的运算和比较都在电流域进行，电流的处理和传递过程引入的高频极点和晶体管本征频率相当，远高于放大器的带宽，因此限流电路在工作时等效为一个单级点系统，不存在稳定性问题。另外本发明不会存在“栓锁效应”，即当短路等故障撤离时，电路能够恢复到正常工作状态。
这可以具体解释如下：当短路等故障撤离时，由于输出的驱动电流大于正常工作时需要的电流，输出电压会上升，进而会引起前级放大器的输出降低下拉能力，在上拉管M5的作用下，功率管的驱动电压上升，输出电流随之减小，采样电流等也会跟着减小，在电流源I0的阈值作用下，限流电路会与正常电路脱离，因此系统不会锁死在限流状态，最终会回到正常工作状态。
本发明既可以用在PMOS输出的限流，也可以用在NMOS输出端的限流，如图2所示，电路的结构完全对称，因此功能也相似，不再详述。
由于本发明不限制输出管的压差，因此即可以用在传统的低压差线性稳压器中，也可以用在轨到轨输出放大器中。如图3所示，是本发明在Class AB轨到轨输出放大器中的应用。NMOS和PMOS限流电路(即图3中PMOS Current Limit，PMOS限流电路；NMOS CurrentLimit，NMOS限流电路)与主电路的连接需要两个电压采集点(A1,B1)|(A2,B2)和一个电流求和点(C1)|(C2)，分别是输出电压(A1)|(A2)、栅驱动电压(B1)|(B2)和前级放大器输出(C1)|(C2)，在本图3例中栅驱动电压(B1)|(B2)和前级放大器输出(C1)|(C2)为一个节点，在其他设计中可以在栅驱动电压(B1)|(B2)和前级放大器输出(C1)|(C2)中间插入额外的缓冲级，都属于本发明对应的范围。
在此指明，以上叙述有助于本领域技术人员理解本发明创造，但并非限制本发明创造的保护范围。任何没有脱离本发明创造实质内容的对以上叙述的等同替换、修饰改进和/或删繁从简而进行的实施，均落入本发明创造的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于电流运算的可靠限流电路，其特征在于，包括第一电流采样管，所述第一电流采样管与被限流输出管组成第一电流镜，所述被限流输出管为MOS管，所述被限流输出管的漏极连接第一放大器的正向输入端，所述第一放大器的负向输入端连接第六MOS管的源极，所述第六MOS管的栅极连接所述第一放大器的输出端，所述第六MOS管的源极连接所述第一电流采样管，所述第六MOS管的漏极连接第二电流镜，所述第二电流镜连接第三电流镜，所述第三电流镜连接前级放大器的输出端。
2.根据权利要求1所述的基于电流运算的可靠限流电路，其特征在于，所述被限流输出管为被限流输出端第一MOS管即PMOS输出管，所述第一电流采样管为第一PMOS管，所述第一PMOS管与所述PMOS输出管栅极互连，所述第一PMOS管的源极与所述PMOS输出管的源极均连接工作电压端，所述第六MOS管为PMOS管，所述第六MOS管的源极连接所述第一PMOS管的漏极，所述PMOS输出管的漏极连接所述前级放大器的负向输入端，所述前级放大器的正向输入端连接放大器正输入电压端，所述前级放大器的输出端通过电容连接所述PMOS输出管的漏极，所述PMOS输出管的栅极直接连接所述前级放大器的输出端，所述PMOS输出管的漏极直接连接被限流输出端第二MOS管的漏极，所述限流输出端第二MOS管为NMOS管，所述限流输出端第二MOS管的源极接地，所述限流输出端第二MOS管的栅极连接控制电压端。
3.根据权利要求2所述的基于电流运算的可靠限流电路，其特征在于，所述第二电流镜包括栅极互连的第二NMOS管和第三NMOS管，所述第二NMOS管的源极和所述第三NMOS管的源极均接地，所述第二NMOS管的漏极和栅极连接，所述第二NMOS管的漏极连接所述第六MOS管的漏极，所述第三NMOS管的漏极连接所述第三电流镜。
4.根据权利要求3所述的基于电流运算的可靠限流电路，其特征在于，所述第三电流镜包括栅极互连的第四PMOS管和第五PMOS管，所述第四PMOS管的源极和所述第五PMOS管的源极均连接工作电压端，所述第五PMOS管的漏极连接所述前级放大器的输出端，所述第四PMOS管并联有电流源，所述第四PMOS管的漏极连接栅极，所述第四PMOS管的漏极连接所述第三NMOS管的漏极。
5.根据权利要求1所述的基于电流运算的可靠限流电路，其特征在于，所述被限流输出管为被限流输出端第二MOS管即NMOS输出管，所述第一电流采样管为第一NMOS管，所述第一NMOS管与所述NMOS输出管栅极互连，所述第一NMOS管的源极与所述NMOS输出管的源极均接地，所述第六MOS管为NMOS管，所述第六MOS管的源极连接所述第一NMOS管的漏极，所述NMOS输出管的漏极连接所述前级放大器的负向输入端，所述前级放大器的正向输入端连接放大器正输入电压端，所述前级放大器的输出端通过电容连接所述NMOS输出管的漏极，所述NMOS输出管的栅极直接连接所述前级放大器的输出端，所述NMOS输出管的漏极直接连接被限流输出端第一MOS管的漏极，所述限流输出端第一MOS管为PMOS管，所述限流输出端第一MOS管的源极连接工作电压端，所述限流输出端第一MOS管的栅极连接控制电压端。
6.根据权利要求5所述的基于电流运算的可靠限流电路，其特征在于，所述第二电流镜包括栅极互连的第二PMOS管和第三PMOS管，所述第二PMOS管的源极和所述第三PMOS管的源极均连接工作电压端，所述第二PMOS管的漏极和栅极连接，所述第二PMOS管的漏极连接所述第六MOS管的漏极，所述第三PMOS管的漏极连接所述第三电流镜。
7.根据权利要求6所述的基于电流运算的可靠限流电路，其特征在于，所述第三电流镜包括栅极互连的第四NMOS管和第五NMOS管，所述第四NMOS管的源极和所述第五NMOS管的源极均接地，所述第五NMOS管的漏极连接所述前级放大器的输出端，所述第四NMOS管并联有电流源，所述第四NMOS管的漏极和栅极连接，所述第四NMOS管的漏极连接所述第三PMOS管的漏极。
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