CN110488905B

CN110488905B - 低压差线性稳压器过载保护电路

Info

Publication number: CN110488905B
Application number: CN201910645462.1A
Authority: CN
Inventors: 肖知明; 胡伟波; 马伟; 房哲
Original assignee: Shenzhen Research Institute Of Nankai University; Nankai University
Current assignee: Shenzhen Research Institute Of Nankai University; Nankai University
Priority date: 2019-07-17
Filing date: 2019-07-17
Publication date: 2021-02-12
Anticipated expiration: 2039-07-17
Also published as: CN110488905A

Abstract

本发明提供了一种低压差线性稳压器过载保护电路，其包括低压差线性稳压器，其为电路系统的供电模块且受控制调节输出的电压和电流的大小；主电路模块，实时监测并根据温度的变化生成控制电流并输入至低压差线性稳压器以调节输出功率的大小，且可通过数字信号配置功率变化的温度节点和变化速率。本发明电路结构简单，可调性强，能根据低压差线性稳压器的输出实时调节功率(温度)阈值；而且可以单独某一功率(温度)时所对应的极限输出电流大小，调节线性度好，能够适用于不同的应用需求。

Description

低压差线性稳压器过载保护电路

技术领域

本发明涉及电路保护和电源管理技术领域，尤其是涉及一种低压差线性稳压器过载保护电路。

背景技术

当低压差线性稳压器给电路系统供电时，电路开始工作。电源的输出功率很大一部分转化为热量，随着热量的积累，温度逐渐上升，电路的性能就开始下降。当温度上升到一定的程度时，电路就可能会被损毁。因此，电路系统需要有个保护机制：当温度达到一定的程度时，低压差线性稳压器的输出功率就会减小；当温度逐渐下降时，低压差线性稳压器的输出功率就会逐渐增大。此外，为了增加电路实用性和普适性，功率下降或上升的温度节点和速率应该具有可调性。

低压差线性稳压器在电路系统中的应用很广泛，能够实现降压稳压、电源隔离、滤波限幅等功能。作为系统的“心脏”，如何控制低压差线性稳压器的输出功率对于维持系统性能、保护电路安全至关重要。

目前的低压差线性稳压器的功率保护机制包括以下几种：

“Brick-wall”电流极限法：将低压差线性稳压器的输出电流按比例缩小后，与内部的参考电流进行比较，若大于参考电流则关闭输出，电压立即下降到零。

“Constant-_LIMit”电流极限法：将低压差线性稳压器的最大电流限制为独立于输出电压的固定值I_LIM，当输出电流达到I_LIM后就不会继续增大了。

“Foldback”功率极限法：当功耗(温度)达到阈值后，低压差线性稳压器的输出电流极限线性减小，使输出晶体管保持在安全的功耗极限内。

“Brick-wall”电流极限法：电路的可调性差，低压差线性稳压器输出电流的阈值由内部参考电流决定，无法实时调整；当达到阈值后，输出电压跳变为零，无法调节中间过程。

“Constant-_LIMit”电流极限法：无法根据低压差线性稳压器的输出功率(温度)实时调整。当达到设定的电流阈值后，输出电流一直保持最大电流，这要求功率晶体管必须足够大以无限期地耗散。

“Foldback”功率极限法：电路的可调性一般，功率(温度)阈值和电流线性下降斜率固定，调节电路较为复杂。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种低压差线性稳压器过载保护电路，针对低压差线性稳压器输出过载问题，通过检测负载的温度信息，调节输出电流的大小来改变输出功率，在必要的时候可以保护电路。

为实现上述目的，本申请的方案为：

一种低压差线性稳压器过载保护电路，包括，

低压差线性稳压器，其为电路系统的供电模块且受控制调节输出的电压和电流的大小；

主电路模块，实时监测并根据温度的变化生成控制电流并输入至低压差线性稳压器以调节输出功率的大小，且可通过数字信号配置功率变化的温度节点和变化速率。

在上述技术方案中，所述的低压差线性稳压器为LT3045型号的LDO芯片，输出的最大电流由I_LIMpin脚进行设置。

在上述技术方案中，所述的主电路模块包括参考电压V_ref，电阻R₁和电阻R₂构成的对V_ref的分压电路，放大器和电流源，以及电流镜，所述的放大器的负输入端接入电阻R₁和电阻R₂间，输出端接晶体管M₁的栅极，所述的晶体管M₁的源极接参考电压V_dd，漏极经热敏电阻R₄和电阻R₃后接地，同时，放大器的正输入端接热敏电阻R₄和电阻R₃之间，

所述的电流镜包括主电流镜支路和从电流镜支路，主电流镜支路包括源极经电阻R₅与晶体管M₁漏极连接的晶体管M₂，所述的晶体管M₂的漏极接电流源，所述的从电流镜支路包括m₃个从电流镜支路分支路，每个从电流镜支路分支路包括与晶体管M₂共栅的从CMOS管，所述的从CMOS管源极经电阻接参考电压V_ref，漏极并接至I_LIM。

在上述技术方案中，所述的主电流镜支路包括m₂个主电流镜支路分支路，每个主电流镜支路分支路包括与晶体管M₂共栅的主CMOS管，所述的主CMOS管源极分别经电阻接晶体管M₁漏极，漏极并接至电流源，所述的主电流镜支路由数字信号控制投切数量。

在上述技术方案中，所述的电阻R₂和电阻R₃分别包括多个串联的子电阻并由数字信号控制投切的数量以实现不同的阻值。

在上述技术方案中，所述的电阻R₂和电阻R₃的子电阻比例相同且由同一数字信号控制投切。

本发明实施例带来了以下有益效果：

本发明电路结构简单，可调性强，能根据低压差线性稳压器的输出实时调节功率(温度)阈值；而且可以单独某一功率(温度)时所对应的极限输出电流大小，调节线性度好，能够适用于不同的应用需求。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，或者，部分特征和优点可以从说明书推知或毫无疑义地确定，或者通过实施本发明的上述技术即可得知。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施方式，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是逻辑结构示意图；

图2是稳压器结构示意图；

图3是低压差线性稳压器过载保护电路图；

图4是比例电阻示意图。

图5是比例电流镜示意图；

图6是理论分析图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的一种低压差线性稳压器过载保护电路，包括，

主电路模块，实时监测并根据温度的变化生成控制电流并输入至低压差线性稳压器以调节输出功率的大小，且可通过数字信号配置功率变化的温度节点和变化速率。主电路模块负责对输出功率(温度)进行监测和调控。当输出功率较高，热量积累速度超过散热速度，电子系统温度上升，主电路模块控制低压差线性稳压器减小输出功率；当输出功率降低，散热速度超过热量积累速度，电子系统温度下降，主电路模块控制低压差线性稳压器增加输出功率。

作为其中一个具体实施方式，所述的低压差线性稳压器为LT3045型号的LDO芯片，输出的最大电流由I_LIMpin脚进行设置。

具体地，如图2所示。

输出的最大电压由Ra(一般取33kΩ)进行设置，输出电压的最大值为：

V_out,max＝100uA×Ra＝3.3V

输出的最大电流由I_LIMpin脚进行设置。I_LIMpin脚的电压一般为300mV，LDO的输出电流与流出I_LIMpin脚的电流比例为500:1，因此输出的最大电流为：

当I_LIM<600uA时，

当I_LIM≥600uA时，

I_out,max＝0A

其中，极限电流I_LIM为注入电阻R_b(一般取0.5kΩ)的电流大小。

作为其中一个具体实施方式，所述的主电路模块包括参考电压V_ref，如3.3V直流电压源，电阻R₁和电阻R₂构成的对参考电压V_ref的分压电路，放大器和电流源，以及电流镜，所述的放大器的负输入端接入R₁和电阻R₂间，输出端接晶体管M₁的栅极，所述的晶体管M₁的源极接电压源V_dd，如2.4V直流电压源，漏极经热敏电阻R₄和电阻R₃后接地，同时，放大器的正输入端接热敏电阻R₄和电阻R₃之间，所述的电流镜包括主电流镜支路和从电流镜支路，主电流镜支路包括源极经电阻R₅与晶体管M₁漏极连接的晶体管M₂，所述的晶体管M₂的漏极接电流源，所述的从电流镜支路包括m₃个从电流镜支路分支路，m₃为大于等于1的自然数，每个从电流镜支路分支路包括与晶体管M₂共栅的从CMOS管，所述的从CMOS管源极分别经过一个电阻接参考电压V_ref，漏极并接至极限电流I_LIM。其中，所述的主电流镜支路包括m₂个主电流镜支路分支路，m₂为大于等于1的自然数，每个主电流镜支路分支路包括与晶体管M₂共栅的主CMOS管，所述的主CMOS管源极分别经电阻接晶体管M₁漏极，漏极并接至电流源，所述的主电流镜支路由数字信号控制投切的数量m₂以改变其与m₃的比值。比例电流镜是通过数字控制开关bit1b-bit100b来控制主电流镜支路中分之路的投切之路的数量，每个分支路相同。

所述的电阻R₂和电阻R₃分别包括多个串联的电阻并由数字信号控制投切的数量以实现不同的阻值。即，电流镜和电阻R₂、R₃为比例可调的电流镜和比例电阻，其中，阻值其中阻值大小，电流镜比例，优选，电阻R₂和电阻R₃为相同的比例电阻以便能同比例调整，数字控制系统通过调整本电路中的比例电流镜和比例电阻可以分别调整温度节点输出的电流大小和变化速率。所述的电阻R₂和电阻R₃的子电阻比例相同且由同一数字信号控制投切。如，电阻R₃可设置为依次串联的1KΩ，1KΩ，2KΩ，4KΩ，8KΩ，除其中一个1KΩ之外，其余都并联有数字控制开关bit1a-bit4a，电阻R₂可设置为依次串联的100KΩ，100KΩ，200KΩ，400KΩ，800KΩ，除其中一个100KΩ之外，其余都并联有数字控制开关bit1a-bit4a，电阻R₂和R₃对应的数字控制开关由同一个数字信号控制，保证调整后比例不变。比例电阻和比例电流镜一起应用在这个保护电路中作为调节模块。

本发明最大特点是可调行强，能够针对不同的应用需求。比如说要求了LDO输出电流的调节速率，或者对于某一温度输出电流大小做了规定又或者两者都有指标，本发明的电路都是可以实现的。如，当R₂、R₃阻值同比例增大时变大时，热敏电阻变化相同的温度所引起的V_sens电压变化就会减小，就会是得电流镜中的电流随温度的变化减缓，使LDO输出电流的调节的速率减缓。

主电路模块如图3所示，电阻R₁和电阻R₂通过分压提供偏置：

放大器、晶体管M₁以及热敏电阻R₄构成一个负反馈的闭环回路，因此，放大器输入端“虚短”，即

流经电阻R₃的电流为：

由于“虚短”，无电流就进或流出放大器的输入端：

当温度达到某一值的时候，反应到电阻上即满足R₄/R₃＝R₁/R₂,R₄为热敏电阻，由于负反馈的作用，此时V_sens的电压等于参考电压V_ref的电压，即此时V_gs,m₂＝V_gs,m₃，就构成电流镜。通过调节电流镜的比例，调节复制的电流大小，这个电流控制了LDO芯片的输出电流。R₄/R₃＝R₁/R₂这个点可以调节，使得某一温度时热敏电阻阻值满足条件，通过控制电流镜比例控制复制电流大小，最终控制LDO输出电流的大小。

热敏电阻随着温度的升高而降低，当R1/R2＝R4/R3时，

V_sens＝V_ref

晶体管M₂和晶体管M₃(M₃.1-M₃.100)形成电流镜。此时，I_LIM电流大小为：

m₃为晶体管M₃与电阻R₆支路的并联个数100；m₂为晶体管M₂与电阻R₅支路的并联个数；偏置电流I_SS大小6uA。

当温度逐渐升高大于预定温度值(热敏电阻R₄＝R₁×R₃/R₂对应的温度)时，热敏电阻阻值逐渐减小，V_sens会减小，小于参考电压V_ref，虽然没有形成电流镜，但是由于晶体管M₂这一路的电流不变为6uA(因为接了电流源)，为使Vgs不变，V_sens减小会导致晶体管M₂和晶体管M₃的源级和栅极电压一起减小，而晶体管M₃的源级经过一个电阻接到参考电压V_ref，栅极电压的减小会使这一路的电流继续增加，直到使得I_liM电流达到600uA，使LDO输出电流为0。

当温度逐渐低于形成电流镜的温度值(热敏电阻R₄＝R₁×R₃/R₂对应的温度)时，热敏电阻阻值逐渐增大，V_sens越来越大于参考电压V_ref，晶体管M₂和晶体管M₃的栅极电压增加，而晶体管M₃的源级经过一个电阻接到参考电压V_ref，栅极电压的增加会使这一路的电流逐渐减小，极限电流I_liM会逐渐减小，LDO输出电流会逐渐增加。

即，通过比例电流镜和比例电阻可以设定一个温度阈值，使其震荡工作在稳定状态。

本发明可以调节输出功率变化的速率和温度节点，如图4、图5所示。

热敏电阻变化相同的温度，阻值变化ΔR，则V_sens变化为：

当R₃和R₂扩大为N×R3和N×R2后：

即当温度变化相同温度时，ΔV_sens的变化量减小，这说明变化的斜率减小了。

当热敏电阻R4＝R1×R3/R2时，晶体管M₂和晶体管M₃形成电流镜。由于电阻R₂和电阻R₃成比例变化，电阻R₁为定值，所以电阻R₄为定值。当电流镜的比例m₂:m₃为m2:100时，极限电流I_LIM的大小为：

当给定电流镜比例时，电阻R₂和电阻R₃成比例变化时，电流调节斜率会变化，但交点位置一定(即过某一定点)；若改变电流镜比例，定点(交点)位置随之发生改变。

比例电流镜和比例电阻是可以单独调节的，这使得电路的可调行增加，可以满足不同的应用需求。比例电阻和比例电流镜的调节关系如图6所示，如果比例电流镜固定，调节比例电阻，实际上是输出电流的调节斜率在变化；而固定比例电阻，调节比例电流镜实际上是在调节某一温度点对应的最大电流大小，比例电阻和比例电流镜在协调工作。

保护过程如图6所示，

当电流镜比例(m₂:m₃)不变，电阻R₂和电阻R₃成比例变小时，LDO最大输出电流的调节斜率会逐渐增加，但存在某一定点(交点)，定点(交点)位置为：

(R4＝R1×R3/R2对应的温度，

当电流镜比例(m₂:m₃)逐渐减小，定点(交点)位置会逐渐下降。

例如当电阻R₂和电阻R₃的阻值一定，电流镜比例m2:m3＝100：100，R4＝R1×R3/R2时，LDO的最大输出电流(交点位置)为：

I_out,max＝(600μA-6uA)×500≈300MA

电流镜比例m2:m3＝10：100，R4＝R1×R3/R2时，LDO的最大输出电流(交点位置)为：

I_out,max＝(600μA-60uA)×500＝270mA

电流镜比例m2:m3＝2：100，R4＝R1×R3/R2时，LDO的最大输出电流(交点位置)为：

I_out,max＝(600μA-300uA)×500＝150mA

当电流镜比例m2:m3＝1:100，R4＝R1×R3/R2时，此时，I_LIM为600uA，则

LDO的最大输出电流(交点位置)为：

I_out,max＝0A

当R₂和R₃的阻值同比例变大为原来的2倍时，温度变化一定范围，热敏电阻变化为10kΩ，则晶体管M₂，晶体管M₃栅极电压变化为(R1＝100k,R2＝100k,R3＝1k,R2′＝200k,R3′＝2k)

由此可见，随着电阻R₂和电阻R₃的阻值同比例变大，极限电流I_liM电流变化减小，LDO调节输出电流的速率变慢。

本发明电路简单，易于实现；调节的线性度好；电路可调性强，能够根据低压差线性稳压器的输出功率(温度)，实时调整输出电流的大小；能够单独设置某一功率所对应的最大输出电流；能够调节电流线性下降的斜率以适应不同的应用需求；电流极限独立于电压的极限，调节更加方便。

最后应说明的是：以上所述实施方式，仅为本公开的具体实施方式，用以说明本公开的技术方案，而非对其限制，本公开的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施方式对本公开进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本公开揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施方式所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本公开实施方式技术方案的精神和范围，都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种低压差线性稳压器过载保护电路，其特征在于，包括，

主电路模块，实时监测并根据温度的变化生成控制电流并输入至低压差线性稳压器以调节输出功率的大小，且可通过数字信号配置功率变化的温度节点和变化速率；

所述的主电路模块包括参考电压V_ref，电阻R₁和电阻R₂构成的对参考电压V_ref的分压电路，放大器和电流源，以及电流镜，所述的放大器的负输入端接入电阻R₁和电阻R₂间，输出端接晶体管M₁的栅极，所述的晶体管M₁的源极接电压源V_dd，漏极经热敏电阻R₄和电阻R₃后接地，同时，放大器的正输入端接热敏电阻R₄和电阻R₃之间，

所述的电流镜包括主电流镜支路和从电流镜支路，主电流镜支路包括源极经电阻R₅与晶体管M₁漏极连接的晶体管M₂，所述的晶体管M₂的漏极接电流源，所述的从电流镜支路包括m₃个从电流镜支路分支路，每个从电流镜支路分支路包括与晶体管M₂共栅的从CMOS管，所述的从CMOS管源极经电阻接参考电压V_ref，漏极并接至极限电流I_LIM。

2.如权利要求1所述的过载保护电路，其特征在于，所述的低压差线性稳压器为LT3045型号的LDO芯片，输出的最大电流由I_LIMpin脚进行设置。

3.如权利要求2所述的过载保护电路，其特征在于，所述的电阻R₂和电阻R₃分别包括多个串联的子电阻并由数字信号控制投切的数量以实现不同的阻值。

4.如权利要求3所述的过载保护电路，其特征在于，所述的电阻R₂和电阻R₃的子电阻比例相同且由同一数字信号控制投切。