CN110739835A - 限流保护电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于功率管的限流保护电路，所述功率管的控制端接收控制信号，用于根据输入信号得到输出电流，其中，所述限流保护电路包括：采样晶体管，用于根据所述输入信号得到与所述输出电流相对应的采样电流；钳位模块，用于钳位所述功率管和采样晶体管以得到检测电流；反馈控制模块，接收所述检测电流和参考电流，当所述检测电流大于阈值时，反馈调节所述控制信号，将所述输出电流钳位在预设值，避免电感元件产生的反向电动势，保护电路中的功率开关管。

Description

限流保护电路

技术领域

本发明涉及电源管理集成电路领域，更具体地涉及一种限流保护电路。

背景技术

负载开关被广泛应用在各种电源管理系统中，是电源和系统监控产品中的重要组成部分，其中，负载开关的限流保护功能尤为重要。当下游等效阻抗突然减小，或者突发短路故障等情况时，会导致输出电流迅速增大。输出电流过大，会导致上游电源以及下游负载的损坏，同时过大的输出电流也会导致负载开关自身的功率管烧毁，因此需要限流电路将输出电流限制在合理范围内。随着科技的不断发展和进步，许多智能电子设备，对限流精度要求也越来越高，例如智能电表等。

现有技术的一种限流保护电路在检测管的漏极串联检测电阻，通过监测检测电阻上的压降来监测负载电流。但是由于在检测管的漏极串联了检测电阻，导致检测管与功率管的等效输出阻抗不匹配，无法提高电路的限流精度。同时在功率管工作在线性区和饱和区时，检测管与功率管的等效输出阻抗匹配比例发生改变，导致功率管工作在线性区和饱和区时得到的限流值不一致。

现有技术的另一种限流保护电路在功率管的漏极串联检测电阻，通过监测检测电阻上的压降，来监测负载情况，同时控制负载电流。这种方案可以获得较高的且较一致的限流精度，但由于检测电阻串联在功率管的漏极，会导致功率管的等效输出阻抗变大，增加了电路的成本，同时这种方法无法精确调节电路的温度系数。

因此，为解决上述技术问题，有必要提出一种改进的功率管限流保护电路，使得功率管工作在线性区和饱和区都能获得较高精度且较一致的限流值。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种限流保护电路，使得功率管工作在线性区和饱和区都能获得较高精度且较一致的限流值。

根据本发明提供一种用于功率管的限流保护电路，所述功率管的控制端接收控制信号，用于根据输入信号得到输出电流，其中，所述限流保护电路包括：采样晶体管，用于根据所述输入信号得到与所述输出电流相对应的采样电流；钳位模块，用于钳位所述功率管和采样晶体管以得到检测电流；反馈控制模块，接收所述检测电流和参考电流，当所述检测电流大于阈值时，反馈调节所述控制信号，将所述输出电流钳位在预设值。

优选地，所述的限流保护电路还包括阈值补偿模块，用于对所述采样晶体管的阈值电压进行补偿，以使得所述采样晶体管的过驱动电压与所述功率管的过驱动电压相一致。

优选地，所述限流保护电路还包括参考电流生成模块，用于根据带隙基准电压得到所述参考电流。

优选地，所述采样晶体管的控制端与所述功率管的控制端连接以接收所述控制信号。

优选地，所述钳位模块包括：第一运算放大器，包括正相输入端和反相输入端，所述正相输入端与所述功率管的第二通路端连接，所述反相输入端与所述采样晶体管的第二通路端连接；第一开关管，控制端与所述第一运算放大器的输出端连接，第一通路端与所述采样晶体管的第二通路端连接，第二通路端用于提供所述检测电流。

优选地，所述反馈控制模块包括第二运算放大器以及第一电阻和第二电阻，其中，第二运算放大器包括正相输入端和反相输入端，所述反相输入端与所述第一电阻的第一端连接以接收所述检测电流，所述第一电阻的第二端接地，所述正相输入端与所述第二电阻的第一端连接以接收所述参考电流，所述第二电阻的第二端接地。

优选地，所述阈值补偿模块包括串联连接在所述控制信号与地之间的第三电阻和第一电流源，所述第三电阻和所述第一电流源的中间节点与所述采样晶体管的控制端连接。

优选地，所述第三电阻的电阻值为R3，所述第一电流源的电流值为I0，所述功率管的阈值电压为Vth0，所述采样晶体管的阈值电压为Vth1，其中，R3*I0＝Vth0–Vth1。

优选地，所述参考电流生成模块包括：第三运算放大器，包括正相输入端和反相输入端，所述正相输入端接收所述带隙基准电压，反相输入端与第二开关管的第二通路端连接，输出端与所述第二开关管的控制端连接；第三电阻，第一端与所述第三运算放大器的反相输入端和所述第二开关管的中间节点连接，第二端接地；电流镜电路，输入端与所述第二开关管的第一通路端连接，输出端用于提供所述参考电流。

优选地，可通过调节所述第三电阻的电阻值调节所述参考电流，进而调节所述预设值。

优选地，所述电流镜电路包括控制端相互连接的第三开关管和第四开关管，所述第三开关管的第一通路端接收电源电压，第二通路端与所述第二开关管的第一通路端连接，所述第四开关管的第一通路端接收所述电源电压，第二通路端用于输出所述参考电流，其中，所述第三开关管和第四开关管的控制端的中间节点与所述第三开关管的第二通路端连接。

优选地，所述采样晶体管与所述功率管的宽长比为1:N。

优选地，所述第三开关管和所述第四开关管的宽长比为1:M。

综上所述，本发明提供的限流保护电路，采用阈值补偿模块对采样晶体管进行阈值电压补偿，消除了因工艺偏差造成的采样晶体管与功率管之间的阈值电压不匹配的问题，结合钳位模块钳位功率管与采样晶体管的源极，使得采样晶体管与功率管的过驱动电压相等，从而无论功率管工作在线性区还是饱和区都能获得一致且高精度的检测电流。

在优选地实施例中，反馈控制模块将检测电流和参考电流进行比较，根据检测电流和参考电流反馈调节控制信号，控制功率管的栅源电压，进而控制负载输出电流，并最终得到温度系数只为带隙基准电压温度系数的限流值，限流精度高，温度漂移小。

在优选的实施例中，限流保护电路还包括参考电流生成模块，包括运算放大器、第二开关管和、第三开关管、第四开关管以及第三电阻。第三开关管和第四开关管构成电流镜电路，运算放大器与第二开关管以及第三电阻构成负反馈电路。第三电阻为片外限流调节电阻，不引入温度系数，因此，可以通过调节第三电阻的大小来调节参考电流值，进而获得想要的零温度系数的限流值，精确控制限流值的大小。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚。

图1示出根据现有技术的一种限流保护电路的电路示意图。

图2示出根据现有技术的另一种限流保护电路的电路示意图。

图3示出根据本发明实施例的限流保护电路的结构示意图。

图4示出根据本发明实施例的限流保护电路的电路示意图。

图5示出根据本发明实施例的参考电流生成模块的电路示意图。

图6示出根据本发明另一实施例的限流保护电路的电路示意图。

具体实施方式

以下将参照附图更详细地描述本发明。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，在图中可能未示出某些公知的部分。

在下文中描述了本发明的许多特定的细节，例如部件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本发明。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本发明。

应当理解，在以下的描述中，“电路”是指由至少一个元件或子电路通过电气连接或电磁连接构成的导电回路。当称元件或电路“连接到”另一元件或称元件/电路“连接在”两个节点之间时，它可以直接耦合或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。相反，当称元件“直接耦合到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。

如图1所示，现有的一种限流保护电路100包括栅极相互连接的功率管Mn1和检测管Msen，功率管Mn1和检测管Msen的栅极与控制电路120连接以接收控制信号Vg。检测管Msen和功率管Mn1的漏极相互连接接收输入电压Vin，功率管Mn1用于在源极提供输出电流Iout，检测管Msen用于在源极提供与输出电流Iout相对应的检测电流Isen。现有技术的限流保护电路100还包括与检测管Msen的源极连接的检测电阻Rsen，检测电阻Rsen用于根据检测电流Isen得到检测电压Vsen，通过监测检测电阻Rsen上的压降来监测负载电流。

现有技术的限流保护电路具有以下的不足：由于在检测管Msen串联了检测电阻Rsen，导致检测管Msen与功率管Mn1的等效输出阻抗不匹配，无法提高电路的限流精度。同时在功率管Mn1分别工作在线性区和饱和区时，检测管Msen与功率管Mn1的等效输出阻抗匹配比例发生改变，导致功率管Mn1工作在线性区和饱和区时得到的限流值不一致。

如图2所示，现有的另一种限流保护电路200包括与功率管Mp1连接的精密检测电阻Rsen，通过测量检测电阻Rsen两端的电压来检测功率管Mp1的负载电流。图中Vgate为功率管Mp1的控制信号，VCC为输入电源，VSS是模拟地。

这种方案可以获得较高的且较一致的限流精度，但由于检测电阻串联在功率管的漏极，会导致功率管的等效输出阻抗变大，增加电路的成本，同时这种方法无法精确调节电路的温度系数。

图3示出根据本发明实施例的限流保护电路的结构示意图。如图3所示，功率管Mn1的控制端接收控制信号Vgate，第一通路端接收输入电压Vin，用于根据控制信号Vgate和输入电压Vin在第二通路端提供输出电流Iout。限流保护电路300包括采样晶体管Mn2、钳位模块320、反馈控制模块330以及参考电流生成模块340。

采样晶体管Mn2的控制端接收控制信号Vgate，第一通路端接收输入电压Vin，用于根据输入电压Vin得到与功率管Mn1的输出电流Iout相对应的采样电流Is。

钳位模块320与功率管Mn1和采样晶体管Mn2的第二通路端连接，以接收输出电流Iout和采样电流Is。钳位模块320用于钳位功率管Mn1和采样晶体管Mn2的第二通路端以得到高精度的检测电流Isen。

反馈控制模块330用于接收所述检测电流Isen和参考电流Iref，根据所述检测电流Isen和参考电流Iref反馈调节控制信号Vgate，进而控制输出电流Iout。

参考电流生成模块340用于根据带隙基准电压生成所述参考电流Iref。

限流电流保护电路300还包括阈值补偿模块350，与采样晶体管Mn2的控制端连接，用于对所述采样晶体管Mn2的阈值电压进行补偿，使得采样晶体管Mn2的过驱动电压和功率管Mn1的过驱动电压一致，以得到更高精度的检测电流Isen。

限流保护电路300还包括电荷泵360，输入端接收输入电压Vin，输出端用于提供控制信号Vgate。

图4示出根据本发明实施例的限流保护电路的电路示意图。如图4所示，钳位模块320包括运算放大器OP1和开关管Mp0，运算放大器OP1的反相输入端与采样晶体管Mn2的第二通路端连接，正相输入端与功率管Mn1的第二通路端连接，输出端与开关管Mp0的控制端连接。开关管Mp0的第一通路端与运算放大器OP1的反相输入端和采样晶体管Mn2的第二通路端的节点连接，第二通路端用于输出检测电流Isen。

反馈控制模块330包括运算放大器OP2以及电阻R1和电阻R0。电阻R0的第一端与开关管Mp0的第二通路端连接以接收检测电流Isen，第二端接地。电阻R1的第一端与参考电流生成模块340连接以接收参考电流Iref，第二端接地。运算放大器OP2的反相输入端与电阻R0和开关管Mp0的中间节点连接，正相输入端与电阻R1和参考电流生成模块的中间节点连接，输出端与控制信号Vgate输出端连接。

阈值补偿模块350包括串联连接在控制信号Vgate与地之间的电阻R2和电流源I0。电阻R2和电流源I0的中间节点与采样晶体管Mn2的控制端连接以用于产生阈值补偿电压，使得采样晶体管Mn2和功率管Mn1的过驱动电压相等。

电流源I0和电阻R2产生补偿电压：

Vc＝R2*I0

功率管Mn1和采样晶体管Mn2的过驱动电压为：

Vd0＝Vg-Vout-Vth0

Vd1＝Vg1-Vs-Vth1

由于运算放大器OP1工作在负反馈状态，则Vout＝Vs，所以可得到：

Vd0-Vd1＝R2*I0-(Vth0-Vth1)

为了使得采样晶体管Mn2和功率管Mn1更匹配，需要二者的过驱动电压相等，则通过调节电流I0，使得

R2*I0＝Vth0-Vth1，Vd0-Vd1＝0。

其中，R2为电阻R2的电阻值，I0为流过R2的电流，Vg为功率管Mn1的栅极电压，Vth0为功率管Mn1的阈值电压；Vg1为采样晶体管Mn2的栅极电压，Vth1为采样晶体管Mn2的阈值电压。

图5示出本发明实施例的参考电流生成模块的电路示意图，如图5所示，参考电流生成模块340包括运算放大器OP3、开关管Mp1和Mp2、开关管Mn3以及电阻Rlim。

开关管Mp1和Mp2构成电流镜电路，开关管Mp1和Mp2的控制端相互连接，开关管Mp1和Mp2的第一通路端与电源电压VDD连接。开关管Mp2的第二通路端用于输出参考电流Iref。

开关管Mn3的第一通路端与开关管Mp1的第二通路端连接，第二通路端与电阻Rlim连接，电阻Rlim的第二端接地。运算放大器OP3的正相输入端接收带隙基准电压Vbg，输出端与开关管Mn3的控制端连接，反相输入端与开关管Mn3和电阻Rlim的中间节点连接。运算放大器0P3与开关管Mn3以及电阻Rlim构成负反馈电路。

以下参照图4和图5对本发明的限流保护电路的工作原理进行详细说明。

采样晶体管Mn2和功率管Mn1的比例系数为1：N，运算放大器OP1和开关管Mp0构成负反馈结构，钳制采样晶体管Mn2的第二通路端的电位与功率管Mn1的第二通路端的电位相等，阈值补偿模块350对采样晶体管Mn2的阈值电压进行补偿，使得采样晶体管Mn2的过驱动电压与功率管Mn1的过驱动电压相等，因此可得到高精度的采样电流：

Isen＝Iout/N

检测电流Isen通过开关管Mp0流过电阻R0，在电阻R0的第一端产生检测电压Vsen。参考电流Iref流过电阻R1，在电阻R1的第一端产生参考电压Vref。运算放大器OP2的反相输入端接收检测电压Vsen，正相输入端接收参考电压Vref。

当检测电流Isen较小时，检测电压Vsen小于参考电压Vref，此时运算放大器OP2不调节控制信号Vgate；当检测电流Isen增大到检测电压Vsen大于参考电压Vref时，运算放大器OP2调节控制信号Vgate，将控制信号Vgate的电位拉低，使得采样晶体管Mn2和功率管Mn1的栅极电压降低，最终导致检测电流Isen和输出电流Iout都减小。此时第二运算放大器OP2工作在负反馈电路中，强制检测电压Vsen和参考电压Vref相等，得到：

Iref*R1＝Isen*R0

因为电阻R1和电阻R0的比例系数为K:1，所以：

R1＝K*R0

运算放大器0P3与开关管Mn3以及电阻Rlim构成负反馈电路，则：

Vbg＝Vlim

开关管Mp1和开关管Mp2构成电流镜电路，且开关管Mp1与开关管Mp2的比例系数为1:M，则参考电流Iref为：

Iref＝M*Vbg/Rlim

根据上面的式子可以得到功率管Mn1的输出电流Iout为：

Iout＝N*K*M*Vbg/Rlim。

上式为最终输出电流Iout的限流公式，其中N、K、M为比例系数，Vbg为带隙基准电压，可将其设计成零温度系数，Rlim为片外限流调节电阻，不引入温度系数。因此，可以通过调节Rlim的大小来获得精确的零温度系数的限流值。

图6示出本发明另一实施例提供的限流保护电路的电路示意图。在本发明另一实施例提供的限流保护电路400中，钳位模块420包括运算放大器OP1和开关管Mn4，运算放大器OP1的正相输入端与采样晶体管Mn2的第二通路端连接，反相输入端与功率管Mn1的第二通路端连接，输出端与开关管Mn4的控制端连接。开关管Mn4的第一通路端与采样晶体管Mn2的第二通路端连接，第二通路端用于提供检测电流Isen。

此外，本实施例中的反馈控制模块430、参考电流生成模块440、阈值补偿模块450以及电荷泵460的结构以及工作原理与图4中的相同，在此不再赘述。

此外，本发明实施例中的功率管Mn1、采样晶体管Mn2以及开关管Mn3和Mn4为N型场效应薄膜晶体管。开关管Mp0-Mp2为P型场效应薄膜晶体管。但是本发明不以此为限制，本领域的技术人员可以根据具体情况选择其他类型的开关元件。

综上所述，本发明提供的限流保护电路，采用阈值补偿模块对采样晶体管Mn2进行阈值电压补偿，消除了因工艺偏差造成的采样晶体管Mn2与功率管Mn1之间的阈值电压不匹配的问题，结合钳位模块钳位功率管Mn1与采样晶体管Mn2的源极，使得采样晶体管Mn2与功率管Mn1的过驱动电压相等，从而无论功率管Mn1工作在线性区还是饱和区都能获得一致且高精度的检测电流。

在优选地实施例中，反馈控制模块将检测电流和参考电流进行比较，根据检测电流和参考电流反馈调节控制信号，控制功率管Mn1的栅源电压，进而控制负载输出电流，并最终得到温度系数只为带隙基准电压温度系数的限流值，限流精度高，温度漂移小。

在优选的实施例中，限流保护电路还包括参考电流生成模块，包括运算放大器OP3、开关管Mp1和Mp2、开关管Mn3以及电阻Rlim。开关管Mp1和Mp2构成电流镜电路，运算放大器0P3与开关管Mn3以及电阻Rlim构成负反馈电路。电阻Rlim为片外限流调节电阻，不引入温度系数，因此，可以通过调节电阻Rlim的大小来获得想要的零温度系数的限流值，精确控制限流值的大小。

应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (10)

1.一种用于功率管的限流保护电路，所述功率管的控制端接收控制信号，用于根据输入信号得到输出电流，其中，所述限流保护电路包括：

采样晶体管，用于根据所述输入信号得到与所述输出电流相对应的采样电流；

钳位模块，用于钳位所述功率管和采样晶体管以得到检测电流；

反馈控制模块，接收所述检测电流和参考电流，当所述检测电流大于阈值时，反馈调节所述控制信号，将所述输出电流钳位在预设值。

2.根据权利要求1所述的限流保护电路，其中，还包括阈值补偿模块，用于对所述采样晶体管的阈值电压进行补偿，以使得所述采样晶体管的过驱动电压与所述功率管的过驱动电压相一致。

3.根据权利要求1所述的限流保护电路，其中，所述限流保护电路还包括参考电流生成模块，用于根据带隙基准电压得到所述参考电流。

4.根据权利要求1所述的限流保护电路，其中，所述采样晶体管的控制端与所述功率管的控制端连接以接收所述控制信号。

5.根据权利要求1所述的限流保护电路，其中，所述钳位模块包括：

第一运算放大器，包括正相输入端和反相输入端，所述正相输入端与所述功率管的第二通路端连接，所述反相输入端与所述采样晶体管的第二通路端连接；

第一开关管，控制端与所述第一运算放大器的输出端连接，第一通路端与所述采样晶体管的第二通路端连接，第二通路端用于提供所述检测电流。

6.根据权利要求1所述的限流保护电路，其中，所述反馈控制模块包括第二运算放大器以及第一电阻和第二电阻，

其中，所述第二运算放大器包括正相输入端和反相输入端，所述反相输入端与所述第一电阻的第一端连接以接收所述检测电流，所述第一电阻的第二端接地，

所述正相输入端与所述第二电阻的第一端连接以接收所述参考电流，所述第二电阻的第二端接地。

7.根据权利要求2所述的限流保护电路，其中，所述阈值补偿模块包括串联连接在所述控制信号与地之间的第三电阻和第一电流源，所述第三电阻和所述第一电流源的中间节点与所述采样晶体管的控制端连接。

8.根据权利要求7所述的限流保护电路，所述第三电阻的电阻值为R3，所述第一电流源的电流值为I0，所述功率管的阈值电压为Vth0，所述采样晶体管的阈值电压为Vth1，其中，R3*I0＝Vth0–Vth1。

9.根据权利要求3所述的限流保护电路，其中，所述参考电流生成模块包括：

第三运算放大器，包括正相输入端和反相输入端，所述正相输入端接收所述带隙基准电压，反相输入端与第二开关管的第二通路端连接，输出端与所述第二开关管的控制端连接；

第三电阻，第一端与所述第三运算放大器的反相输入端和所述第二开关管的中间节点连接，第二端接地；

电流镜电路，输入端与所述第二开关管的第一通路端连接，输出端用于提供所述参考电流。

10.根据权利要求9所述的限流保护电路，其中，可通过调节所述第三电阻的电阻值调节所述参考电流，进而调节所述预设值。

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