CN112015220B - 限流器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种限流器，用于电压调节器，该限流器包含感测电流源、限流调节单元、可变电流源、运算放大器以及控制开关。感测电流源电性连接于电压调节器。限流调节单元电性连接于电压调节器。可变电流源并联于感测电流源，并电性连接于限流调节单元。运算放大器电性连接于感测电流源。控制开关电性连接于电压调节器与运算放大器。当电压调节器的输出电压的分压逐渐减少低过一定的值时，可变电流源根据第一控制信号逐渐调整增加可变电流源所产生的电流大小。

Description

限流器

技术领域

本发明涉及一种限流器，尤指一种用于电压调节器的限流器。

背景技术

现有技术电压调节器，特别是线性电压调节器(Linear regulator)，是以晶体管(或其它器件)调节流过负载的电流，负载所得的电压就是电压调节器的输出电压。比较输出电压与电压调节器内部的参考电压，所产生的差动信号用作控制晶体管，形成一个负回馈回路，加上适当的补偿，输出电压就能调整下降至目标电压，不受输入电压或负载变动影响，并保持合理的稳定输出电压。

然而，线性稳压器必须在输入电压高于输出电压不少于某一电压值时输出才能稳定至目标电压，这个最少的电压称为压降电压、下压降或电压差(dropout)。举例来说，若是要使输出保持在5V，则输入必须保持在7V以上，否则输出就会低于目标电压5V以下，其中压降电压就是7V-5V＝2V，而压降电压所产生的能量，则晶体管内以散发热能的形式消耗掉。

请参考图1，图1为现有技术电压调节器与限流器之间动作关系的示意图。从图1可知，电压调节器10电性连接限流器20，且包含有运算放大器11、晶体管12(一般为PMOS晶体管)、第一分压电阻13与第二分压电阻14。PMOS晶体管12的源极电性耦接于输入电压V_IN，PMOS晶体管12的漏极连接到第二分压电阻14的一端。第二分压电阻14的另一端连接到第一分压电阻13的一端，第一分压电阻13的另一端电性耦接到地。运算放大器11具有输出端、反相输入端与正相输入端。运算放大器11的反相输入端电性耦接到参考电压V_REF，运算放大器11的输出端电性耦接至晶体管12的栅极。第一分压电阻13的另一端与第二分压电阻14的一端连接到运算放大器11的正相输入端。限流器20则电性耦接于运算放大器11与输入电压V_IN之间

在图1中，输入电流I_IN流入PMOS晶体管12源极，PMOS晶体管12的漏极流出输出电流I_OUT与回授电流I_FB，故可以知道输入电流I_IN＝输出电流I_OUT+回授电流I_FB。此外，回授电流I_FB流经第二分压电阻14产生压降，使得PMOS晶体管12的漏极的输出电压V_OUT于第二分压电阻14产生压降，并于第二分压电阻14的另一端产生V_FB的电压值。运算放大器11为维持V_FB所设定的V_REF电压，若是负载变小，在输出电压V_OUT固定不变时，输入电流I_IN便会受到调节变大，在输入电流I_IN大到一定程度时，此时限流器20便会发生作用，将输入电流I_IN的最大值限制于固定的箝制电流的大小，以避免因电流过大导致晶体管12损毁。

请参考图2A与图2B，图2A是图1中当输出电压低于所设定的稳定电压时，输出电压V_OUT与输出电流I_OUT之间的关系图，图2B是图1中当输出电压低于所设定的稳定电压时，输出电压V_OUT与晶体管功率消耗P_LOSS之间的关系图。在输入电压V_IN固定时，当输出电压V_OUT变小，其最极端的情况，也会在输出电压V_OUT变小到几乎使负载形成短路时，会有最大的功耗在PMOS晶体管12上，从图2A可以看到，限流器20控制在输入电流I_IN的最大值为箝制在一定固定的大小。由于晶体管的功率消耗P_LOSS会等于输入电流I_IN乘以输入电压V_IN与输出电压V_OUT之间的差，从图2B可知，虽然输出电流I_IN被控制在最大值I_{OUT_CL}(通常I_{OUT_CL}会远大于I_FB，所以I_IN会近似I_{OUT_CL})，但当输出电压V_OUT变小时，输入电压V_IN与输出电压V_OUT之间的差仍旧持续造成PMOS晶体管12的功率消耗P_LOSS，且输出电压V_OUT趋近于零时，有最大的功率消耗P_{LOSS_MAX}。

发明内容

有鉴于上述现有技术，发明人研发出一种限流器，其可用于电压调节器，通过本发明限流器来调节电流可以使压降电压降低，进而可以减少晶体管所造成的功率损失，并且达到保护电压调节器避免因过热损毁的目的。

为达上述目的及其他目的，本发明提供一种限流器，所述限流器用于电压调节器，且包含感测电流源、限流调节单元、可变电流源、运算放大器及控制开关。感测电流源电性连接于电压调节器，并用以根据电压调节器的输入电流来产生感应电流。限流调节单元电性连接于电压调节器，并用以根据电压调节器的输出电压与第一参考电压来产生第一控制信号。可变电流源并联于感测电流源，电性连接于限流调节单元，并用以根据第一控制信号来调整所产生的电流的大小。运算放大器电性连接于感测电流源，用以根据感测电流源与可变电流源产生的电流所产生的感测电压与第二参考电压来产生第二控制信号。控制开关电性连接于电压调节器与运算放大器，并根据第二控制信号提供给控制开关的晶体管的栅极。当电压调节器的输出电压的分压逐渐减少时，可变电流源根据该第一控制信号逐渐调整增加可变电流源所产生的电流的大小。

在一实施例中，感测电流源具有输入端与输出端，输入端电性连接于电压调节器的输入电压。限流器还包含有电阻，感测电流源的输出端通过电阻接地。感测电流源的输出电流的大小与电压调节器的输入电流成正比，且电阻的跨压为感测电流源与可变电流源的输出电压。

在一实施例中，限流调节单元具有第一输入端、第二输入端与输出端，第一输入端通过电压调节器的第一分压电阻接地，第二输入端连接到第一参考电压，且输出端电性联结于可变电流源，并通过输出端输出第一控制信号至可变电流源。

在一实施例中，可变电流源具有第一输入端、第二输入端与输出端，第一输入端电性连接于感测电流源的输入端，输出端电性连接于感测电流源的输出端，且第二输入端电性连接于限流调节单元。

在一实施例中，运算放大器具有负相输入端、正相输入端与输出端，负相输入端电性连接于感测电流源的输出端，正相输入端连接于第二参考电压，且输出端电性连接至控制开关，并通过输出端输出第二控制信号至控制开关。

在一实施例中，控制开关具有第一输入端、第二输入端与输出端，第一输入端电性连接于电压调节器的输入电压，第二输入端电性连接于运算放大器，输出端连接于电压调节器的晶体管的栅极。

在一实施例中，控制开关包含有晶体管，控制开关的第一输入端为晶体管的源极，控制开关的第二输入端为晶体管的栅极，且控制开关的输出端为晶体管的漏极。

在一实施例中，感测电流源为电流镜或电流放大器。

在一实施例中，限流调节单元为差动放大器。

本发明的限流器可以通过限流调节单元来调整限制输入电流的最大值，借此进一步降低晶体管的功率消耗，并有效地保护晶体管避免损毁。

附图说明

图1描绘了现有技术电压调节器与限流器之间动作关系的示意图；

图2A描绘了图1中当输出电压低于所设定的稳定电压时，输出电压与输出电流之间的关系图；

图2B描绘了图1中当输出电压低于所设定的稳定电压时，输出电压与晶体管功率消耗之间的关系图；

图3描绘了本发明限流器的实施例的电路图；

图4描绘了限流调节单元的实施例的电路图；

图5描绘了本发明限流器的实施例的信号仿真图；

图6A描绘了图3中当启动限流机制时，输出电压与输出电流之间的关系图；

图6B描绘了图3中当启动限流机制时，输出电压与晶体管功率消耗之间的关系图。

【附图标记列表】

10 电压调节器

11 运算放大器

12 PMOS晶体管

13、14 分压电阻

20、40 限流器

41 感测电流源

42 限流调节单元

43 可变电流源

44 运算放大器

45 控制开关

46 电阻

DC 电流源

I_SEN 感应电流

I_MOD 可变电流

I_IN 输入电流

I_OUT 输出电流

I_FB 回授电流

M1、M2、M3、M4 晶体管

S_C1、S_C2 控制信号

V_REF、V_MREF、V_OCREF 参考电压

V_IN 输入电压

V_OUT 输出电压

V_FB 分压

V_SEN 感应电压

具体实施方式

为充分了解本发明的目的、特征及功效，借由下述具体的实施例，并配合所附的图式，对本发明做详细说明，说明如下：

请参考图3，图3为本发明限流器的实施例的电路图。本发明的限流器40用于电压调节器10，并可调节限制电压调节器10的输出电流I_OUT的大小，以减少电压调节器10中的PMOS晶体管12的功耗，并且保护电压调节器10的晶体管12免于毁损。在此请注意，图3中的电压调节器10与图1中的电压调节器10的电路结构与运作原理皆相同，故沿用相同的标号。

限流器40包含感测电流源41、限流调节单元42、可变电流源43、运算放大器44、控制开关45以及电阻46。感测电流源41电性连接于电压调节器10，并根据电压调节器10的输入电流I_IN来产生感应电流I_SEN。限流调节单元42电性连接于电压调节器10，并根据电压调节器10的输出电压V_OUT与第一参考电压V_MREF来产生第一控制信号S_C1。可变电流源43并联于感测电流源41，并电性连接于限流调节单元42，且根据第一控制信号S_C1来调整所产生的电流I_MOD的大小。运算放大器44电性连接于感测电流源41，并根据感测电流源41与可变电流源43的输出来与电阻46产生电压V_SEN并与第二参考电压V_OCREF来产生第二控制信号S_C2。控制开关45电性连接于电压调节器10与运算放大器44，并根据第二控制信号S_C2来调整流经控制开关45的开启电流大小或关闭，以在控制开关45开启时，拉升PMOS晶体管12的栅极。当电压调节器10的输出电压V_OUT的分压V_FB逐渐上生时，可变电流源43根据第一控制信号S_C1调整减少其所产生的电流I_MOD的大小至零。

在实施例中，感测电流源41的输入端电性连接于输入电压V_IN，感测电流源41的输出端通过电阻46接地。请注意，感测电流源41输出的电流I_SEN的大小会随着输入电流I_IN的大小变动，当输入电流I_IN变大时感测电流源41输出的电流I_SEN也会变大，当输入电流I_IN变小时感测电流源41输出的电流I_SEN也会变小，换言之，感测电流源41输出的电流I_SEN是与输入电流I_IN成正比，也就是说，可以将感测电流源41输出的电流I_SEN视为电压调节器10的输入电流I_IN的倍数，以数学公式(1)表达即为：

I_SEN＝β*I_IN (1)

此外，当感测电流源41输出的电流I_SEN与可变电流源43的输出电流I_MOD流经电阻46时，会使电阻46两端产生跨压V_SEN，当V_SEN接近V_OCREF时，会启动控制开关45。

在一实施例中，感测电流源41可以是电流镜或是电流放大器，然而本发明不以此为限，本领域普通技术人员应可在参阅上述段落后，了解感测电流源41的运作原理，并且根据实际需求来进行等效的变化与置换，故凡能使感测电流源41的输出电流I_SEN与电压调节器的输入电流I_IN成正比关系的实施例，皆应属本发明的范畴。

在一实施例中，限流调节单元42的第一输入端通过电压调节器10的第一分压电阻13接地，限流调节单元42的第二输入端连接到第一参考电压V_MREF，限流调节单元42的输出端电性连接于可变电流源43，借以将第一控制信号S_C1送至可变电流源43。限流调节单元42接收由电压调节器10的输出电压V_OUT对第一分压电阻13产生的分压V_FB与第一参考电压V_MREF，并据此产生相应的第一控制信号S_C1。实际上，限流调节单元42是根据分压VFB与第一参考电压V_MREF之间的差异决定第一控制信号S_C1的大小，且可变电流源43接收第一控制信号S_C1，并根据第一控制信号S_C1来决定电流I_MOD的大小。当发生限流保护时，而在限流调节单元42启动时的稳态下，感测电压V_SEN是固定的，故感应电流I_SEN与可变电流源43所产生的电流I_MOD的总和是固定的，因此当可变电流源43所产生的电流I_MOD受调节变大时，感应电流I_SEN会随之变小。

在一实施例中，限流调节单元42可以是由电流源所驱动的差动放大器，可变电流源43可以是电流镜，然而本发明不以此为限，本领域普通技术人员应可在参阅上述段落后，了解限流调节单元42与可变电流源43之间的运作原理，并且根据实际需求来进行等效的变化与置换，故凡能使限流调节单元42在分压V_FB降低时，控制可变电流源43调节输出电流I_MOD变大的实施例，皆应属本发明的范畴。

举例来说，请参考图4，图4为限流调节单元的实施例的电路图。在本实施例中，限流调节单元42包含有电流源DC、第一晶体管M1、第二晶体管M2、第三晶体管M3、第四晶体管M4。电流源DC的输出端分别连接于第一晶体管M1的源极与第二晶体管M2的源极，第一晶体管M1的漏极则串连于第三晶体管M3的漏极，第二晶体管M2的漏极则串连于第四晶体管M4的漏极，第三晶体管M3的栅极连接到第三晶体管M3的漏极，第四晶体管M4的栅极连接到第四晶体管M4的漏极，第三晶体管M3的源极连接到第四晶体管M4的源极。第一参考电压V_MREF连接于第二晶体管M2的栅极，用来控制第二晶体管M2是否导通，分压V_FB连接于第一晶体管M1的栅极，用来控制第一晶体管M1是否导，第三晶体管M3的栅极则连接到可变电流源43。换言之，限流调节单元42的第一输入端为第二晶体管M2的栅极，限流调节单元42的第二输入端为第一晶体管M1的栅极，限流调节单元42的输出端为第三晶体管M3的栅极与漏极。电流源DC所流出的电流会根据分压V_FB与第一参考电压V_MREF的大小分配流经晶体管M1、M3的电流以及流经晶体管M2、M4的电流。当流经晶体管M3的电流改变时，晶体管M3的栅极与漏极电压也会随之改变，如此，可变电流源43便可据以接收到第一控制信号S_C1。

在一实施例中，运算放大器44的负相输入端电性连接于感测电流源41与可变电流源43的输出端，运算放大器44的正相输入端连接于第二参考电压V_OCREF，运算放大器44的输出端电性连接至控制开关45，借以将第二控制信号S_C2输出至控制开关45。运算放大器44会将感测电流源41与可变电流源43的输出电压V_SEN的最大值V_{SEN_MAX}限制在第二参考电压V_OCREF，若结合公式(1)可知：

V_OCREF＝V_{SEN_MAX}＝(β*I_{OUT_CL}+I_MOD)x电阻46的电阻值 (2)

请注意，由于可变电流源43的输出电流I_MOD与感测电流源41的输出电流I_SEN的总和为一定值，因此当可变电流源43的输出电流I_MOD变大时，感测电流源41的输出电流I_SEN会相对应变小，通过公式(2)可知电压调节器10的输入电流I_IN的最大值(I_{OUT_CL})也可随之降低，故能借此达到减少电压调节器10的功耗，并且保护晶体管12免于毁损的功效。

控制开关45具有第一输入端、第二输入端与输出端，第一输入端电性连接于电压调节器10的输入电压V_IN，第二输入端电性连接于运算放大器44的输出端，控制开关的输出端则连接于晶体管12的栅极。在一实施例中，控制开关45包含有晶体管45，控制开关45的第一输入端为晶体管45的源极，控制开关45的第二输入端为晶体管45的栅极，且控制开关的输出端为晶体管45的漏极。当控制开关45接收到来自运算放大器44的第二控制信号S_C2时，第二控制信号S_C2会调节晶体管45的栅极电压的大小，使得控制开关45开启注入电流或关闭。更进一步地说，当第二控制信号S_C2调节控制开关45开启时，会使晶体管45导通，进而使晶体管12的栅极电压被拉升，因此使得电压调节器10的输入电流I_IN会随之被调节，而当输出电压V_OUT越小时，所允许的输入电流I_IN的最大值也会越小，故可达到减少电压调节器10功耗，并且保护PMOS晶体管12免于毁损的功效。

PMOS晶体管12的功率消耗P_LOSS与输入电流I_IN、输入电压V_IN以及输出电压V_OUT之间的关系可用数学公式(3)表达：

P_LOSS＝I_IN*(V_IN–V_OUT) (3)

综上所述，当达到输入电流I_IN限流时，而电压调节器10的负载阻抗越变越小，此时电压调节器10输出电压V_OUT也会渐渐变小，导致PMOS晶体管12的功率消耗P_LOSS渐渐变大。

请参阅图5，图5为本发明限流器的实施例的信号仿真图。从图3可知，当启动限流机制时，可变电流源43调节输出电流I_MOD与感测电流源41的输出电流I_SEN的总和维持一定值，感测电流源41的输出电压V_SEN维持一定值，亦即第二参考电压V_OCREF。当分压V_FB下降时，可变电流源43调节输出电流I_MOD会渐渐上升，感测电流源41的输出电流I_SEN会渐渐下降，随着感测电流源41的输出电流I_SEN的下降，电压调节器10的输入电流I_IN也随之下降。

请参阅图6A与图6B，图6A是图3中当启动限流机制时，输出电压与输出电流之间的关系图，图6B是图3中当启动限流机制时，输出电压与晶体管功率消耗之间的关系图。从图6A可以看到，经过本发明的实施例限流器40的作用，当输出电压V_OUT变小至一临界值时，分压V_FB也渐渐变小趋近第一参考电压V_MREF，电压调节器10的输入电流I_IN的最大值I_{OUT_CL}也开始变小。从图6B可以看到，当电压调节器10的输入电流I_IN变小时，晶体管12的功率消耗P_LOSS也随之减少。

本发明在上文中已以较佳实施例说明，然本领域普通技术人员应理解的是，该实施例仅用于描绘本发明，而不应解读为限制本发明的范围。应注意的是，举凡与该实施例等效的变化与置换，均应设为涵盖于本发明的范畴内。因此，本发明的保护范围当以权利要求书所界定的范围为准。

Claims (3)

1.一种限流器，用于电压调节器，其特征在于，所述限流器包含：

感测电流源，电性连接于所述电压调节器，用以根据所述电压调节器的输入电流来产生感应电流；

限流调节单元，电性连接于所述电压调节器，用以根据所述电压调节器的输出电压与第一参考电压来产生第一控制信号；

可变电流源，并联于所述感测电流源，且电性连接于所述限流调节单元，用以根据所述第一控制信号来调整所产生的电流大小；

运算放大器，电性连接于所述感测电流源，用以根据所述感测电流源与所述可变电流源产生的电流所产生的感测电压与第二参考电压来产生第二控制信号；以及

控制开关，电性连接于所述电压调节器与所述运算放大器，用以根据所述第二控制信号来供给所述控制开关的晶体管的栅极；

其中当所述电压调节器的输出电压的分压逐渐减少时，所述可变电流源根据所述第一控制信号逐渐调整增加所述可变电流源所产生的电流大小；

所述感测电流源具有输入端与输出端，所述输入端电性连接于所述电压调节器的输入电压，且所述限流器还包含：电阻，所述输出端通过所述电阻接地；

其中所述感测电流源的输出电流的大小与所述电压调节器的输入电流成正比，且所述电阻的跨压为所述感测电流源的输出电压；

所述限流调节单元具有第一输入端、第二输入端与输出端，所述第一输入端通过所述电压调节器的第一分压电阻接地，所述第二输入端连接到所述第一参考电压，且所述输出端电性联结于所述可变电流源，并通过所述输出端输出所述第一控制信号至所述可变电流源；

所述可变电流源具有第一输入端、第二输入端与输出端，所述第一输入端电性连接于所述感测电流源的输入端，所述输出端电性连接于所述感测电流源的输出端，且所述第二输入端电性连接于所述限流调节单元；

所述运算放大器具有负相输入端、正相输入端与输出端，所述负相输入端电性连接于所述感测电流源与可变电流源的输出端，所述正相输入端连接于所述第二参考电压，且所述输出端电性连接至所述控制开关，并通过所述输出端输出所述第二控制信号至所述控制开关；

所述控制开关具有第一输入端、第二输入端与输出端，所述第一输入端电性连接于所述电压调节器的输入电压，所述第二输入端电性连接于所述运算放大器，所述输出端连接于所述电压调节器的晶体管的栅极；

所述控制开关包含：晶体管，所述控制开关的第一输入端为所述晶体管的源极，所述控制开关的第二输入端为所述晶体管的栅极，所述控制开关的输出端为所述晶体管的漏极。

2.根据权利要求1所述的限流器，其特征在于，所述感测电流源为电流镜或电流放大器。

3.根据权利要求1所述的限流器，其特征在于，所述限流调节单元为差动放大器。

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