CN112558679A - 一种限流保护电路 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种限流保护电路，包括：功率晶体管，输入电流由功率晶体管的第一端流向第二端；电流采样电路，用于根据输入电流得到电流采样信号；参考电压电路，用于产生参考电压信号；运算放大器，用于根据电流采样信号和参考电压信号得到电流检测信号；控制电路，用于根据电流检测信号控制功率晶体管的管压降；以及电压检测电路，用于在电源端的电源电压的电压采样信号大于基准电压时提供电压检测信号，参考电压电路根据电压检测信号调节参考电压信号，从而可在功率晶体管的输出端发生短路，且电压采样信号大于基准电压的情况下减小输入电流，降低了功率晶体管消耗的功率，降低有利于芯片以及后级负载损坏的风险。
Description
技术领域
本发明涉及电源技术领域，更具体地，涉及一种限流保护电路。
背景技术
功率晶体管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。在电源管理系统中一般选用MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金属-氧化物半导体场效应晶体管)，通过调节功率晶体管的线性阻抗来提供稳定的输出电压。在电子电路中，为了避免因为过流而使得芯片损坏，往往需要对芯片的工作电流进行检测。
如图1示出传统芯片的限流保护电路的结构示意图，在限流保护电路100中，功率晶体管Mnp为芯片的输出管，第一端接收电源电压Vdd，第二端向后级负载提供输出电压Vout。栅极驱动电路110用于向功率晶体管Mnp和Mns提供电流形式的栅极驱动信号。功率晶体管Mns用于检测流经功率晶体管Mnp的电流。由于功率晶体管Mnp和Mns的栅源电压Vgs相等，因此可以得到：
其中，Ip表示流经功率晶体管Mnp的电流，Is表示流经功率晶体管Mns的电流，W为晶体管的宽度，L为晶体管的长度，采样电流Is为输出电流Ip的1/n。为了保证电流检测的效率，通常n>>1。当芯片正常工作时，采样电流Is很小，使得节点B的电压VB大于节点A的电压VA，其中VA为预设的固定电压：
VA＝Iset×Rset
运算放大器120通过比较节点A的电压VA和节点B的电压VB，输出电流检测信号CL，控制电路130用于根据电流检测信号CL控制功率晶体管Mnp的管压降，继而调节流经功率晶体管Mnp的电流Ip。
但是，在上述的限流保护电路中未考虑功率晶体管Mnp的工作区域，当芯片的输出端对地短路或接较大负载时，功率晶体管Mnp和Mns工作在饱和区，由于运算放大器120的钳位作用，则节点A的电压VA与节点B的电压VB趋于相等。此时流过功率晶体管Mns的采样电流为：
由于功率晶体管Mnp和Mns组成电流镜结构，则可得到流过功率晶体管Mnp的电流为：
假设功率晶体管Mnp和Mns的宽长比为n＝20000，Rset＝500kΩ，Rsense＝100Ω，Iset＝50nA，则根据上式可以得到当芯片的输出端对地短路或接较大负载时，流过功率晶体管Mnp的电流Ip＝5A，该大电流可能会造成芯片本身或者后级负载的损坏。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种限流保护电路，可在芯片的输出端对地短路或接较大负载时，降低流过功率晶体管的电流，避免芯片本身或者后级负载的损坏。
根据本发明实施例提供了一种限流保护电路，包括：功率晶体管，串联连接在电源端和输出端之间，输入电流由所述功率晶体管的第一端流向第二端；电流采样电路，用于根据所述输入电流得到电流采样信号；参考电压电路，用于产生参考电压信号；运算放大器，用于根据所述电流采样信号和所述参考电压信号得到电流检测信号；控制电路，用于根据所述电流检测信号控制所述功率晶体管的管压降；以及电压检测电路，用于将所述电源端的电源电压的电压采样信号与基准电压进行比较，并在所述电压采样信号大于所述基准电压时提供电压检测信号，所述参考电压电路根据所述电压检测信号调节所述参考电压信号。
优选地，所述参考电压电路包括：第一恒流源，用于产生偏置电流；电流镜模块，用于产生与所述偏置电流成一定比例的参考电流；以及参考电阻，与所述电流镜模块连接于第一节点，用于根据所述参考电流在所述第一节点提供所述参考电压信号，其中，所述电压检测信号通过改变所述比例以调节所述参考电压信号。
优选地，所述电流镜模块包括：串联连接于所述第一恒流源和地之间的第一晶体管；串联连接于所述第一节点和地之间的第二晶体管；以及串联连接于所述第一节点与地之间的第三晶体管和第四晶体管，其中，所述第三晶体管的控制端接收所述电压检测信号，所述第一晶体管、第二晶体管以及所述第四晶体管构成电流镜。
优选地，所述第一晶体管、第二晶体管以及所述第四晶体管之间的宽长比之比为2:1:1。
优选地，所述电压检测信号通过控制所述第三晶体管的导通和关断状态以改变所述比例，其中，所述偏置电流与所述参考电流之间的所述比例包括1:1或2:1。
优选地，所述电压检测电路包括：基准模块，用于产生所述基准电压；电压采样模块，用于根据所述电源电压生成所述电压采样信号；以及比较模块，用于将所述电压采样信号与所述基准电压进行比较，获得二者的比较信号；以及反相器，用于根据所述比较信号生成所述电压检测信号。
优选地，所述电压采样模块包括：串联连接于所述电源端和地之间的第一电阻和第二电阻，所述第一电阻和第二电阻的中间节点用于提供所述电压采样信号。
优选地，所述基准模块包括：串联连接于所述电源端与地之间的第二恒流源、第五晶体管以及第六晶体管，所述第五晶体管和所述第六晶体管分别连接成二极管结构，所述第二恒流源和所述第五晶体管的中间节点用于提供所述基准电压。
优选地，所述比较模块包括：串联连接于所述电源端和地之间的第七晶体管、第八晶体管以及第三恒流源；串联连接于所述电源端和所述第三恒流源之间的第九晶体管和第十晶体管；以及串联连接于所述电源端和地之间的第十一晶体管和第四恒流源，其中，所述第七晶体管和所述第九晶体管构成电流镜，所述第八晶体管的控制端接收所述电压采样信号，所述第十晶体管的控制端接收所述基准电压，所述第十一晶体管的控制端连接至所述第七晶体管和第八晶体管的中间节点，所述第十一晶体管和所述第四恒流源的中间节点用于提供所述比较信号。
优选地，所述电流采样模块包括：串联连接于所述电源端和输出端之间的采样电阻和镜像晶体管，所述镜像晶体管和所述功率晶体管构成电流镜，从而得到与所述输入电流对应的采样电流，所述采样电阻用于根据所述采样电流在第二节点提供所述电流采样信号。
优选地，所述第一晶体管、所述第二晶体管、所述第三晶体管、以及所述第四晶体管分别为N型的金属氧化物半导体场效应晶体管。
优选地，所述第五晶体管和所述第六晶体管分别为N型的金属氧化物半导体场效应晶体管。
优选地，所述第七晶体管、所述第九晶体管、以及所述第十一晶体管分别为P型的金属氧化物半导体场效应晶体管，所述第八晶体管和所述第十晶体管分别为N型的金属氧化物半导体场效应晶体管。
本发明的限流保护电路还包括电压检测电路，电压检测电路将电源电压的电压采样信号与基准电压进行比较，根据比较结果调节参考电压电路生成的参考电压信号，继而调节芯片的功率晶体管中流过的电流。当电压采样信号大于该基准电压时，电压检测电路提供有效的电压检测信号，参考电压电路根据该电压检测信号调节所述参考电压信号，继而减小所述输入电流。可在功率晶体管的输出端发生短路，且电源电压的电压采样信号大于基准电压的情况下将功率晶体管的输入电流降低50％，降低了当芯片的输出端对地短路或接较大负载时功率晶体管消耗的功率，降低了芯片以及后级负载损坏的风险，提高了电路稳定性。
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，在附图中：
图1示出根据现有技术的限流保护电路的结构示意图；
图2示出根据本发明实施例的限流保护电路的电路示意图；
图3示出图2所示的限流保护电路中的电压检测电路的电路示意图。
具体实施方式
以下将参照附图更详细地描述本发明的各种实施例。在各个附图中，相同的元件采用相同或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。
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。
在本申请中，MOSFET包括第一端、第二端和控制端，在MOSFET的导通状态，电流从第一端流向第二端。P型MOSFET的第一端、第二端和控制端分别为源极、漏极和栅极，N型MOSFET的第一端、第二端和控制端分别为漏极、源极和栅极。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图2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2所示，该限流保护电路200包括功率晶体管Mnp、电流采样电路210、参考电压电路220、运算放大器230、栅极驱动电路240以及电压检测电路250。
功率晶体管Mnp为芯片的主要输出管，连接在电源端和输出端之间。功率晶体管Mnp例如选用N型MOSFET，其第一端接收电源电压Vdd，第二端向后级负载提供输出电压Vout，输入电流Ip从功率晶体管Mnp的第一端流向第二端。
在其他实施例中，功率晶体管Mnp也可以为NPN达林顿管、NPN型双极性晶体管、PNP型双极性晶体管、以及P型MOSFET等。
电流采样电路210用于根据输入电流Ip得到电流采样信号。在一种非限制性的例子中，电流采样电路210包括串联连接在电源端和输出端之间的检测电阻Rsense和镜像晶体管Mns。镜像晶体管Mns例如选用N型MOSFET，与功率晶体管Mnp构成电流镜，从而可以获得与输入电流Ip对应的采样电流Is。检测电阻Rsense根据采样电流Is在二者之间的节点B提供电流采样信号。
参考电压电路220用于提供一参考电压信号，运算放大器230用于将电流采样信号与该参考电压信号进行比较，根据比较结果得到电流检测信号CL。
其中，参考电压电路220包括恒流源Iset、电流镜模块2201、以及参考电阻Rset。恒流源Iset用于产生一偏置电流I1，电流镜模块2201的一个输出端与恒流源Iset连接，另一个输出端与参考电阻Rset连接至节点A。电流镜模块2201用于根据偏置电流I1产生与所述偏置电流I1成一定比例的参考电流I2。参考电阻Rset根据所述参考电流I2在节点A提供所述参考电压信号。
栅极驱动电路240用于向功率晶体管Mnp和镜像晶体管Mns提供电流形式的栅极驱动信号。
电压检测电路250用于在输出端对地短路或者接较大负载，且电源电压Vdd的电压采样信号大于基准电压时提供电压检测信号，参考电压电路220根据所述电压检测信号调节节点A的参考电压信号，继而可减小功率晶体管Mnp中流过的输入电流Ip，从而避免当输出端对地短路或者接较大负载时，功率晶体管Mnp中流过的大电流对芯片或者后级负载的损坏。
进一步的，电压检测电路250用于将电源端的电源电压Vdd的电压采样信号与一基准电压进行比较，并在电压采样信号大于基准电压时提供所述电压检测信号。所述电压检测信号通过改变参考电压电路220中偏置电流I1与参考电流I2之间的比例来调节所述参考电压信号。
在一种非限制性的例子中，电流镜模块2201包括N型MOSFET Mn1至Mn4。N型MOSFETMn1串联连接于恒流源Iset与地之间，N型MOSFET Mn2串联连接于节点A与地之间，N型MOSFET Mn3和Mn4串联连接于节点A与地之间。其中，N型MOSFET Mn1、Mn2以及Mn4构成电流镜，N型MOSFET Mn3的控制端接收所述电压检测信号。电流镜模块2201的一个输出端，即N型MOSFET Mn1的第一端，与恒流源Iset相连接，以接收偏置电流I1。电流镜模块2201的另一个输出端，即N型MOSFET Mn2和/或N型MOSFET Mn3的第一端，与节点A连接，以向节点A提供参考电流I2。
在本实施例中，N型MOSFET Mn1、Mn2以及Mn4之间的宽长比之比为2:1:1，电压检测信号通过控制N型MOSFET Mn3的导通和关断来改变偏置电流I1和参考电流I2之间的比例。
以下结合图2详细说明本发明的限流保护电路的工作原理。
当所述电压采样信号小于/等于该基准电压时，电压检测电路250输出电压检测信号为高电平，N型MOSFET Mn3导通，根据N型MOSFET Mn1、Mn4和Mn2之间的镜像关系，可以得到偏置电流I1与参考电流I2之间的比例关系为1:1，此时参考电流I2等于偏置电流I1。
当芯片的输出端对地短路或接较大负载，且所述电压采样信号大于所述基准电压时，电压检测电路250输出电压检测信号为低电平，N型MOSFET Mn3关断，根据N型MOSFETMn1和Mn2之间的镜像关系，可以得到偏置电流I1与参考电流I2之间的比例关系为2:1，此时参考电流I2等于偏置电流I1的一半。由于运算放大器230的钳位作用，则节点A的电压VA与节点B的电压VB趋于相等。此时流过功率晶体管Mns的采样电流为：
由于功率晶体管Mnp和镜像晶体管Mns组成电流镜结构，因此可以得到：
其中，Ip表示流经功率晶体管Mnp的输入电流，Is表示流经功率晶体管Mns的采样电流，W为晶体管的宽度，L为晶体管的长度，采样电流Is为输出电流Ip的1/n。为了保证电流检测的效率，通常n>>1。
最终可得到流过功率晶体管Mnp的电流为：
假设功率晶体管Mnp和镜像晶体管Mns的宽长比之比为n＝20000，Rset＝500kΩ，Rsense＝100Ω，Iset＝50nA，则根据上式可以得到当芯片的输出端对地短路或接较大负载时，流过功率晶体管Mnp的输入电流Ip＝2.5A，与现有的技术方案相比，本发明实施例的限流保护电路可在输出端对地短路或接较大负载，且电源电压的电压采样信号大于基准电压时将输入电流Ip降低50％，降低了功率晶体管Mnp消耗的功率，降低了芯片以及后级负载损坏的风险，提高了电路稳定性。
图3示出图2中电压检测电路的电路示意图。作为一个非限制性的例子，电压检测电路250包括电压采样模块2501、比较模块2502、基准模块2503以及反相器2504。
电压采样模块2501包括串联连接在电源端和地之间的电阻R1和R2，电阻R1和R2通过根据电源电压Vdd分压得到所述电压采样信号，电阻R1和R2的中间节点用于提供所述电压采样信号。
基准模块2503用于产生所述基准电压。其中，基准模块2503包括串联连接在电源端和地之间的恒流源253、N型MOSFET Mn7和Mn8。N型MOSFET Mn7和Mn8分别连接成二极管结构，恒流源253和N型MOSFET Mn7的中间节点用于提供所述基准电压。
比较模块2502用于将电压采样信号与基准电压进行比较，获得二者之间的比较信号。反相器2504根据所述比较信号生成所述电压检测信号。
进一步的，比较模块2502包括P型MOSFET Mp1至Mp3、N型MOSFET Mn5和Mn6、以及恒流源251和恒流源252。P型MOSFET Mp1、N型MOSFET Mn5、以及恒流源251串联连接于电源端与地之间，P型MOSFET Mp2和N型MOSFET Mn6串联连接于电源端和恒流源251之间，P型MOSFET Mp3和恒流源252串联连接在电源端和地之间。其中，P型MOSFET Mp1和Mp2构成电流镜，N型MOSFET Mn5的控制端连接至电阻R1和R2的中间节点以接收电压采样信号，N型MOSFET Mn6的控制端连接至恒流源253和N型MOSFET Mn7的中间节点以接收基准电压，P型MOSFET Mp3和恒流源252的中间节点用于提供所述比较信号。
在本实施例中，N型MOSFET Mn7和Mn8构成的二极管结构的导通压降大约都为0.7V，由此可得到比较模块2502输出翻转时对应的基准电压为1.4V。当所述电压采样信号小于该基准电压时，比较模块2502输出低电平，经反相器2504整形后输出电压检测信号为高电平，N型MOSFET Mn3导通；当所述电压采样信号大于/等于该基准电压时，比较模块2502输出翻转为高电平，经反相器2504整形后输出电压检测信号为低电平，N型MOSFET Mn3关断。
继续参考图2，运算放大器230用于根据电流采样信号和参考信号得到电流检测信号。在本发明的一个实施例中，运算放大器230的正相输入端与节点A连接，运算放大器230的反相输入端与节点B连接(如图2所示的连接方式)，当运算放大器230的输出端的电流检测信号CL为低电平时，表征芯片工作处于正常状态，当运算放大器230的输出端的电流检测信号CL为高电平时，表征芯片工作处于过流状态。在本发明的另一实施例中，运算放大器230的反相输入端与节点A连接，运算放大器230的正相输入端与节点B连接，当运算放大器230的输出端的电流检测信号CL为低电平时，表征芯片工作处于过流状态，当运算放大器230的输出端的电流检测信号CL为高电平时，表征芯片工作处于正常状态。
在本发明优选的实施例中，还对上述电路进行了优化，具体来说，在上述电路中增加了控制电路260，控制电路260用于根据电流检测信号CL控制功率晶体管的控制端电压，从而控制流过功率晶体管的输入电流Ip。在一种实施例中，控制电路260包括N型MOSFETMn9和Mn10。N型MOSFET Mn9串联连接于运算放大器230的输出端与地之间，N型MOSFET Mn10串联连接于功率晶体管Mnp的控制端与地之间。其中，N型MOSFET Mn9和Mn10构成电流镜。电流镜的一个输出端，即N型MOSFET Mn9的第一端，与运算放大器230的输出端相连接，以接收电流检测信号CL。电流镜的另一个输出端，即N型MOSFET Mn10的第一端，与功率晶体管Mnp的控制端连接，以根据所述电流检测信号CL拉低所述功率晶体管Mnp的控制端电压。例如，当芯片处于过流状态时，控制电路260将功率晶体管Mnp关断，以达到保护芯片的目的。
综上所述，本发明的限流保护电路还包括电压检测电路，电压检测电路将电源电压的电压采样信号与基准电压进行比较，根据比较结果调节参考电压电路生成的参考电压信号，继而调节芯片的功率晶体管中流过的电流。当电压采样信号大于该基准电压时，电压检测电路提供有效的电压检测信号，参考电压电路根据该电压检测信号调节所述参考电压信号，继而减小所述输入电流。可在功率晶体管的输出端发生短路，且电源电压的电压采样信号大于基准电压的情况下将功率晶体管的输入电流降低50％，降低了当芯片的输出端对地短路或接较大负载时功率晶体管消耗的功率，降低了芯片以及后级负载损坏的风险，提高了电路稳定性。
依照本发明的实施例如上文，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。本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。
Claims (13)
1.一种限流保护电路，其特征在于，包括：
功率晶体管，串联连接在电源端和输出端之间，输入电流由所述功率晶体管的第一端流向第二端；
电流采样电路，用于根据所述输入电流得到电流采样信号；
参考电压电路，用于产生参考电压信号；
运算放大器，用于根据所述电流采样信号和所述参考电压信号得到电流检测信号；
控制电路，用于根据所述电流检测信号控制所述功率晶体管的管压降；以及
电压检测电路，用于将所述电源端的电源电压的电压采样信号与基准电压进行比较，并在所述电压采样信号大于所述基准电压时提供电压检测信号，所述参考电压电路根据所述电压检测信号调节所述参考电压信号。
2.根据权利要求1所述的限流保护电路，其特征在于，所述参考电压电路包括：
第一恒流源，用于产生偏置电流；
电流镜模块，用于产生与所述偏置电流成一定比例的参考电流；以及
参考电阻，与所述电流镜模块连接于第一节点，用于根据所述参考电流在所述第一节点提供所述参考电压信号，
其中，所述电压检测信号通过改变所述比例以调节所述参考电压信号。
3.根据权利要求2所述的限流保护电路，其特征在于，所述电流镜模块包括：
串联连接于所述第一恒流源和地之间的第一晶体管；
串联连接于所述第一节点和地之间的第二晶体管；以及
串联连接于所述第一节点与地之间的第三晶体管和第四晶体管，
其中，所述第三晶体管的控制端接收所述电压检测信号，所述第一晶体管、第二晶体管以及所述第四晶体管构成电流镜。
4.根据权利要求3所述的限流保护电路，其特征在于，所述第一晶体管、第二晶体管以及所述第四晶体管之间的宽长比之比为2:1:1。
5.根据权利要求4所述的限流保护电路，其特征在于，所述电压检测信号通过控制所述第三晶体管的导通和关断状态以改变所述比例，
其中，所述偏置电流与所述参考电流之间的所述比例包括1:1或2:1。
6.根据权利要求1所述的限流保护电路，其特征在于，所述电压检测电路包括：
基准模块，用于产生所述基准电压；
电压采样模块，用于根据所述电源电压生成所述电压采样信号；以及
比较模块，用于将所述电压采样信号与所述基准电压进行比较，获得二者的比较信号；以及
反相器，用于根据所述比较信号生成所述电压检测信号。
7.根据权利要求6所述的限流保护电路，其特征在于，所述电压采样模块包括：
串联连接于所述电源端和地之间的第一电阻和第二电阻，所述第一电阻和第二电阻的中间节点用于提供所述电压采样信号。
8.根据权利要求6所述的限流保护电路，其特征在于，所述基准模块包括：
串联连接于所述电源端与地之间的第二恒流源、第五晶体管以及第六晶体管，
所述第五晶体管和所述第六晶体管分别连接成二极管结构，
所述第二恒流源和所述第五晶体管的中间节点用于提供所述基准电压。
9.根据权利要求6所述的限流保护电路，其特征在于，所述比较模块包括：
串联连接于所述电源端和地之间的第七晶体管、第八晶体管以及第三恒流源；
串联连接于所述电源端和所述第三恒流源之间的第九晶体管和第十晶体管；以及
串联连接于所述电源端和地之间的第十一晶体管和第四恒流源，
其中，所述第七晶体管和所述第九晶体管构成电流镜，
所述第八晶体管的控制端接收所述电压采样信号，所述第十晶体管的控制端接收所述基准电压，
所述第十一晶体管的控制端连接至所述第七晶体管和第八晶体管的中间节点，
所述第十一晶体管和所述第四恒流源的中间节点用于提供所述比较信号。
10.根据权利要求1所述的限流保护电路，其特征在于，所述电流采样模块包括：
串联连接于所述电源端和输出端之间的采样电阻和镜像晶体管，
所述镜像晶体管和所述功率晶体管构成电流镜，从而得到与所述输入电流对应的采样电流，
所述采样电阻用于根据所述采样电流在第二节点提供所述电流采样信号。
11.根据权利要求3所述的限流保护电路，其特征在于，所述第一晶体管、所述第二晶体管、所述第三晶体管、以及所述第四晶体管分别为N型的金属氧化物半导体场效应晶体管。
12.根据权利要求8所述的限流保护电路，其特征在于，所述第五晶体管和所述第六晶体管分别为N型的金属氧化物半导体场效应晶体管。
13.根据权利要求9所述的限流保护电路，其特征在于，所述第七晶体管、所述第九晶体管、以及所述第十一晶体管分别为P型的金属氧化物半导体场效应晶体管，
所述第八晶体管和所述第十晶体管分别为N型的金属氧化物半导体场效应晶体管。
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