CN114281140A - 一种高精度限流折返保护电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种高精度限流折返保护电路，属于电源管理领域；采样单元对输出功率单元进行采样；输出电压检测单元检测输出电压的变化，根据检测结果判决选通参考电流；参考电流与限流阈值存在一一成比例对应关系，通过检测输出电压判决选通参考电流实现限流折返功能：当线性稳压器的负载电流小于限流保护阈值时，参考电流为IREF1，此时线性稳压器的限流保护阈值为ICL1；当线性稳压器的负载电流大于限流保护阈值时检测到输出电压变化，将参考电流切换为IREF2，将线性稳压器的限流保护阈值由ICL1下降为ICL2，从而实现限流折返功能；参考电流IREF2小于参考电流IREF1；电流比较单元将采样电流与参考电流比较，根据比较结果判决限流保护是否触发。
Description
技术领域
本发明涉及电源管理技术领域，特别涉及一种高精度限流折返保护电路。
背景技术
随着半导体器件特征尺寸的不断缩小，电子设备系统的集成度越来越高，对负载点电源的负载能力的要求越来越高。特别是当负载电路过载甚至短路时，导致供电电源芯片功率管上输出的大电流变大，将会永久损害电源管理芯片或导致负载电路烧毁。因此电源转换芯片内部通常集成过限流保护功能。
低压差线性稳压器作为电源管理芯片的一种，具有低噪声、响应速度快、应用简单等优点，但也具有转换效率低的缺点。传统低压差线性稳压器限流保护电路中当限流保护被触发时，箝位电路将负载电流限制为限流保护阈值，造成低压差线性稳压器本身产生很大的耗散功率，引起器件发热，影响器件的可靠性。
为了避免低压差线性稳压器在电流过载或短路时产生耗散功率较大的问题，本发明提出了一种高精度限流折返保护电路。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高精度限流折返保护电路，以解决低压差线性稳压器在电流过载或短路时产生耗散功率较大的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种高精度限流折返保护电路，包括输出功率单元、采样单元、电流比较单元、输出电压检测单元、选通单元、第一参考电流单元、第二参考电流单元和箝位电路；
所述采样单元对所述输出功率单元进行采样，并将采样电流复制到电流比较单元；
所述输出电压检测单元检测输出电压的变化，根据检测结果判决选通参考电流；参考电流与限流阈值存在一一成比例对应关系，通过检测输出电压判决选通参考电流实现限流折返功能：当线性稳压器的负载电流小于限流保护阈值时，参考电流为IREF1，此时线性稳压器的限流保护阈值为ICL1；当线性稳压器的负载电流大于限流保护阈值时检测到输出电压变化，将参考电流切换为IREF2，将线性稳压器的限流保护阈值由ICL1下降为ICL2，从而实现限流折返功能；参考电流IREF2小于参考电流IREF1；
所述电流比较单元将采样电流与参考电流比较，根据比较结果判决限流保护是否触发。
可选的，所述采样单元根据所述输出功率单元的器件类型，为PMOS管或NMOS管；所述采样单元的采样电流连接NMOS管MN1的漏极和第一运放器A1的正输入端，所述第一运放器A1的负输入端连接输出端口OUT；所述第一运放器A1的输出端连接NMOS管MN1的栅极和NMOS管MN2的栅极。
可选的，所述输出电压检测单元为检测比较器A2，其正输入端连接输出端口OUT，负输入端连接检测参考电压VFL，输出端连接所述选通单元的控制输入端口。
可选的，所述第一参考电流单元、第二参考电流单元均与所述选通单元连接，所述输出电压检测单元的输出端控制所述选通单元的参考电压，当选通单元选通第一参考电压VREF1时，对应第一参考电流单元，当选通单元选通第二参考电压VREF2时，第二参考电流单元；
所述选通单元的输出端连接第三运放器A3的正输入端，所述第三运放器A3的负输入端连接NMOS管MN3的源极，所述NMOS管MN3的漏极连接PMOS管MP1的栅极和源极，所述NMOS管MN3的源极通过电阻RPCL接地。
可选的，所述第三运放器A3、NMOS管MN3和电阻RPCL组成负反馈环路，产生参考电流。
可选的，所述箝位电路为PMOS管MP5，其栅极连接PMOS管MP2的源极和NMOS管MN2的漏极。
在本发明提供的高精度限流折返保护电路中，当线性稳压器的负载电流小于限流保护阈值时，限流折返保护电路不影响线性稳压器正常工作，参考电流选通第一参考电流单元，此时线性稳压器的限流保护阈值为ICL1，对应第一参考电流单元中的参考电流IREF1；当线性稳压器的负载电流大于限流保护阈值ICL1时触发限流保护，箝位电路使能工作，对输出功率单元进行箝位，使输出电压下降，输出电压检测单元检测输出电压低于检测参考电压VFL，触发选通第二参考电流单元，由于参考电流IREF2小于参考电流IREF1，第二参考电流单元对应的限流保护阈值ICL2小于第一参考电流单元对应的限流保护阈值ICL2，使箝位电路向限流保护阈值更小的方向进行箝位，从而实现限流折返功能。当线性稳压器的负载电流下降，低于第二参考电流单元对应的限流保护阈值时，关断箝位电路，“释放”线性稳压器环路，输出电压恢复正常输出值。
附图说明
图1是本发明提供的高精度限流折返保护电路系统示意图；
图2是本发明提供的高精度限流折返保护电路结构示意图；
图3是本发明提供的高精度限流折返保护电路的时序波形示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种高精度限流折返保护电路作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
实施例一
本发明提供了一种高精度限流折返保护电路，其系统结构如图1所示，包括输出功率单元、采样单元、电流比较单元、输出电压检测单元、选通单元、第一参考电流单元、第二参考电流单元和箝位电路；所述采样单元对所述输出功率单元进行采样，并将采样电流复制到电流比较单元；所述输出电压检测单元检测输出电压的变化，根据检测结果判决选通参考电流；参考电流与限流阈值存在一一成比例对应关系，通过检测输出电压判决选通参考电流实现限流折返功能：当线性稳压器的负载电流小于限流保护阈值时，参考电流为IREF1，此时线性稳压器的限流保护阈值为ICL1；当线性稳压器的负载电流大于限流保护阈值时检测到输出电压变化，将参考电流切换为IREF2，将线性稳压器的限流保护阈值由ICL1下降为ICL2，从而实现限流折返功能；参考电流IREF2小于参考电流IREF1；所述电流比较单元将采样电流与参考电流比较，根据比较结果判决限流保护是否触发。
图2为高精度限流折返保护电路的具体电路结构示意图，PMOS管MP4为输出功率单元，对外输出负载电流；
PMOS管MP3为采样单元，对PMOS管MP4进行电流采样；NMOS管MN1为被镜像管，将采样电流镜像给镜像管NMOS管MN2；
第一运放器A3、NMOS管MN3与电阻RPCL组成反馈回路，产生参考电流IREF；PMOS管MP1为被镜像管，将参考电流IREF镜像给镜像管PMOS管MP2；
PMOS管MP5为箝位电路，根据PMOS管MP2与NMOS管MN2的电流比较结果，控制PMOS管MP5对PMOS管MP4栅极进行箝位。
①引入第一运放器A1，将第一运放器A1的正输入端与NMOS管MN1的漏极、PMOS管MP3的漏极连接，第一运放器A1的负输入端与输出端口OUT连接，第一运放器A1的输出端与NMOS管MN1的栅极、NMOS管MN2的栅极连接。第一运放器A1与NMOS管MN1组成负反馈环路，强制使输出功率单元MP4的漏极与采样单元MP3漏极相等，实现采样电流的高精度采样。
②引入了检测比较器A2作为输出电压检测单元，用于检测输出电压变化。检测比较器A2的正输入端与输出端口OUT连接，负输入端与检测参考电压VFL连接，输出端与选通单元的控制输入端口连接，根据检测比较器A2的输出结果判决选通参考电流。
③引入了选通单元：选通单元的控制输入端口与检测比较器A2的输出端连接；选通单元的两个输入端分别与第一参考电压VREF1和第二参考电压VREF2连接；选通单元的输出端与第三运放器A3的正端输入端连接。检测比较器A2的输出结果控制选通单元选通参考电压，当选通单元选通第一参考电压VREF1时，对应第一参考电流单元，当选通单元选通第二参考电压VREF2时，对应第二参考电流单元。
本发明电路具体工作原理如下：
当线性稳压器的负载电流小于限流保护阈值时，限流折返保护电路不影响线性稳压器正常工作，检测比较器A2的输出为高电平，控制选通单元选通第一参考电压VREF1输入第三运放器A3的正输入端，此时线性稳压器的限流保护阈值为ICL1(对应第一参考电流单元中的参考电流IREF1)：
其中N为输出功率管MP4的宽长比(W/L)MP4与采样管MP3的宽长比((W/L)MP3的比值；M为采样电流复制电路MN1的宽长比(W/L)MN1与MN2的宽长比((W/L)MN2)的比值，即：
当线性稳压器的负载电流大于限流保护阈值ICL1时触发限流保护，箝位电路使能工作，对输出功率单元进行箝位，使输出端口OUT的电压下降，输出电压检测单元A2检测输出端口OUT的电压低于检测参考电压VFL，检测比较器A2的输出为低电平，控制选通单元选通第二参考电压VREF2输入第三运放A3的正输入端，此时线性稳压器的限流保护阈值为ICL2(对应参考电流单元2中的参考电流IREF2)：
若设计第二参考电压VREF2小于第一参考电压VREF1，可以得到第二参考电流单元中的参考电流IREF2小于第一参考电流单元中的参考电流IREF1，其对应的限流保护阈值ICL2小于第一参考电流单元对应的限流保护阈值ICL2，使箝位电路向限流保护阈值更小的方向进行箝位，从而实现限流折返功能。
当线性稳压器的负载电流下降，低于第二参考电流单元对应的限流保护阈值ICL2时，关断箝位电路，“释放”线性稳压器环路，输出电压恢复正常输出值。
图3为已验证的图2实施例的仿真时序波形，设计第二参考电压VREF2(0.3V)为第一参考电压VREF1(0.6V)的一半，可以实现限流阈值折返一半的功能：当电路上电启动后线性稳压器空载或轻载时(V1时刻)，负载电流(ILOAD)小于限流保护阈值时，输出电流(MP4/D)随负载电流(ILOAD)变化，此时PCL端口电压为VREF1(0.6V)，对应限流保护阈值约为ICL1(约为1.1A)，输出电压为正常输出值(约为1.2V)；当线性稳压器的负载电流(ILOAD)大于限流保护阈值ICL1时(V2时刻)，触发限流保护，输出电流(MP4/D)被限流在ICL1(约为1.1A)处，箝位电路使能工作，对输出功率单元进行箝位，使输出电压值下降低于检测比较器阈值时，触发限流折返功能，PCL端口电压下降为VREF2(约为0.3V)，对应限流保护阈值ICL2(约为0.55A)，输出电流(MP4/D)被折返限流在ICL2(约为0.55A)；继续增大负载电流(V3时刻)，由于电路处于限流保护状态，箝位电路对输出功率单元进行箝位，使输出功率单元的电流被限流为ICL2(约为0.55A)；当线性稳压器的负载电流下降低于限流保护阈值约为ICL2(约为0.55A)时(V4时刻)，关断箝位电路，“释放”线性稳压器环路，输出电压恢复正常输出值，PCL端口电压恢复降为VREF1(约为0.6V)，恢复对应限流保护阈值ICL1(约为1.1A)。
在本发明中，“连接”、“相连”、“连”、“接”等表示电性相连的词语，如无特别说明，则表示直接或间接的电性连接。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。
Claims (6)
1.一种高精度限流折返保护电路，其特征在于，包括输出功率单元、采样单元、电流比较单元、输出电压检测单元、选通单元、第一参考电流单元、第二参考电流单元和箝位电路；
所述采样单元对所述输出功率单元进行采样，并将采样电流复制到电流比较单元；
所述输出电压检测单元检测输出电压的变化，根据检测结果判决选通参考电流；参考电流与限流阈值存在一一成比例对应关系，通过检测输出电压判决选通参考电流实现限流折返功能：当线性稳压器的负载电流小于限流保护阈值时，参考电流为IREF1，此时线性稳压器的限流保护阈值为ICL1；当线性稳压器的负载电流大于限流保护阈值时检测到输出电压变化，将参考电流切换为IREF2，将线性稳压器的限流保护阈值由ICL1下降为ICL2，从而实现限流折返功能；参考电流IREF2小于参考电流IREF1；
所述电流比较单元将采样电流与参考电流比较，根据比较结果判决限流保护是否触发。
2.如权利要求1所述的高精度限流折返保护电路，其特征在于，所述采样单元根据所述输出功率单元的器件类型，为PMOS管或NMOS管；所述采样单元的采样电流连接NMOS管MN1的漏极和第一运放器A1的正输入端，所述第一运放器A1的负输入端连接输出端口OUT；所述第一运放器A1的输出端连接NMOS管MN1的栅极和NMOS管MN2的栅极。
3.如权利要求2所述的高精度限流折返保护电路，其特征在于，所述输出电压检测单元为检测比较器A2，其正输入端连接输出端口OUT，负输入端连接检测参考电压VFL，输出端连接所述选通单元的控制输入端口。
4.如权利要求3所述的高精度限流折返保护电路，其特征在于，所述第一参考电流单元、第二参考电流单元均与所述选通单元连接，所述输出电压检测单元的输出端控制所述选通单元的参考电压，当选通单元选通第一参考电压VREF1时，对应第一参考电流单元，当选通单元选通第二参考电压VREF2时，第二参考电流单元；
所述选通单元的输出端连接第三运放器A3的正输入端，所述第三运放器A3的负输入端连接NMOS管MN3的源极，所述NMOS管MN3的漏极连接PMOS管MP1的栅极和源极，所述NMOS管MN3的源极通过电阻RPCL接地。
5.如权利要求4所述的高精度限流折返保护电路，其特征在于，所述第三运放器A3、NMOS管MN3和电阻RPCL组成负反馈环路，产生参考电流。
6.如权利要求5所述的高精度限流折返保护电路，其特征在于，所述箝位电路为PMOS管MP5，其栅极连接PMOS管MP2的源极和NMOS管MN2的漏极。
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