CN114679040A

CN114679040A - 一种限流保护电路

Info

Publication number: CN114679040A
Application number: CN202210306579.9A
Authority: CN
Inventors: 叶强; 王辉; 黄兵兵
Original assignee: Xidian University
Current assignee: Xidian University
Priority date: 2022-03-25
Filing date: 2022-03-25
Publication date: 2022-06-28
Anticipated expiration: 2042-03-25
Also published as: CN114679040B

Abstract

本发明公开了一种限流保护电路，功率开关单元用于根据功率管电流大小切换于电阻模式和/或恒流源模式，并包括第一输入端、第二输入端和第一输出端；电流检测单元用于检测功率管电流，并将功率管电流传输至误差放大器单元，并包括第三输入端、第四输入端、第五输入端和第二输出端；误差放大器单元用于根据功率管电流形成的电压和基准电压对功率开关单元进行驱动，并包括第六输入端、第七输入端、第八输入端和第三输出端；第一输入端、第五输入端和第八输入端同时连接输入电压，第三输出端同时连接第二输入端和第四输入端，第一输出端同时连接第三输入端和输出电压，第六输入端连接第二输出端，第七输入端连接基准电压。

Description

一种限流保护电路

技术领域

本发明涉及电路电子技术领域，具体涉及一种限流保护电路。

背景技术

负载开关作为电源管理芯片的重要组成部分，接在供电电源和负载之间，用来检测提供给负载电流的大小，当负载电流小于负载开关的限流阈值时，负载开关作为一个简单的电子开关使用，将供电电源的功率传递给负载，当负载电流大于负载开关的限流阈值时，负载开关关断或者作为恒流源以恒定电流给负载供电，保护负载开关的功率管以及下游的负载。许多系统要求对子系统的功率分配具有控制权，负载开关可用于开启和关闭相同输入电压的子系统，而不是使用多个DC/DC转换器或LDO，通过使用负载开关，功率可以分配在不同的负载上，并对每个单独的负载进行控制，可以极大地提高电源管理系统的灵活性和稳定性，减少待机负载的漏电流，提高功率的利用率，因此研究快速高精度限流保护电路具有重要的价值。

负载开关的主要作用是快速地检测流过功率管电流的大小然后判断是否过流从而采取相应的措施，因此采样电流的精度决定了整个负载开关的精度。现有的负载开关中对功率管电流的采样主要以并联SENSEFETs采样技术为主，以P型功率管为例，为了实现对功率管电流的等比例采样，需要将采样管与功率管进行并联连接，它们的源极、栅极和衬底分别连接在一起，它们的漏极接在一个运放的两个输入端，利用运放“虚短”原理使得它们的漏极电压相等，因此流过功率管的电流与采样管上的电流成线性关系，只与它们宽长比的比值有关。采样管的电流流过内部集成电阻形成电压，将该电压与基准电压的差值经过误差放大器放大后控制整个负载开关环路。

现有技术的缺点：

(1)根据现有的工艺水平，制作芯片内部集成电阻的绝对精度比较差，随工艺、温度和电压的变化较大，因此采样电流流经内部集成电阻形成的电压变化较大，使得整个负载开关的限流精度较差；

(2)传统的电流采样技术为了确保功率管和采样管的漏极电压相等，会引入一个运放，该运放由于设计和工艺的问题会存在一定的失调电压，该电压会影响采样电流的精度。而且由于运放有限的带宽，也会影响到限流保护电路的响应速度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种限流保护电路，以提高负载开关电路的响应速度和限流精度。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

本发明提供一种限流保护电路，所述限流保护电路包括：功率开关单元，所述功率开关单元用于根据功率管电流大小切换于电阻模式和/或恒流源模式，并且，所述功率开关单元包括第一输入端、第二输入端和第一输出端；电流检测单元，所述电流检测单元用于检测所述功率管电流，并将所述功率管电流传输至误差放大器单元，并且，所述电流检测单元包括第三输入端、第四输入端、第五输入端和第二输出端；误差放大器单元，所述误差放大器单元用于根据所述功率管电流形成的电压和基准电压对所述功率开关单元进行驱动，并且，所述误差放大器单元包括第六输入端、第七输入端、第八输入端和第三输出端；所述第一输入端、所述第五输入端和所述第八输入端同时连接输入电压，所述第三输出端同时连接所述第二输入端和所述第四输入端，所述第一输出端同时连接所述第三输入端和输出电压，所述第六输入端连接所述第二输出端，所述第七输入端连接基准电压。

可选择地，所述功率开关单元包括功率开关管M1，所述功率开关管M1的源极作为所述第一输入端，所述功率开关管M1的栅极作为所述第二输入端，所述功率开关管M1的漏极作为所述第一输出端。

可选择地，当所述功率开关管M1处于电阻模式时，所述功率开关管M1的阻抗R_ON为：

其中，μ_p为功率开关管M1载流子的迁移率，C_OX为单位面积栅氧化层电容，W为功率开关管M1的宽度，L为功率开关管M1的沟道长度，V_SG为功率开关管M1的源极和栅极电压差，V_THP为功率开关管M1的阈值电压。

可选择地，所述电流检测单元包括PMOS管M2、PMOS管M3、自偏置电流镜、电阻R_SET和电流补偿模块，所述自偏置电流镜包括第一连接端、第二连接端、第三连接端和第四连接端，所述电流补偿模块包括第五连接端、第六连接端、第七连接端和第八连接端，所述PMOS管M2的源极和所述PMOS管M3的源极同时连接以作为所述第五输入端连接所述输入电压V_IN，所述PMOS管M2的漏极同时连接所述第二连接端和第五连接端，所述PMOS管M3的漏极连接所述PMOS管M6的源极，所述PMOS管M6的漏极、所述第七连接端、电阻R_SET的一端同时连接以作为所述第二输出端与所述第六输入端连接，所述电阻R_SET的另一端、所述第八连接端和所述第四连接端同时接地，所述PMOS管M6的栅极连接所述第三连接端，所述第一连接端和所述第六连接端连接以作为所述第三输入端。

可选择地，所述自偏置电流镜包括PMOS管M4、所述PMOS管M5、所述NMOS管M7和所述NMOS管M8，所述PMOS管M4的源极作为所述第一连接端，所述PMOS管M5的源极作为所述第二连接端，所述PMOS管M4的栅极、所述PMOS管M5的栅极、所述PMOS管M4的漏极和所述NMOS管M7的漏极同时连接以作为所述第三连接端，所述NMOS管M8的源极和所述NMOS管M7的源极连接以作为所述第四连接端，所述NMOS管M8的栅极同时连接所述NMOS管M8的漏极、所述NMOS管M7的栅极和所述PMOS管M5的漏极。

可选择地，所述自偏置电流镜的正反馈环路增益Av为：

其中，g_m4、g_m5、g_m7和g_m8分别为PMOS管M4、PMOS管M5、NMOS管M7和NMOS管M8的跨导，r_o1和r_o2分别为功率开关管M1和PMOS管M2的小信号输出阻抗，R_LOAD为负载电阻。

可选择地，所述电流补偿模块用于提高电流采样的精度且包括NMOS管M9和运算放大器OPA，所述运算放大器OPA的同相输入端作为所述第五连接端，所述运算放大器OPA的反相输入端作为所述第六连接端，所述NMOS管M9的漏极作为所述第七连接端，所述NMOS管M9的源极作为所述第八连接端，所述NMOS管M9的栅极连接所述运算放大器OPA的输出端。

可选择地，所述误差放大器单元包括PMOS管M10～M13、NMOS管M14～M15、NPN管Q1、NPN管Q2和电流源I1，所述PMOS管M10的源极和所述PMOS管M11的源极同时连接以作为所述第八输入端，所述PMOS管M10的栅极和所述PMOS管M11的栅极同时连接以接入偏置电压Vb1，所述PMOS管M10的漏极同时连接所述PMOS管M12的源极和所述NPN管Q1的漏极，所述PMOS管M11的漏极同时连接所述PMOS管M13的源极和NPN管Q2的漏极，所述PMOS管M12的栅极和所述PMOS管M13的栅极同时连接以接入偏置电压Vb2，所述PMOS管M12的漏极同时连接所述NMOS管M14的漏极、所述NMOS管M14栅极和所述NMOS管M15的栅极，所述PMOS管M13的漏极和所述NMOS管M15的漏极同时连接以作为所述第三输出端，所述NPN管Q1的栅极作为所述第六输入端，其源极和所述NPN管Q2的源极同时连接所述电流源I1的正极，所述NPN管Q2的栅极作为所述第七输入端，以用于接入所述基准电压V_REF，所述电流源I1的负极、所述NMOS管M14源极和所述NMOS管M15的源极同时接地。

本发明具有以下有益效果：

1、利用自偏置电流镜的正反馈环路，极大地提高了负载开关的动态响应速度，负载变化时采样电流也能迅速相应地变化，使得限流环路快速做出调节；

2、利用片外绝对精度较高的电阻，实现负载开关限流阈值的灵活可编程，也极大地提高了负载开关的精度。

附图说明

图1为本发明所提供的限流保护电路的结构示意图1；

图2为本发明所提供的限流保护电路的结构示意图2。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例

本发明提供一种限流保护电路，参考图1所示，所述限流保护电路包括：功率开关单元，所述功率开关单元用于根据功率管电流大小切换于电阻模式和/或恒流源模式，并且，所述功率开关单元包括第一输入端、第二输入端和第一输出端；电流检测单元，所述电流检测单元用于检测所述功率管电流，并将所述功率管电流传输至误差放大器单元，并且，所述电流检测单元包括第三输入端、第四输入端、第五输入端和第二输出端；误差放大器单元，所述误差放大器单元用于根据所述功率管电流形成的电压和基准电压对所述功率开关单元进行驱动，并且，所述误差放大器单元包括第六输入端、第七输入端、第八输入端和第三输出端；所述第一输入端、所述第五输入端和所述第八输入端同时连接输入电压，所述第三输出端同时连接所述第二输入端和所述第四输入端，所述第一输出端同时连接所述第三输入端和输出电压，所述第六输入端连接所述第二输出端，所述第七输入端连接基准电压。

功率开关管M1作为功率管，在负载开关正常工作，即未进入限流状态时，栅极电压为零，功率开关管M1充分导通处于深线性工作区域，此时功率开关管M1可以视为一个电阻，其阻抗R_ON为：

其中，μ_p为功率开关管M1载流子的迁移率，C_OX为单位面积栅氧化层电容，W为功率开关管M1的宽度，L为功率开关管M1的沟道长度，V_SG为功率开关管M1的源极和栅极电压差，V_THP为功率开关管M1的阈值电压。由于功率开关管具有很大的宽长比，因此它的导通阻抗R_ON非常小，为毫欧姆级别，在功率开关管上的压降很小，可以近似地认为输入电压V_IN等于输出电压V_OUT。当负载开关处于限流状态时，误差放大器单元调整功率开关管M1的栅极电压，使其成为一个恒流源，以恒定电流给负载供电。与NMOS管作为功率管相比，PMOS功率管只需要将栅极电压拉到零就可以完全导通PMOS功率管，而NMOS功率管则需要增加电荷泵才能完全打开功率管，增加了系统的功耗。但由于NMOS管的载流子迁移率大于PMOS管的迁移率，达到相同的导通阻抗NMOS管需要的面积更小，因此功率管的选取是面积和功耗的折中，本发明更关注功耗，因此采用PMOS管作为功率开关管M1。

可选择地，参考图2所示，所述电流检测单元包括PMOS管M2、PMOS管M3、自偏置电流镜、电阻R_SET和电流补偿模块，所述自偏置电流镜包括第一连接端、第二连接端、第三连接端和第四连接端，所述电流补偿模块包括第五连接端、第六连接端、第七连接端和第八连接端，所述PMOS管M2的源极和所述PMOS管M3的源极同时连接以作为所述第五输入端连接所述输入电压V_IN，所述PMOS管M2的漏极同时连接所述第二连接端和第五连接端，所述PMOS管M3的漏极连接所述PMOS管M6的源极，所述PMOS管M6的漏极、所述第七连接端、电阻R_SET的一端同时连接以作为所述第二输出端与所述第六输入端连接，所述电阻R_SET的另一端、所述第八连接端和所述第四连接端同时接地，所述PMOS管M6的栅极连接所述第三连接端，所述第一连接端和所述第六连接端连接以作为所述第三输入端。

具体地，在本发明中，电阻R_SET为片外高精度电阻，可以实现限流阈值的设置。此外，本发明利用双采样管PMOS管M2和PMOS管M3对流过功率开关管M1的电流进行采样，通过自偏置电流镜使得功率开关管M1、PMOS管M2和PMOS管M3的漏极电压相等。

由此，具体能够使得功率开关管M1、PMOS管M2和PMOS管M3的漏极电压相等的实现过程为：

由于自偏置电流镜的存在，流过PMOS管M4，PMOS管M5和PMOS管M6的电流相等，由于它们的宽长比相同，从而它们的栅极和源极电压差相等，而它们的栅极相连接，所以功率开关管M1、PMOS管M2和PMOS管M3的漏极电压相等，因此功率开关管M1、PMOS管M2和PMOS管M3的四端电压相等，流过它们的与它们的宽长比成正比，功率开关管M1、PMOS管M2和PMOS管M3宽长比的比值为K:1:1，为了更好地匹配，它们都是由宽长比相同的PMOS单元管并联组成的，即宽长比的比值就是组成它们PMOS单元管的个数之比，组成功率开关管M1、PMOS管M2和PMOS管M3的PMOS单元管的个数比为K:1:1。当负载开关未进入限流状态时，功率开关管M1、PMOS管M2和PMOS管M3的栅极电压为零，工作在深线性区，根据线性区MOS管电流公式，流过功率开关管M1的电流：

流过PMOS管M2和PMOS管M3的电流相等，为：

则I₁＝KI₂＝KI₃,实现对功率管电流在非限流模式下的等比例采样。当负载开关进入限流模式时，误差放大器单元对功率开关管M1、PMOS管M2和PMOS管M3的栅极电压进行调节，使功率开关管M1成为一个恒流源，此时功率开关管M1、PMOS管M2和PMOS管M3工作在饱和区，根据饱和区电流公式，流过功率开关管M1的电流为：

流过PMOS管M2和PMOS管M3的电流相等，为：

由于PMOS管M4、PMOS管M5、NMOS管M7和NMOS管M8组成自偏置电流镜，因此，PMOS管M4和所述PMOS管M5的宽长比相同，NMOS管M7和NMOS管M8的宽长比相同，进而，PMOS管M4和NMOS管M7的支路电流与PMOS管M5和NMOS管M8的支路电流相等。由于自偏置电流镜存在无数兼并点，即这两条支路的电流相等同时可以等于任何合理的值，自偏置结构也会处于平衡状态，利用PMOS管M2的采样电流使电流镜工作于固定已知的状态，脱离兼并点，设流过功率管的电流为I_LOAD，则流过PMOS管M2的电流为

流过PMOS管M4、PMOS管M5和PMOS管M6的电流都为

自偏置电流镜固有的正反馈环路可以极大地提高系统的动态响应，当负载突然变大导致输出电压突然降低时，为了保证PMOS管M4的电流不变，PMOS管M4的栅极电压也减小，因此流过PMOS管M5和PMOS管M6的电流快速增加，这就是本发明优于传统负载开关动态响应的原因，利用自偏置电流镜的正反馈环路，使得输出变化时能快速地反应到正反馈环路里，正反馈环路对变化量快速放大，从而使采样电流相应地做出变化，使整个负载开关环路快速响应变化。但正反馈环路可能会引起电路的振荡，使电路处于不稳定工作状态，因此在稳定系统中必须保证正反馈环路增益小于1，才能防止电路振荡。对功率开关管M1、PMOS管M2、PMOS管M4、PMOS管M5、NMOS管M7和NMOS管M8组成的正反馈环路作小信号分析，计算正反馈环路增益，从NMOS管M7的栅极断开环路，只考虑功率开关管M1和PMOS管M2的沟道长度调制效应，则正反馈环路的增益Av为：

其中，g_m4、g_m5、g_m7和g_m8分别为PMOS管M4、MOS管M5、NMOS管M7和NMOS管M8的跨导，r_o1和r_o2分别为功率开关管M1和PMOS管M2的小信号输出阻抗，R_LOAD为负载电阻。

根据具体应用环境，通常为欧姆量级，而r_o1和r_o2量级通常为千欧姆级，因此正反馈环路增益：

可知正反馈环路的增益小于1，自偏置电流镜的引入提高了系统动态响应的同时不会带来系统稳定性问题。

利用误差放大器单元3“虚短”的特性，使得R_SET上的电压等于基准电压V_REF，则限流阈值大小为：

其中，K为功率管与采样管宽长比的比值，V_REF为基准电压，R_SET为限流编程电阻，根据不同的应用环境，用户可以调制R_SET的值实现不同的限流阈值。在电源管理系统中，根据相关的反馈知识可知，设置恒定电压输出对反馈电阻的相对精度要求较高，而设置恒定电流输出对反馈电阻的绝对精度要求较高，现有的工艺水平制作片内集成电阻的相对精度能达到很高，绝对精度性能较差，随工艺、电压和温度的变化较大，而片外电阻的绝对精度很高，因此本发明采用片外高精度电阻，既可实现限流阈值的可编程，又使负载开关的限流阈值精度更高。

运算放大器OPA检测输出电压V_OUT和PMOS管M2的漏极，并将两个电压的差值进行放大，从而控制补偿管NMOS管M9的栅极，对采样管的电流进行补偿。当输出电压较低时，功率开关管M1的源极与漏极电压差值较大，使得流过功率管的电流增大，而流过电阻R_SET的电流不变，因此如果没有电流补偿单元，会造成功率管电流与采样管电流的比值增大，造成采样精度的降低，而加入电流补偿单元后，当输出电压V_OUT较低时，运算放大器输出端的电压变高，使得流过补偿管NMOS管M9的电流增加，即采样管上的电流也增加，使得功率管电流与采样管电流比例保持不变，提高了电流采样精度，从而提高了整个限流环路的精度。

误差放大器单元将采样电流形成的电压与基准电压V_REF作差，并将该差值放大，去调节功率开关管M1和采样管(PMOS管M2和PMOS管M3)的栅极电压，使得限流环路形成闭环负反馈，误差放大器的直流增益和失配电压对负载开关的速度和精度也有影响。该运放采用折叠式共源共栅结构，用NPN管Q1和NPN管Q2作为输入对管，使得共模电平包含电源电压，相比CMOS管作为输入对管，采用双极性晶体管能够极大地增加电路的响应速度，同时也减小了误差放大器的失配电压，保证限流环路的速度和精度。电流源I1作为运放的尾电流源，给运放提供偏置，增加运放的共模抑制比。PMOS管M10和PMOS管M11作为共栅级电路的偏置，由偏置电压Vb1提供偏置电流。PMOS管M12和PMOS管M13作为共栅级的放大管，由偏置电压Vb2提供偏置。NMOS管M14和NMOS管M15作为电流镜负载，将运放转换成单端输出结构。误差放大器的直流增益与负载开关的精度成同相关的关系，对该运放做小信号分析，求得它的增益为：

Av＝g_m2·{r_o15||[g_m13·r_o13·(r_o11||r_o2)]}

其中，g_m2和g_m13分别为NPN管Q2和PMOS管M13的跨导，r_o2、r_o11、r_o13和r_o15分别为NPN管Q2、PMOS管M11、PMOS管M13和NMOS管M15的小信号输出阻抗，可知该运放能够提供足够的直流增益。

本发明具有以下有益效果：

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种限流保护电路，其特征在于，所述限流保护电路包括：

功率开关单元，所述功率开关单元用于根据功率管电流大小切换于电阻模式和/或恒流源模式，并且，所述功率开关单元包括第一输入端、第二输入端和第一输出端；

电流检测单元，所述电流检测单元用于检测所述功率管电流，并将所述功率管电流传输至误差放大器单元，并且，所述电流检测单元包括第三输入端、第四输入端、第五输入端和第二输出端；以及

误差放大器单元，所述误差放大器单元用于根据所述功率管电流形成的电压和基准电压对所述功率开关单元进行驱动，并且，所述误差放大器单元包括第六输入端、第七输入端、第八输入端和第三输出端；

所述第一输入端、所述第五输入端和所述第八输入端同时连接输入电压，所述第三输出端同时连接所述第二输入端和所述第四输入端，所述第一输出端同时连接所述第三输入端和输出电压，所述第六输入端连接所述第二输出端，所述第七输入端连接基准电压。

2.根据权利要求1所述的限流保护电路，其特征在于，所述功率开关单元包括功率开关管M1，所述功率开关管M1的源极作为所述第一输入端，所述功率开关管M1的栅极作为所述第二输入端，所述功率开关管M1的漏极作为所述第一输出端。

3.根据权利要求2所述的限流保护电路，其特征在于，当所述功率开关管M1处于电阻模式时，所述功率开关管M1的阻抗R_ON为：

4.根据权利要求2所述的限流保护电路，其特征在于，所述电流检测单元包括PMOS管M2、PMOS管M3、自偏置电流镜、电阻R_SET和电流补偿模块，所述自偏置电流镜包括第一连接端、第二连接端、第三连接端和第四连接端，所述电流补偿模块包括第五连接端、第六连接端、第七连接端和第八连接端，所述PMOS管M2的源极和所述PMOS管M3的源极同时连接以作为所述第五输入端连接所述输入电压V_IN，所述PMOS管M2的漏极同时连接所述第二连接端和第五连接端，所述PMOS管M3的漏极连接所述PMOS管M6的源极，所述PMOS管M6的漏极、所述第七连接端、电阻R_SET的一端同时连接以作为所述第二输出端与所述第六输入端连接，所述电阻R_SET的另一端、所述第八连接端和所述第四连接端同时接地，所述PMOS管M6的栅极连接所述第三连接端，所述第一连接端和所述第六连接端连接以作为所述第三输入端。

5.根据权利要求4所述的限流保护电路，其特征在于，所述自偏置电流镜包括PMOS管M4、所述PMOS管M5、所述NMOS管M7和所述NMOS管M8，所述PMOS管M4的源极作为所述第一连接端，所述PMOS管M5的源极作为所述第二连接端，所述PMOS管M4的栅极、所述PMOS管M5的栅极、所述PMOS管M4的漏极和所述NMOS管M7的漏极同时连接以作为所述第三连接端，所述NMOS管M8的源极和所述NMOS管M7的源极连接以作为所述第四连接端，所述NMOS管M8的栅极同时连接所述NMOS管M8的漏极、所述NMOS管M7的栅极和所述PMOS管M5的漏极。

6.根据权利要求4或5所述的限流保护电路，其特征在于，所述自偏置电流镜的正反馈环路增益Av为：

7.根据权利要求4所述的限流保护电路，其特征在于，所述电流补偿模块用于提高电流采样的精度且包括NMOS管M9和运算放大器OPA，所述运算放大器OPA的同相输入端作为所述第五连接端，所述运算放大器OPA的反相输入端作为所述第六连接端，所述NMOS管M9的漏极作为所述第七连接端，所述NMOS管M9的源极作为所述第八连接端，所述NMOS管M9的栅极连接所述运算放大器OPA的输出端。

8.根据权利要求4所述的限流保护电路，其特征在于，所述误差放大器单元包括PMOS管M10～M13、NMOS管M14～M15、NPN管Q1、NPN管Q2和电流源I1，所述PMOS管M10的源极和所述PMOS管M11的源极同时连接以作为所述第八输入端，所述PMOS管M10的栅极和所述PMOS管M11的栅极同时连接以接入偏置电压Vb1，所述PMOS管M10的漏极同时连接所述PMOS管M12的源极和所述NPN管Q1的漏极，所述PMOS管M11的漏极同时连接所述PMOS管M13的源极和NPN管Q2的漏极，所述PMOS管M12的栅极和所述PMOS管M13的栅极同时连接以接入偏置电压Vb2，所述PMOS管M12的漏极同时连接所述NMOS管M14的漏极、所述NMOS管M14栅极和所述NMOS管M15的栅极，所述PMOS管M13的漏极和所述NMOS管M15的漏极同时连接以作为所述第三输出端，所述NPN管Q1的栅极作为所述第六输入端，其源极和所述NPN管Q2的源极同时连接所述电流源I1的正极，所述NPN管Q2的栅极作为所述第七输入端，以用于接入所述基准电压V_REF，所述电流源I1的负极、所述NMOS管M14源极和所述NMOS管M15的源极同时接地。