CN116318098A - 负载开关装置及其恒流保护电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种负载开关装置的恒流保护电路，所述负载开关装置至少包括负载开关管，所述负载开关管具有耦接于输入电压和输出电压之间的电流传导路径，其中，所述恒流保护电路包括：电流采样模块，配置为采样所述负载开关管的输出电流，并生成电流采样信号；参考电压生成模块，配置为生成表征恒流保护阈值的参考电压信号；以及比较模块，配置为将所述电流采样信号与所述参考电压信号进行比较，并根据比较结果反馈控制所述负载开关管的控制端电压，其中，所述比较模块还配置为根据所述比较结果反馈调整所述参考电压信号，以获得与所述负载开关管的阻抗无关的恒流保护阈值。

Description

负载开关装置及其恒流保护电路
技术领域
本发明涉及电气控制技术领域，特别涉及负载开关装置及其恒流保护电路。
背景技术
在负载开关装置、电机控制等设备中使用MOSFET(Metal-Oxide-SemiconductorField-Effect Transistor,金属氧化物半导体场效应管)、IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor，绝缘栅双极型晶体管)等功率器件，这些器件在实际工作中会产生高低电平的脉冲跳变，流过该功率器件的电流也会产生过冲。另外当遇到热插拔、等效负载阻值突然减小或者输出端短接至地的情况时，功率器件的输出电流也会突然增大。
以负载开关装置为例，为了避免因为电流过大而导致电路损坏，需要对负载开关装置的输出电流进行限制。一般而言，根据与输出电流相关的电流采样信号与参考电压信号通过比较模块得到的比较结果，反馈控制调整负载开关管，将输出电流稳定在安全范围内，从而完成恒流保护功能。
然而现有技术的恒流保护电路并未考虑负载开关管的工作区域，处在不同工作区域的负载开关管具有不同的导通阻抗，负载开关装置及其恒流保护电路的恒流保护阈值与输入电压和输出电压相关。例如，负载开关管处于饱和区时，其恒流保护阈值能够限制输出电流，负载开关装置可以正常工作，但负载开关管处于线性区时，因负载开关管的导通电阻改变导致恒流保护阈值升高，负载开关装置可能因为过高的输出电流而损坏。
因此，期待一种改进的负载开关装置及其恒流保护电路，以解决上述问题。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种负载开关装置及其恒流保护电路，其恒流保护阈值为一与负载开关的导通阻抗无关的恒定值。
根据本发明的一方面，提供一种负载开关装置的恒流保护电路，所述负载开关装置至少包括负载开关管，所述负载开关管具有耦接于输入电压和输出电压之间的电流传导路径，其中，所述恒流保护电路包括：电流采样模块，配置为采样所述负载开关管的输出电流，并生成电流采样信号；参考电压生成模块，配置为生成表征恒流保护阈值的参考电压信号；以及比较模块，配置为将所述电流采样信号与所述参考电压信号进行比较，并根据比较结果反馈控制所述负载开关管的控制端电压，其中，所述比较模块还配置为根据所述比较结果反馈调整所述参考电压信号，以获得与所述负载开关管的阻抗无关的恒流保护阈值。
可选地，所述比较模块将所述比较结果提供至所述参考电压生成模块，反馈调整所述参考电压信号，以使得所述参考电压信号与所述电流采样信号成固定的比例关系。
可选地，所述参考电压生成单元包括：耦接于所述输入电压和地之间的第一电阻、第一晶体管以及参考电流源，所述第一电阻和所述第一晶体管的中间节点用于输出所述参考电压信号；以及耦接于所述输入电压和所述参考电流源的第一端之间的第二晶体管，其中，所述第一晶体管、所述第二晶体管以及所述负载开关管的控制端均与所述比较模块的输出端耦接。
可选地，所述电流采样模块包括：耦接于所述输入电压和所述输出电压之间的第二电阻以及第三晶体管，其中，所述第三晶体管构成所述负载开关管的镜像采样管，所述第二电阻和所述第三晶体管的中间节点用于输出所述电流采样信号。
可选地，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负载开关管的尺寸比为：1:1:1:n，n为远大于100的整数。
可选地，所述第一电阻和所述第二电阻的阻值比为2:1。
可选地，可通过设置所述参考电流源的电流值或者所述比例系数调整所述恒流保护阈值。
可选地，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负载开关管选自N型场效应管。
根据本发明的另一方面，提供一种负载开关装置，包括：负载开关管，所述负载开关管具有耦接于输入电压和输出电压之间的电流传导路径；以及如上任一项所述的恒流保护电路，所述恒流保护电路用于反馈调整所述负载开关管，以将所述负载开关装置的输出电流稳定在恒定的恒流保护阈值。
本发明提供的负载开关装置及其恒流保护电路的恒流保护阈值不受负载开关管的导通电阻的影响，当负载开关管的工作区域因输入电压和输出电压之差变化进而导致其导通电阻变化时，负载开关装置及其恒流保护电路的恒流保护阈值不变。即恒流保护阈值在电源电压、负载端条件等因素发生波动时保持稳定，实现可靠的恒流保护功能。
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示出了根据现有技术的负载开关装置及其恒流保护电路；
图2示出了根据本发明实施例的负载开关装置及其恒流保护电路。
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，相同的元件或者模块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”可包括单个或多个组合的硬件电路、可编程电路、状态机电路和/或能存储由可编程电路执行的指令的元件。当称元件或电路“连接到”另一元件或称元件或电路“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。
同时，在本专利说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定的组件。本领域普通技术人员应当可理解，硬件制造商可能会用不同的名词来称呼同一个组件。本专利说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。
在本申请中，开关管是工作在开关模式以提供电流路径的晶体管，包括选自双极晶体管或场效应晶体管的一种。开关管或者晶体管的第一端和第二端分别是电流路径上的高电位端和低电位端，控制端用于接收驱动信号以控制开关管的导通和关断。MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金属氧化物半导体场效应晶体管)包括第一端、第二端和控制端，在MOSFET的导通状态，电流从第一端流至第二端。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。在下文中描述了本发明的许多特定的细节，例如器件的结构、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。
此外，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二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者操作区分开来，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”或者其任何其它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。
图1示出了根据现有技术的负载开关装置及其恒流保护电路。负载开关装置100包括负载开关管Mn4以及恒流保护电路110。
恒流保护电路110包括电流采样模块111、参考电压生成模块112以及比较模块113。
电流采样模块111采样负载开关管Mn4的输出电流Iout，并根据输出电流Iout生成电流采样信号V2。
参考电压生成模块112用于生成参考电压信号V1，其中参考电压信号V1能够表征恒流保护阈值Ith。
比较模块113与电流采样模块111以及参考电压生成模块112连接，比较模块113配置为将电流采样信号V2与参考电压信号V1进行比较，并根据比较结果反馈控制负载开关管Mn4的控制端的电压，从而将输出电流Iout稳定在恒流保护阈值Ith
具体地，电流采样模块111包括电阻R2以及晶体管Mn3，电阻R2的阻值例如为R。电阻R2的第一端与输入电压Vin连接，第二端输出电流采样信号V2，晶体管Mn3的第一端与电阻R2连接，第二端与输出电压Vout连接。
在本实施例中，负载开关管Mn4与晶体管Mn3的宽长比(W/L)之比为比例系数n，设晶体管Mn3的导通电阻为r，可得负载开关管Mn4的导通电阻为r/n。其中，比例系数n>>100。
参考电压生成模块112包括电阻R1以及参考电流源Iref，电阻R1的阻值例如为2R。电阻R1的第一端与输入电压Vin连接，第二端输出参考电压信号V1，参考电流源Iref的第一端与电阻R1的第二端连接，第二端接地。
比较模块113选自运算放大器，其正输入端与参考电压生成模块112连接以接收参考电压信号V1，负输入端与电流采样模块111连接以接收电流采样信号V2。比较模块113将参考电压信号V1和电流采样信号V2比较，并根据比较结果反馈控制负载开关管Mn4的控制端的电压，从而将输出电流Iout稳定在恒流保护阈值Ith。
负载开关装置100工作时，输入电压Vin与参考电压信号V1之差Vin-V1＝Iref*2R，输入电压Vin与电流采样信号V2之差
Figure BDA0003419895970000051
Figure BDA0003419895970000052
化简可得
Figure BDA0003419895970000053
因为比例系数n远大于100，故n(R+r)远大于r，化简可得
Figure BDA0003419895970000061
当负载开关装置100的输出电流Iout稳定在恒流保护阈值Ith时，参考电压信号V1与电流采样信号V2相等，可得/>
Figure BDA0003419895970000062
经计算得到恒流保护阈值
Figure BDA0003419895970000063
可见，负载开关装置100的恒流保护阈值Ith与电阻R1的阻值、电阻R2的阻值以及负载开关管Mn4的导通电阻相关。负载开关管Mn4工作在不同的工作区域时具有不同的导通电阻，例如负载开关管Mn4处于线性区时的导通电阻r1和处于饱和区时的导通电阻r2不同，而负载开关管Mn4的工作区域和输入电压Vin以及输出电压Vout的差值相关，则恒流保护阈值Ith随着输入电压Vin和输出电压Vout差值的变化而改变。
当输入电压Vin与输出电压Vout差值较大时，负载开关管Mn4工作在饱和区，当输入电压Vin与输出电压Vout差值较小时，负载开关管Mn4工作在线性区。其中，设负载开关管Mn4的栅源电压为Vgs，开启电压为Vth，当|Vin-Vout|>Vgs-Vth时，负载开关管Mn4工作在饱和区，反之则工作在线性区。
综上所述，现有技术的负载开关装置100及其恒流保护电路110的恒流保护阈值Ith随着输入电压Vin和输出电压Vout差值的变化而改变。例如，负载开关管Mn4工作在饱和区时，输出电流Iout稳定在恒流保护阈值Ith，当输入电压Vin与输出电压Vout的差值改变，负载开关管Mn4工作于线性区时，恒流保护阈值Ith升高，过高的恒流保护阈值Ith无法有效稳定输出电流Iout，即输出电流Iout可能过大，导致负载开关装置100及其所连接的电路或者设备因电流过大而损坏，恒流保护电路110失去恒流保护作用。
因此，本发明提出了一种恒流保护阈值Ith与输入电压Vin和输出电压Vout之差无关的负载开关装置及其恒流保护电路，如图2所示。图2示出了根据本发明实施例的负载开关装置及其恒流保护电路。负载开关装置200包括负载开关管Mn4以及恒流保护电路210，负载开关管Mn4具有耦接于输入电压Vin和输出电压Vout之间的电流传导路径。
其中，恒流保护电路210包括电流采样模块211、参考电压生成模块212以及比较模块213。
电流采样模块211配置为采样负载开关管Mn4的输出电流Iout，并根据输出电流Iout生成电流采样信号V2。
参考电压生成模块212配置为生成表征恒流保护阈值Ith的参考电压信号V1。
比较模块213配置为将电流采样信号V2与参考电压信号V1进行比较，并根据比较结果反馈控制负载开关管Mn4的控制端电压，从而将输出电流Iout稳定在恒流保护阈值Ith。其中，比较模块213还配置为根据比较结果反馈调整参考电压信号V1，以获得与负载开关管Mn4的导通阻抗无关的恒流保护阈值Ith。
具体地，电流采样模块211包括电阻R2以及晶体管Mn3，电阻R2的阻值例如为R，晶体管Mn3构成负载开关管Mn4的镜像采样管。电阻R2的第一端与输入电压Vin连接，第二端输出电流采样信号V2，晶体管Mn3的第一端与电阻R2的第二端连接，第二端与输出电压Vout连接。
参考电压生成模块212包括电阻R1、晶体管Mn1、晶体管Mn2以及参考电流源Iref，电阻R1的阻值例如为2R。电阻R1的第一端与输入电压Vin连接，第二端输出参考电压信号V1。晶体管Mn1的第一端与电阻R1的第二端连接。参考电流源Iref的第一端与晶体管Mn1的第二端连接，第二端接地。晶体管Mn2的第一端与输入电压Vin连接，第二端与晶体管Mn1的第二端连接。
在本实施例中，晶体管Mn1、晶体管Mn2以及晶体管Mn3的宽长比相同，负载开关管Mn4与晶体管Mn3的宽长比之比为比例系数n，设晶体管Mn1的导通电阻为r，可得晶体管Mn2以及晶体管Mn3的导通电阻均为r，负载开关管Mn4的导通电阻为r/n。其中，比例系数n>>100。
示例性的，比较模块213选自运算放大器，其正输入端与电阻R1的第二端连接以接收参考电压信号V1，负输入端与电阻R2的第二端连接以接收电流采样信号V2，输出端与晶体管Mn1、晶体管Mn2、晶体管Mn3以及负载开关管Mn4的控制端连接。
负载开关装置200工作时，比较模块213将参考电压信号V1和电流采样信号V2进行比较，并根据比较结果反馈控制负载开关管Mn4的控制端电压，将输出电流Vout稳定在恒流保护阈值Ith，此时电流采样信号V2与参考电压信号V1相等。
在本实施例中，比较模块213还根据比较结果控制晶体管Mn1、晶体管Mn2以及晶体管Mn3的控制端电压，使得晶体管Mn1、晶体管Mn2的控制端和第二端具有相同的电压差，晶体管Mn3、负载开关管Mn4的控制端和第二端具有相同的电压差。
输入电压Vin与参考电压信号V1之差
Figure BDA0003419895970000081
将电阻R1的阻值2R带入并化简可得
Figure BDA0003419895970000082
输入电压Vin与电流采样信号V2之差
Figure BDA0003419895970000083
将电阻R2的阻值R带入并化简可得
Figure BDA0003419895970000084
因为比例系数n远大于100，n(R+r)远大于r，则
Figure BDA0003419895970000085
当负载开关装置200的输出电流Iout稳定在恒流保护阈值Ith时，参考电压信号V1与电流采样信号V2相等，可得
Figure BDA0003419895970000086
经计算得到恒流保护阈值Ith＝n*Iref。可见，本发明实施例中负载开关装置200的恒流保护阈值Ith只取决于比例系数n以及参考电流Iref，与电阻R1的阻值、电阻R2的阻值、晶体管Mn1至晶体管Mn3的导通电阻以及负载开关管Mn4的导通电阻无关。即恒流保护阈值Ith不会随着输入电压Vin和输出电压Vout的差值的变化而改变。
可选地，若将电流采样模块211和参考电压信号单元212拆分，参考电压信号
Figure BDA0003419895970000091
电流采样信号/>
Figure BDA0003419895970000092
Figure BDA0003419895970000093
其中输入电压Vin、阻值R、参考电流Iref以及恒流保护阈值Ith均为常数。
当负载开关装置工作时，参考电压信号V1等于电流采样信号V2。现有技术的负载开关装置100及其恒流保护电路110的参考电压信号V1为定值，当负载开关管Mn4的导通电阻因输入电压和输出电压之差变化而改变时，引起电流采样信号V2的改变，恒流保护阈值Ith也随之改变。而本发明实施例中，当电流采样信号V2因负载开关管Mn4的导通阻抗变化而变化时，参考电压信号V1也跟随之变化，通过合理设置电阻R1与电阻R2的阻值，能够令参考电压信号V1和电流采样信号V2成固定的比例关系，使得恒流保护阈值Ith与负载开关管Mn4的导通电阻无关。
综上所述，本发明提供的负载开关装置及其恒流保护电路的恒流保护阈值不受负载开关管的导通电阻的影响，当负载开关管的工作区域因输入电压和输出电压之差变化进而导致其导通电阻变化时，负载开关装置及其恒流保护电路的恒流保护阈值不变。即恒流保护阈值在电源电压、负载端条件等因素发生波动时保持稳定，实现可靠的恒流保护功能。
应当说明，本领域普通技术人员可以理解，本文中使用的与电路运行相关的词语“期间”、“当”和“当……时”不是表示在启动动作开始时立即发生的动作的严格术语，而是在其与启动动作所发起的反应动作(reaction)之间可能存在一些小的但是合理的一个或多个延迟，例如各种传输延迟等。本文中使用词语“大约”或者“基本上”意指要素值(element)具有预期接近所声明的值或位置的参数。然而，如本领域所周知的，总是存在微小的偏差使得该值或位置难以严格为所声明的值。本领域已恰当的确定了，至少百分之十(10％)(对于半导体掺杂浓度，至少百分之二十(20％))的偏差是偏离所描述的准确的理想目标的合理偏差。当结合信号状态使用时，信号的实际电压值或逻辑状态(例如“1”或“0”)取决于使用正逻辑还是负逻辑。
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及其等效物所界定的范围为准。

Claims (8)

1.一种负载开关装置的恒流保护电路，所述负载开关装置至少包括负载开关管，所述负载开关管具有耦接于输入电压和输出电压之间的电流传导路径，其中，所述恒流保护电路包括：
电流采样模块，配置为采样所述负载开关管的输出电流，并生成电流采样信号；
参考电压生成模块，配置为生成表征恒流保护阈值的参考电压信号；以及
比较模块，配置为将所述电流采样信号与所述参考电压信号进行比较，并根据比较结果反馈控制所述负载开关管的控制端电压，
其中，所述比较模块还配置为根据所述比较结果反馈调整所述参考电压信号，以获得与所述负载开关管的阻抗无关的恒流保护阈值。
2.根据权利要求1所述的恒流保护电路，其中，所述参考电压生成单元包括：
耦接于所述输入电压和地之间的第一电阻、第一晶体管以及参考电流源，所述第一电阻和所述第一晶体管的中间节点用于输出所述参考电压信号；以及
耦接于所述输入电压和所述参考电流源的第一端之间的第二晶体管，
其中，所述第一晶体管、所述第二晶体管以及所述负载开关管的控制端均与所述比较模块的输出端耦接。
3.根据权利要求2所述的恒流保护电路，其中，所述电流采样模块包括：
耦接于所述输入电压和所述输出电压之间的第二电阻以及第三晶体管，
其中，所述第三晶体管构成所述负载开关管的镜像采样管，所述第二电阻和所述第三晶体管的中间节点用于输出所述电流采样信号。
4.根据权利要求3所述的恒流保护电路，其中，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负载开关管的尺寸比为：1:1:1:n，比例系数n为远大于100的整数。
5.根据权利要求3所述的恒流保护电路，其中，所述第一电阻和所述第二电阻的阻值比为2:1。
6.根据权利要求4所述的恒流保护电路，其中，可通过设置所述参考电流源的电流值或者所述比例系数n调整所述恒流保护阈值。
7.根据权利要求3所述的恒流保护电路，其中，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负载开关管选自N型场效应管。
8.一种负载开关装置，包括：
负载开关管，所述负载开关管具有耦接于输入电压和输出电压之间的电流传导路径；以及
如权利要求1至7任一项所述的恒流保护电路，所述恒流保护电路用于反馈调整所述负载开关管，以将所述负载开关装置的输出电流稳定在恒定的恒流保护阈值。
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