CN1193283C - 稳压器和限制稳压器输出电流的方法 - Google Patents

Abstract

稳压器包括接收驱动电流的功率晶体管和相连的限流保护电路。限流保护电路包括连接到功率晶体管的检测输出电流的第一电阻、连接到功率晶体管和第一电阻的限流开关晶体管以及电流发生器和与之相连的第二电阻，后者给限流开关晶体管加偏压，以便随着流过第一电阻的输出电流超过阈值而将驱动电流从功率晶体管分流。可使第一电阻显著小于第二电阻而降低功耗。根据第一电阻温度系数平衡第二电阻温度系数，使稳压器的输出电流对温度变化不敏感。

Description

稳压器和限制稳压器输出电流的方法

技术领域

本发明涉及电源装置，更详细地说，涉及限制稳压器等电路输出电流用的限流保护电路。

背景技术

稳压器预定在负载阻抗变化过程中提供恒定的电压。负载阻抗增大时，稳压器要求较少的电流来保持负载的恒定电压。反之，负载阻抗减小时，需要较多的电流来保持相同的恒定电压。当维持恒定电压所需的输出电流大于稳压器功率晶体管的安全工作条件时，需要限流保护电路来限制输出电流。

按照先有技术的带有限流保护电路12的稳压器10举例示于图1。稳压器10包括误差放大器14，后者具有非反相输入端，用来接收相当于稳压器10要求的输出电压Vout的基准电压Vref。误差放大器14的反相输入端连接到稳压器10的输出端16。误差放大器14和输出端16之间的这种连接形成负反馈回路，用来稳定输出电压Vout。

误差放大器14与把输出电压Vout维持在基准电压Vref上所需的电流量成正比地驱动功率晶体管18的控制端。若输出电压Vout开始降低到基准电压Vref以下，则误差放大器14的输出使功率晶体管18的控制端的电压增大，从而使更多的电流流向输出端16，使输出电压Vout上升。

举例示于图1的限流保护电路12包括限流开关晶体管20和电流检测电阻22。电流检测电阻22阻值一般都非常低，能够处理功率晶体管18的大电流。随着流过功率晶体管18和电流检测电阻22的电流增大，电流检测电阻22两端的电压降相应增大。可以这样选择电流检测电阻22的电阻，使得电流达到不安全电平时限流开关晶体管22导通。

随着负载电流增大，电流检测电阻22使限流开关晶体管20导通。从连接到限流开关晶体管20的第一导电端的电流源24流出的偏置电流Ib把功率晶体管18可用的驱动电流分流。这便限制了输出电流Iout。

随着输出负载增大，功率晶体管18的驱动电流Id减小。可以这样选择电流源24、功率晶体管18和限流开关晶体管20的特性，使得可以限制功率晶体管18提供给负载的最大输出电流Iout。这样，限流开关晶体管20和电流检测电阻22在过流状态过程中通过控制通往功率晶体管18的驱动电流Id来限制功率晶体管18的输出电流Iout。

为了举例说明限流保护电路12的操作，功率晶体管18的安全工作电流可以限制为1安，限流开关晶体管20的正向偏压可以是约0.7伏。电流检测电阻的电阻可以是约为0.7欧(亦即，0.7伏/1安)。

为了把输出电流Iout限制为1安，限流保护电路12约需0.7欧的电阻。在1安下，电流检测电阻22两端的电压约为0.7伏。于是，限流开关晶体管20便开始从功率晶体管18控制端把电流Id分流，使之与工作输出电流Iout一样大。

尽管限流保护电路12在负载阻抗变化过程中提供恒定的电压，但图1所公开的稳压器有两个缺点。首先，电流检测电阻22消耗数量相当大的电力。例如，若输出电流Iout为1安，则电流检测电阻22的电阻消耗为0.7瓦。

其次，输出电流Iout对温度变化敏感。例如，假定限流开关晶体管20具有约-2mV/℃的负温度系数Tcf，电流检测电阻22具有约几千ppm(百万分之一)/℃的正温度系数。若温度上升到100℃，则加在功率晶体管18的控制端的电压从0.7降低到0.55伏，电流检测电阻22的电阻因而增大。因此，输出电流Iout从1安降低至0.8安。

发明内容

鉴于上述背景，本发明的目的是把检测稳压器输出电流用的电流检测电阻的功率耗损减到最小。

本发明的另一个目的是限制稳压器的输出电流，使得该输出电流对温度变化不敏感。

按照本发明的这些和其他目的、特征和优点是由一种稳压器提供的，它包括接收驱动电流的功率晶体管和连接到该晶体管的限流保护电路。

限流保护电路最好包括：第一电阻，亦即连接到功率晶体管的检测输出电流用的电流检测电阻；连接到功率晶体管和第一电阻的限流开关晶体管；和电流发生器以及与之相连的第二电阻。电流发生器和第二电阻使限流开关晶体管偏置，以便根据流过第一电阻的输出电流超过阈值而使驱动电流从功率晶体管分流。第一电阻的阻值小于第二电阻的阻值。因而，最好使第一电阻比其他情况下小得多，以此减小功率消耗。

第一电阻的温度系数最好大于第二电阻的温度系数。更详细地说，第二电阻的温度系数根据第一电阻的温度系数来确定，使得输出电流对温度变化不敏感。换句话说，这样选择第二电阻，使得要求的温度系数与第一电阻的温度系数平衡。这有利地使稳压器具有对温度变化不敏感的最大输出电流。

电流发生器最好包括电流源和至少一个连接到所述电流源的晶体管。所述至少一个晶体管最好包括连接在一起的第一和第二晶体管。第一晶体管包括连接到第一基准电压的第一导电端和连接到第一电阻的第二导电端。第二晶体管包括连接到第一晶体管控制端的控制端、连接到第一基准电压并且连接到限流开关晶体管的控制端的第一导电端、和连接到第二电阻的第二导电端。

第一晶体管、第二晶体管和功率晶体管每一个都最好包括NPN双极晶体管。第一晶体管的第二导电端限定具有第一面积的发射极，而第二晶体管的第二导电端限定具有最好等于第一面积的第二面积的发射极。于是第一和第二晶体管便具有相等的发射极面积，使得各自的控制电压随温度具有相同的变化。

限流保护电路最好还包括连接在一起的第三晶体管和第四晶体管。第三晶体管最好包括连接到第一基准电压的第一导电端和连接到第一晶体管的第一导电端的第二导电端。第四晶体管最好包括连接到第三晶体管的控制端的控制端、连接到第一基准电压的第一导电端和连接到第二晶体管的第一导电端的第二导电端。第三晶体管和第四晶体管最好各自包括PNP双极晶体管。

本发明的另一个方面涉及限制稳压器输出电流的方法，它包括：向连接到稳压器的功率晶体管提供驱动电流；利用连接到功率晶体管的第一电阻检测输出电流；以及利用电流发生器和与之相连的第二电阻产生偏置电流。所述方法最好还包括利用所述偏置电流给连接到功率晶体管和第一电阻的限流开关晶体管加偏压，以便随着流过电流检测电阻的输出电流超过阈值而使驱动电流从功率晶体管分流。

第一电阻的阻值最好小于第二电阻的阻值。因而，可以有利地使第一电阻比相反情况下的值小得多，以此减小功率消耗。第一电阻的温度系数最好大于第二电阻的温度系数，以便使输出电流对温度变化不敏感。

附图说明

图1是按照先有技术的稳压器的限流保护电路的示意图；

图2是按照本发明的稳压器的限流保护电路的示意图；

图3是举例说明按照本发明的稳压器的输出电流随温度变化情况的曲线图；以及

图4是举例说明按照本发明限制稳压器的输出电流的方法的流程图。

具体实施方式

现将参照其中示出本发明的最佳实施例的附图更全面地描述本发明。但是，本发明可以以许多不同的方式实现，而不应解释为仅限于这里提出的实施例。这些实施是为了彻底而完全地进行这一公开，并向本专业的技术人员充分地传达本发明的范围而提出的。所有附图中相同的号码表示相同的元件。为清楚起见，图中各层和区域的尺寸可以是夸大的。

首先参见图2，现将描述带有按照本发明的限流保护电路42的稳压器40。稳压器40包括误差放大器44，后者具有连接到相当于稳压器要求的输出电压的第一基准电压Vref的非反相输入端。误差放大器44的反相输入端连接到稳压器40的输出端46，这便构成负反馈回路，用来稳定输出电压Vout。

功率晶体管48包括连接到误差放大器44输出端的控制端50，并包括连接到第二基准电压Vcc的第一导电端52。限流保护电路42连接到误差放大器44和功率晶体管48，用来把输出电流Iout限制在安全工作电平上。第一电流源45连接在第二基准电压Vcc和功率晶体管48的控制端50之间。

限流保护电路42包括第一电阻54，亦即电流检测电阻，连接在功率晶体管48的第二导电端56和稳压器40的输出端46之间，用来检测输出电流Iout。限流开关晶体管58的第一导电端60连接到功率晶体管48的控制端50，而其第二导电端62连接到第一电阻54和功率晶体管48的第二导电端56之间的节点64上。驱动电流Id是功率晶体管48用的驱动电流。

第二电阻68的第一端子70连接到第一电阻54和功率晶体管48的第二导电端56之间的节点64上。正如下面将要详细讨论的，第二电阻68就各自的温度系数而言与第一电阻54平衡，使得稳压器40的输出电流Iout对温度变化不敏感。另外，第二电阻68具有低电阻的要求。也正如下面将要更详细地描述的，这有利地使第一电阻54耗散的功率可以相对较小。

第一晶体管72和第二晶体管74各自的控制端76，78连接在一起。第一晶体管72的第一导电端80通过第三晶体管82连接到第一基准电压Vcc，而其第二导电端79连接到稳压器40的输出端46。

第二晶体管74的第一导电端86通过第四晶体管90连接到第一基准电压Vcc。第二晶体管74的第一导电端86还连接到限流开关晶体管58的控制端92。第二晶体管的第二导电端77连接到第二电阻68的第二端94。

限流保护电路42还包括第五晶体管100，后者具有连接到第二基准电压Vcc的第一导电端102、连接到提供电流I1的第二电流源106的第二导电端104。第五晶体管100的控制端108连接到第三和第四晶体管82，90的控制端110，112。另外，第五晶体管100通过把控制端108连接到第二导电端104而配置成二极管。

更详细地说，第三和第四晶体管82，90配置成镜反射(mirroringcurrent)电流I1用的电流镜，而第一和第二晶体管72，74是第三和第四晶体管82，90的有源负载。第三和第四晶体管82，90分别根据电流I1提供工作电流I2和I3。第三晶体管82和第四晶体管90各自最好都包括PNP双极晶体管。

第一晶体管72、第二晶体管74和功率晶体管48最好各自都包括NPN双极晶体管。第一晶体管72的第二导电端79限定具有第一面积的发射极，而第二晶体管74的第二导电端77限定具有最好等于第一面积的第二面积的发射极。于是，第一和第二晶体管72，74具有相同的发射极面积，使得各自的控制电压随温度具有相同的变化。

第一电阻54的温度系数最好大于第二电阻68的温度系数。更详细地说，第二电阻68的温度系数根据第一电阻54的温度系数确定，使得输出电流Iout对温度不敏感。换句话说，这样选择第二电阻68，以便根据第一电阻54的温度系数来平衡所要求的温度系数。这有利地使稳压器40可以具有对温度不敏感的最大输出电流Iout。

这样，限流保护电路42由限流开关晶体管58、第一至第五晶体管72，74，82，90，100、第一电阻54和第二电阻68形成。如上所述，电流I0是电流I1和I2的源电流。

如上所述，若第二晶体管74的第二导电端77的面积等于A1，则第一晶体管72的第二导电端79的面积也等于A1。在正常状态下，电流只流过第二晶体管74，没有电流流入限流开关晶体管58的控制端92。因而，限流开关晶体管58截止。

当输出电流Iout增大到某个阈值时，电流I2的某一部分将分流到限流开关晶体管58的控制端92，并令其导通。因而，限流开关晶体管58减小流到功率晶体管48的控制端50的驱动电流Id，以便对其保护。

假定第三晶体管82的第二导电端面积是第四晶体管90的第二导电端面积的A倍，则电流I1＝A*I2。再参见图1，回路A内的电压测量值如下：

(Iout×R1)+(I2×R2)+Vbe74＝Vbe72    (1)

因为Vbe72＝Vtln(I1/Is3)，Vbe74＝Vtln(I2/Is4)，I1＝A*I2，和Is3＝Is4，代入方程式(1)便得到以下方程式：

${\mathrm{Vbe}}_{72}=\mathrm{Vtx}\ln \left(\frac{I1}{\mathrm{Is}3}\right)$

${\mathrm{Vbe}}_{14}=\mathrm{Vtx}\ln \left(\frac{I2}{\mathrm{IS}4}\right)$

               I1＝A×I2

               Is3＝Is4

将其代入方程式(1)便得

$\mathrm{Iout}=\frac{\mathrm{Vt}\ln A-I2\×R2}{R1}---\left(2\right)$

于是

$R1=\frac{\mathrm{Vt}\ln A-I2\×R2}{I0}---\left(3\right)$

当Vt是热电压时，Vt＝26mV(毫伏)。电流Is是晶体管的反向饱和电流。作为示例，令电流Iout＝1安，A＝5，电流I2＝10微安，而第二电阻(R2)68＝2000欧。

则由方程式(3)得出第一电阻(R1)54具有21.8毫欧的电阻。因此，第一电阻54的阻值相对不大，功率耗散可以忽略不计。正如本专业的技术人员很容易想到的，第一电阻54可以是金属电阻。

为了消除稳压器40的温度敏感性，Vt、第一电阻54和第二电阻68的温度系数(Tcf)的作用必须平衡。在正常情况下，热电压Vt和第一电阻54的温度系数Tcf分别为3300ppm/℃(百万分之一/℃)和4000ppm/℃。因此，第二电阻68的选择对稳压器40的性能有重大影响。

例如，令Tcft，Tcfl，Tcf2分别为热电压、第一电阻54和第二电阻68的温度系数。温度变化为ΔT，而温度T+ΔT下的最大输出电流为Iout’。由方程式(2)得到下列方程式：

${\mathrm{Iout}}^{\′}=\frac{(1+\mathrm{Tcft}\·\mathrm{\ΔT})\mathrm{Vt}\ln A-I2\×(1+\mathrm{Tcf}2\·\mathrm{\ΔT})R2}{(1+\mathrm{Tcf}1\·\mathrm{\ΔT})\mathrm{RI}}---\left(4\right)$

用ΔIout＝Iout’-Iout，并设Δiout＝0，则得到下列方程式：

(1+Tcft×ΔT)VtlnA-I2×(1+Tcft×ΔT)×R2

＝(1+Tcft×ΔT)(VtlnA-I2×R2)      (5)

若满足方程式(5)，则Iout’＝Iout，正如举例示于图3的曲线93和95所充显示的，Iout将对温度不敏感。曲线93代表稳压器40的输出电流Iout，正如这里所描述的，而同时曲线95代表举例示于图1的先有技术稳压器10的输出电流Iout。由方程式(5)得，

Vt×lnA×(Tcf1-Tcft)＝I2×R2×(Tcf1-Tcf2)      (6)

假定A＝5，电流I2＝10μA(微安)，第二电阻(R2)68＝2,000欧，热电压Vt＝26mV，Tcf1＝4000ppm/℃，而Tcft＝3300ppm/℃。把这些参数代入方程式(6)，便得到Tcf2＝2544ppm/℃。于是，第二电阻68具有约2544ppm/℃的Tcf。注入电阻(implant resistor)具有非常类似的温度系数。

本发明的另一方面涉及限制稳压器40输出电流Iout的方法。参见图4，从开始(方框110)，本方法包括在方框112向连接到稳压器的功率晶体管48提供驱动电流Id、在方框114利用连接到功率晶体管的第一电阻54测量输出电流Iout，以及在方框116利用电流发生器和与之相连的第二电阻68产生偏置电流。

本方法最好还包括在方框118利用偏置电流给连接到功率晶体管48和第一电阻的限流开关晶体管58加偏压，以便根据流过第一电阻54的输出电流超过阈值，使驱动电流Id从功率晶体管分流。该方法在方框120完成。

第一电阻54的阻值小于第二电阻68的阻值。因而，可以有利地使第一电阻54比其他情况下的小得多，以此减小功率消耗。第一电阻54的温度系数最好比第二电阻68的温度系数小，使得输出电流Iout对温度变化不敏感。

得益于上述描述和附图中的传授，本专业的技术人员都会想到本发明的许多修改和其他实施例。因此，显然，本发明不限于所公开的特定的实施例，所有修改和各实施例都准备包括在后附的权利要书的范围内。

Claims (33)

1.一种稳压器，它包括：

接收驱动电流的功率晶体管和

限流保护电路，它连接到所述功率晶体管并包括：

第一电阻，它连接到所述功率晶体管，用来检测输出电流；

限流开关晶体管，它连接到所述功率晶体管和所述第一电阻；和

电流发生器和与之相连的第二电阻，用来给所述限流开关晶体管加偏压，以便随着流过所述第一电阻的输出电流超过阈值而将驱动电流从功率晶体管分流。

2.按照权利要求1的稳压器，其特征在于：所述第一电阻的阻值小于所述第二电阻的阻值。

3.按照权利要求1的稳压器，其特征在于：所述第一电阻的温度系数大于所述第二电阻的温度系数。

4.按照权利要求3的稳压器，其特征在于：所述第二电阻的温度系数根据所述第一电阻的温度系数确定，使得所述输出电流对温度变化不敏感。

5.按照权利要求1的稳压器，其特征在于：所述电流发生器包括：电流源和至少一个连接到所述电流源的晶体管。

6.按照权利要求5的稳压器，其特征在于：所述至少一个晶体管包括：

第一晶体管，其第一导电端连接到第一基准电压，而其第二导电端连接到所述第一电阻；以及

第二晶体管，其控制端连接到所述第一晶体管的控制端，其第一导电端连接到所述第一基准电压并且连接到所述限流开关晶体管的控制端，而其第二导电端连接到所述第二电阻。

7.按照权利要求6的稳压器，其特征在于：所述第一晶体管、所述第二晶体管和所述功率晶体管各自包括NPN双极晶体管。

8.按照权利要求7的稳压器，其特征在于：所述第一晶体管的第二导电端限定具有第一面积的发射极，而所述第二晶体管的所述第二导电端限定具有等于所述第一面积的第二面积的发射极。

9.按照权利要求6的稳压器，其特征在于：所述第一晶体管的所述控制端和所述第一导电端连接在一起。

10.按照权利要求6的稳压器，其特征在于还包括：

第三晶体管，其第一导电端连接到所述第一基准电压，而其第二导电端连接到所述第一晶体管的所述第一导电端；

第四晶体管，其控制端连接到所述第三晶体管的控制端，其第一导电端连接到所述第一基准电压，而其第二导电端连接到所述第二晶体管的所述第一导电端。

11.按照权利要求10的稳压器，其特征在于：所述第三晶体管和所述第四各自包括PNP双极晶体管。

12.按照权利要求10的稳压器，其特征在于还包括第五晶体管，其控制端连接到所述第三晶体管的所述控制端，其第一导电端连接到所述第一基准电压，而其第二控制端连接到所述电流源。

13.按照权利要求1的稳压器，其特征在于还包括连接到所述功率晶体管的误差放大器。

14.按照权利要求1的稳压器，其特征在于还包括：

输出端子；

误差放大器，其输入端连接到所述输出端子，而输出端提供驱动电流；

所述功率晶体管连接到所述误差放大器的输出端；

且，所述第一电阻的阻值小于所述第二电阻的阻值。

15.按照权利要求14的稳压器，其特征在于：所述第一电阻的温度系数大于所述第二电阻的温度系数。

16.按照权利要求15的稳压器，其特征在于：所述第二电阻的温度系数根据所述第一电阻的温度系数确定，使得输出电流对温度变化不敏感。

17.按照权利要求14的稳压器，其特征在于所述电流发生器包括：电流源和至少一个连接到所述电流源的晶体管。

18.按照权利要求17的稳压器，其特征在于所述至少一个晶体管包括：

第一晶体管，其第一导电端连接到第一基准电压，而其第二导电端连接到所述第一电阻；

第二晶体管，其控制端连接到所述第一晶体管的控制端，其第一导电端连接到所述第一基准电压并且连接到所述限流开关晶体管的控制端，而其第二导电端连接到所述第二电阻。

19.按照权利要求18的稳压器，其特征在于：所述第一晶体管、所述第二晶体管和所述功率晶体管各自包括NPN双极晶体管。

20.按照权利要求19的稳压器，其特征在于：所述第一晶体管的第二导电端限定具有第一面积的发射极，而所述第二晶体管的所述第二导电端限定具有等于第一面积的第二面积的发射极。

21.按照权利要求18的稳压器，其特征在于：所述第一晶体管的所述控制端和所述第一导电端连接在一起。

22.按照权利要求18的稳压器，其特征在于还包括：

第三晶体管，其第一导电端连接到所述第一基准电压，而其第二导电端连接到所述第一晶体管的所述第一导电端；

第四晶体管，其控制端连接到所述第三晶体管的控制端，其第一导电端连接到所述第一基准电压，而其第二导电端连接到所述第二晶体管的所述第一导电端。

23.按照权利要求22的稳压器，其特征在于：所述第三晶体管和所述第四各自包括PNP双极晶体管。

24.按照权利要求22的稳压器，其特征在于还包括第五晶体管，其控制端连接到所述第三晶体管的控制端，其第一导电端连接到所述第一基准电压，而其第二控制端连接到所述电流源。

25.一种限制稳压器输出电流的方法，它包括：

向连接到所述稳压器的功率晶体管提供驱动电流；

利用连接到所述功率晶体管的第一电阻检测所述输出电流；

利用电流发生器和与之相连的第二电阻产生偏置电流；以及

利用所述偏置电流给连接到所述功率晶体管和所述第一电阻的限流开关晶体管加偏压，以便随着流过所述电流检测电阻的所述输出电流超过阈值而将所述驱动电流从所述功率晶体管分流。

25.按照权利要求25的方法，其特征在于：所述第一电阻的阻值小于所述第二电阻的阻值。

27.按照权利要求25的方法，其特征在于：所述第一电阻的温度系数大于所述第二电阻的温度系数。

28.按照权利要求27的方法，其特征在于：所述第二电阻的温度系数根据所述第一电阻的温度系数确定，使得所述输出电流对温度变化不敏感。

29.按照权利要求25的方法，其特征在于所述电流发生器包括：

电流源和

连接到所述电流源的至少一个晶体管。

30.按照权利要求29的方法，其特征在于所述至少一个晶体管包括：

第一晶体管，其第一导电端连接到第一基准电压，而其第二导电端连接到所述第一电阻；以及

第二晶体管，其控制端连接到所述第一晶体管控制端，其第一导电端连接到所述第一基准电压并且连接到所述限流开关晶体管控制端，而其第二导电端连接到所述第二电阻。

31.按照权利要求30的方法，其特征在于：所述第一晶体管、所述第二晶体管和所述功率晶体管各自包括NPN双极晶体管。

32.按照权利要求30的方法，其特征在于：所述第一晶体管的第二导电端限定具有第一面积的发射极，而所述第二晶体管的所述第二导电端限定具有等于所述第一面积的第二面积的发射极。

33.按照权利要求30的方法，其特征在于：根据所述稳压器要求的输出电压与实际输出电压的比较结果产生所述驱动电流。

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