CN1607729A - 输出电路 - Google Patents

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Abstract

公开一种具有用于切换负载电流的输出晶体管的输出电路。输出电路包括一个负载电流检测部件，该部件用于检测负载电流的电流电平，以及一个转换速率调节部件，该部件用于调节输出晶体管断开转变期间的转换速率以便响应负载电流检测部件的检测结果。

Description

输出电路
技术领域
该发明涉及一种输出电路，尤其涉及一种具有转换速率调节电路的输出电路。
背景技术
输出电路一般具有功率MOS晶体管，并且控制电源到负载的切换。在输出电路中，开关元件的突然转变导致起因于线路等等上的电感元件的电压变化。因此，输出电流通常具有转换速率调节电路，该电路调节导通和断开转变期间的转换速率。将转换速率定义为开关元件中转变期间的电压变化的速度。例如，将断开转变期间的转换速率设置相对地低以致于过高的开关速度不会降低电路运行的稳定性。
日本未审专利申请公开No.H11-346147公开了一种具有转换速率调节电路的输出电路。图3示出了上述参考中所描述的输出电路的配置。此时，当输入脉冲信号Vi从低电平斜线上升到高电平时，P-沟道晶体管Q21导通。这样允许通过恒流源CS21对输出晶体管(以下称为输出MOS)21的栅极端充电。输出MOS21的栅极电压上升并且然后输出MOS21导通。通过恒流源CS21的电流值来确定电压的上升速度。也就是说，在输出电路20中，根据恒流源CS21的电流值来设置断开转变期间的转换速率。
另一方面，当输入脉冲信号Vi从高电平斜线下降到低电平时，N-沟道晶体管Q22导通。这样允许恒流源CS22对已经积聚在输出MOS21上的电荷进行放电。输出MOS21的栅极电压下降并且然后输出MOS21断开。通过恒流源CS22的电流值来确定电压的下降速度。也就是说，在输出电路20中，根据恒流源CS22的电流值来设置断开转变期间的转换速率。
附带说一下，输出电路通常具有避免输出MOS21上的持久过大电流的保护电路。当该保护电路检测到过大的电流状态时，输入脉冲信号Vi被强迫降低到低电平并且输出MOS21断开。当输出MOS21上出现过大的电流时，输出MOS21处于应力之中，所述应力相应于在出现过大的电流和完成断开输出MOS21之间的时间期间而产生的能量。在该情况下，如果断开转变期间的转换速率低到不降低电路运行的稳定性，那么可能超过输出MOS21的向前安全操作区域(SOA)，这样带来输出MOS21破坏的危险。
在电路20中，同样当保护电路强制输出MOS21断开时，MOS21以断开转变的转换速率来断开，其中基于第二恒流源CS22的电流值而确定断开转变的转换速率。为了保护输出MOS21，断开转变期间的较高的转换速率是优选的。但是如上所述，当额定电流通过输出MOS21时，如此高的转换速率将导致电路运行稳定性降低的问题。换句话，在传统的输出电路20中，存在确保保护输出MOS21和提高电路运行稳定性之间的一种折衷。所以，有效的保护输出MOS21并且充分地提高电路操作的稳定性不兼容。
发明内容
本发明的一个目标是提供一种输出电路，其能够确保保护开关元件，并且同时提高电路运行的稳定性。
一种具有切换负载电流的输出晶体管的输出电路包括一负载电流检测部件，其检测负载电流的电流电平；以及一转换速率调节部件，其调节输出晶体管的断开转变期间的转变速率以响应负载电流检测部件的检测结果。
另外，当对输出晶体管的栅极电压进行放电时，转换速率调节部件根据电流值来调节断开转变期间的转换速率是优选的。
根据本发明的输出电路，转换速率调节部件根据负载电流值而设定输出晶体管的断开转变期间的转换速率，所述负载电流值是通过负载电路检测部件来检测的。例如，在输出晶体管的断开转变期间，如果负载电流很大，那么设置高转变速率以致于能够瞬时断开输出晶体管。另一方面，如果负载电流小，那么设定低的转换速率以致于能够逐步地断开输出晶体管。所以，能够实现确保有效保护输出电路的开关元件和提高电路运行的稳定性。
根据本发明的输出电路，负载电流检测部件能够使用以下配置：基于跨接输出晶体管的电压降来检测负载电流的电流电平。
根据本发明的输出电路，转换速率调节电路根据通过负载电流检测部件在输出晶体管的断开转变过程中所检测的负载电流值来设置转换速率。所以，能够实现确保有效保护输出电路的开关元件和提高电路运行的稳定性。
本发明以上的和其他目标、特征及优点根据以下仅作为说明而给出的详细描述和附图而变得更加完全明白，所以所述的描述和附图不认为限制本发明。
附图说明
图1示出了本发明一个实施例的输出电路的电路框图。
图2说明了图1的断开速率(off-rate)调节电路16的实例的电路框图。
图3示出了先前技术的输出电路的电路框图。
具体实施方式
通过参考附图来进一步详细地解释本发明。图1示出了本发明第一实施例的输出电路。输出电路10包括输出MOS11、状态确定电路12、上升速率调节电阻13、升压(boost)电路14、控制信号输入电路15以及用于断开转变的多个转换速率调节电路16(16a，16b，16c)。将电池的电源电压施加到输出电路10的电源端Vin，并且负载17连接到输出端OUT。通过N-沟道MOS晶体管来配置输出MOS11。输出MOS11的漏极端连接到电源端Vin，并且源极端连接到输出端OUT。输出MOS11的栅极端经由上升速率调节电阻13而连接到升压电路14。经由上升速率调节电阻13而将升压电路14的升压馈送给输出MOS的栅极端。基于控制信号输入电路15馈送的控制信号来操作升压电路14。升压电路14的升压大于施加到电源端Vin的电源电压与输出MOS11的阈值电压Vt1之和。
控制信号输入电路15接收一个用于输出MOS11的切换控制的外部信号。基于外部信号，控制信号输入电路15将高或低电平的控制信号馈送到升压电路14。升压电路14输出升压以便响应，例如高电平的控制信号，并停止操作以便响应低电平的控制信号。上升速率调节电阻13控制输出MOS11的栅极电压的上升。尤其是，升压电路14输出升压之后，上升速率调节电阻13调节用于输出MOS11的栅极和源极端之间的电压的时间以便超过阈值电压Vt1。上升速率调节电阻13确定导通转变期间的转换速率。
输出MOS11的栅极端经由多个转换速率调节电路16(以下也称为断开速率调节电路16)而另外连接到输出端OUT。多个转换速率调节电路配置有用于调节断开转变期间的转换速率的转换速率调节部件。将每一断开速率调节电路16配置为恒流源。每一断开速率调节电路16基于从状态确定电路12所馈送的激活信号而产生一电流。将断开速率调节电路16的每一电流值(容量)设置为具有彼此不同的值，并且每一断开速率调节电路16以分别预定的速率来减少输出MOS11的栅极电压。
状态确定电路12例如基于电源端Vin与输出端OUT之间的电压差而检测是否存在一个过大的电流流经输出MOS11。如果状态确定电路12在输出MOS11上检测到过大的电流，那么将迫使断开输出MOS11的信号提供给控制信号输入电路15。另外，当来自于控制信号输入电路15的控制信号斜线下降到低电平时，状态确定电路12选择至少一个断开速率调节电路16以便将其激活，并且将(多个)激活信号发送给所选定的断开速率调节电路16。也就是说，状态确定电路12起到用于检测负载电流的负载电流检测部件的作用，并且将基于检测结果的信号输出到转换速率调节部件。
一旦接收到能使得输出MOS11导通的外部信号，来自于控制信号输入电路15的控制信号就逐步从低电平增加到高电平。升压电路14基于已经转换为高电平的控制信号而开始其操作，并且将升压信号经由上升速率调节电阻13而馈送给输出MOS11的栅极端。通过上升速率调节电阻13进行输出MOS11的栅极电压的升压控制。当栅极和源极端之间的电压差超过了阈值Vt，那么输出MOS11导通并且向负载17提供电源。
另一方面，一旦接收到能够使得输出MOS11断开的外部信号或接收到来自于已经检测过过大电流状态的状态确定电路12的断开信号，那么来自于控制信号输入电路15的控制信号逐步地从高电平减少到低电平。当控制信号斜线下降到低电平时，升压电路14停止运行。状态确定电路12例如基于电源端Vin与输出端OUT之间的电压差来确定通过输出MOS11的电流值。状态确定电路12发送(多个)激活信号给将被激活的断开速率调节电路16。
例如，如果在控制信号斜线下降的时候，没有过大的电流流经输出MOS11，那么状态确定电路12选择一个断开速率调节电路16并且发送激活信号。在该情况中，选定的断开速率调节电路16具有较低的电流容量并且利用较长时间来减少输出MOS11的栅极电压。如上所述，如果在控制信号斜线下降的时候，没有过大的电流流经输出MOS11，那么状态确定电路12为断开转变选择低的转换速率以便维持电路的稳定运行。另一方面，如果在控制信号斜线下降的时候，存在流经输出MOS11的过大的电流，那么状态确定电路12从多个断开速率调节电路16中选择其他的断开速率调节电路16并且发送(多个)激活信号。在该情况中，选定的断开速率调节电路16具有较高的电流容量并利用较短的时间来减少输出MOS11的栅极电压。另外，状态确定电路12可以给所有的断开速率调节电路发送激活信号以便为断开转变选择最快的转换速率。如果在控制信号斜线下降的时候，存在流经输出MOS11的过大的电流，那么状态确定电路12开始保护输出MOS11。输出MOS11的栅极电压以相应于被激活的断开速率调节电路16的电流容量的速度来降低，然后输出MOS11断开并且关闭到负载17的电源。
图2示出了图1具有断开速率调节电路16实例。在该实施例中，第一断开速率调节电路16a包括一个N沟道降低型(depression-type)晶体管Q1(放电晶体管)和一个电阻R1。晶体管Q1的漏极端连接到输出MOS11的栅极，并且源极端经由电阻R1而连接到输出端OUT。将来自于状态确定电路12的激活信号(A)馈送到晶体管Q1的栅极端，后栅极端连接到输出端OUT。
第二断开速率调节电路16b包括一个N沟道降低型晶体管Q2(放电晶体管)，以及一个电阻R2，其中所述晶体管Q2的电流容量高于晶体管Q1，电阻R2的阻抗小于电阻R1的阻抗。晶体管Q2的漏极连接到输出MOS11的栅极端，并且源极端经由电阻R2而连接到输出端OUT。将状态确定电路12的激活信号(B)馈送到晶体管Q2的栅极端，后栅极端连接到输出端OUT。第三断开速率调节电路16c包括一个N沟道增强型晶体管Q3(放电晶体管)，该晶体管的电流容量高于晶体管Q1和Q2，该晶体管的漏极和源极端分别连接到输出MOS11的栅极端和输出端OUT。
当输出MOS11上的电流处于正常值以致于不需要一个短的下降时间时，激活第一断开速率调节电路16a。考虑到电路运行稳定性的较高优先级，当激活第一断开速率调节电路16a时，将断开转变期间的转换速率设置为低的转换速率。当过大的电流正流经输出MOS11并且需要一个短的下降时间时，激活第三断开速率调节电路16c。考虑到保护输出MOS11的较高的优先级，当激活第三断开速率调节电路16c时，将断开转变期间的转换速率设置为高的转换速率。
当输出MOS11上电流大于正常值而小于过大的值并且所需的下降时间短于正常操作时的下降时间但不小于在过大电流状态时的下降时间，那么激活第二断开速率调节电路16b。考虑到既要确保电路运行的稳定性又要保护输出MOS11，第二断开速率调节电路16b的断开转变期间所设置的转换速率高于第一断开速率调节电路16a的断开转变期间所设置的转换速率但低于第三速率调节电路16c的断开转变期间所设置的转换速率。
如果通过输出MOS11的电流处于正常值，那么在控制信号输入电路15基于外部信号而将输出控制信号转移为低电平之后，状态确定电路12输出用于激活第一断开速率调节电路16a的激活信号(A)。在被馈送有激活信号(A)的第一断开调节电路16a中，将晶体管Q1的栅极电压升压到电源电压，借此晶体管Q1导通。经由晶体管Q1和电阻R1，以晶体管Q1的电流容量的相应速度来放电输出MOS11的栅极电压，并且然后断开输出MOS11。
如果通过输出MOS11的电流大于正常值而小于过大的值，那么在控制信号输入电路15基于外部信号而将输出控制信号转移为低电平之后，状态确定电路12输出用于激活第二断开速率调节电路16b的激活信号(B)。在被馈送有激活信号(B)的第二断开调节电路16b中，将晶体管Q2的栅极电压升压到电源电压，借此晶体管Q2导通。经由晶体管Q2和电阻R2，以晶体管Q2的电流容量的相应速度来放电输出MOS11的栅极电压，并且然后断开输出MOS11。与激活第一断开速率调节电路16a的情况相比，在该情况中，输出MOS11获得较高的放电速度和较短的下降时间。
如果过大的电流流过输出MOS11，那么状态确定电路12向控制信号输入电路15发送一个断开信号，并且控制信号输入电路15基于所接收到的断开信号而将输出控制信号转变为低电平。同时，状态确定电路12将激活信号(C)输出到第三断开速率调节电路16c。在被馈送有激活信号(C)的第三断开调节电路16c中，将晶体管Q3的栅极电压升压到电源电压，这样晶体管Q3导通，借此输出MOS11的栅极电压被瞬间放电，然后迅速断开输出MOS11。
在该实施例中，如上所述，状态确定电路12根据在输出MOS11断开转变期间输出MOS11上的电流值，从多个转换速率调节电路16中选择将被激活的转换速率调节电路16。所以如果通过输出MOS11的电流处于正常值，那么能够选择断开转变期间的较低的转换速率，这样允许提高电路运行的稳定性，并且如果输出MOS11上的电流值大于正常值，那么能够设定断开转变期间的较高的转换速率，这有效保护了输出MOS11。特别是，当输出MOS11上是过大的电流时，快速断开输出MOS11以便允许减少相应于直到断开输出MOS11而施加的能量的应力，也就是说，其允许输出MOS11的向前安全操作区域边缘加宽，以致于防止破坏输出MOS11。
应当指出，在上述实施例中，虽然用于第一和第二断开速率调节电路16a和16b的晶体管使用了降低型晶体管，但是也可以使用增强型晶体管。另外，当状态确定电路12将激活信号(B)输出到第二断开速率调节电路16b时，同时将激活信号(A)输出到第一断开速率调节电路16a以便激活两个断开速率调节电路16a和16b也是优选的。同样，当状态确定电路12将激活信号(C)输出到第三断开速率调节电路16c时，同时将激活信号(A)和(B)输出到第一和第二断开速率调节电路16a和16b以便激活所有断开速率调节电路16a、16b和16c也是优选的。
虽然基于优选的实施例对本发明进行了说明，但是本发明的输出电路并不受上述实施例所限制，并且具有不同修改或改变的任一实施例将包含在本发明的范围中。
所以根据所描述的发明，可以以许多方式来改变发明的实施例是显而易见的。所述改变并不视为脱离发明的精神和范围，并且对于本领域技术人员来说是显而易见的所有这些修改将包含在随后的权利要求的范围中。

Claims (18)

1.一种具有用于切换负载电流的输出晶体管的输出电路，包括：
负载电流检测部件，其检测负载电流的电流电平，以及
转换速率调节部件，其调节输出晶体管的断开转变期间的转换速率以便响应负载电流检测部件的检测结果。
2.如权利要求1的输出电路，其中当对输出晶体管的栅极电压进行放电时，转换速率调节部件根据电流值来调节断开转变期间的转换速率。
3.如权利要求1的输出电路，其中转换速率调节电路部件包括多个放电晶体管并且在断开转变期间选择性地导通至少一个放电晶体管。
4.如权利要求2的输出电路，其中转换速率调节电路部件包括多个放电晶体管并且在断开转变期间选择性地导通至少一个放电晶体管。
5.如权利要求3的输出电路，其中至少一个放电晶体管是降低型MOSFET。
6.如权利要求4的输出电路，其中至少一个放电晶体管是降低型MOSFET。
7.如权利要求1的输出电路，其中当负载电流值超过了预定值时，负载电流检测部件产生一个断开信号，通过该信号来断开输出晶体管。
8.如权利要求2的输出电路，其中当负载电流值超过了预定值时，负载电流检测部件产生一个断开信号，通过该信号来断开输出晶体管。
9.如权利要求3的输出电路，其中当负载电流值超过了预定值时，负载电流检测部件产生一个断开信号，通过该信号来断开输出晶体管。
10.如权利要求4的输出电路，其中当负载电流值超过了预定值时，负载电流检测部件产生一个断开信号，通过该信号来断开输出晶体管。
11.如权利要求5的输出电路，其中当负载电流值超过了预定值时，负载电流检测部件产生一个断开信号，通过该信号来断开输出晶体管。
12.如权利要求6的输出电路，其中当负载电流值超过了预定值时，负载电流检测部件产生一个断开信号，通过该信号来断开输出晶体管。
13.如权利要求1的输出电路，其中负载电流检测部件基于跨接在输出晶体管的电压降来检测负载电流电平。
14.如权利要求2的输出电路，其中负载电流检测部件基于跨接在输出晶体管的电压降来检测负载电流电平。
15.如权利要求3的输出电路，其中负载电流检测部件基于跨接在输出晶体管的电压降来检测负载电流电平。
16.如权利要求4的输出电路，其中负载电流检测部件基于跨接在输出晶体管的电压降来检测负载电流电平。
17.如权利要求7的输出电路，其中负载电流检测部件基于跨接在输出晶体管的电压降来检测负载电流电平。
18.如权利要求8的输出电路，其中负载电流检测部件基于跨接在输出晶体管的电压降来检测负载电流电平。
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