CN1649266A

CN1649266A - 输出晶体管的限流器

Info

Publication number: CN1649266A
Application number: CN200510005875.1A
Authority: CN
Inventors: 田边刚
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: Renesas Electronics Corp
Priority date: 2004-01-27
Filing date: 2005-01-27
Publication date: 2005-08-03
Anticipated expiration: 2025-01-27
Also published as: JP4401178B2; US20050162189A1; DE102005003643A1; DE102005003643B4; CN100542032C; JP2005217472A; US7199606B2

Abstract

一种输出晶体管的限流器包括：输出晶体管；电流检测晶体管，监控流过输出晶体管的电流；电流镜电路；保护晶体管，输出已通过电流镜电路的电流，该电流与监控的电流成比例，并且取决于输出晶体管的漏极与源极之间或者集电极与发射极之间的电压；以及连接到保护晶体管的输出的输入引脚。

Description

输出晶体管的限流器

技术领域

本发明涉及功率半导体器件，并且具体涉及具有输出晶体管的限流器的器件。

背景技术

功率半导体器件包括输入电路、输出金属氧化物半导体(MOS)晶体管、输出MOS晶体管控制电路等等。如果大电流流动并且能量增加，则功率输出MOS晶体管变热。这样，过载电流导致输出MOS晶体管的热损坏。

为了避免热击穿，一些输出MOS晶体管控制电路具有限流器。限流器监控输出MOS晶体管的电流，并且控制栅极电压以限定输出电流。因此，限流器防止由于高能量导致的输出MOS晶体管自毁。

由于输出MOS晶体管中较高的漏源极电压导致较高的能量，因此当漏源极电压增加时必需减少限流值。这样，需要发展使电流控制能够与漏源极电压成比例的限流器。

图6与图7示出了限流器的例子。在图7中，与图6相同的参考标记表示相同的元件，并且省略了多余的说明。限流器包括Nch源极跟随器，其中在第一电源61与第二电源62之间串联连接输出MOS晶体管64与负载68。输出引脚69连接到输出MOS晶体管64与负载68的连接节点。根据输入到输出MOS晶体管64栅极引脚的控制信号63，输出MOS晶体管64导通或者截止。

限流器还具有电流检测MOS晶体管65。电流检测MOS晶体管65与输出MOS晶体管64之间存在给定比率。采用此电流比率，电流检测MOS晶体管65监控输出MOS晶体管64的电流。在电流检测MOS晶体管65的源极与输出引脚69之间连接控制电阻67或者漏极与栅极短路的控制MOS晶体管611。

在节点A与输出引脚69之间连接保护MOS晶体管66。保护MOS晶体管66的栅极连接到电流检测MOS晶体管65的源极。

以下说明电路操作。当输出MOS晶体管64导通时的操作如下。控制信号63通过升压器设定为高于第一电源电压，从而减少输出MOS晶体管64的导通电阻。如果节点A的电压高于第一电源61的电压并且输出MOS晶体管64的漏源极电压为高，则输出MOS晶体管64的漏极电流增加。此时，与漏极电流成比例的电流流入电流检测MOS晶体管65。这样，控制电阻67的电压或者控制MOS晶体管611的漏源极电压为保护MOS晶体管66的栅极电压。因此，电流流过保护MOS晶体管66以减少输出MOS晶体管64的栅极处或者节点A处的电压。由于节点A的电压减少，因此输出MOS晶体管64的电流随着减少。这样，图6与图7的电路作为限流器工作。日本未决专利公开No.02-226808公开了此类技术。

如果功率输出MOS晶体管的漏源极电压增加，则输出MOS晶体管的能量由此增加，其最终可导致输出MOS晶体管的自毁。为了避免这种情况，需要减少输出MOS晶体管的栅极电压以限制输出电流。然而，仅仅减少输出电流导致得到的输出电流的减少，阻碍了功率输出MOS晶体管满意地工作。

为了得到最大的输出电流而不损坏输出MOS晶体管，当输出MOS晶体管的漏源极电压为低时优选地增加限流值，并且当该电压为高时减少限流值。这样，得到依靠漏源极电压控制电流的限流器。

流过输出MOS晶体管64与电流检测MOS晶体管65的电流的比率是恒定的。然而，精确地说，由于当输出MOS晶体管64的电流增加时，电流检测MOS晶体管65的源极电压增加，因此电流检测MOS晶体管65的漏源极电压相对于输出MOS晶体管64的漏源极电压变小。这样，当输出MOS晶体管64的漏源极电压增加时，流过电流检测MOS晶体管65的电流由此减少，从而减少流入保护MOS晶体管66的电流。

这导致输入引脚63电压的增加，其减少了限流值。图8中示出了关于第一电源61与输出引脚69之间电压的输出MOS晶体管64的电流特性。当输出MOS晶体管64漏极与源极之间的电压增加时，输出MOS晶体管64中的能量增加。这样，高限流导致输出MOS晶体管64的损坏。

因此，当输出MOS晶体管64的漏源极电压增加时，优选地减少限流值。图9示出了在使用逐步控制等情况下的限流波形。然而，此技术需要大尺寸电路，并且无法得到限制电流的平滑波形。

发明内容

本发明的一个方面的输出晶体管的限流器描述如下。一种输出晶体管的限流器包括：输出晶体管；电流检测晶体管，监控流过输出晶体管的电流；电流镜电路；保护晶体管，输出已通过电流镜电路的电流，该电流与监控的电流成比例，并且取决于输出晶体管的漏极与源极之间或者集电极与发射极之间的电压；以及连接到保护晶体管的输出的输入引脚。

另一方面，上述输出晶体管的限流器可描述如下。输出晶体管与负载串联连接。输出晶体管的栅极或者基极连接到输入引脚。输出晶体管与负载之间的连接节点连接到输出引脚。电流检测晶体管的栅极或者基极，以及漏极或者集电极各自连接到输出晶体管。在电流检测晶体管的源极或者发射极与输出引脚之间连接控制元件。在控制元件中产生的电压或者电流通过电流镜电路，流入输出晶体管输入引脚与输出引脚之间连接的保护晶体管。

另一方面，在上述限流器中，在第一电源与输出引脚之间可连接电流镜电路。输出晶体管的漏极或者集电极可连接到第一电源，并且输出晶体管的源极或者发射极可连接到输出引脚。

另一方面，在上述限流器中，控制元件可为电阻。或者，该控制元件为漏极与栅极短路的金属氧化物半导体晶体管，或者集电极与基极短路的双极晶体管。

再一方面，输出晶体管的上述限流器可描述如下。第一晶体管与第二晶体管组成电流镜结构。在第二晶体管的漏极或者集电极与输出引脚之间连接第四晶体管。第四晶体管与保护晶体管组成电流镜结构。在第一晶体管的漏极或者集电极与输出引脚之间连接第三晶体管。将控制元件的电压提供到第三晶体管的栅极或者基极。

再一方面，输出晶体管的上述限流器可描述如下。第一晶体管与第二晶体管组成电流镜结构。在第二晶体管的漏极或者集电极与输出引脚之间连接第四晶体管。第四晶体管与保护晶体管组成电流镜结构。在第一晶体管的漏极或者集电极与输出引脚之间连接第三晶体管。将控制元件的漏极与源极之间的电压或者集电极与发射极之间的电压提供到第三晶体管的栅极或者基极。第三晶体管与控制元件组成电流镜结构。

本发明在电流检测电路与保护晶体管之间放置电流镜电路，从而得到最大输出电流，同时防止了输出MOS晶体管的热损坏。

附图说明

结合附图，通过以下描述，本发明的上述与其它目的、优点与特征将更加明显，其中：

图1是根据本发明实施例的限流器的电路图；

图2是根据本发明另一实施例的限流器的电路图；

图3是根据本发明再一实施例的限流器的电路图；

图4是示出了关于第一电源与输出引脚之间电压的输出MOS晶体管的电流特性的曲线图；

图5是示出了MOS晶体管的VDS-ID特性的曲线图；

图6是根据现有技术的限流器的电路图；

图7是根据另一现有技术的限流器的电路图；

图8是示出了关于图6与图7的限流器中第一电源与输出引脚之间电压的输出MOS晶体管的电流特性的曲线图；以及

图9是现有技术的限流器中采用逐步控制的限制电流的波形图。

具体实施方式

现在，将参照示意性实施例在此描述本发明。本领域的普通技术人员知道：参照本发明的讲授，可完成许多可选实施例，并且本发明不限于用于示范目的示出的实施例。

在下文中，将参照附图详细说明本发明的实施例。首先参照附图1与图2，限流器包括Nch源极跟随器，其中在第一电源1与第二电源2之间串联连接输出MOS晶体管4与负载8。输出引脚9连接到输出MOS晶体管4与负载8的连接节点。根据输入到栅极引脚的第一控制信号3，输出MOS晶体管4导通或者截止。限流器还具有电流检测MOS晶体管5。电流检测MOS晶体管5与输出MOS晶体管4之间存在给定比率。采用此电流比率，电流检测MOS晶体管5监控输出MOS晶体管4的电流。图1的限流器具有控制电阻7，位于电流检测MOS晶体管5的源极与输出引脚9之间。图2的限流器用漏极与源极短路的MOS晶体管11取代控制电阻7。限流器还具有在节点A与输出10之间连接的保护MOS晶体管6。

限流器包括多级电流镜10。MOS晶体管P2与P1组成电流镜结构。在MOS晶体管P2的漏极与输出引脚9之间连接MOS晶体管N2。MOS晶体管N2与保护MOS晶体管6组成电流镜结构。在MOS晶体管P1的漏极与输出引脚9之间连接MOS晶体管N1。在图1的限流器中，MOS晶体管N1的栅极接收控制电阻7的电压。在图2的限流器中，MOS晶体管N1的栅极接收控制MOS晶体管11的漏源极电压。在这种情况下，MOS晶体管N1与控制MOS晶体管11组成电流镜结构。

此实施例的电路结构说明如下。此实施例的电路与传统电路的不同之处在于：此实施例的电路包括多级电流镜电路10。其它元件与传统技术相同。

多级电流镜电路10描述如下。MOS晶体管N1的栅极从控制电阻器7或者控制MOS晶体管11接收输出信号。MOS晶体管P1与P2组成电流镜结构。通过MOS晶体管P2的电流提供到MOS晶体管N2与保护MOS晶体管6，其也组成电流镜结构。当第一电源1与输出引脚9之间的电压即输出MOS晶体管4的漏源极电压由于沟道长度调制影响而增加时，通过MOS晶体管P1、P2、N1与N2的电流增加。因此保护MOS晶体管6的电流增加，其减少了输出MOS晶体管4的栅极电压。这样，能够限制通过输出MOS晶体管4的电流，从而该电流具有如图4的波形“a”所示的特性。

这表示通过流经电流镜电路，根据输出MOS晶体管4的漏源极电压，通过保护MOS晶体管6的漏极电流相对于通过电流检测MOS晶体管5的漏极电流增加。当电流镜电路没有多级结构时，可得到相同的效果。

图5的波形“d”为采用沟道长度调制的波形。图5的波形“c”示出了MOS晶体管的理想的VD-ID特性。然而，实际上，通过波形“d”中示出的沟道长度调制，ID随着VD增加而增加。

增加图3中示出的电流镜的数目使得第一电源1与输出引脚9之间的相关性能够进一步增加。这还降低了极限值(limit value)，以致其具有图4的波形“b”中示出的特性。

尽管上述实施例说明了使用MOS晶体管的情况，也能够使用双极晶体管取代MOS晶体管形成类似电路。还可以既使用MOS晶体管又使用双极晶体管。

显而易见，本发明不限于上述实施例，本发明可进行修改与改变而不脱离本发明的范围与精神。

Claims

1.一种输出晶体管的限流器，包括：

输出晶体管；

电流检测晶体管，监控流过输出晶体管的电流；

电流镜电路；

保护晶体管，输出已通过电流镜电路的电流，所述电流与监控的电流成比例，并且取决于输出晶体管的漏极与源极之间或者集电极与发射极之间的电压；以及

连接到保护晶体管的输出的输入引脚。

2.如权利要求1所述的输出晶体管的限流器，还包括：

与输出晶体管串联连接的负载；

连接到输出晶体管与负载之间的连接节点的输出引脚；以及

控制元件，其连接在电流检测晶体管的源极或者发射极与输出引脚之间，并且产生电压或者电流，所述电压或者电流通过电流镜电路流入输出晶体管的输入引脚与输出引脚之间连接的保护晶体管，

其中输出晶体管的栅极或者基极连接到输入引脚，并且

电流检测晶体管的栅极或者基极，和漏极或者集电极各自分别连接到输出晶体管的栅极或者基极，和漏极或者集电极。

3.如权利要求2所述的输出晶体管的限流器，其中控制元件为电阻。

4.如权利要求2所述的输出晶体管的限流器，其中控制元件为漏极与栅极短路的金属氧化物半导体晶体管，或者集电极与基极短路的双极晶体管。

5.如权利要求1所述的输出晶体管的限流器，其中在第一电源与输出引脚之间连接电流镜电路。

6.如权利要求2所述的输出晶体管的限流器，其中在第一电源与输出引脚之间连接电流镜电路。

7.如权利要求2所述的输出晶体管的限流器，包括：

组成电流镜结构的第一晶体管与第二晶体管；

在第二晶体管的漏极或者集电极与输出引脚之间连接的第四晶体管，所述第四晶体管与保护晶体管组成电流镜结构；以及

在第一晶体管的漏极或者集电极与输出引脚之间连接的第三晶体管，所述第三晶体管的栅极或者基极接收控制元件的电压。

8.如权利要求2所述的输出晶体管的限流器，包括：

组成电流镜结构的第一晶体管与第二晶体管；

在第一晶体管的漏极或者集电极与输出引脚之间连接的第三晶体管，所述第三晶体管的栅极或者基极接收控制元件漏极与源极之间或者集电极与发射极之间的电压，所述第三晶体管与控制元件组成电流镜结构。