TW200945721A - Power switch circuit exhibiting over current protection and short circuit protection mechanism and method for limiting the output current thereof - Google Patents

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* 200945721 t 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種電源切換電路，尤指一種具有過電流 保護機制之電源切換電路。 【先前技術】 , 電源切換電路一種係用以從一電源切換電力至一負載之 電路。當該負載之電阻越小，該電源所供應的電流越大。 巾由1力㈣於電壓乘上電流之公式可得知，該負載所消耗 之功率也越大。為防止過大之功率消耗損壞該負載或是該 電源切換電路，有必要設計一過電流保護機制，以限制流 經該負載之電流。 美國專利US6,816,349揭示一電源切換電路。如圊以斤 示’該電源切換電路1〇〇包含一電源電晶體11()、一感應電 晶體120、一運算放大器130以及電阻14〇和14ι。該電源電 晶體110之基體接地。該感應電晶體12〇之閘極連接至該電 φ 源電晶體110之閘極，其源極透過該電阻140接地，而其基 體透過該電阻141接地。該運算放大器130之輸入端連接至 該感應電晶體120之源極以及一參考電壓Vref，而其輸出端 連接至該電源電晶體11〇和該感應電晶體12〇之閘極。該電 阻141係使該感應電晶體12〇之一寄生電晶體導通，進而降 低流經該電源電晶體110之電流，達到其輸出端短路時限流 之目的。然而該感應電晶體120之基體電流係決定於其製程 之物理特性而較難以掌握。此外，該外接之參考電麼v ref 也增加實現該電路之複雜性。 129678.doc 200945721 ? 美國專利US6,606,358揭示一電源切換電路。如圖2所 示，該電源切換電路200包含一電源電晶體210、一感應電 晶體 220、雙極性接面電晶體（bipolar junction transistor， BJT)230和 240、電阻 250和 251 以及電流源 260、261、262 和263。該雙極性接面電晶體230和240之射極分別透過該電 阻250和251連接至該感應電晶體220和該電源電晶體210之 源極，以感應其流經之電流。然而該電源切換電路2〇〇需要 一電流吸收器（current sink)262以用以減去流經該雙極性接 面電晶體230之偏流。此外，許多互補金氧半導體 (complementary MOS，CMOS)製程並不提供高電流增益BJT 之製程技術而降低其實用性。 美國專利US5,422,593揭示一電源切換電路。如圖3所 示，該電源切換電路300包含一電源電晶體31〇、一感應電 晶體320、電晶體33〇、一運算放大器34〇、一驅動電路35〇、 電阻360至364和一電壓偏移電路370。該運算放大器34〇形 φ 成一回授電路，鎖定流經該電源電晶體310和該感應電晶體 320之電流，並透過該電晶體33〇輸出訊號至該驅動電路 350。該驅動電路350於該電源電晶體3 1〇之輸出電流超過一 臨限值時降低該電源電晶體3丨〇和該感應電晶體32〇之閘極 電壓。該電阻363和364係用以調整該臨限電流之值。然而 該電壓偏移電路370之跨壓會隨著該電源電晶體31〇之輸出 電壓而改變，故其操作較難以掌握。 【發明内容】 本發明之一實施例之具備過電流保護和短路保護之電源 129678.doc 200945721 < 切換電路，包含一電源驅動單元、一感應 制電路。該電源驅動單元用以切換一輸入電源至：控 該感應單元用以感應該電源驅動單元之輪出電流1^ 控制電路用以控制該電源驅動單元和該感應單： 該電源驅動單元之輸出電流大於-臨限值時，該輪出電； 被限制於一過電流保護電流，而當該負載之阻抗趨近於零 時，該電源驅動單元之輸出電流被限制於—短路保護電产。 ❹

本發明之-實施例之具備過電流保護和短路保護之電源 切換電路，包含-電源電晶體、—第—感應電晶體、_玫 大器電路、-第-電流源、一第二感應電晶體和一第二電 流源。該電源電晶體用以切換一輸入電源至一負載。該第 一感應電晶體連接至該電源電晶體。該放大器電路用以比 較該電源電晶體和該第一感應電晶體之輸出電壓並產生相 對應之電流。該第一電流源用以提供流經該第—感應電晶 體之電流。該第一感應電晶體連接至該電源電晶體、該第 一感應電晶體和該放大器電路。該第二電流源用以提供流 經該第二感應電晶體之電流。其中當該電源電晶體之輪出 電流大於一臨限值時，該輸出電流被限制於該第一電流源 所&供之電》瓜乘上該電源電晶體和該第·一感應電晶體之寬 長比之比值，而當該負載之阻抗趨近於零時，該電源驅動 單元之輸出電流被限制於該第二電流源所提供之電流乘上 該電源電晶體和該第二感應電晶體之寬長比之比值。 本發明之一實施例之限制電源切換電路之輸出電流之方 法，包含下列步驟：利用一電源切換電路將一輸入電源切 129678.doc 200945721 換至負載；若該電源切換電路之輸出電流大於一臨界值 日令限制該輸出電流於一過電流保護電流；以及若連接該 電源切換電路之負載阻抗實質相等於零時，限制該電源切 換電路之輸出電流於一短路保護電流。 【實施方式】 圖4顯不本發明之一實施例之具備過電流保護和短路保 護之電源切換電路之示意圖。該電源切換電路4〇〇包含一電 @ 源驅動單元41〇(例如一電晶體）、一感應單元42〇(例如一電 阳體）和一回饋控制電路43〇。該電源驅動單元41〇用以切換 一輸入電源至一負載8〇〇。該感應單元420用以感應該電源 驅動單兀之輸出電流I〇ut。該回饋控制電路43〇係於該負載 800發生過電流或短路時’控制該電源驅動單元41〇和該感 應單元420:當該電源驅動單元41〇之輸出電流込以大於一臨 限值時’該輸出電流1〇^被限制於一過電流保護電流；而當 该負載800之阻抗實質等於零時，該電源驅動單元41〇之輸 Q 出電流Ic)ut被限制於一短路保護電流。較佳地，該短路保護 電流大於該過電流保護電流。 較佳地，該電源切換電路400可進一步包含一計時電路 440用以偵測流經該電源驅動單元41〇之輸出電流I〇ut。當該 電源驅動單元410之輸出電流i〇ut被限制於該過電流保護電 流或s亥短路保S蒦電流之時間超過一臨限值時，該計時電路 440送出一訊號用以關閉該電源驅動單元41 〇。 圖5顯示本發明之一實施例之具備過電流保護和短路保 護之電源切換電路之示意圖。該電源切換電路50〇包含一電 129678.doc 200945721 源電晶體5 1 0、一第一感應電晶體52〇和一回饋控制電路 600。該電源電晶體510之汲極連接至一電源，其源極連接 至一輸出負載800，並用以將該電源切換至該負載8〇〇。該 第一感應電晶體520之汲極連接至該電源，而其閘極連接至 該電源電晶體5 10之閘極。 該回饋控制電路600係於該負載8〇0發生過電流或短路 時’控制該電源電晶體510和該第一感應電晶體520，並包 ❹ 含一放大器電路61 〇、一第一電流源620、一第二電流源63 0 和一第二感應電晶體640。該第一電流源62〇連接至該第一 感應電晶體520之源極，用以提供流經該第一感應電晶體 520之電流。該第二感應電晶體64〇之汲極連接至該電源電 晶體510之没極’而其閘極連接至該電源電晶體51〇之閘 極。該第二電流源630連接至該第二感應電晶體640之汲 極’用以提供流經該第二感應電晶體640之電流。該放大器 電路610用以比較該電源電晶體51〇和該第一感應電晶體 φ 520之輸出電壓並產生相對應之電流，並藉由該電流和該第 二電流源630所形成之負載控制該電源電晶體5 1〇之閘極。 該放大器電路610之輸入端分別連接至該電源電晶體51〇和 該第一感應電晶體520之電流輸出端，並包含一電壓轉電流 放大器611和一電流鏡電路612。該電壓轉電流放大器611之 輸入端分別連接至該電源電晶體51 〇和該第一感應電晶體 520之源極·端點A和端點B。當端點A之電壓大於端點B之 電壓時’該電壓轉電流放大器611輸出一對應於其輸入端電 壓差之電流；當端點A之電壓小於端點b之電壓時，該電壓 129678.doc 200945721 轉電流放大器611之輸出電流為零。該電流鏡電路612連接 至該第一感應電晶體640之源極，並用以放大該電壓轉電流 放大器611之輸出電流。 較佳地，該第一感應電晶體52〇之寬長比（W/L)係遠小於 該電源電晶體5 1 0之寬長比，而該第二感應電晶體64〇之寬 長比亦遠小於該電源電晶體5丨〇之寬長比，以減少該電源切 換電路500之電流消耗，如各為ι/1〇〇〇〇倍。由於流經該第 一感應電晶體520之電流等於該第一電流源62〇所提供之電 流值Ii，因此端點A至該第一感應電晶體520閘極之電壓 值，亦即該第一感應電晶體52〇閘極至源極之電壓差為一固 定值。另一方面’由於該電源電晶體51〇之寬長比為該第一 感應電晶體520之寬長比之ι0000倍，因此當流經該電源電 b曰體5 10之電流lout為流經該第一感應電晶體52〇之電流之 10000倍，亦即Iout=10000 ^時，端點八和3之電壓值相等。 當該電源切換電路500操作於正常模式時，亦即該負載 藝 800之阻抗值大於一臨限值，流經該電源電晶體51〇之電流 I〇ut小於10000 L，則端點B之電壓高於端點A之電壓。因此 該電壓轉電流放大器611之輸出電流為零，該電流鏡電路 612不作用，該第二電流源64〇亦不作用而無跨壓而該第 一感應電晶體5 2 0和該電源電晶體5丨〇之閘極之電壓值皆被 上拉至供應電壓VCC。 當該負載800之阻抗值下降超過一臨限值時，流經該電源 電晶體510之電流Icut大於10000 l，則端點B之電壓低於端 點A之電壓，該電源切換電路5〇〇進入過電流保護狀態。該 129678.doc -10- 200945721 電壓轉電流放大器611之輸出電流經過該電流鏡電路612放 大後形成電流1〇。該電流Ιο大於該第二電流源640所提供之 電流值I2，因此流經該第二電流源63〇為1()而增加該第二電 流源630之跨壓。該第二電流源63〇之跨壓使得該電源電晶 體5 10和該第一感應電晶體520之閘極電壓下降，因此該電 源電晶體510導通電流能力下降，亦即I(jut下降。當該込以下 降至使得端點B之電壓稍小於端點a之電壓，該電源切換電 路500即達到穩定狀態’此時I〇ut等於10000 L，即該電源切 ® 換電路500之輸出電流於過電流保護狀態時被限制於 10000 Ii 〇 當該負載800之阻抗值持續下降，則該放大器電路61〇之 輸出電流I。持續增大，故該電源電晶體5丨〇和該第一感應電 晶體520之閘極電壓持續下降。由於流經該第一感應電晶體 520之電流為一定值l ’故該第一感應電晶體52〇之閘極源極 電壓差（VGS)也為一定值，故端點A之電壓也持續下降。然 φ 而該電源切換電路5〇〇之輸出電壓仍然保持在1〇〇〇〇 l。 當電源切換電路500接地形成短路’亦即該負載8〇〇之阻 抗值趨近於零時，該電源切換電路5〇〇進入短路保護狀態。 此時端點A之電壓亦被下拉至趨近於零，且端電壓亦 被下拉至趨近於零，故該第一電流源620離開正常工作區間 而無跨壓，而該電流鏡電路612亦離開正常工作區間而無跨 壓。此時該第二感應電晶體640之源極電壓趨近於零，而其 閘極連接至該電源電晶體510之閘極，故其和該電源電晶體 510亦形成一電流鏡電路。因此流經該電源電晶體5ι〇之電 129678.doc 200945721 流係等於流經該第二感應電晶體64〇之電流之1〇〇〇〇倍，亦 即w等於10000 12。故於短路保護狀態時，該電源切換電 路500之輸出電流1〇1^被限制於1〇〇〇〇 i2。 較佳地’該電源切換電路4⑼可進—步包含—計時電路 7〇〇,如圖6所示。該計時電路7〇〇之作用如該計時電路彻， 延遲計 包含-第三感應電晶體710、—第三電流源72〇、_ ❹ ❹ 時單元73G和—鎖存器74G。該第三感應電晶體7H)連接I該 電流鏡電路612。該第三電流源72〇用以提供流經該第三感 應電晶體7H)之電流。該延遲計時單元73()連接至該第三感 應電晶體7Π)。該鎖存器74()用以紀錄該延遲計時單元頂 :輸出值。當該電壓轉電流放大器611之輸出電流不為零 時’該第三感應電晶體71〇輸出一電流保護訊號，而當該第 三感應電晶體710之輸出該保護訊號之時間超過—臨限值 時，該延遲計時單元730輸出一電流保護確認訊號。 較佳地’該計時電路700可進一步包含一第四感應電晶體 750和一第四電流源76〇。該第四感應電晶體75〇連接於該第 三感應電晶體710和該延遲計時單元73〇之間，用以放大該 第三感應電晶體710之輸出訊號。該第四電流源76〇用以提 供流經該第四感應電晶體750之電流。當該第四感應電晶體 750輸出該保護訊號之時間超過一臨限值時，該延遲計時單 元730輸出一電流保護確認訊號。 圖7顯示本發明之一習知之電壓轉電流放大器之示意 圖。該電壓轉電流放大器611連接至該電流鏡電路612，並 包含電晶體810、811、812和813、電流源814、 815和816 129678.doc -12· 200945721 以及一電流鏡電路817。該電流源814提供電流輸出2Ib，而 該電流源815和816皆提供電流輸出Ib。如圖7所示，當端點 A之電壓大於端點B之電壓時，流經該電晶體811之電流大 於流經該電晶體810之電流，分別為Ib+ △ I和ib_ △ I。此時該 電晶體812導通，故流通該電晶體812之電流為lb+/^ i-ib=A I。又，因該電晶體813關閉’故該電壓轉電流放大器611輸 出一由該電流鏡電路817所映射之電流△ I。 當端點A之電壓小於端點B之電壓時，如圖8所示，流經 該電晶體8 11之電流大於流經該電晶體8 10之電流，分別為 Ib-Δ I和Ib+Δ I。此時該電晶體812關閉，故該電流鏡電路817 無映射之電流’故該電壓轉電流放大器611之輸出電流為 零。 圖9顯示本發明之一實施例之限制電源切換電路之輸出 電流之方法之流程圖。在步驟9 〇 1，利用一電源切換電路將 一輸入電源切換至一負載，並進入步驟902 »在步驟902， φ 判斷是否該電源切換電路之輸出電流大於一臨界值；若 是，則進入步驟903 ;若否，則回到步驟9〇 1。在步驟903， 限制該電源切換電路之輸出電流於一過電流保護電流，並 進入步驟904。在步驟9〇4，判斷是否連接該電源切換電路 之負載阻抗實質相等於零，若是，則進入步驟9〇5;若否， 則進入步驟906。在步驟905，限制該電源切換電路之輸出 電流於一短路保護電流，並進入步驟9〇6 ^在步驟9〇6，判 斷是否該電源切換電路之輸出電流被限制於該過電流保護 電流或該短路保護電流之時間超過一臨限值，若是，則進 129678.doc -13· 200945721 入步驟907，右否，則進入步驟9〇8。在步驟術，關閉該電 源切換電路。在步驟908，判斷是否該電源切換電路之輸出 電流大於一臨界值；若是，則進入步驟909;若否，則回到 步驟901。在步驟9〇9，判斷是否連接該電源切換電路之負 載阻抗實質相等於零，是，則回到步驟9G5 ;若否，則回 到步驟903。較佳地，該短路保護電流大於該過電流保護電 流。

本發明之電源切換電路不需要外接參考電壓或是内建偏 壓電路’且可輕易實現於單—晶片而不需任何外接元件， 故可有效改善習知技術的缺點。此外，本發明之電源切換 電路採用雙電流保護機制，並可自動切換至該兩機制，# 加電路應用之彈性。 本發明之技術内容及技術特點已揭示如上，然而熟悉本 項技術之人士仍可能基於本發明之教示及揭示而作種種不 背離本發明精神之替換及修飾。因此，本發明之保護範圍 應不限於實施例所揭示者，而應包括各種不背離本發明之 替換及修飾，並為以下之申請專利範圍所涵蓋。 【圖式簡單說明】 圖1顯示美國專利US6,816,349所揭示之電源切換電路； 圖2顯示美國專利US6,606,358所揭示之電源切換電路； 圖3顯示美國專利US5,422,593所揭示之電源切換電路； 圖4顯示本發明之一實施例之具備過電流保護和短路保 護之電源切換電路之示意圖； 圖5顯示本發明之一實施例之具備過電流保護和短路保 129678.doc •14- 200945721 護之電源切換電路之另一示意圖； 圖6顯示本發明之一實施例之具備過電流保護和短路保 護之電源切換電路包含一計時電路之示意圖； 圖7顯示本發明之一習知之電壓轉電流放大器之示意圖，· 圖8顯示本發明之一習知之電壓轉電流放大器之另一示 意圖；以及 圖9顯不本發明之一實施例之限制電源切換電路之輸出 電流之方法之流程圖。 > 【主要元件符號說明】 100 電源切換電路 110 電源電晶體 120 感應電晶體 130 運算放大器 140、 141電阻 200 電源切換電路 210 電源電晶體 220 感應電晶體 230、 240雙極性接面電晶體 250、 251電阻 260〜263電漭源 300 電源切換電路 310 電源電晶體 320 感應電晶體 330 電晶體 340 運算放大器 350 驅動電路 360〜364電jj且 370 電壓偏移電路 400 電源切換電路 410 電源驅動單元 420 感應單元 430 回饋控制電路 440 計時電路 129678.doc 15- 200945721 800 負載 500 電源切換電路 510 電源電晶體 520 苐一感應電晶體 600 回饋控制電路 610 放大器電路 611 電壓轉電流放大器 612 電流鏡電路 620 第一電流源 630 弟二電流源 640 第二感應電晶體 700 計時電路 710 第三感應電晶體 720 第三電流源 730 延遲計時單元 740 鎖存器 750 第四感應電晶體 760 第四電流源 810〜813 電晶體 814〜816 電流源 817 電流鏡電路 901-909 步驟

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Claims (1)

1. 200945721 十、申請專利範圍： 1. 一種具備過電流保護和短路保護之電源切換電路，包含： 一電源驅動單元，用以切換一輪入電源至一負載； 一感應單元，用以感應該電源驅動單元之輸出電流； 以及 一回饋控制電路，用以控制該電源驅動單元和該感應 單元； 其中當該電源驅動單元之輸出電流大於一臨限值時， 該輸出電流被限制於一過電流保護電流； 其中當該負載之阻抗趨近於零時，該電源驅動單元之 輸出電流被限制於一短路保護電流。 2. 根據請求項1之電源切換電路，其中該短路保護電流大於 該過電流保護電流。 3. 根據請求項丨之電源切換電路，其進一步包含一計時電 路其中虽该電源驅動單元之輸出電流被限制於該過電 φ 流保護電流或該短路保護電流之時間超過一臨限值時， 十時電路送出—訊號用以關閉該電源驅動單元。 種八備過電流保護和短路保護之電源切換電路，包含： 電源電晶體’用以切換一輸入電源至一負載； 第感應電晶體，連接至該電源電晶體； &大^電路’用以比較該電源電晶體和該第一感應 電晶體之輪出雷獻#:* ,, 衝出電壓並產生相對應之電流； 第電机源，用以提供流經該第一感應電晶體之電 流； 129678.doc 17 200945721 一第二感應電晶體，連接至該電源電晶體、該第一感 應電晶體和該放大器電路；以及 一第二電流源’用以提供流經該第二感應電晶體之電 流， 其中當該電源電晶體之輸出電流大於一臨限值時，該 輸出電流被限制於該第一電流源所提供之電流乘上該電 源電晶體和該第一感應電晶體之寬長比之比值； 其中當該負载之阻抗趨近於零時，該電源驅動單元之 ® 輸出電流被限制於該第二電流源所提供之電流乘上該電 源電晶體和該第二感應電晶體之寬長比之比值。 5. 根據請求項4之電源切換電路，其中該第一感應電晶體之 及極連接至§亥電源電晶體之没極，而其閘極連接至該電 源電晶體之閘極。 6. 根據請求項4之電源切換電路，其中該放大器電路之輸入 端分別連接至該電源電晶體和該第一感應電晶體之源 _ 極0 7_根據請求項4之電源切換電路，其中該第一電流源連接至 該第一感應電晶體之源極。 8. 根據請求項4之電源切換電路，其中該第二感應電晶體之 源極連接至該放大器電路’而其汲極連接至其本身和該 電源電晶體以及該第一感應電晶體之閘極。 9. 根據請求項4之電源切換電路，其中該第二電流源連接至 該第二感應電晶體之汲極。 1〇_根據請求項4之電源切換電路，其中該放大器電路包含： 129678.doc 18 200945721 -電壓轉電流放大器，用以比較該電源電晶體和該第 -感應電晶體之輸出電壓並產生相對應之電流；以及 一電流鏡電路’用以放大該雷厭 x电壓轉電流放大器之輸出 電流。 11. 根據請求項H)之電源切換電路，其中當該電源電晶體之 源極電壓大於該第一感應電晶體之源極電壓時，該電壓 轉電流放大器之輸出電流為零。 12. 根據請求項10之電源切換電路，其中當該電源電晶體之 源極電壓小於該第一感應電晶體之源極電壓時，該電壓 轉電流放大器之輸出電流不為零。 13. 根據請求項4之電源切換電路’其中當該負載之阻抗趨近 於零時，該第一電流源不作用。 14. 根據請求項10之電源切換電路，其進一步包含—計時電 路’其中當該電壓轉電流放大器之輸出電流不為零超過 一臨限時間時，該計時電路送出一訊號用以關閉該電源 電晶體。 1 5 ·根據請求項14之電源切換電路’其中該計時電路包含. 一第三感應電晶體’連接至該電流鏡電路，其中當該 電壓轉電流放大器之輸出電流不為零時，該第三感應電晶 體輸出一電流保護訊號； 一第三電流源，用以提供流經該第三感應電晶體之電 流； 一延遲計時單元’連接至該第三感應電晶體，其中各 該第三感應電晶體之輸出該保護訊號之時間超過一臨限 129678.doc 19 200945721 值時，該延遲計時單元輸出一電流保護確認訊號； —鎖存器，用以紀錄該延遲計時單元之輸出值。 16 根據請求項14之電源切換電路，其中該計時電路進—步 包含： 一第四感應電晶體’連接於該第三感應電晶體和該延 遲計時單元之間，用以加強該第三感應電晶體之輸出訊 號’其中當δ玄第四感應電晶體輸出該保護訊號之時間超過 一臨限值時，該延遲計時單元輸出一電流保護確認訊號； 一第四電流源’用以提供流經該第四感應電晶體之電 流。 17. —種限制電源切換電路之輪出電流之方法，包含下列步 利用一電源切換電路將—輪入電源切換至一負載； 右該電源切換電路之輸出電流大於一臨界值時，限制 該輸出電流於一過電流保護電流；以及

   右連接該電源切換電路之負載阻抗實質相等於零時， 限制該電源切換電路之輪出電流於一短路保護電流。 1 8.根據請求項17方 ^ 万去 進—步包含下列步驟： 右該電源切換雷牧+ & , 、電路之輸出電流被限制於該過電流保護 電流或該短路保護雷味 支電机之時間超過一臨限值時，關閉該電 源切換電路。 其中該短路保護電流大於該過電 19.根據睛求項I?之方法 流保護電流。 129678.doc 20