TW201448397A - 具過電流保護機制之運算電路 - Google Patents

Abstract

一種具過電流保護機制之運算電路，包含：第一與第二電路級、保護電路及第一動態參考電流產生模組。第一電路級接收輸入訊號及輸出訊號，以產生第一及第二控制訊號。第二電路級根據第一及第二控制訊號之控制產生第一及第二驅動電流，進而產生輸出訊號。保護電路耦接於第一及第二電路級間，以偵測第一驅動電流，以選擇性地根據第一驅動電流及第一動態參考電流調整第一控制訊號。第一動態參考電流產生模組根據壓變電流及溫變電流產生第一動態參考電流。

Description

具過電流保護機制之運算電路

本發明是有關於一種過電流保護技術，且特別是有關於一種具過電流保護機制之運算電路。

電子產品在現代人的生活中是不可或缺的一部份。舉凡手機、電腦、汽車甚至家電用品，往往都配備有具運算能力的處理器。然而，電子產品由於漸趨微型化，雖具有體積小的優勢，卻也容易因物理或電性的傷害而故障。其中，在運作中的晶片或電路，如果因為操作不當而產生大電流的情形，將可能使晶片或電路過熱，而導致燒燬。故此，晶片或電路常配置有過電流保護電路的設計，以確保電流超過額定值時，得以啟動過電流保護的機制避免損壞。

在過電流保護機制是否啟動的判斷上，往往需要經由與參考電流的比較來進行。但是習知的技術中，係採用固定的參考電流為基準。在極容易受環境影響的電子元件中，如此的設計將無法彈性地啟動過電流保護機制，而無法有更具效率的保護功效。

因此，如何設計一個新的具過電流保護機制之運算電路，以解決上述的問題，乃為此一業界亟待解決的問題。

因此，本發明之一態樣是在提供一種具過電流保護機制之運算電路，包含：第一電路級、第二電路級、保護電路以及第一動態參考電流產生模組。第一電路級包含接收輸入訊號之第一輸入端以及接收輸出訊號之第二輸入端，以根據輸入訊號以及輸出訊號於第一輸出端產生第一控制訊號以及於第二輸出端產生第二控制訊號。第二電路級耦接於第一電路級，以根據第一驅動電流以及第二驅動電流產生輸出訊號，其中第一驅動電流由第一控制訊號控制產生，第二驅動電流由第二控制訊號控制產生。保護電路耦接於第一電路級以及第二電路級間，以偵測第一驅動電流，以選擇性地調整第一控制訊號，其中保護電路包含：第一切換控制單元以及第一調整單元。第一切換控制單元，用以根據由第一驅動電流產生之第一偵測電流以及第一動態參考電流進行比較，以產生第一切換控制訊號。第一調整單元一端耦接至第一供應電壓，另一端耦接至第一電路級之第一輸出端，其中第一調整單元於第一切換控制訊號位於致能準位時對第一控制訊號進行調整。第一動態參考電流產生模組根據壓變電流產生電路產生之壓變電流以及溫變電流產生電路產生之溫變電流產生第一動態參考電流。

依據本發明一實施例，其中溫變電流為負溫度係數電流，壓變電流為正電壓係數電流，第一動態參考電流產生模組係使溫變電流及壓變電流相減產生第一動態參考電 流。

依據本發明另一實施例，其中第一驅動電流為第二電路級之源電流(sourcing current)。

依據本發明又一實施例，其中第一驅動電流為第二電路級之汲取電流(sinking current)。

依據本發明再一實施例，其中當第一偵測電流大於第一動態參考電流，第一調整單元調整第一控制訊號以降低第一驅動電流。

依據本發明更具有之一實施例，其中第二電路級包含：第一驅動元件以及第二驅動元件。第一驅動元件耦接於第一輸出端，以接收第一控制訊號並產生第一驅動電流。第二驅動元件耦接於第二輸出端，以接收第二控制訊號並產生第二驅動電流。

依據本發明再具有之一實施例，其中第一切換控制單元包含：第一偵測元件以及第一電流比較器。第一偵測元件耦接於第一輸出端，以偵測第一驅動電流並產生第一偵測電流。第一電流比較器耦接於第一偵測元件以及第一動態參考電流產生模組，以對第一偵測電流以及第一動態參考電流進行比較，以產生第一切換控制訊號。其中第一調整單元包含電流源以及切換元件，電流源於切換元件為第一切換控制訊號致能時，提供控制電流至第一控制訊號。

依據本發明之一實施例，其中保護電路更包含：第二動態參考電流產生模組、第二切換控制單元以及第二調整單元。第二動態參考電流產生模組提供第二動態參考電 流。第二切換控制單元根據由第二驅動電流產生之第二偵測電流以及第二動態參考電流進行比較，以產生第二切換控制訊號。第二調整單元一端耦接至第二供應電壓，另一端耦接至第一電路級之第二輸出端，其中第二調整單元於第二切換控制訊號位於致能準位時對第二控制訊號進行調整。

依據本發明之另一實施例，其中第一電路級為運算放大器。

應用本發明之優點在於藉由溫變及壓變電流提供可動態隨系統運作環境調整的參考電流值，提供更彈性的過電流保護機制，而輕易地達到上述之目的。

1‧‧‧運算電路

10‧‧‧第一電路級

12‧‧‧第二電路級

120‧‧‧第一驅動元件

122‧‧‧第二驅動元件

14‧‧‧保護電路

140‧‧‧第一切換控制單元

141‧‧‧第二切換控制單元

142‧‧‧第一調整單元

143‧‧‧第二調整單元

144‧‧‧第一偵測元件

145‧‧‧第二偵測元件

146‧‧‧第一電流比較器

147‧‧‧第二電流比較器

16‧‧‧第一動態參考電流產生模組

20‧‧‧溫變電流產生電路

22‧‧‧壓變電流產生電路

24‧‧‧電流鏡

30‧‧‧電流源

32‧‧‧切換元件

第1圖為本發明一實施例中，一種運算電路之電路圖。

第2圖為本發明一實施例中，第一動態參考電流產生模組之電路圖。

第3圖為本發明一實施例中，運算電路之電路圖。

第4圖為本發明一實施例中，運算電路之電路圖。

請參照第1圖。第1圖為本發明一實施例中，一種具過電流保護機制之運算電路1之電路圖。運算電路1包含：第一電路級10、第二電路級12、保護電路14以及第一動態參考電流產生模組16。

於本實施例中，第一電路級10為一運算放大器， 包含第一輸入端In1、第二輸入端In2、第一輸出端Out1以及第二輸出端Out2。其中，第一輸入端In1用以接收一輸入訊號Vin，第二輸入端In2則用以接收運算電路1的輸出訊號Vout。第一電路級10根據輸入訊號Vin以及輸出訊號Vout，於第一輸出端Out1及第二輸出端Out2分別產生第一控制訊號Vp及第二控制訊號Vn。

第二電路級12耦接於第一電路級10。於本實施例中，第二電路級12包含第一驅動元件120以及第二驅動元件122。其中，第一驅動元件120於本實施例中為一P型金氧半電晶體，而第二驅動元件122於本實施例中為一N型金氧半電晶體。第一驅動元件120之源極連接於供應電壓VDD，汲極連接於產生輸出訊號Vout的輸出端O，閘極則耦接於第一輸出端Out1，接收第一控制訊號Vp，並據以產生第一驅動電流I1。第二驅動元件122之源極連接於接地電位GND，汲極連接於產生輸出訊號Vout的輸出端O，閘極則耦接於第二輸出端Out2，其閘極接收第二控制訊號Vn，並據以產生第二驅動電流I2。

在操作狀態下，第一驅動電流I1將為第二電路級12的源電流，以提供電流至輸出端O。而第二驅動電流I2將為第二電路級12的汲取電流，以自輸出端O汲取電流。

保護電路14耦接於第一電路級10及第二電路級12間，以偵測第一驅動電流I1，並選擇性地調整第一控制訊號Vp。其中，保護電路14包含：第一切換控制單元140以及第一調整單元142。

第一切換控制單元140包含第一偵測元件144及第一電流比較器146。第一偵測元件144耦接於第一輸出端Out1，並偵測第一驅動電流I1以產生第一偵測電流Io1。於一實施例中，第一偵測元件144以一電流鏡形式產生第一偵測電流Io1。因此，依其相對於第一驅動元件120之元件尺寸設計，第一偵測電流Io1可相當於第一驅動電流I1，亦或為第一驅動電流I1的倍數。第一電流比較器146進一步依據第一偵測電流Io1以及一個由第一動態參考電流產生模組16產生的第一動態參考電流Iref1進行比較，以產生第一切換控制訊號Vc1。

第一調整單元142可依據第一切換控制訊號Vc1的電壓準位決定是否啟動電路保護機制。於一實施例中，係預設當根據第一驅動電流I1產生的第一偵測電流Io1小於第一動態參考電流Iref1時，將產生低電壓準位的第一切換控制訊號Vc1，以抑能第一調整單元142。而當運算電路1的輸出端由於連接至接地端而使輸出訊號Vout的電位值為接地電位時，第一驅動電流I1將遽增，進一步使第一偵測電流Io1大於第一動態參考電流Iref1。第一切換控制訊號Vc1將轉為高電壓準位而致能第一調整單元142以啟動過電流保護機制。於本實施例中，過電流保護機制藉由第一調整單元142的致能，在第一驅動電流I1過大時，調整第一控制訊號Vp，以對第一驅動元件120進行控制，並降低第一驅動電流I1。

由於過電流保護機制是否啟動的判斷上，是依據第 一偵測電流Io1相對第一動態參考電流Iref1的大小而定，因此第一動態參考電流Iref1的大小設定亦為過電流保護機制是否能適時啟動的關鍵。於本發明中，第一動態參考電流Iref1是由第一動態參考電流產生模組16產生。

請參照第2圖。第2圖為本發明一實施例中，第一動態參考電流產生模組16之電路圖。於本實施例中，第一動態參考電流產生模組16包含溫變電流產生電路20以及壓變電流產生電路22。

溫變電流產生電路20用以產生隨溫度變化的溫變電流It。於本實施例中，此溫變電流It具有一負溫度係數，亦即其大小將隨溫度成負向變化。當溫度上升時，溫變電流It將下降，而當溫度下降時，溫變電流It將上升。於本實施例中，溫變電流產生電路20實際上係先產生具負溫度係數的溫變電壓Vn，以再根據此溫變電壓Vn與電阻Rs產生具負溫度性數特性的溫變電流It。

壓變電流產生電路22用以產生隨電壓變化的壓變電流Iv。於本實施例中，此壓變電流It具有一正電壓係數，亦即其大小將隨電壓成負向變化。當供應電壓VDD上升時，壓變電流Iv將上升，而當供應電壓VDD下降時，壓變電流Iv將下降。

因此，在將壓變電流Iv與溫變電流It相減(相當於將壓變電流Iv負向輸出並與溫變電流It相加)，經由一個電流鏡24輸出，即可得到兼具負溫度及負電壓係數特性的第一動態參考電流Iref1。

由於在電壓較高時，電晶體較容易產生閂鎖效應，而溫度較高時，電晶體的金屬電流密度將降低，都容易產生不受控制的電流量。因此，在這兩種狀況下，將第一動態參考電流Iref1設定在較低的準位，以快速啟動過電流保護機制為較佳的作法。因此，在系統的溫度或電壓升高時，具負溫度及負電壓係數特性的第一動態參考電流Iref1將可動態地調低，以使過電流保護機制能更快地啟動，達到更佳的保護效果。

上述之溫變電流產生電路20以及壓變電流產生電路22僅為一範例實施方式。於其他實施例中，亦可以其他電路架構產生壓變電流Iv與溫變電流It，而不為第2圖之架構所限。

需注意的是，以上之敘述是以對源電流(即第一驅動電流I1)的調整機制進行說明。如第1圖所示，保護電路14可更包含第二切換控制單元141以及第二調整單元143。類似地，第二切換控制單元141可包含第二偵測元件145及第二電流比較器147，以根據第二動態參考電流產生模組18產生的第二動態參考電流Iref2以及第二偵測電流Io2產生第二切換控制訊號Vc2。在輸出端O由於連接至供應電壓端而使輸出訊號Vout的電位值為相當於VDD時，第二驅動電流I2將升高以使第二偵測電流Io2升高而大於第二動態參考電流Iref2。因此，第二切換控制訊號Vc2將致能第二調整單元143以啟動過電流保護的機制。

於不同實施例中，第一調整單元142的過電流保護 機制亦可以不同方式實現。請參照第3圖。第3圖為本發明一實施例中，運算電路3之電路圖。於本實施例中，第一調整單元142包含電流源30以及切換元件32。切換元件32可依據第一切換控制訊號Vc1的電壓準位進行開關。於本實施例中，切換元件32在第一切換控制訊號Vc1為低準位時，成斷路狀態。而在第一切換控制訊號Vc1為高準位時，成導通狀態，以啟動過電流保護機制，使電流源30與第一輸出端Out1耦接，並提供控制電流Ic。控制電流Ic將使第一控制訊號Vp的電壓上升，造成第一驅動元件120之閘極與源極間的電壓差減小，進一步降低第一驅動電流I1的值。類似地，第二調整單元143亦可包含相同的結構，因此不再贅述。

請參照第4圖。第4圖為本發明一實施例中，運算電路4之電路圖。第4圖中的第一調整單元142之架構與第3圖所繪示的類似，然而於本實施例中，第一動態參考電流產生模組16可產生兩個隨溫度及電壓改變的第一動態參考電流Iref1_1及Iref1_2並交替輸出，其中第一動態參考電流Iref1_2的值小於第一動態參考電流Iref1_1。在正常運作時，第一動態參考電流產生模組16輸出第一動態參考電流Iref1_1。在第一切換控制訊號Vc1為高準位時，除啟動過電流保護機制，使電流源30與第一輸出端Out1耦接外，亦將第一動態參考電流產生模組16改輸出第一動態參考電流Iref1_2，以此經由提供控制電流Ic迫使第一控制訊號Vp的電壓持續抬升，進而將第一驅動電流I1栓鎖於 更低的電流值。

因此，本發明的優點在於藉由溫變及壓變電流提供可動態隨系統運作環境調整的參考電流值，提供更彈性的過電流保護機制。

雖然本揭示內容已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本揭示內容，任何熟習此技藝者，在不脫離本揭示內容之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本揭示內容之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

16‧‧‧第一動態參考電流產生模組

20‧‧‧溫變電流產生電路

22‧‧‧壓變電流產生電路

24‧‧‧電流鏡

Claims (10)

1. 一種具過電流保護機制之運算電路，包含：一第一電路級，包含接收一輸入訊號之一第一輸入端以及接收一輸出訊號之一第二輸入端，以根據該輸入訊號以及該輸出訊號於一第一輸出端產生一第一控制訊號以及於一第二輸出端產生一第二控制訊號；一第二電路級，耦接於該第一電路級，以根據一第一驅動電流以及一第二驅動電流產生該輸出訊號，其中該第一驅動電流由該第一控制訊號控制產生，該第二驅動電流由該第二控制訊號控制產生；一保護電路，耦接於該第一電路級以及該第二電路級間，以偵測該第一驅動電流，以選擇性地調整該第一控制訊號，其中該保護電路包含：一第一切換控制單元，用以根據由該第一驅動電流產生之一第一偵測電流以及一第一動態參考電流進行比較，以產生一第一切換控制訊號；以及一第一調整單元，一端耦接至一第一供應電壓，另一端耦接至該第一電路級之該第一輸出端，其中該第一調整單元於該第一切換控制訊號位於一致能準位時對該第一控制訊號進行調整；以及一第一動態參考電流產生模組，用以根據一壓變電流產生電路產生之一壓變電流以及一溫變電流產生電路產生之一溫變電流產生該第一動態參考電流。
2. 如請求項1所述之運算電路，其中該溫變電流為一負溫度係數電流，該壓變電流為一正電壓係數電流，該第一 動態參考電流產生模組係使該溫變電流及該壓變電流相減產生該第一動態參考電流。
3. 如請求項1所述之運算電路，其中該第一驅動電流為該第二電路級之一源電流(sourcing current)。
4. 如請求項1所述之運算電路，其中該第一驅動電流為該第二電路級之一汲取電流(sinking current)。
5. 如請求項1所述之運算電路，其中當該第一偵測電流大於該第一動態參考電流，該第一調整單元調整該第一控制訊號以降低該第一驅動電流。
6. 如請求項1所述之運算電路，其中該第二電路級包含：一第一驅動元件，耦接於該第一輸出端，以接收該第一控制訊號並產生該第一驅動電流；以及一第二驅動元件，耦接於該第二輸出端，以接收該第二控制訊號並產生該第二驅動電流。
7. 如請求項6所述之運算電路，其中該第一切換控制單元包含：一第一偵測元件，耦接於該第一輸出端，以偵測該第一驅動電流並產生該第一偵測電流；以及一第一電流比較器，耦接於該第一偵測元件以及該第一動態參考電流產生模組，以對該第一偵測電流以及該第一動 態參考電流進行比較，以產生該第一切換控制訊號。
8. 如請求項1所述之運算電路，其中該第一調整單元包含一電流源以及一切換元件，該電流源於該切換元件為該第一切換控制訊號致能時，提供一控制電流至該第一控制訊號。
9. 如請求項1所述之運算電路，其中該保護電路更包含：一第二動態參考電流產生模組，用以提供一第二動態參考電流；一第二切換控制單元，用以根據由該第二驅動電流產生之一第二偵測電流以及該第二動態參考電流進行比較，以產生一第二切換控制訊號；以及一第二調整單元，一端耦接至一第二供應電壓，另一端耦接至該第一電路級之該第二輸出端，其中該第二調整單元於該第二切換控制訊號位於該致能準位時對該第二控制訊號進行調整。
10. 如請求項1所述之運算電路，其中該第一電路級為一運算放大器。