TW201535910A - 具有溫度補償的負載電路的過電流檢測 - Google Patents

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Abstract

一種經改良的電流限制電路包括：開關，具有第一端子以及第二端子，所述第一端子以及所述第二端子經組態以將電力供應連接至負載；第一電阻器，串聯連接於所述第一端子與第一恒定電流源之間；第二電阻器，串聯連接於所述第二端子與第二恒定電流源之間；控制電路，經組態以量測跨越所述第一電阻器的電壓降且比較所述電壓降與跨越所述開關的電壓降。

Description

具有溫度補償的負載電路的過電流檢測 【相關申請案的交叉參考】
本申請案主張2013年11月14日申請的名為「具有溫度補償的負載電路的過電流檢測(Overcurrent Detection of Load Circuits with Temperature Compensation)」的美國臨時專利申請案第61/904,135號的權益，所述申請案的全文以引用方式併入本文中。
本揭露大體上是關於電路保護元件的領域，且更特定言之，是關於過電流檢測電路。
在供電開關電路中，負載(例如，燈、馬達、電路組件、電腦或其類似者)經由開關而連接至電源。當在負載上發生短路或電流浪湧或開關對短路或重負載供電時，過量電流可流經開關。此稱為過電流條件。此等過電流條件可作為具有範圍為幾微米至數百微米的持續時間的電壓尖峰而存在。過電流條件可損壞 開關，損壞電源，導致電壓瞬變或導致其他所連接的電路的損壞或故障。過電流條件可由許多因素(諸如，在操作條件下插入或移除負載(有時被稱為「熱插拔」))導致。過電流保護電路可用於關閉開關且進行保護而免受過電流條件的影響。
已提議各種種類的過電流保護方法。舉例而言，圖1說明過電流保護裝置100。過電流保護裝置100包含開關110，其具有金氧半導體場效電晶體(metal-oxide-semiconductor field effect transistor,MOSFET)112以及二極體114。過電流保護裝置100亦包含用於將電源(未圖示)連接至負載(未圖示)的端子122及124。此外，包括運算放大器的控制電路130經組態以開啟及關斷開關110。如所描繪，控制電路130的輸入連接至端子122及124(或金氧半導體場效電晶體112的源極及汲極)。因此，控制電路130經組態以量測金氧半導體場效電晶體112的汲極與源極之間的電壓降，且比較此電壓降與內建電壓差。控制電路130的輸出連接至金氧半導體場效電晶體112的閘極，且若如電壓降所量測而檢測到過電流時，則關閉金氧半導體場效電晶體112(藉此，關斷開關110)。
圖2說明另一過電流保護裝置200。裝置200包含開關210，其具有金氧半導體場效電晶體212以及二極體214。過電流保護裝置200亦包含用於將電源(未圖示)連接至負載(未圖示)的端子222及224。此外，包括運算放大器的控制電路230經組態以開啟及關斷開關210。過電流保護裝置200亦包含串聯連接於端 子224與開關210之間的第一電阻器242(R1)。第二電阻器244(R2)串聯連接於端子224與恒定電流源252之間。運算放大器的輸入跨越第一電阻器242以及第二電阻器244而連接。因此，控制電路230經組態以比較跨越第一電阻器242的電壓降與跨越第二電阻器244的電壓降，且因此接通或切斷開關210。
圖1至圖2所描述的電流限制器裝置具有各種缺點。舉例而言，過電流保護裝置100及過電流保護裝置200僅檢查過載臨限條件，且一旦發生此條件，則關閉開關。此外，圖2將電阻器串聯地添加於電源與負載之間，藉此將額外電壓降添加至電流路徑中。
圖3說明另一過電流保護裝置300。過電流保護裝置300更詳細地描述於名為「使用分流電阻器進行的可程式化電流限制(Programmable current limiting using a shunt resistor)」的美國專利第6,917,503號中，所述參考案全文以引用方式併入本文中。過電流保護裝置300包含開關310，其具有金氧半導體場效電晶體312以及二極體314。過電流保護裝置300亦包含用於將電源(未圖示)連接至負載(未圖示)的端子322及324。此外，包括運算放大器的控制電路330經組態以開啟及關斷開關310。過電流保護裝置300亦包含串聯連接於端子324與恒定電流源350之間的第一電阻器342(R1)。運算放大器的輸入連接於第一電阻器342與電流源350之間以及端子322處。因此，控制電路330經組態以比較跨越第一電阻器342的電壓降與跨越金氧半導體場效電晶體 312的電壓降，且因此接通及切斷開關310。
過電流保護裝置300尋求補償溫度波動。更具體言之，金氧半導體場效電晶體312的導通電阻與絕對溫度成比例。可使得電流源350類似於金氧半導體場效電晶體312的導通電阻(亦即，與絕對溫度成比例)而運轉。此兩個溫度係數彼此補償。然而，如應瞭解，第一電阻器342亦為溫度相依的，此情況會影響金氧半導體場效電晶體312與電流源350之間的溫度相依平衡。因此，第一電阻器342的電壓降不與絕對溫度成比例。
上文展示的過電流保護裝置200及過電流保護裝置300的另一缺點為電流源(例如，252或350)取決於電力供應。如應瞭解，當所連接的電力供應恒定時，大多數電流源是恒定的。然而，當電力供應的電壓位準增大時，電流源的電流位準亦增大。此可影響控制電路量測電壓降的能力。當電力供應具有大擺幅或金氧半導體場效的導通電阻極小時尤其如此。
因此，需要提供溫度補償的電流限制器。且需要不受電力供應的電壓擺幅的影響的電流限制器。
各種實施例是關於電流限制電路。所述電流限制電路可包含：開關，具有第一端子以及第二端子，所述第一端子以及所述第二端子經組態以將電力供應連接至負載；第一電阻器，串聯連接於所述第一端子與第一恒定電流源之間；第二電阻器，串聯 連接於所述第二端子與第二恒定電流源之間；以及控制電路，經組態以量測跨越所述第一電阻器的電壓降且比較所述電壓降與跨越所述開關的電壓降。
各種實施例是關於用於具有溫度補償的過電流檢測的金氧半導體電晶體開關的電流限制電路。所述電流限制電路可包含：開關，具有第一端子以及第二端子，所述第一端子以及所述第二端子經組態以將電力供應連接至負載；第一電阻器，具有第一電阻器值，串聯連接於所述第一端子與具有第一恒定電流源值的第一恒定電流源之間；第二電阻器，具有第二電阻器值，串聯連接於所述第二端子與具有第二恒定電流源值的第二恒定電流源之間，其中所述第一電阻器值、所述第二電阻器值、所述第一恒定電流源值以及所述第二恒定電流源值使得所述第一電阻器的第一溫度係數抵消所述第二電阻器的第二溫度係數；控制電路，經組態以量測跨越所述第一電阻器的電壓降且比較所述第一恒定電流源的所述電壓降與跨越所述開關的電壓降。
各種實施例是關於用於具有溫度補償的負載電路的過電流檢測的系統。所述系統可包含電力供應；以及負載，連接至所述電力供應；開關，具有第一端子以及第二端子，所述第一端子以及所述第二端子經組態以將所述電力供應連接至所述負載；第一電阻器，具有第一電阻器值，串聯連接於所述第一端子與具有第一恒定電流源值的第一恒定電流源之間；第二電阻器，具有第二電阻器值，串聯連接於所述第二端子與具有第二恒定電流源值 的第二恒定電流源之間，所述第一電阻器值、所述第二電阻器值、所述第一恒定電流源值以及所述第二恒定電流源值使得所述第一電阻器的第一溫度係數抵消所述第二電阻器的第二溫度係數；控制電路，經組態以量測跨越所述第一電阻器的電壓降且比較所述第一恒定電流源的所述電壓降與跨越所述開關的電壓降，其中跨越所述第一電阻器的所述電壓降隨著所述電力供應的改變為恒定的。
各種實施例是關於電流限制電路中的操作的方法。所述電流限制電路包括：開關，具有第一端子以及第二端子，所述第一端子以及所述第二端子經組態以將電力供應連接至負載；第一電阻器，具有第一電阻器值，串聯連接於所述第一端子與具有第一恒定電流源值的第一恒定電流源之間；第二電阻器，具有第二電阻器值，串聯連接於所述第二端子與具有第二恒定電流源值的第二恒定電流源之間；控制電路，具有運算放大器，所述運算放大器具有連接於所述第一電阻器與所述第一恒定電流源之間的第一輸入以及連接於所述第二電阻器與所述第二恒定電流源之間的第二輸入。所述方法可包括：選擇所述第一電阻器值以及所述第二電阻器值，以使得所述第一電阻器的第一溫度係數抵消所述第二電阻器的第二溫度係數；藉由所述控制電路來量測跨越所述第一電阻器的電壓降；以及藉由所述控制電路來比較所述第一恒定電流源的所述電壓降與跨越所述開關的電壓降。
100、200、300‧‧‧過電流保護裝置
110、210、310、410‧‧‧開關
112、212、312、412‧‧‧金氧半導體場效電晶體
114、214、314、414‧‧‧二極體
122、124、222、224、322、324、422、424‧‧‧端子
130、230、330、430‧‧‧控制電路
242、342、442、R1‧‧‧第一電阻器
244、444、R2‧‧‧第二電阻器
252‧‧‧恒定電流源
352‧‧‧恒定電流源
400‧‧‧電流限制裝置
452、Ip1‧‧‧第一恒定電流源
454、Ip2‧‧‧第二恒定電流源
465‧‧‧正輸入
467‧‧‧負輸入
500、600、700‧‧‧方法
502、504、506、508、510、512、602、604、606、608、610、702、704、706、708、710、712、714‧‧‧區塊
800‧‧‧系統
802‧‧‧電源
804‧‧‧負載
現將參看附圖以舉例方式來描述所揭露的元件的特定實施例。
圖1至圖3為先前技術的電流限制裝置的方塊圖。
圖4為根據本揭露的至少一個實施例的電流限制裝置的方塊圖。
圖5為製造圖4的電流限制裝置的方法的邏輯流程圖。
圖6為操作圖4的電流限制裝置的方法的邏輯流程圖。
圖7為操作圖4的電流限制裝置的方法的額外邏輯流程圖。
圖8為使用圖4的電流限制裝置而連接至負載的電源的方塊圖。
圖4說明根據本揭露的至少一個實施例而配置的電流限制裝置400。電流限制裝置400可提供具有溫度補償的過電流檢測，且不受電力供應的電壓擺幅的影響。電流限制裝置400包含開關410，其具有金氧半導體場效電晶體412以及二極體414。電流限制裝置400亦包含用於將電源(未圖示)連接至負載(未圖示)的端子422及424。此外，包括運算放大器的控制電路430經組態以開啟及關斷開關410。開關410可為P通道場效電晶體(field-effect transistor,FET)或可為N通道場效電晶體。電流限制裝置400亦包含串聯連接於端子424與第一恒定電流源452 (Ip1)之間的第一電阻器442(R1)。電流限制裝置400亦包含串聯連接於端子422與第二恒定電流源454(Ip2)之間的第二電阻器444(R2)。
運算放大器的輸入連接於第一電阻器442與第一恒定電流源452之間以及第二電阻器444與第二恒定電流源454之間。因此，控制電路430經組態以比較跨越第一電阻器442的電壓降與跨越金氧半導體場效電晶體412的電壓降，且因此接通及切斷開關410。第一電阻器442與第二電阻器444以及第一恒定電流源與第二恒定電流源的值可經選擇以使得第一電阻器442以及第二電阻器444的溫度係數可彼此抵消。換言之，第一電阻器與第二電阻器的值以及第一恒定電流源與第二恒定電流源的值經選擇以使得所述第一電阻器的第一溫度係數抵消第二電阻器的第二溫度係數。因此，僅將第一恒定電流源452的電壓降與金氧半導體場效電晶體412的電壓降比較。
相比先前的電流限制器，電流限制裝置400提供若干優點。舉例而言，第一恒定電流源452對電力供應的相依性減小。更具體言之，參考先前的設計(例如，圖3的裝置300)，若電力供應增大或減小，則恒定電流源(例如，352)亦改變。然而，在電流限制裝置400中，第一恒定電流源452與第二恒定電流源454兩者隨著電力供應增大而增大。然而，隨著兩個電流源增大，因電力供應改變所致的增量可被抵消。更具體言之，跨越第一電阻器442的電壓降減去跨越第二電阻器444的電壓降(其與金氧半 導體場效電晶體412的電壓降進行比較)隨著電力供應的改變為恒定的。因此，提供了對溫度及電力供應效應具有減小的相依性的電流限制電路。因此，可較準確地量測跨越電阻器(例如，第一電阻器442)的電壓降，即使溫度及電力供應位準有變化亦是如此。
圖5為根據本揭露的至少一個實施例的製造電流限制裝置的方法500的邏輯流程圖。大體上，參看圖4來描述方法500。應瞭解，方法500亦可用於製造所描述的電流限制裝置400或根據本揭露的其他電流限制裝置。方法500可始於區塊502。在區塊504處，製造方法提供開關，其具有第一端子以及第二端子，且第一端子以及第二端子經組態以將電力供應連接至負載。在區塊506處，製造方法提供第一電阻器，其具有第一電阻器值，串聯連接於第一端子與具有第一恒定電流源值的第一恒定電流源之間。在區塊508處，製造方法提供第二電阻器，其具有所選擇的第二電阻器值，串聯連接於第二端子與具有第二恒定電流源值的第二恒定電流源之間。第一電阻器值、第二電阻器值、第一恒定電流源值以及第二恒定電流源值使得第一電阻器的第一溫度係數抵消第二電阻器的第二溫度係數。在區塊510處，製造方法提供控制電路，其經組態以量測跨越第一電阻器的電壓降且比較第一恒定電流源的電壓降與跨越開關的電壓降。製造方法可結束於區塊512。
圖6為根據本揭露的至少一個實施例的操作電流限制裝置的方法600的邏輯流程圖。大體上，參看圖4來描述方法600。 應瞭解，方法600亦可用於製造所描述的電流限制裝置400或根據本揭露的其他電流限制裝置。方法600可始於區塊602。在區塊604處，方法選擇第一電阻器值以及第二電阻器值，以使得第一電阻器的第一溫度係數抵消第二電阻器的第二溫度係數在區塊606處，控制電路量測跨越第一電阻器的電壓降。在區塊608處，藉由控制電路來比較第一恒定電流源的電壓降與跨越開關的電壓降。方法600結束於區塊610。
圖7為根據本揭露的至少一個實施例的操作電流限制裝置的方法700的額外邏輯流程圖。大體上，參看圖4來描述方法700。應瞭解，方法700亦可用於製造所描述的電流限制裝置400或根據本揭露的其他電流限制裝置。方法700可始於區塊702。在區塊704處，經由具有金氧半導體場效電晶體412以及二極體414的開關410的端子424以及端子422而增大對負載的電力供應。在區塊706處，隨著對負載的電力供應增大，第一恒定電流源452以及第二恒定電流源454增大。在區塊708處，藉由具有經選擇的值的第一電阻器442以及第二電阻器444以使得第一電阻器442以及第二電阻器444的溫度係數可彼此抵消，來抵消第一恒定電流源452以及第二恒定電流源454的增量電流源增大。在區塊710處，控制電路430量測跨越第一電阻器442的電壓降。在區塊712處，比較第一恒定電流源452的電壓降與開關410(例如，金氧半導體場效電晶體412)的電壓降。操作的方法700可結束於區塊714。
圖8說明具有根據本揭露的至少一個實施例而配置的電流限制裝置400的系統800。電流限制裝置400可提供具有溫度補償的過電流檢測，且不受電力供應的電壓擺幅的影響。電流限制裝置400包含開關410，其具有金氧半導體場效電晶體412以及二極體414。開關410可為P通道場效電晶體或可為N通道場效電晶體。此外，包括運算放大器的控制電路430經組態以開啟及關斷開關410。電流限制裝置400亦包含用於將電源802連接至負載804的端子422及424。電流限制裝置400亦包含第一電阻器442(R1)，其具有第一電阻器值，串聯連接於端子424與具有第一恒定電流源值的第一恒定電流源452(Ip1)之間。電流限制裝置400亦包含第二電阻器444(R2)，其具有第二電阻器值，串聯連接於端子422與具有第二恒定電流源值的第二恒定電流源454(Ip2)之間。
運算放大器的輸入465、467連接於第一電阻器442與第一恒定電流源452之間以及第二電阻器444與第二恒定電流源454之間。更具體言之，控制電路430的正輸入465連接於第一電阻器442與第一恒定電流源452之間。控制電路430的負輸入467連接於第二電阻器444與第二恒定電流源454之間。因此，控制電路430經組態以比較跨越第一電阻器442的電壓降與跨越金氧半導體場效電晶體412的電壓降，且因此接通及切斷開關410。第一電阻器442與第二電阻器444以及第一電流源與第二電流源的值可經選擇以使得第一電阻器442以及第二電阻器444的溫度係 數可彼此抵消。因此，僅將第一恒定電流源452的電壓降與金氧半導體場效電晶體412的電壓降比較。
如本文中所使用，以單數形式表述且以用詞「一」繼續的部件或步驟應理解為不排除多個部件或步驟，除非明確地表述了此排除。此外，對本揭露的「一個實施例」的參考不欲解釋為排除亦並有所表述的特徵的額外實施例的存在。
本揭露的範疇不受本文所述的特定實施例的限制。實際上，自前文描述以及隨附圖式，除本文所述的實施例外，本揭露的其他各種實施例以及修改對於一般熟習此項技術者而言將為顯而易見的。因此，此等其他實施例以及修改意欲落入本揭露的範疇內。此外，雖然在本文中出於特定目的在特定環境中的特定實施方案的上下文中描述本揭露，但一般熟習此項技術者將認識到其用途不限於此，且本揭露可有益地出於任何數目的目的實施於任何數目的環境中。因此，隨附的申請專利範圍應根據如本文所述的本揭露的完整廣度及精神來解釋。
400‧‧‧電流限制裝置
410‧‧‧開關
412‧‧‧金氧半導體場效電晶體
414‧‧‧二極體
422、424‧‧‧端子
430‧‧‧控制電路
442、R1‧‧‧第一電阻器
444、R2‧‧‧第二電阻器
452、Ip1‧‧‧第一恒定電流源
454、Ip2‧‧‧第二恒定電流源

Claims (20)

  1. 一種電流限制電路，包括：開關，具有第一端子以及第二端子，所述第一端子以及所述第二端子經組態以將電力供應連接至負載；第一電阻器，串聯連接於所述第一端子與第一恒定電流源之間；第二電阻器，串聯連接於所述第二端子與第二恒定電流源之間；以及控制電路，經組態以量測跨越所述第一電阻器的電壓降且比較所述電壓降與跨越所述開關的電壓降。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的電流限制電路，其中所述控制電路包含經組態以接通及切斷所述開關的運算放大器。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的電流限制電路，包括所述運算放大器的第一輸入，其連接於所述第一電阻器與所述第一恒定電流源之間。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的電流限制電路，包括所述運算放大器的第二輸入，其連接於所述第二電阻器與所述第二恒定電流源之間。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的電流限制電路，其中：所述第一電阻器以及所述第二電阻器經組態以選擇所述第一電阻器以及所述第二電阻器的值，且所述第一恒定電流源以及所述第二恒定電流源經組態以選擇 所述第一恒定電流源以及所述第二恒定電流源的值，其中：所述第一電阻器與所述第二電阻器的所述值以及所述第一恒定電流源與所述第二恒定電流源的所述值經選擇以使得所述第一電阻器的第一溫度係數抵消所述第二電阻器的第二溫度係數。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的電流限制電路，其中所述第一恒定電流源以及所述第二恒定電流源隨著所述電力供應增大而增大，其中所述第一恒定電流源的增量增大抵消所述第二恒定電流源的增量增大。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的電流限制電路，其中所述控制電路經組態以比較所述第一恒定電流源的所述電壓降與跨越所述開關的電壓降。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的電流限制電路，其中所述開關為P通道場效電晶體。
  9. 如申請專利範圍第1項所述的電流限制電路，其中所述開關為N通道場效電晶體。
  10. 一種用於具有溫度補償的過電流檢測的金氧半導體電晶體開關的電流限制電路，包括：開關，具有第一端子以及第二端子，所述第一端子以及所述第二端子經組態以將電力供應連接至負載；第一電阻器，具有第一電阻器值，串聯連接於所述第一端子與具有第一恒定電流源值的第一恒定電流源之間； 第二電阻器，具有第二電阻器值，串聯連接於所述第二端子與具有第二恒定電流源值的第二恒定電流源之間，其中所述第一電阻器值、所述第二電阻器值、所述第一恒定電流源值以及所述第二恒定電流源值使得所述第一電阻器的第一溫度係數抵消所述第二電阻器的第二溫度係數；以及控制電路，經組態以量測跨越所述第一電阻器的電壓降且比較所述第一恒定電流源的所述電壓降與跨越所述開關的電壓降。
  11. 如申請專利範圍第10項所述的電流限制電路，其中所述控制電路包含經組態以接通及切斷所述開關的運算放大器。
  12. 如申請專利範圍第11項所述的電流限制電路，包括所述運算放大器的第一輸入，其連接於所述第一電阻器與所述第一恒定電流源之間。
  13. 如申請專利範圍第11項所述的電流限制電路，包括所述運算放大器的第二輸入，其連接於所述第二電阻器與所述第二恒定電流源之間。
  14. 如申請專利範圍第10項所述的電流限制電路，其中所述開關為P通道場效電晶體或N通道場效電晶體。
  15. 如申請專利範圍第10項所述的電流限制電路，其中所述第一恒定電流源以及所述第二恒定電流源隨著所述電力供應增大而增大，其中隨著所述電力供應增大，所述第一恒定電流源的增量增大抵消所述第二恒定電流源的增量增大。
  16. 一種系統，包括： 電力供應；負載，連接至所述電力供應；開關，具有第一端子以及第二端子，所述第一端子以及所述第二端子經組態以將所述電力供應連接至所述負載；第一電阻器，具有第一電阻器值，串聯連接於所述第一端子與具有第一恒定電流源值的第一恒定電流源之間；第二電阻器，具有第二電阻器值，串聯連接於所述第二端子與具有第二恒定電流源值的第二恒定電流源之間，其中所述第一電阻器值、所述第二電阻器值、所述第一恒定電流源值以及所述第二恒定電流源值使得所述第一電阻器的第一溫度係數抵消所述第二電阻器的第二溫度係數；以及控制電路，經組態以量測跨越所述第一電阻器的電壓降且比較所述第一恒定電流源的所述電壓降與跨越所述開關的電壓降，其中跨越所述第一電阻器的所述電壓降隨著所述電力供應的改變為恒定的。
  17. 如申請專利範圍第16項所述的系統，其中所述控制電路包含：運算放大器，經組態以接通及切斷所述開關；所述運算放大器的第一輸入，其連接於所述第一電阻器與所述第一恒定電流源之間；以及所述運算放大器的第二輸入，其連接於所述第二電阻器與所述第二恒定電流源之間。
  18. 如申請專利範圍第16項所述的系統，其中所述開關為P通道場效電晶體。
  19. 如申請專利範圍第16項所述的系統，其中所述開關為N通道場效電晶體。
  20. 一種電流限制電路中的操作的方法，所述電流限制電路包括：開關，具有第一端子以及第二端子，所述第一端子以及所述第二端子經組態以將電力供應連接至負載；第一電阻器，具有第一電阻器值，串聯連接於所述第一端子與具有第一恒定電流源值的第一恒定電流源之間；第二電阻器，具有第二電阻器值，串聯連接於所述第二端子與具有第二恒定電流源值的第二恒定電流源之間；以及控制電路，具有運算放大器，所述運算放大器具有連接於所述第一電阻器與所述第一恒定電流源之間的第一輸入以及連接於所述第二電阻器與所述第二恒定電流源之間的第二輸入，所述方法包括：選擇所述第一電阻器值以及所述第二電阻器值，以使得所述第一電阻器的第一溫度係數抵消所述第二電阻器的第二溫度係數；藉由所述控制電路來量測跨越所述第一電阻器的電壓降；藉由所述控制電路來比較所述第一恒定電流源的所述電壓降與跨越所述開關的電壓降。
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