TWI405060B - 用於限制來自一功率控制導通元件之一功率電流的電路及方法 - Google Patents

Description

用於限制來自一功率控制導通元件之一功率電流的電路及方法

本發明一般係和調壓器有關，更明確地說，係和在調壓器電路中限制短路電流有關。更明確地說，本發明係關於用於為限制短路電流的電路提供控制電壓的改良電路。

圖1為一先前技術之調壓器電路的概略圖式。電路10包含一被耦合在供應電壓20及輸出節點25之間的功率控制導通元件，例如PMOS電晶體15。於輸出節點25及接地之間會於一經定義的電流IL範圍上產生一穩定的輸出電壓Vout。放大器30的輸出會被耦合至電晶體15的閘極，所以可調整電晶體15的行為。參考電阻器35及40會產生放大器30的分壓器輸入，並且完成由電晶體15、放大器30、以及電阻器35及40所產生的調整迴路。電容器45會補償該調整迴路。

放大器30會比較跨越電阻器40上的電壓和參考電壓Vbg。輸出電壓Vout係取決於參考電壓Vbg及電阻器35與40的組合。當電流IL提高至其最大位準以上時，放大器30便會開始工作於非線性模式(即飽和模式)中，結果，便會降低該輸出電壓Vout。電壓相對於電流的行為係相依於電晶體15的特徵曲線。電路10的其中一項問題係如果電晶體15非常大的話(舉例來說，以便具有良好的電源供應器抑制比)，那麼放大器30便會於應該以低電流範圍為特點的調整器中的極高電流值IL處變成飽和。相較於典型的調整器負載電流，此意謂著該調整器會呈現一非常高的短路電流。此短路電流主要係和電晶體15的特徵曲線相依，而且係無法直接控制的。

上述問題之其中一種解決方式的特點為於電晶體15的閘極及供應電壓20之間連接一切換器，並且受控於負載電流值IL。當電流IL低於預定臨界值時，該切換器便會開啟，且該調整器會於正常操作中運作。當IL高於該臨界值時，該切換器便會關閉，從而將固定電晶體15之控制節點處的電壓，致使可將該調整器的短路電流限制在經選定的電流臨界值處。此種方式的問題係可能會出現該切換器的快速開關狀態排序的問題，從而會於電路行為中造成振盪。

因此，吾人需要一種以簡單架構為主的電流限制電路，其可提供一可預測的輸出響應，而且不會於正常操作中改變該調整器的行為。

本發明提供一種限制來自功率控制導通元件之功率電流的電路，該功率控制導通元件係被耦合至一供應電壓，該電路包括下面的元件。一被耦合至該供應電壓的感測元件，該感測元件係被配置成用以汲取和該功率電流成正比的感測電流。一經由一低阻抗節點(舉例來說，一電阻器)被耦合至該感測元件及該供應電壓的電流鏡，該電流鏡係被配置成用以汲取一流經該低阻抗節點且和該感測電流有關的鏡電流。於一具體實施例中，該鏡電流約等於該感測電流，所以約同樣和該功率電流成正比。一被耦合至該供應電壓、該功率控制導通元件以及該低阻抗節點的限制元件，該限制元件係被配置成用以根據該低阻抗節點及該供應電壓間的電壓差來限制該功率電流。於一具體實施例中，該限制元件、該功率控制導通元件、以及該感測元件全部都是MOS電晶體。

本發明於下面的說明中，並不希望將本發明的範疇限制於該些具體實施例，更確切地說，其可讓熟習本技術的人士來製造且使用本發明。

圖2為利用圖1之調壓器電路設計而成的電流限制電路之第一示範具體實施例的概略圖式。電流限制電路100包含一被耦合至供應電壓Vdd的感測元件(舉例來說，電晶體110)、電晶體15、以及放大器30。於此具體實施例中，電晶體110的體積比電晶體15小了已知數額，兩個電晶體的源極皆會被耦合至供應電壓20，兩個電晶體會共享來自放大器30的相同閘極電壓。電晶體110會耦合至電流鏡120(舉例來說，在電流鏡組態中的電晶體130及135)。電流鏡120會經由節點150耦合至電阻器140。電阻器140會耦合至供應電壓20及一限制元件(舉例來說，電晶體160)。電晶體160會耦合至放大器30。節點150係一低阻抗節點，其係以跨越電阻器140之供應電壓20的電壓降為主。於另一具體實施例中，電晶體160會被耦合至一電阻器以外的低阻抗節點，舉例來說，正確偏壓於三極區中的PMOS電晶體，如圖8中所示者且將於下文作說明。

該感測元件應該提供一基於其正在感測之元件之電流的電流。於此具體實施例中，感測元件(或電晶體110)的體積比電晶體15小了已知比例，所以，其所提供之流經本身的電流會與流經電晶體15的電流呈現該已知比例的關係。流經電晶體110的電流必須經由電流鏡120及電晶體135流到接地。流經節點150且流入電流鏡120的電流會反映或近似於流經電晶體110的電流。電流鏡可提供任何希望的電流比，不過，此具體實施例中使用的係一對一的比例。流經節點150的電流和流經電晶體15的電流的近似關係為電晶體110和電晶體15的比例。如果K為電晶體110和電晶體15的比例且流經電晶體15的電流為I1的話(忽略流經電晶體35與40的電流)，那麼，流經節點150的電流便是K．I1。

於一具體實施例中，電阻器140會耦合至供應電壓20，並且將K．I1轉換成跨越電晶體160之源極與閘極的電壓。限制元件(或電晶體160)會鉗止電晶體110與15的閘極處的電壓。電晶體160會經由其閘極被跨越電阻器140(電阻為Rlm)的電壓驅動，閘極電壓為Rlm.K.I1。於其中一具體實施例中，電晶體160為PMOS電晶體。

電晶體160會被一低阻抗節點驅動並且可運作於飽和狀態中，因此正常操作及過電流模式間的轉換係連續的且不會出現任何穩定性的問題，因為並未出現電晶體160的任何開關狀態排序的問題。

圖3為圖2之放大器30之等效電路的概略示意圖。於一具體實施例中，放大器30係一運算放大器。放大器30的巨型模型(macromodel)電路代表放大器30的行為。該巨型模型電路係由一電壓為Vopa的理想的壓控電壓源300以及一阻值為Ropa的電阻器310所構成。於此巨型模型中： 其中Vs為放大器30的飽和電壓，Av為放大器30的DC差動電壓增益，Vdd為供應電壓20，V_＋ 為放大器30的非反向輸入，而V_－ 為放大器30的反向輸入。

Vg為電晶體110與15的閘極電壓。Vg係由放大器30及電晶體160來決定。

Vg ＝Vopa ＋Ropa.Ilm 。

Ilm為電晶體160的汲極電流，也就是，當電晶體160開啟且處於飽和狀態中時： 其中Vtop為臨界電壓，而βlm為電晶體160的增益因數。因此Vg ＝Vopa ＋FIL ，其中

電流限制電路100具有三種操作模式：正常、過電流以及短路。正常操作中，負載電流I1會從零開始提高，而調整迴路(電晶體15、電阻器35與40、以及放大器30)則會藉由調適(也就是，降低)電壓Vopa來維持Vout穩定。一旦I1提高至Rlm．K．I1>｜Vtop｜(電晶體160的臨界電壓)時，電晶體160便會開啟，並且開始將電流Ilm射入放大器30的輸出中，進而修正電壓Vg(電晶體110與15的閘極電壓)。當放大器30處於線性區中時，便可調適電壓Vopa以補償Ilm的效應，而Vout則會維持穩定。於正常操作中，電晶體15係處於三極區，而放大器30則係處於線性區，所以： 其中 βreg係電晶體15的增益因數，R1為電阻器35的阻值，R2為電阻器40的阻值。將Vg的方程式代入I1的方程式中，

因此，可針對Vout來解出該二次方程式：

當放大器30處於線性區中時，此結果係有效的，也就是，

當I1提高時，Vopa便會降低直到其抵達Vs且放大器30離開線性區且電流限制電路100進入過電流操作為止。由正常操作轉換成過電流操作係連續且穩定的，因為當抵達放大器30的飽和電壓時，有一低阻抗節點(電阻器140)來驅動電晶體160且電晶體160係處於飽和狀態中。該調整迴路並不會運作，而電壓Vg則會變成Vg ＝Vs ＋FIL 。

當I1提高時，電晶體15的汲極至源極電壓便會提高，而Vout則會開始降低。由於電流限制電路100的關係，Vg(電晶體110與15的閘極電壓)並不會如同無任何電流限制存在時被限制在Vs(放大器30的飽和電壓)處，而會被限制在較高值處，所以輸出電壓Vout會在較低位準的負載電流I1處開始降低。

於過電流操作期間，電晶體15中的電流為

代入Vg可產生

針對Vout可解出：

當電晶體15處於三極區中時，此結果係有效的，

當I1再次提高時，Vout會降低，而且電晶體15會離開該三極區並且進入飽和狀態。現在電流限制電路100便會進入短路操作中。當省略電晶體15中的通道調變時，負載電流I1便係 其中Vg ＝Vs ＋FIL 。

代入Vg可產生：

而且Vout會進入零。

負載電流I1的此值代表短路電流，也就是，當Vout為零時流入電晶體15中的電流(請注意，FIL為I1的函數，所以必須以數值方式解出該方程式)。可藉由選擇K、Rlm的數值以及電晶體160的尺寸來程式化該短路電流。

如果沒有電流限制電路100的話，該短路電流為 其會高於有電流限制電路100時的短路電流。

圖4為具有及不具有電流限制時，一調壓器之輸出電壓Vout和負載電流I1的關係圖。有電流限制時，短路電流約為3 mA。沒有電流限制時，短路電流約為46 mA。

圖5為具有電流限制時，一調壓器之輸出電壓和負載電流的關係圖，圖中顯示出從正常操作進入短路操作的情況。正常操作(其中調整迴路會隨著I1提高，藉由降低Vopa來調整Vout)中，當電流提高至約2.9 mA時其會在約2.5 V處非常穩定。過電流模式(其中放大器30會飽和且Vg會受限)顯示出，當Vout從約2.5 V降至約2.0 V時，電流會從約2.9 mA提高至約3.0 mA。短電路模式(其中電晶體15會處於飽和狀態)顯示出，當Vout降至約0 V時，電流會抵達約3 mA的最大值。

圖6為具有電流限制時，一調壓器中電晶體15與110之閘極電壓Vg和負載電流I1的關係圖。正常操作期間，當電流從約2.5mA提高至約2.9 mA時，Vg會從約1.38 V降至約1.19 V處。於2.9 mA的電流I1處，當電流I1提高至3 mA處時，電流限制電路100會將Vg鉗止在約1.19伏特處。

圖7為用於限制來自功率控制導通元件之功率電流的方法的方塊圖。區塊700中會利用被耦合至該功率控制導通元件的感測元件來感測該功率電流。區塊710中會利用該感測元件來汲取一感測電流，該感測電流和該功率電流成正比。區塊720中會利用一被耦合至該感測元件的電流鏡來汲取一鏡電流，該鏡電流和該感測電流相關。區塊730中會汲取流經該低阻抗節點的鏡電流。區塊740中會產生介於一供應電壓與一低阻抗節點間的電壓電位。區塊750中會利用一限制元件，依據該電壓電位來限制該功率電流。

電流限制電路100中為電晶體160提供一控制電壓的電阻器140(圖2)的特點為耐受性很差。積體多晶矽電阻器的典型耐受值為±20%。如此差的耐受性會直接影響電流限制電路的行為，也就是，精確性。再者，外在的因素(如供應電壓變化、溫度變化、以及技術性參數的變異)亦會影響該電路的行為，從而讓該短路電流值非常容易受到該些變異的影響。

圖8為本發明的第二示範具體實施例，其可改良效能，也就是，讓該短路電流值比較不受到供應電壓變化、溫度變化、以及技術性參數變異的影響。於此具體實施例中，以電路800置換電流限制電路100。

於電流限制電路800中，並不使用電阻器140(圖2)，取而代之的係，利用PMOS電晶體810提供控制電壓給電晶體160。電晶體810的源極會被連接至供應電壓20。電晶體810的汲極會被連接至電流鏡120與節點150。偏壓電路830會透過路徑820施加一偏壓電壓給電晶體810的閘極。該偏壓電壓會經過選擇，讓電晶體810被偏壓在三極區之中。不過，倘若該偏壓電壓維持恆定的話，電晶體810便會呈現和電阻器140相同的問題。為防止此問題，該偏壓電壓應該可以自動方式來調適。

圖9為偏壓電路830的示範具體實施例。偏壓電路900包含一複製電晶體160的第一電晶體910以及一複製電晶體810的第二電晶體920。第一電晶體910的源極被連接至供應電壓20，汲極被連接至第一電流源915以及反向放大器925的輸入。第一電晶體910的閘極被連接在第二電晶體920之汲極與第二電流源945之間的節點930。電晶體920會被偏壓在三極區中，因此節點930係一低阻抗節點。

第二電晶體920的源極會被連接至供應電壓20。第二電晶體920的汲極會經由節點930連接至第二電流源945。第二電晶體920之閘極會連接至路徑820，供應該偏壓電壓給電晶體810。

第一電流源915被連接在第一電晶體910的汲極與接地之間。第一電流源會供應一等於I2的電流，I2為於短路模式中流經電晶體160的電流數額。第二電流源945被連接在供應電壓20與接地之間。第二電流源945會供應一等於I1的電流，I1為於短路模式期間流經電晶體810的電流數額，也就是，K．Ishort。

反向放大器925會關閉偏壓電路900的迴路。反向放大器925的一輸入被連接至第一電晶體910的汲極與第一電源915。反向放大器的輸出會被連接至路徑820，其會供應該偏壓電壓。

偏壓電路900係限制電路800的複製電路，且具有一等於限制電路800的偏壓點。因此，偏壓電路900所產生的偏壓電壓便係電晶體810的正確偏壓。偏壓電路900會依據加諸的數值I1與I2來調適偏壓電壓，以便應付供應電壓、溫度、以及技術性參數的變異。短路電流值係取決於I1。I2係取決於限制電路800的輸出阻值。

圖10為偏壓電路830的第二示範具體實施例。相較於偏壓電路900，偏壓電路1000的特點為具有中等迴路增益。中等迴路增益比較容易穩定該迴路。偏壓電路1000包含一複製電晶體160的第一電晶體1010以及一複製電晶體810的第二電晶體1020。第一電晶體1010的源極被連接至供應電壓20，汲極被連接至第一電流源1015以及第三電晶體1025的閘極的輸入。第一電晶體1010的閘極被連接在第二電晶體1020之汲極與第三電晶體1025之源極之間。電晶體1020會被偏壓在三極區中，因此節點1030係一低阻抗節點。

第二電晶體1020的源極會連接至供應電壓20。第二電晶體1020的汲極會經由節點1030連接至第三電晶體1025的源極。第二電晶體1020之閘極會連接至路徑820，供應該偏壓電壓給電晶體810。

第一電流源1015被連接在第一電晶體1010的汲極與接地之間。第一電流源會供應一等於I2的電流，I2為於短路模式中流經電晶體160的電流數額。第二電流源1045被連接在第三電晶體1025的汲極與接地之間。第二電流源1045會供應一等於I1的電流，I1為於短路模式期間流經電晶體810的電流數額，也就是，K．Ishort。

第三電晶體1025會關閉偏壓電路1000的迴路。第三電晶體1025的源極會經由節點1030被連接在第二電晶體1020之汲極與第一電晶體1010之閘極之間。第三電晶體1025的閘極被連接至第一電晶體1010的汲極與第一電流源1015。第三電晶體的汲極被連接至路徑820與第二電流源1045。

圖11為利用一含有一限制電阻器的電路100進行電流限制的關係圖。於此等模擬中，供應電壓會在3伏特與4.2伏特之間作變化，溫度會在－20℃與＋125℃之間作變化，而且還會施加其它的技術性變異(還要考慮±20%的電阻器耐受性)。於圖11中，各種模擬結果顯示的係電流在230毫安培電流至630毫安培電流之間作變化的短路。

圖12為利用一含有一限制電晶體810的電路800與偏壓電路1000進行電流限制的關係圖。於此等模擬中，供應電壓會在3伏特與4.2伏特之間作變化，溫度會在－20℃與＋125℃之間作變化，而且還會施加其它的技術性變異。於圖12中，各種模擬結果顯示的係電流在220毫安培電流至270毫安培電流之間作變化的短路。

從前述兩個關係圖中可以明白，電路800與偏壓電路1000的電路損壞風險比較低，因為相較於電路100的630毫安培，該短路電流只有270毫安培。電路800與1000的第二項優點係，電路中的金屬線路可能比較小，因為該等線路於短路模式中僅需要攜載270毫安培。

前面的方程式雖然套用於一示範具體實施例中，但並不意謂著限制本發明。該等方程式係為幫助瞭解本發明的一具體實施例。任何熟習本技術的人士從前面的說明及圖式與申請專利範圍中都將會瞭解，可對本發明進行各種修正與改變，而不會脫離下文申請專利範圍中所定義之本發明的範疇。

10．．．電路

15．．．PMOS電晶體

20．．．供應電壓

25．．．輸出節點

30．．．放大器

35．．．電阻器

40．．．電阻器

45．．．電容器

50．．．電阻器

100．．．電流限制電路

110．．．電晶體

120．．．電流鏡

130．．．電晶體

135．．．電晶體

140．．．電阻器

150．．．節點

160．．．電晶體

300．．．電壓源

310．．．電阻器

800．．．電流限制電路

810．．．PMOS電晶體

820．．．路徑

830．．．偏壓電路

900．．．偏壓電路

910．．．第一電晶體

915．．．第一電流源/第一電源

920．．．第二電晶體

925．．．反向放大器

930．．．節點

945．．．第二電流源

1000．．．偏壓電路

1010．．．第一電晶體

1015．．．第一電流源

1020．．．第二電晶體

1025．．．第三電晶體

1030．．．節點

1045．．．第二電流源

圖1為一先前技術之調壓器電路的概略圖式。

圖2為利用圖1之調壓器電路設計而成的電流限制電路之一具體實施例的概略圖式。

圖3為一放大器之等效電路的概略圖式。

圖4為具有及不具有電流限制時，一調壓器之輸出電壓和負載電流的關係圖。

圖5為具有電流限制時，一調壓器之輸出電壓和負載電流的關係圖。

圖6為具有電流限制時，一調壓器之控制電壓和負載電流的關係圖。

圖7為用於限制來自功率控制導通元件之功率電流的方法的方塊圖。

圖8為具有一改良效能之電路的電流限制電路的第二具體實施例的概略圖式。

圖9為用於圖8之限制電路的偏壓電路的示範具體實施例的概略圖式。

圖10為用於圖8之限制電路的偏壓電路的第二示範具體實施例的概略圖式。

圖11為不具有改良效能之電路的原始限制電路的圖式。

圖12為具有圖8中所示之改良效能之電路且具有圖10中所示之用於限制電路的偏壓電路的限制電路的圖式。

15．．．PMOS電晶體

20．．．供應電壓

25．．．輸出節點

30．．．放大器

35．．．電阻器

40．．．電阻器

45．．．電容器

100．．．電流限制電路

110．．．電晶體

120．．．電流鏡

130．．．電晶體

135．．．電晶體

140．．．電阻器

150．．．節點

160．．．電晶體

Claims (24)

1. 一種用於限制來自一功率控制導通元件之一功率電流的電路，該功率控制導通元件被耦合至一供應電壓，該電路包括：耦合至該供應電壓的一感測元件，該感測元件係被配置成用以汲取和該功率電流成正比的一感測電流；耦合至該感測元件且耦合至該供應電壓的一電流鏡，該電流鏡係被配置成用以汲取一和該感測電流有關的鏡電流；耦合至該供應電壓與該電流鏡的一電阻元件，該電阻元件被配置成用以產生一電阻器電壓電位；耦合至該供應電壓、該功率控制導通元件以及該電阻元件的一限制元件，該限制元件係被配置成用以根據該電阻器電壓電位來限制該功率電流；以及一偏壓電路，用以產生一偏壓電壓來調整一電阻電壓，以便改變該電阻電壓電位，該偏壓電路包括：一第一電流源，用以供應一第一電流，其中該第一電流實質上係在短路期間流過該限制元件的電流；一第二電流源，用以供應一第二電流，其中該第二電流實質上等於在短路期間流過該電阻元件的電流；一第一元件，其係複製耦合至該供應電壓與該第二電流源的該限制元件；以及一第二元件，其係複製耦合至該供應電壓與該第一電流源的該電阻元件。
2. 如請求項1之電路，其中該感測元件小於該功率控制導通元件。
3. 如請求項2之電路，其中該感測電流與該功率電流的比例等於該感測元件之尺寸與該功率控制導通元件之尺寸的比例。
4. 如請求項3之電路，其中該限制元件、該感測元件、該功率控制導通元件、以及電阻元件全部都是MOS電晶體。
5. 如請求項1之電路，其中該感測元件會進一步被耦合至該功率控制導通元件且被耦合至該限制元件，該限制元件係被配置成用以根據該電阻器電壓電位來限制該感測電流。
6. 如請求項1之電路，其中該鏡電流約等於該感測電流。
7. 如請求項1之電路，其進一步包括被耦合至該感測元件、該功率控制導通元件以及該限制元件的一放大器，該放大器具有一飽和電壓。
8. 如請求項7之電路，其進一步被配置成用以運作於三種狀態中，正常操作、過電流操作、以及短路操作，當該放大器運作於其飽和電壓以下時，便會出現正常操作。
9. 如請求項8之電路，其中該感測元件、該功率控制導通元件、以及該限制元件全部都是MOS電晶體，其中該放大器會被耦合至該功率控制導通元件的閘極。
10. 如請求項9之電路，其進一步被配置成藉由該限制元件來鉗止該功率控制導通元件之閘極處的電壓以響應過電流操作，當該放大器抵達其飽和電壓且功率電流提高時， 便會出現過電流操作。
11. 如請求項10之電路，其進一步被配置成利用該處於飽和狀態中的限制元件以響應過電流操作。
12. 如請求項9之電路，其進一步被配置成藉由該功率控制導通元件將該功率電流降至約為零以響應短路操作，當該功率控制導通元件運作於飽和狀態中時，便會出現短路操作。
13. 如請求項1之電路，其進一步包括：一反向放大器，被連接在該第一元件與該偏壓電路之一輸出之間。
14. 如請求項1之電路，其進一步包括：一第三元件，被連接耦合至該電阻元件、該第二電流源、以及該偏壓電路的該輸出。
15. 如請求項14之電路，其中該第三元件係受控於該第一元件與該第一電流源之間的電壓。
16. 如請求項1之電路，其中該第一元件係受控於跨越該第二元件與該第二電流源的電壓。
17. 如請求項1之電路，其中該第二元件係受控於來自該偏壓電路的該偏壓輸出電壓輸出。
18. 一種限制來自耦合至一供應電壓之一功率控制導通元件之一功率電流的方法，該方法包括：產生該供應電壓及一低阻抗節點間的一電阻電壓電位；依據該電阻電壓電位，利用一限制元件來限制該功率 電流；以及藉由產生一偏壓電壓來調整該電阻電壓，以便改變該電阻電壓電位，並使用一電阻元件來調整該所產生的電阻電壓電位，用以控制該功率電流的限制作用，其中產生該偏壓電壓之步驟包括：供應一第一電流，其中該第一電流實質上係在短路期間流過該限制元件的電流；供應一第二電流，其中該第二電流實質上等於在短路期間流過該電阻元件的電流；複製耦合至該供應電壓與該第二電流源的該限制元件；以及複製耦合至該供應電壓與該第一電流源的該電阻元件。
19. 如請求項18之方法，進一步包括：利用被耦合至該功率控制導通元件的一感測元件來感測該功率電流。
20. 如請求項19之方法，進一步包括：利用該感測元件來汲取一感測電流，該感測電流和該功率電流成正比。
21. 如請求項20之方法，其中該感測元件小於該功率控制導通元件，而且該感測電流與該功率電流的比例等於該感測元件與該功率控制導通元件的比例。
22. 如請求項20之方法，進一步包括：利用一被耦合至該感測元件的電流鏡來汲取一鏡電 流，該鏡電流和該感測電流相關。
23. 如請求項22之方法，其中該鏡電流約等於該感測電流。
24. 如請求項23之方法，進一步包括：汲取流經該低阻抗節點的鏡電流。