TWI446667B - 限流保護電路 - Google Patents

Description

限流保護電路

本發明是有關一種限流保護電路，其應用於電源供應器，特別是其利用調整電路偵測外部負載電路之變化，並據以調整電源供應器的輸出電流。

電源供應器於連接外部負載電路時或負載電路發生突然的變化時，導致電流激增而損害外部負載電路或電源供應器。

一般的電源供應器利用p型金屬氧化物半導體場效應電晶體(PMOS)控制其輸出電流。當連接於電源供應器的負載電路於連接的瞬間或負載電路突然發生變化時，輸出電流可能發生遽增的現象，而損害負載電路或電源供應器。遇此情況，為了保護負載電路及電源供應器，需控制電源供應器的輸出電流，其控制方法是利用暫態響應電路調整PMOS的閘極電壓。

然而，此方法無法適用於以n型金屬氧化物半導體場效應電晶體(NMOS)的電源供應器，且不具擴充性。本發明提出的限流保護電路，其能夠偵測負載電路上不同的變化情況，進而調整電源供應器的輸出電流。

根據本發明之觀點，本發明之限流保護電路能夠偵測負載電路的變化，產生調整電壓，以調整電源供應器之電晶體的閘極電壓而控制其輸出電流。

本發明之限流保護電路實施例，其包含分壓電路、主要差動放大器以及至少一調整電路，調整電路包含有偵測電路、附屬差動放大器以及二極體。

分壓電路包含二電阻，以串聯方式連接於一分壓節點。主要差動放大器之二輸入端分別連接主要偏壓與分壓節點，輸出端則作為回饋電壓端。

偵測電路用以偵測一負載電路之物理變化，附屬差動放大器之二輸入端分別連接附屬偏壓以及偵測電路，二極體串接於該附屬差動放大器的輸出端以及回饋電壓端之間。

連接於電源供應器的電子裝置突然變化時，如突波電流、過熱或過電壓，通常需要限制通過電子裝置的電流以保護電子裝置及電源供應器，此限制電流的電路稱為限流保護電路(over-current protection circuit)。

電源供應器通常以PMOS作為控制電流之電晶體，需要限流時則拉住PMOS的閘極電壓即可，但此種設計無法適用於NMOS。另外，通常限流保護電路僅針對過流的情況，無法處理裝置過熱、過壓或其他情況發生而需要限流情況，擴充性不足。

本發明提出一種限流保護電路可適用於採用PMOS、NMOS或其他電晶體的電源供應器。

本發明之限流保護電路具有擴充性，可偵測不同的物理變化，產生調整電壓，用以調整電源供應器之電晶體的閘極電壓(回饋電壓)，達到限流保護的目的。

限流保護電路包含一暫態響應電路以及至少一調整電路，暫態響應電路以及調整電路彼此形成主要-附屬架構(master-slave architecture)。暫態響應電路包含一分壓電路以及一主要差動放大器(master differential operational amplifier)，分壓電路包含二電阻，該二電阻以串聯方式連接於一分壓節點，主要差動放大器之二輸入端分別連接一主要偏壓與分壓節點，該主要差動放大器之一輸出端作為一回饋電壓端，其輸出電壓稱為回饋電壓，作為電源供應器的電晶體的閘極電壓，以控制輸出電流(或稱為負載電流)。

調整電路包含偵測電路、附屬差動放大器(slave differential operational amplifier)以及二極體。偵測電路用以偵測一負載電路之物理變化，並將物理變化量轉換為一偵測電壓。因此，偵測電路可依據要觀察的物理量來設計，如偵測電壓、電流、溫度、壓力、光線或聲音之物理變化，並轉換為電壓訊號。當物理變化超過設定值，例如，當溫度過高或過低而需要限流時，偵測電路可將溫度變化轉換為偵測電壓(稱為溫度偵測電路)，即可應用於此限流保護電路。附屬差動放大器之二輸入端分別連接一附屬偏壓以及偵測電路，而在附屬差動放大器的輸出端輸出一調整電壓。

二極體串接於附屬差動放大器之輸出端以及主要差動放大器之輸出端(回饋電壓端)之間，當施於二極體的調整電壓與回饋電壓為順向時，二極體導通以調整回饋電壓；當逆向時，二極體截止，暫態響應電路不受影響。

請參考圖1及圖2的限流保護電路實施例，其分別適用於以NMOS及PMOS調控的電源供應器。

圖1的限流保護電路之實施例，分壓電路之二電阻R₁₁ 、R₁₂ 以及主要差動放大器OP₁ 形成暫態響應電路。主要差動放大器OP₁ 的二輸入端之一連接主要偏壓V_B1 ，另一連接分壓電路之二電阻R₁₁ 、R₁₂ 的連接點(分壓節點)，輸出端作為回饋電壓端V_G ，輸出回饋電壓，作為受控電晶體的閘極電壓。分壓電路一端接地、一端連接電源供應器的電晶體，這裡稱為負載電壓端V_R 。

調整電路包含偵測器121、131、附屬差動放大器OP₁₂ 、OP₁₃ 以及二極體D₁₂ 、D₁₃ 。偵測器121、131將偵測的物理量轉換為電壓信號(偵測電壓)，附屬差動放大器OP₁₂ 、OP₁₃ 比較偵測電壓與附屬偏壓V_B12 、V_B13 然後輸出調整電壓。二極體D₁₂ 、D₁₃ 連接在回饋電壓端的輸出端與附屬差動放大器OP₁₂ 、OP₁₃ 的輸出端之間。在此例中，二極體D₁₂ 、D₁₃ 的陽極連接至主要差動放大器OP₁ 的輸出端(回饋電壓端V_G )，作為受控電晶體(未顯示於圖1)的閘極電壓。二極體D₁₂ 、D₁₃ 的陰極分別連接至附屬差動放大器OP₁₂ 、OP₁₃ 的輸出端。

圖1所示實施例，在穩態的時候，偵測電壓比附屬偏壓V_B12 或附屬偏壓V_B13 低，二極體D₁₂ 或二極體D₁₃ 逆向截止，不影響暫態響應電路。當偵測器121或偵測器131偵測到一物理量過高，則產生較高的偵測電壓，一旦偵測電壓超過附屬偏壓V_B12 或附屬偏壓V_B13 ，則附屬差動放大器OP₁₂ 或附屬差動放大器OP₁₃ 的輸出端之電壓被調整下拉，當回饋電壓比調整電壓高，二極體D₁₂ 或二極體D₁₃ 順向導通，使得回饋電壓被拉低。

圖2的限流保護電路之實施例，主要差動放大器OP₂ 以及調整電路的附屬差動放大器OP₂₂ 、OP₂₃ 的偏壓與偵測電壓的連接方式，其應用於PMOS的電源供應器，因此主要差動放大器OP₂ 以及調整電路的附屬差動放大器OP₂₂ 、OP₂₃ 與偏壓的連接方式與圖1實施例的極性相反，二極體D₂₂ 、D₂₃ 的方向相反。

圖2的限流保護電路之實施例，在穩態的時候，偵測電壓比附屬偏壓V_B22 或附屬偏壓V_B23 低，二極體D₂₂ 或二極體D₂₃ 逆向截止，不影響暫態響應電路。當偵測器221或偵測器231偵測到一物理量過高，則產生較高的偵測電壓，一旦偵測電壓超過附屬偏壓V_B22 或附屬偏壓V_B23 ，則附屬差動放大器OP₂₂ 或附屬差動放大器OP₂₃ 的輸出端之電壓被拉升，使得當回饋電壓比調整電壓低，二極體D₂₂ 或二極體D₂₃ 順向導通，回饋電壓被拉升。在此例中，二極體D₂₂ 、D₂₃ 的陰極連接至主要差動放大器OP₂ 的輸出端(回饋電壓端V_G )，作為受控電晶體(未顯示於圖2)的閘極電壓。二極體D₂₂ 、D₂₃ 的陽極分別連接至附屬差動放大器OP₂₂ 、OP₂₃ 的輸出端。

以下以圖3所示應用實施例說明本發明，其採用NMOS控制電源供應器之負載電流。為說明方便，其偵測器為電壓偵測器，用以說明發生過壓，而需限流之情況。

圖3所示電源供應器之NMOS M串接在電壓源以及限流保護電路的分壓電路之間。分壓電路為電阻R₁₁ 以及電阻R₁₂ 的串聯電路，其連接點為分壓節點P。主要差動放大器OP₁ 的二輸入端分別連接分壓節點P以及主要分壓V_B1 ，輸出端作為回饋電壓端VG連接NMOS M的閘極，NMOS M與分壓電路的連接點為負載電壓端V_R ，供應負載電壓V_O 。

調整電路包含電壓偵測器141、附屬差動放大器OP₁₄ 以及二極體D₁₄ 。電壓偵測器141偵測分壓電路的分壓節點P之電壓，作為偵測電壓。附屬差動放大器OP₁₄ 的二輸入端分別連接附屬偏壓V_B14 及電壓偵測器141。二極體D₁₄ 連接在附屬差動放大器OP₁₄ 的輸出端以及回饋電壓端V_G 之間。

當電壓偵測器141偵測到分壓電路的分壓節點P的電壓高於附屬偏壓V_B14 時，附屬差動放大器OP₁₄ 的輸出端電壓被下拉，當回饋電壓端V_G 的電壓高於附屬差動放大器OP₁₄ 的輸出端電壓，二極體D₁₄ 順向導通，回饋電壓被下拉，電源供應器之NMOS M閘極電壓下降，使得負載電流降低。

特別說明，電源供應器之電晶體的閘極電壓與通過電晶體的通道之電流有正向關聯，且主動或附屬差動放大器的輸出電壓變化是隨其二輸入端的電壓差亦有正向關聯，因此本發明具有線性調控電流大小之功能。

以上所述之實施例僅係為說明本發明之技術思想及特點，其目的在使熟習此項技藝之人士能夠瞭解本發明之內容並據以實施，當不能以之限定本發明之專利範圍，即大凡依本發明所揭示之精神所作之均等變化或修飾，仍應涵蓋在本發明之專利範圍內。

OP₁ 、OP₂ ．．．主要差動放大器

OP₁₂ 、OP₁₃ 、OP₁₄ 、OP₂₂ 、OP₂₃ ．．．附屬差動放大器

D₁₂ 、D₁₃ 、D₁₄ 、D₂₂ 、D₂₃ ．．．二極體

121、131、221、231．．．偵測器

141．．．電壓偵測器

V_B1 、V_B12 、V_B13 、V_B14 、V_B2 、V_B22 、V_B23 ．．．偏壓

R₁₁ 、R₁₂ 、R₂₁ 、R₂₂ ．．．電阻

V_G ．．．回饋電壓端

V_R ．．．負載電壓端

V_O ．．．負載電壓

P．．．分壓節點

M．．．NMOS

圖1所示為本發明之限流保護電路實施例之結構圖。

圖2所示為本發明之限流保護電路實施例之結構圖。

圖3所示為應用本發明之限流保護電路的電源供應器之結構圖。

OP₁ ．．．主要差動放大器

OP₁₂ 、OP₁₃ ．．．附屬差動放大器

D₁₂ 、D₁₃ ．．．二極體

121、131．．．偵測器

V_B1 、V_B12 、V_B13 ．．．偏壓

R₁₁ 、R₁₂ ．．．電阻

V_G ．．．回饋電壓端

V_R ．．．負載電壓端

P．．．分壓節點

Claims (10)

1. 一種限流保護電路，包含：一分壓電路，包含二電阻，以串聯方式連接於一分壓節點；一主要差動放大器，其中該主要差動放大器之二輸入端分別連接一主要偏壓與該分壓節點，該主要差動放大器之一輸出端作為一回饋電壓端；以及至少一調整電路，其中任一該調整電路包含：一偵測電路，用以偵測一負載電路之物理變化並轉換為一電壓訊號；一附屬差動放大器，其中該附屬差動放大器之二輸入端分別連接一附屬偏壓以及該偵測電路；以及一二極體，該二極體串接於該附屬差動放大器之一輸出端以及該回饋電壓端之間。
2. 如請求項1所述之限流保護電路，其中該調整電路之該偵測電路包含一電壓偵測電路。
3. 如請求項2所述之限流保護電路，其中該電壓偵測電路係偵測該分壓節點之電壓。
4. 如請求項1所述之限流保護電路，其中該調整電路之該偵測電路包含一電流偵測電路。
5. 如請求項1所述之限流保護電路，其中該調整電路之該偵測電路包含一溫度偵測電路。
6. 如請求項1所述之限流保護電路，其中該調整電路之該偵測電路偵測電壓、電流、溫度、壓力、光線或聲音之物理變化。
7. 如請求項1所述之限流保護電路，更包含一電晶體，該電晶體串接於一電壓源以及該分壓電路之間。
8. 如請求項7所述之限流保護電路，該電晶體之閘極連接該二極體。
9. 如請求項8所述之限流保護電路，該電晶體為一n型金屬氧化物半導體場效應電晶體(NMOS)。
10. 如請求項8所述之限流保護電路，該電晶體為一p型金屬氧化物半導體場效應電晶體(PMOS)。