TWI684091B

TWI684091B - 限流器

Info

Publication number: TWI684091B
Application number: TW108103793A
Authority: TW
Inventors: 楊曜瑋
Original assignee: 晶豪科技股份有限公司
Priority date: 2019-01-31
Filing date: 2019-01-31
Publication date: 2020-02-01
Also published as: TW202030569A

Abstract

本發明係提供一種限流器，用於一電壓調節器，該限流器包含一感測電流源、一限流調節單元、一可變電流源、一運算放大器以及一控制開關。感測電流源電性連接於電壓調節器，並根據電壓調節器的輸入電流來產生感應電流。限流調節單元電性連接於電壓調節器，並根據電壓調節器的輸出電壓與第一參考電壓來產生第一控制訊號。可變電流源並聯於感測電流源，並電性連接於限流調節單元，且根據第一控制訊號來調整可變電流源所產生的電流大小。運算放大器電性連接於感測電流源，並根據感測電流源的輸出電壓與第二參考電壓來產生第二控制訊號。控制開關電性連接於電壓調節器與運算放大器，並根據第二控制訊號來調整流經控制開關的電流的大小。當電壓調節器之輸出電壓的分壓逐漸減少低過一定的值時，可變電流源根據第一控制訊號逐漸調整增加可變電流源所產生的電流大小。

Description

限流器

本發明係關於一種限流器，尤指一種用於電壓調節器的限流器。

習知電壓調節器，特別是線性電壓調節器（Linear regulator），是以電晶體（或其它器件）調節流過負載的電流，負載所得的電壓就是電壓調節器的輸出電壓。比較輸出電壓與電壓調節器內部的參考電壓，所產生的差動訊號用作控制電晶體，形成一個負回饋迴路，加上適當的補償，輸出電壓就能調整下降至目標電壓，不受輸入電壓或負載變動影響，並保持合理的穩定輸出電壓。

然而，線性穩壓器必須在輸入電壓高於輸出電壓不少於某一電壓值時輸出才能穩定至目標電壓，這個最少的電壓稱為壓降電壓、下壓降或電壓差(dropout)。舉例來說，若是要使輸出保持在5V，則輸入必須保持在7V以上，否則輸出就會低於目標電壓5V以下，其中壓降電壓就是7V-5V=2V，而壓降電壓所產生的能量，則電晶體內以散發熱能的形式消耗掉。

請參考圖1，圖1為習知電壓調節器與限流器之間作動關係的示意圖。從圖1可知，電壓調節器10電性連接限流器20，且包含有運算放大器11、電晶體12(一般為PMOS電晶體)、第一分壓電阻13與第二分壓電阻14。PMOS電晶體12的源極電性耦接於輸入電壓V _IN，PMOS電晶體12的汲極連接到第二分壓電阻14的一端。第二分壓電阻14的另一端連接到第一分壓電阻13的一端，第一分壓電阻13的另一端電性耦接到地。運算放大器11具有輸出端、反相輸入端與正相輸入端。運算放大器11的反相輸入端電性耦接到參考電壓V _REF，運算放大器11的輸出端電性耦接至電晶體12的閘極。第一分壓電阻13的另一端與第二分壓電阻14的一端連接到運算放大器11的正相輸入端。限流器20則電性耦接於運算放大器11與輸入電壓V _IN之間

在圖1中，輸入電流I _IN流入PMOS電晶體12源極，PMOS電晶體12的汲極流出輸出電流I _OUT與迴授電流I _FB，故可以知道輸入電流I _IN=輸出電流 I _OUT+ 迴授電流I _FB。此外，迴授電流I _FB流經第二分壓電阻14產生一壓降，使得PMOS電晶體12的汲極的輸出電壓V _OUT於第二分壓電阻14產生壓降，並於第二分壓電阻14的的另一端產生V _FB的電壓值。運算放大器11為維持V _FB所設定的V _REF電壓，若是負載變小，在輸出電壓V _OUT固定不變之下，輸入電流I _IN便會受到調節變大，在輸入電流I _IN大到一定程度時，此時限流器20便會發生作用，將輸入電流I _IN的最大值限制於一固定的箝制電流的大小，以避免因電流過大導致電晶體12損毀。

請參考圖2A與圖2B，圖2A是圖1中當輸出電壓低於所設定的穩定電壓時，輸出電壓V _OUT與輸出電流I _OUT之間的關係圖，圖2B是圖1中當輸出電壓低於所設定的穩定電壓時，輸出電壓V _OUT與電晶體功率消耗P _LOSS之間的關係圖。在輸入電壓V _IN固定之下，當輸出電壓V _OUT變小，其最極端的情況，也會在輸出電壓V _OUT變小到幾乎使負載形成短路時，會有最大的功耗在PMOS電晶體12上，從圖2A可以看到，限流器20控制在輸入電流I _IN的最大值為箝制在一定固定的大小。由於電晶體的功率消耗P _LOSS會等於輸入電流I _IN乘以輸入電壓V _IN與輸出電壓V _OUT之間的差，從圖2B可知，雖然輸出電流I _IN被控制在最大值I _{OUT_CL}（通常I _{OUT_CL}會遠大於I _FB，所以I _IN會近似I _{OUT_CL}），但當輸出電壓V _OUT變小時，輸入電壓V _IN與輸出電壓V _OUT之間的差仍舊持續造成PMOS電晶體12的功率消耗P _LOSS，且輸出電壓V _OUT趨近於零時，有最大的功率消耗P _{LOSS_MAX}。

有鑑於上述習知技術，發明人研發出一種限流器，其可用於電壓調節器，透過本發明限流器來調節電流可以使壓降電壓降低，進而可以減少電晶體所造成的功率損失，並且達到保護電壓調節器避免因過熱損毀的目的。

為達上述目的及其他目的，本發明係提供一種限流器，所述限流器用於電壓調節器，且包含感測電流源、限流調節單元、可變電流源、運算放大器及控制開關。感測電流源電性連接於電壓調節器，並用以根據電壓調節器之輸入電流來產生感應電流。限流調節單元電性連接於電壓調節器，並用以根據電壓調節器之輸出電壓與第一參考電壓來產生第一控制訊號。可變電流源並聯於感測電流源，電性連接於限流調節單元，並用以根據第一控制訊號來調整所產生之電流的大小。運算放大器電性連接於感測電流源，用以根據感測電流源與可變電流源產生之電流所產生之感測電壓與第二參考電壓來產生第二控制訊號。控制開關電性連接於電壓調節器與運算放大器，並根據受調結果的第二控制訊號提供給控制開關之電晶體的閘極。當電壓調節器之輸出電壓之分壓逐漸減少時，可變電流源根據該第一控制訊號逐漸調整增加可變電流源所產生的電流的大小。

在一實施例中，感測電流源具有輸入端與輸出端，輸入端電性連接於電壓調節器的輸入電壓。限流器另包含有電阻，感測電流源的輸出端透過電阻接地。感測電流源的輸出電流的大小與電壓調節器的輸入電流成正比，且電阻的跨壓為感測電流源與可變電流源的輸出電壓。

在一實施例中，限流調節單元具有第一輸入端、第二輸入端與輸出端，第一輸入端係透過電壓調節器的第一分壓電阻接地，第二輸入端係連接到第一參考電壓，且輸出端電性聯結於可變電流源，並透過輸出端輸出第一控制訊號至可變電流源。

在一實施例中，可變電流源具有第一輸入端、第二輸入端與輸出端，第一輸入端電性連接於感測電流源的輸入端，輸出端電性連接於感測電流源的輸出端，且第二輸入端電性連接於限流調節單元。

在一實施例中，運算放大器具有負相輸入端、正相輸入端與輸出端，負相輸入端電性連接於感測電流源的輸出端，正相輸入端連接於第二參考電壓，且輸出端電性連接至控制開關，並透過輸出端輸出第二控制訊號至控制開關。

在一實施例中，控制開關具有第一輸入端、第二輸入端與輸出端，第一輸入端電性連接於電壓調節器的輸入電壓，第二輸入端電性連接於運算放大器，輸出端連接於電壓調節器的電晶體的閘極。

在一實施例中，控制開關包含有電晶體，控制開關的第一輸入端為電晶體的源極，控制開關的第二輸入端為電晶體的閘極，且控制開關的輸出端為電晶體的汲極。

在一實施例中，感測電流源為電流鏡或電流放大器。

在一實施例中，限流調節單元為差動放大器。

本發明的限流器可以透過限流調節單元來調整限制輸入電流的最大值，藉此進一步降低電晶體的功率消耗，並有效地保護電晶體避免損毀。

為充分瞭解本發明之目的、特徵及功效，茲藉由下述具體之實施例，並配合所附之圖式，對本發明做一詳細說明，說明如後：

請參考圖3，圖3為本發明限流器之一實施例的電路圖。本發明的限流器40係用於一電壓調節器10，並可調節限制電壓調節器10之輸出電流I _OUT的大小，以減少電壓調節器10中之PMOS電晶體12之功耗，並且保護電壓調節器10的電晶體12免於毀損。在此請注意，圖3中之電壓調節器10與圖1中之電壓調節器10之電路結構與運作原理皆相同，故沿用相同之標號。

限流器40包含感測電流源41、限流調節單元42、可變電流源43、運算放大器44、控制開關45以及電阻46。感測電流源41電性連接於電壓調節器10，並根據電壓調節器10的輸入電流I _IN來產生感應電流I _SEN。限流調節單元42電性連接於電壓調節器10，並根據電壓調節器10的輸出電壓V _OUT與一第一參考電壓V _MREF來產生一第一控制訊號S_C1。可變電流源43並聯於感測電流源41，並電性連接於限流調節單元42，且根據第一控制訊號S_C1來調整所產生的電流I _MOD的大小。運算放大器44電性連接於感測電流源41，並根據感測電流源41與可變電流源43的輸出來與電阻46產生電壓V _SEN並與第二參考電壓V _OCREF來產生第二控制訊號S_C2。控制開關45電性連接於電壓調節器10與運算放大器44，並根據第二控制訊號S_C2來調整流經控制開關45的開啟電流大小或關閉，以在控制開關45開啟時，拉昇PMOS電晶體12的閘極。當電壓調節器10的輸出電壓V _OUT的分壓V _FB逐漸上生時，可變電流源43根據第一控制訊號S_C1調整減少其所產生的電流I _MOD的大小至零。

在實施例中，感測電流源41的輸入端電性連接於輸入電壓V _IN，感測電流源41的輸出端透過電阻46接地。請注意，感測電流源41輸出的電流I _SEN的大小會隨著輸入電流I _IN的大小變動，當輸入電流I _IN變大時感測電流源41輸出的電流I _SEN也會變大，當輸入電流I _IN變小時感測電流源41輸出的電流I _SEN也會變小，換言之，感測電流源41輸出的電流I _SEN是與輸入電流I _IN成正比，也就是說可以將感測電流源41輸出的電流I _SEN視為電壓調節器10的輸入電流I _IN之倍數，以數學公式(一)表達即為： I _SEN= β * I _IN---- (一) ，此外，當感測電流源41輸出的電流I _SEN與可變電流源43的輸出電流I _MOD流經電阻46時，會使電阻46兩端產生一跨壓V _SEN，當V _SEN接近V _OCREF時，會啟動控制開關45。

在一實施例中，感測電流源41可以是電流鏡或是電流放大器，然而本發明不以此為限，本領域具有通常知識者應可在參閱上述段落後，了解感測電流源41之運作原理，並且根據實際需求來進行等效之變化與置換，故凡能使感測電流源41的輸出電流I _SEN與電壓調節器的輸入電流I _IN成正比關係之實施例，皆應屬本發明之範疇。

在一實施例中，限流調節單元42的第一輸入端透過電壓調節器10的第一分壓電阻13接地，限流調節單元42的第二輸入端連接到第一參考電壓V _MREF，限流調節單元42的輸出端電性連接於可變電流源43，藉以將第一控制訊號S_C1送至可變電流源43。限流調節單元42接收由電壓調節器10的輸出電壓V _OUT對第一分壓電阻13產生的分壓V _FB與第一參考電壓V _MREF，並據此產生相應的第一控制信號S_C1。實際上，限流調節單元42是根據分壓V _FB與第一參考電壓V _MREF之間的差異決定第一控制信號S_C1的大小，且可變電流源43接收第一控制信號S_C1，並根據第一控制信號S_C1來決定電流I _MOD的大小。當發生限流保護石，而在限流調節單元42啟動時之穩態下，感測電壓V _SEN是固定的，故感應電流I _SEN與可變電流源43所產生的電流I _MOD的總和是固定的，因此當可變電流源43所產生的電流I _MOD受調節變大時，感應電流I _SEN會隨之變小。

在一實施例中，限流調節單元42可以是由一電流源所驅動的一差動放大器，可變電流源43可以是一電流鏡，然而本發明不以此為限，本領域具有通常知識者應可在參閱上述段落後，了解限流調節單元42與可變電流源43之間的運作原理，並且根據實際需求來進行等效之變化與置換，故凡能使限流調節單元42在分壓V _FB降低時，控制可變電流源43調節輸出電流I _MOD變大之實施例，皆應屬本發明之範疇。

舉例來說，請參考圖4，圖4為限流調節單元之一實施例的電路圖。在本實施例中，限流調節單元42包含有一電流源DC、一第一電晶體M1、一第二電晶體M2、一第三電晶體M3、一第四電晶體M4。電流源DC的輸出端分別連接於第一電晶體M1的源極與第二電晶體M2的源極，第一電晶體M1的汲極則串連於第三電晶體M3的汲極，第二電晶體M2的汲極則串連於第四電晶體M4的汲極，第三電晶體M3的閘極連接到第三電晶體M3的汲極，第四電晶體M4的閘極連接到第四電晶體M4的汲極，第三電晶體M3的源極連接到第四電晶體M4的源極。第一參考電壓V _MREF連接於第二電晶體M2的閘極，用來控制第二電晶體M2是否導通，分壓V _FB連接於第一電晶體M1的閘極，用來控制第一電晶體M1是否導，第三電晶體M3的閘極則連接到可變電流源43。換言之，限流調節單元42的第一輸入端為第二電晶體M2的閘極，限流調節單元42的第二輸入端為第一電晶體M1的閘極，限流調節單元42的輸出端為第三電晶體M3的閘極與汲極。電流源DC所流出的電流會根據分壓V _FB與第一參考電壓V _MREF的大小分配流經電晶體M1、M3的電流以及流經電晶體M2、M4的電流。當流經電晶體M3的電流改變時，電晶體M3的閘極與汲極電壓也會隨之改變，如此可變電流源43便可據以接收到第一控制信號S_C1。

在一實施例中，運算放大器44的負相輸入端電性連接於感測電流源41與可變電流源43的輸出端，運算放大器44的正相輸入端連接於第二參考電壓V _OCREF，運算放大器44的輸出端電性連接至控制開關45，藉以將第二控制訊號S_C2輸出至控制開關45。運算放大器44會將感測電流源41與可變電流源43的輸出電壓V _SEN的最大值V _{SEN_MAX}限制在第二參考電壓V _OCREF，若結合公式(一)可知： V _OCREF= V _{SEN_MAX}= (β*I _{OUT_CL}+I _MOD) x 電阻46的電阻值---(二) 請注意，由於可變電流源43的輸出電流I _MOD與感測電流源41的輸出電流I _SEN的總和為一定值，因此當可變電流源43的輸出電流I _MOD變大時，感測電流源41的輸出電流I _SEN會相對應變小，透過公式(二)可知電壓調節器10的輸入電流I _IN的最大值(I _{OUT_CL})也可隨之降低，故能藉此達到減少電壓調節器10之功耗，並且保護電晶體12免於毀損之功效。

控制開關45具有一第一輸入端、一第二輸入端與一輸出端，第一輸入端電性連接於電壓調節器10的輸入電壓V _IN，第二輸入端電性連接於運算放大器44的輸出端，控制開關的輸出端則連接於電晶體12的閘極。在一實施例中，控制開關45包含有電晶體45，控制開關45的第一輸入端為電晶體45的源極，控制開關45的第二輸入端為電晶體45的閘極，且控制開關的輸出端為電晶體45的汲極。當控制開關45接收到來自運算放大器44的第二控制訊號S_C2時，第二控制訊號S_C2會調節電晶體45的閘極電壓的大小，使得控制開關45開啟注入電流或關閉。更進一步地說，當第二控制訊號S_C2調節控制開關45開啟時，會使電晶體45導通，進而使電晶體12的閘極電壓被拉昇，因此使得電壓調節器10的輸入電流I _IN會隨之被調節，而當輸出電壓V _OUT越小時，所允許的輸入電流I _IN之最大值也會越小，故可達到減少電壓調節器10功耗，並且保護PMOS電晶體12免於毀損之功效。

PMOS電晶體12的功率消耗P _LOSS與輸入電流I _IN、輸入電壓V _IN以及輸出電壓V _OUT之間的關係可用數學公式(三)表達： P _LOSS= I _IN* (V _IN–V _OUT) ---(三) 綜上所述，當達到輸入電流I _IN限流時，而電壓調節器10的負載阻抗越變越小，此時電壓調節器10輸出電壓V _OUT也會漸漸變小，導致PMOS電晶體12的功率消耗P _LOSS漸漸變大。

請參閱圖5，圖5為本發明限流器之一實施例的訊號模擬圖。從圖3可知，當啟動限流機制時，可變電流源43調節輸出電流I _MOD與感測電流源41的輸出電流I _SEN的總和維持一定值，感測電流源41的輸出電壓V _SEN維持一定值，亦即第二參考電壓V _OCREF。當分壓V _FB下降時，可變電流源43調節輸出電流I _MOD會漸漸上升，感測電流源41的輸出電流I _SEN會漸漸下降，隨著感測電流源41的輸出電流I _SEN的下降，電壓調節器10的輸入電流I _IN也隨之下降。

請參閱圖6A與圖6B，圖6A是圖3中當啟動限流機制時，輸出電壓與輸出電流之間的關係圖，圖6B是圖3中當啟動限流機制時，輸出電壓與電晶體功率消耗之間的關係圖。從圖6A可以看到，經過本發明之一實施例限流器40的作用，當輸出電壓V _OUT變小至一臨界值時，分壓V _FB也漸漸變小趨近第一參考電壓V _MREF，電壓調節器10的輸入電流I _IN的最大值I _{OUT_CL}也開始變小。從圖6B可以看到，當電壓調節器10的輸入電流I _IN變小時，電晶體12的功率消耗P _LOSS也隨之減少。

本發明在上文中已以較佳實施例揭露，然熟習本項技術者應理解的是，該實施例僅用於描繪本發明，而不應解讀為限制本發明之範圍。應注意的是，舉凡與該實施例等效之變化與置換，均應設為涵蓋於本發明之範疇內。因此，本發明之保護範圍當以申請專利範圍所界定者為準。

10‧‧‧電壓調節器

11‧‧‧運算放大器

12‧‧‧PMOS電晶體

13、14‧‧‧分壓電阻

20、40‧‧‧限流器

41‧‧‧感應電流源

42‧‧‧限流調節單元

43‧‧‧可變電流源

44‧‧‧運算放大器

45‧‧‧控制開關

46‧‧‧電阻

DC‧‧‧電流源

I_SEN‧‧‧感應電流

I_MOD‧‧‧可變電流

I_IN‧‧‧輸入電流

I_OUT‧‧‧輸出電流

I_FB‧‧‧迴授電流

M1、M2、M3、M4‧‧‧電晶體

S_C1、S_C2‧‧‧控制訊號

V_REF、V_MREF、V_OCREF‧‧‧參考電壓

V_IN‧‧‧輸入電壓

V_OUT‧‧‧輸出電壓

V_FB‧‧‧分壓

V_SEN‧‧‧感應電壓

圖1為習知電壓調節器與限流器之間作動關係的示意圖；圖2A是圖1中當輸出電壓低於所設定的穩定電壓時，輸出電壓與輸出電流之間的關係圖；圖2B是圖1中當輸出電壓低於所設定的穩定電壓時，輸出電壓與電晶體功率消耗之間的關係圖；圖3為本發明限流器之一實施例的電路圖；圖4為限流調節單元之一實施例的電路圖；圖5為本發明限流器之一實施例的訊號模擬圖；圖6A是圖3中當啟動限流機制時，輸出電壓與輸出電流之間的關係圖；圖6B是圖3中當啟動限流機制時，輸出電壓與電晶體功率消耗之間的關係圖。