專(zhuān)利名稱(chēng)：一種快速響應(yīng)限流保護(hù)電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微電子集成電路技術(shù)，特別是一種快速響應(yīng)限流保護(hù)電路。所述快速響應(yīng)限流保護(hù)電路能夠快速響應(yīng)功率開(kāi)關(guān)管輸出電流的變化，及時(shí)將輸出電流限制在安全范圍內(nèi)，等待啟動(dòng)慢但精度高的由監(jiān)測(cè)電阻、比較器和MOS管組成的精確限流電路進(jìn)一步精確調(diào)整輸出電流，從而實(shí)現(xiàn)快速限流與精確限流的組合。
背景技術(shù)：
當(dāng)遇到熱插拔、等效負(fù)載阻值突然變小或輸出端突然短地的事件時(shí)，功率開(kāi)關(guān)需要能快速響應(yīng)的限流電路，用于抑制突然暴增的輸出電流，保護(hù)內(nèi)部大尺寸功率MOS管和上游電源總線安全。為此目的而設(shè)計(jì)的限流電路，首先要監(jiān)測(cè)輸出電流，其次將監(jiān)測(cè)到的電流與基準(zhǔn)做比較，最后是根據(jù)比較結(jié)果反饋控制功率開(kāi)關(guān)，使輸出電流保持在安全的電流范圍內(nèi)。一般而言，根據(jù)輸出電流流過(guò)監(jiān)測(cè)電阻 產(chǎn)生的電壓降與基準(zhǔn)電壓通過(guò)比較器得到的比較結(jié)果，反饋控制調(diào)整大尺寸的功率MOS管的柵壓，將輸出電流控制在安全范圍內(nèi)，從而完成限流保護(hù)功能。為能準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)到短路電流，通常選擇高邊監(jiān)測(cè)電流方式，即監(jiān)測(cè)電阻放在電源與負(fù)載之間。為滿足這樣的監(jiān)測(cè)方式，比較器要具有高共模電壓和能識(shí)別監(jiān)測(cè)電阻上毫伏級(jí)的電壓降，但這樣會(huì)導(dǎo)致其響應(yīng)時(shí)間變長(zhǎng)，所以有必要在此的基礎(chǔ)上并行一路快速響應(yīng)限流電路?，F(xiàn)有技術(shù)中的一種快速響應(yīng)限流電路如圖I所示，其中虛線環(huán)繞部分為快速響應(yīng)限流電路100，監(jiān)測(cè)電阻R1、比較器Al和MOS管M3組成精確限流電路，快速響應(yīng)限流電路100和精確限流電路分別與功率開(kāi)關(guān)管Ml連接，電荷泵101給功率開(kāi)關(guān)管Ml的柵極提供柵壓。快速響應(yīng)限流電路100包括與功率開(kāi)關(guān)管Ml柵極互連的電流感應(yīng)MOS管M2，電流感應(yīng)MOS管M2的漏極直接連接Vin端口，源極通過(guò)電阻R2連接Vout端口，源極同時(shí)連接三極管Ql的基極，三極管Ql的發(fā)射極連接Vout端口，三極管Ql的集電極連接到電流感應(yīng)MOS管M2的柵極，即M2、R2和Ql組成快速響應(yīng)限流電路。圖I是包含現(xiàn)有技術(shù)中的快速響應(yīng)限流電路100的應(yīng)用電路，其工作方式具體說(shuō)明如下1. Vin端口接電源，Vout端口接負(fù)載。2.電荷泵給匪OS管Ml (大尺寸功率管)和M2提供柵壓。工作時(shí)，電荷泵會(huì)將它們的柵壓提升到Vin+Vd(Vd>Vth，Vth為NMOS閾值電壓)的電平上，以使這些NMOS導(dǎo)通。3.M1為大尺寸功率NMOS。4.R1為監(jiān)測(cè)電阻。5.電路工作時(shí)，M2的電流與Ml產(chǎn)生的輸出電流成一定比例。6. M2、R2和Ql組成快速響應(yīng)限流電路(圖I中虛線框內(nèi)電路)。在芯片工作時(shí)，當(dāng)負(fù)載阻抗突然變低或者接地時(shí)，會(huì)使輸出電流Iout變大，同時(shí)M2從功率管Ml鏡像到的電流也變大。鏡像電流流過(guò)R2上產(chǎn)生的電壓超過(guò)Vbel (晶體管npn Ql閾值電壓)時(shí)，導(dǎo)通的Ql會(huì)快速拉低Ml和M2的柵壓，并將輸出電流Iout限定到安全范圍內(nèi)。以上過(guò)程發(fā)生時(shí)，由Rl，Al和M3組成的精確限流電路尚未開(kāi)始工作。等到Rl，Al和M3組成的精確限流回路啟動(dòng)后，輸出電流Iout被進(jìn)一步降低，而R2上的電壓小于Vbel，Ql關(guān)閉，快速響應(yīng)限流電路也關(guān)閉。雖然快速響應(yīng)限流電路100也能夠快速響應(yīng)功率開(kāi)關(guān)管Ml輸出電流的變化，但是根據(jù)場(chǎng)效應(yīng)管電流公式可知，由于電流感應(yīng)MOS管M2的源極上R2的存在，M2與功率開(kāi)關(guān)管Ml的柵源電壓不相等。這使得M2、R2和Ql快速響應(yīng)電路工作時(shí)，M2鏡像Ml的電流受R2上電壓影響，二者電流之比并非常量。這無(wú)疑增加了確定電路及其元器件參數(shù)的難度。另外，在普通CMOS工藝中，npn晶體管(即三極管Ql)難以實(shí)現(xiàn)。即使廠家可以制造npn，成本也比利用普通CMOS工藝生產(chǎn)的芯片成本高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷或不足，提供一種快速響應(yīng)限流保護(hù)電路。所述快速響應(yīng)限流保護(hù)電路能夠快速響應(yīng)功率開(kāi)關(guān)管輸出電流的變化，及時(shí)將輸出電流限制在安全范圍內(nèi)，等待啟動(dòng)慢但精度高的由監(jiān)測(cè)電阻、比較器和MOS管組成的精確限流電路進(jìn)一步精確調(diào)整輸出電流，從而實(shí)現(xiàn)快速限流與精確限流的組合。本發(fā)明的技術(shù)方案如下 一種快速響應(yīng)限流保護(hù)電路，其特征在于，包括與第一 MOS管即功率開(kāi)關(guān)管柵極互連的第二 MOS管即電流感應(yīng)MOS管，所述電流感應(yīng)MOS管的源極與所述功率開(kāi)關(guān)管的源極直接互連，所述電流感應(yīng)MOS管的漏極連接分壓電路，所述分壓電路連接快速響應(yīng)限流開(kāi)關(guān)電路。所述分壓電路包括第二電阻即分壓電阻。所述分壓電路包括電流鏡。所述快速響應(yīng)限流開(kāi)關(guān)電路包括開(kāi)關(guān)管，所述開(kāi)關(guān)管通過(guò)MOS管電流鏡鏡像電路連接驅(qū)動(dòng)電路輸出端，所述驅(qū)動(dòng)電路輸出端連接所述功率開(kāi)關(guān)管的柵極。所述功率開(kāi)關(guān)管為NMOS管，所述電流感應(yīng)MOS管為NMOS管，所述開(kāi)關(guān)管為PMOS管或PNP三極管，所述功率開(kāi)關(guān)管的源極直接連接負(fù)載電壓端口，所述功率開(kāi)關(guān)管的漏極通過(guò)第一電阻即監(jiān)測(cè)電阻連接電源電壓端口。所述功率開(kāi)關(guān)管為PMOS管，所述電流感應(yīng)MOS管為PMOS管，所述開(kāi)關(guān)管為NMOS管或NPN三極管，所述功率開(kāi)關(guān)管的源極直接連接電源電壓端口，所述功率開(kāi)關(guān)管的漏極連接負(fù)載電壓端口。所述驅(qū)動(dòng)電路包括電荷泵。所述功率開(kāi)關(guān)管的漏極直接連接比較器輸入端的負(fù)極，所述比較器輸入端的正極連接參考電位，所述比較器輸出端通過(guò)第三MOS管連接所述驅(qū)動(dòng)電路輸出端。所述第三MOS管的源極接地，并通過(guò)電容連接所述第三MOS管的柵極，所述第三MOS管的漏極連接所述驅(qū)動(dòng)電路輸出端。所述驅(qū)動(dòng)電路包括邏輯管電路。本發(fā)明的技術(shù)效果如下本發(fā)明就是一種能夠快速響應(yīng)的限流電路，其具有低響應(yīng)時(shí)間，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和適于CMOS工藝的特點(diǎn)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明中將第二電阻即分壓電阻R2從第二 MOS管即電流感應(yīng)MOS管M2的源極挪動(dòng)到漏極，使第二 MOS管即電流感應(yīng)MOS管M2與第一 MOS管即功率開(kāi)關(guān)管Ml (大尺寸功率管)的電流之比為常量，這簡(jiǎn)化了計(jì)算和設(shè)計(jì)，便于電路實(shí)現(xiàn)。另外，利用PMOS替代原有方案中的NPN晶體管，更易實(shí)現(xiàn)，并有效降低成本。


圖I是包含現(xiàn)有技術(shù)中的快速響應(yīng)限流電路的應(yīng)用電路。
圖2是實(shí)施本發(fā)明快速響應(yīng)限流保護(hù)電路的第一應(yīng)用電路示意圖。圖3是實(shí)施本發(fā)明快速響應(yīng)限流保護(hù)電路的第二應(yīng)用電路示意圖。圖4是實(shí)施本發(fā)明快速響應(yīng)限流保護(hù)電路的第三應(yīng)用電路示意圖。圖5是實(shí)施本發(fā)明快速響應(yīng)限流保護(hù)電路的第四應(yīng)用電路示意圖。圖6是實(shí)施本發(fā)明快速響應(yīng)限流保護(hù)電路的第五應(yīng)用電路示意圖。圖7是實(shí)施本發(fā)明快速響應(yīng)限流保護(hù) 電路的第六應(yīng)用電路示意圖。圖8是實(shí)施本發(fā)明快速響應(yīng)限流保護(hù)電路的第七應(yīng)用電路示意圖。圖9是實(shí)施本發(fā)明快速響應(yīng)限流保護(hù)電路的第八應(yīng)用電路示意圖。附圖標(biāo)記說(shuō)明如下100-現(xiàn)有技術(shù)中的快速響應(yīng)限流電路；101-驅(qū)動(dòng)電路電荷泵；102-快速響應(yīng)限流保護(hù)電路；103_驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)器。V-電壓；R-電阻；M-M0S管；Q-三極管；A-比較器。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖(圖2-圖9)對(duì)本發(fā)明進(jìn)行說(shuō)明。如圖2-圖9所示，一種快速響應(yīng)限流保護(hù)電路102，包括與第一 MOS管即功率開(kāi)關(guān)管Ml (如圖2-圖9中的Ml)柵極互連的第二 MOS管即電流感應(yīng)MOS管M2 (如圖2-圖9中的M2)，所述電流感應(yīng)MOS管M2的源極與所述功率開(kāi)關(guān)管Ml的源極直接互連，所述電流感應(yīng)MOS管M2的漏極連接分壓電路(如圖2-圖9中的R2或電流源標(biāo)記處)，所述分壓電路連接快速響應(yīng)限流開(kāi)關(guān)電路。所述分壓電路包括第二電阻即分壓電阻R2。所述分壓電路包括電流鏡。所述快速響應(yīng)限流開(kāi)關(guān)電路包括開(kāi)關(guān)管(如圖2-圖9中的M4、Q1)，所述開(kāi)關(guān)管通過(guò)MOS管電流鏡鏡像電路(如圖2-圖9中的M5和M6組成的電流鏡)連接驅(qū)動(dòng)電路101或103輸出端，所述驅(qū)動(dòng)電路輸出端連接所述功率開(kāi)關(guān)管Ml的柵極。所述功率開(kāi)關(guān)管Ml為NMOS管(如圖2-圖5中的Ml)，所述電流感應(yīng)MOS管為NMOS管(如圖2-圖5中的M2)，所述開(kāi)關(guān)管為PMOS管(如圖2、圖4中的M4)或PNP三極管(如圖3、圖5中的Ql )，所述功率開(kāi)關(guān)管Ml的源極直接連接負(fù)載電壓端口 Vout，所述功率開(kāi)關(guān)管Ml的漏極通過(guò)第一電阻即監(jiān)測(cè)電阻Rl連接電源電壓端口 Vin。所述功率開(kāi)關(guān)管Ml為PMOS管(如圖6-圖9中的Ml)，所述電流感應(yīng)MOS管為PMOS管(如圖6-圖9中的M2)，所述開(kāi)關(guān)管為NMOS管(如圖6和圖8中的M4)或NPN三極管(如圖7和圖9中的Ql)，所述功率開(kāi)關(guān)管Ml的源極直接連接電源電壓端口 Vin，所述功率開(kāi)關(guān)管Ml的漏極連接負(fù)載電壓端口 Vout。所述驅(qū)動(dòng)電路包括電荷泵101。所述功率開(kāi)關(guān)管Ml的漏極直接連接比較器Al的負(fù)極，所述比較器Al的正極連接參考電位Vref，輸出端通過(guò)第三MOS管M3連接所述驅(qū)動(dòng)電路即電荷泵101輸出端。所述第三MOS管M3的源極接地，并通過(guò)電容連接所述第三MOS管M3的柵極，所述第三MOS管M3的漏極連接所述驅(qū)動(dòng)電路即電荷泵101輸出端。所述驅(qū)動(dòng)電路(如圖2-圖9中的101和103)包括邏輯管電路。圖2是實(shí)施本發(fā)明快速響應(yīng)限流保護(hù)電路的第一應(yīng)用電路示意圖。其工作方式具體說(shuō)明如下1. Vin端口接電源，Vout端口接負(fù)載。2.電荷泵給Ml (大尺寸功率NMOS管)和M2提供柵壓。工作時(shí)，電荷泵會(huì)將它們的柵壓提升到Vin+Vd(Vd>Vth，Vth為NMOS閾值電壓)的電平上，以使Ml和M2導(dǎo)通。3. Ml為大尺寸功率NMOS管。4. Rl為監(jiān)測(cè)電阻。5.電路工作時(shí)，M2鏡像流過(guò)Ml的輸出電流lout，即流過(guò)M2的電流與流過(guò)Ml的輸出電流之比為常數(shù)。6^2、114^5、116、117和1 2組成快速響應(yīng)電路。芯片工作時(shí)，當(dāng)負(fù)載阻抗突然變低或者直接接地時(shí)，會(huì)產(chǎn)生能損壞芯片或電源的大電流，而M2從大尺寸功率管Ml鏡像到的電流也變大。當(dāng)鏡像電流在電阻R2上產(chǎn)生的電壓降足以使M4(PM0S)開(kāi)啟后，M4的導(dǎo)通電流被M5和M6組成的電流鏡鏡像到電荷泵的輸出端，并拉低M2和Ml的柵壓，所以輸出電流Iout被鉗制在安全范圍內(nèi)。等到R1、A1 (具有高共模電壓和高分辨率的比較器)和M3組成的限流電路開(kāi)始工作后，輸出電流Iout被進(jìn)一步降低，同時(shí)M2鏡像到的電流在R2上的電壓降大于M4(PM0S)的閾值電壓，所以M4關(guān)閉，而快速響應(yīng)限流電路也關(guān)閉。圖2所示電路中，將PMOS (M4)替換為PNP也一樣實(shí)現(xiàn)限流保護(hù)的功能，如圖3所示；同樣在圖2所示電路中，將電阻(R2)替換為電流鏡也可實(shí)現(xiàn)限流保護(hù)的功能，如圖4所示；由以上兩點(diǎn)組合產(chǎn)生三種替代方案，即PNP+電阻(如圖3所示)，P MOS+電流鏡(如圖4所示)和PNP+電流鏡(如圖5所示)，其工作原理相似。圖6是實(shí)施本發(fā)明快速響應(yīng)限流保護(hù)電路的第五應(yīng)用電路示意圖。本發(fā)明針對(duì)功率管為NMOS的功率開(kāi)關(guān)，同理可設(shè)計(jì)功率管為PMOS的功率開(kāi)關(guān)的快速響應(yīng)限流保護(hù)電路，如圖6所示。圖6所示電路工作原理1)M1是大尺寸功率PMOS管；2)在工作時(shí)，M2鏡像流過(guò)Ml的輸出電流，即流過(guò)M2的電流與流過(guò)Ml的輸出電流之比為常數(shù)。3)M2、M4、M5、M6和R2組成快速響應(yīng)限流保護(hù)電路。芯片工作時(shí)，當(dāng)負(fù)載阻抗突然變低或者直接接地時(shí)，會(huì)產(chǎn)生能損壞芯片或電源的大電流，而M2從功率管Ml鏡像到的電流也變大。此鏡像電流在電阻R2上產(chǎn)生電壓降。當(dāng)該電壓降足以使NMOS M4開(kāi)啟后，M4的導(dǎo)通電流被M5和M6組成的電流鏡鏡像到大尺寸PMOS (Ml)的柵端，并拉高此柵壓，所以輸出電流Iout被鉗制在安全范圍內(nèi)。等到芯片內(nèi)帶有比較器的限流電路(圖6中未畫(huà)出)開(kāi)啟后，輸出電流Iout被進(jìn)一步降低，當(dāng)M2鏡像電流流經(jīng)R2產(chǎn)生的電壓降小于M4的閾值電壓時(shí)，所以M4關(guān)閉，而快速響應(yīng)限流電路也關(guān)閉。圖6所示電路中，NM0S(M4)可由NPN替換，如圖7所示；電阻R2可由電流鏡替換，如圖8所示；由以上兩點(diǎn)一共可組合出本發(fā)明的四種具體電路，即NMOS+電阻(如圖6所示)、NPN+電阻(如圖7所示)、NM0S+電流鏡(如圖8所示)和NPN+電流鏡(如圖9所示)。它們的工作原理相近。在此指明，以上敘述有助于本領(lǐng)域技術(shù)人員理解本發(fā)明創(chuàng)造，但并非限制本發(fā)明創(chuàng)造的保護(hù)范圍。任何沒(méi)有脫離本發(fā)明創(chuàng)造實(shí)質(zhì)內(nèi)容的對(duì)以上敘述的等同替換、修飾改進(jìn)和/或刪繁從簡(jiǎn)而進(jìn)行的實(shí)施，均落入本發(fā)明創(chuàng)造的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種快速響應(yīng)限流保護(hù)電路，其特征在于，包括與第一 MOS管即功率開(kāi)關(guān)管柵極互連的第二 MOS管即電流感應(yīng)MOS管，所述電流感應(yīng)MOS管的源極與所述功率開(kāi)關(guān)管的源極直接互連，所述電流感應(yīng)MOS管的漏極連接分壓電路，所述分壓電路連接快速響應(yīng)限流開(kāi)關(guān)電路。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的快速響應(yīng)限流保護(hù)電路，其特征在于，所述分壓電路包括第二電阻即分壓電阻。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的快速響應(yīng)限流保護(hù)電路，其特征在于，所述分壓電路包括電流 鏡。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的快速響應(yīng)限流保護(hù)電路，其特征在于，所述快速響應(yīng)限流開(kāi)關(guān)電路包括開(kāi)關(guān)管，所述開(kāi)關(guān)管通過(guò)MOS管電流鏡鏡像電路連接驅(qū)動(dòng)電路輸出端，所述驅(qū)動(dòng)電路輸出端連接所述功率開(kāi)關(guān)管的柵極。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的快速響應(yīng)限流保護(hù)電路，其特征在于，所述功率開(kāi)關(guān)管為NMOS管，所述電流感應(yīng)MOS管為NMOS管，所述開(kāi)關(guān)管為PMOS管或PNP三極管，所述功率開(kāi)關(guān)管的源極直接連接負(fù)載電壓端口，所述功率開(kāi)關(guān)管的漏極通過(guò)第一電阻即監(jiān)測(cè)電阻連接電源電壓端口。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的快速響應(yīng)限流保護(hù)電路，其特征在于，所述功率開(kāi)關(guān)管為PMOS管，所述電流感應(yīng)MOS管為PMOS管，所述開(kāi)關(guān)管為NMOS管或NPN三極管，所述功率開(kāi)關(guān)管的源極直接連接電源電壓端口，所述功率開(kāi)關(guān)管的漏極連接負(fù)載電壓端口。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的快速響應(yīng)限流保護(hù)電路，其特征在于，所述驅(qū)動(dòng)電路包括電荷泵。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的快速響應(yīng)限流保護(hù)電路，其特征在于，所述功率開(kāi)關(guān)管的漏極直接連接比較器輸入端的負(fù)極，所述比較器輸入端的正極連接參考電位，所述比較器輸出端通過(guò)第三MOS管連接所述驅(qū)動(dòng)電路輸出端。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的快速響應(yīng)限流保護(hù)電路，其特征在于，所述第三MOS管的源極接地，并通過(guò)電容連接所述第三MOS管的柵極，所述第三MOS管的漏極連接所述驅(qū)動(dòng)電路輸出端。
10.根據(jù)權(quán)利要求4所述的快速響應(yīng)限流保護(hù)電路，其特征在于，所述驅(qū)動(dòng)電路包括邏輯管電路。
全文摘要
一種快速響應(yīng)限流保護(hù)電路，能夠快速響應(yīng)功率開(kāi)關(guān)管輸出電流的變化，及時(shí)將輸出電流限制在安全范圍內(nèi)，等待啟動(dòng)慢但精度高的由監(jiān)測(cè)電阻、比較器和MOS管組成的精確限流電路進(jìn)一步精確調(diào)整輸出電流，從而實(shí)現(xiàn)快速限流與精確限流的組合，其特征在于，包括與第一MOS管即功率開(kāi)關(guān)管柵極互連的第二MOS管即電流感應(yīng)MOS管，所述電流感應(yīng)MOS管的源極與所述功率開(kāi)關(guān)管的源極直接互連，所述電流感應(yīng)MOS管的漏極連接分壓電路，所述分壓電路連接快速響應(yīng)限流開(kāi)關(guān)電路。
文檔編號(hào)H02H9/02GK102769281SQ20121027922
公開(kāi)日2012年11月7日 申請(qǐng)日期2012年8月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月7日
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