具有折返特性的限流電路的制作方法
【專利摘要】具有折返特性的限流電路，以使芯片進(jìn)入限流模式后降低功耗，包括柵極互連的功率MOS管和感應(yīng)MOS管，感應(yīng)MOS管的柵極連接反饋控制電路中的功率MOS管柵壓接點(diǎn)，功率MOS管的電流輸出端連接鉗位電路中的功率MOS管輸出電流接點(diǎn)，在所述功率MOS管與所述鉗位電路之間形成輸出電壓點(diǎn)，感應(yīng)MOS管的感應(yīng)電流輸出端連接鉗位電路中的感應(yīng)電流接點(diǎn)，所述感應(yīng)MOS管的源極腳直接串聯(lián)接入電阻即折返電阻RFB，所述感應(yīng)MOS管和所述功率MOS管的電壓輸入端均連接輸入電壓節(jié)點(diǎn)，所述輸入電壓節(jié)點(diǎn)連接芯片內(nèi)部的基準(zhǔn)電流產(chǎn)生電路，所述基準(zhǔn)電流的流出端分別連接所述鉗位電路中的鏡像電流接點(diǎn)和所述反饋控制電路中的差值電流接點(diǎn)。
【專利說明】具有折返特性的限流電路

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及用于芯片(集成電路)的電流陡增抑制技術(shù)，特別是一種具有折返特性的限流電路。

【背景技術(shù)】
[0002]當(dāng)遇到熱插拔、下游負(fù)載等效阻值突然變小或輸出端突然短地的事件時(shí)，芯片(大電流開關(guān))需要限流電路，以抑制突然暴增的輸出電流，并保護(hù)內(nèi)部大尺寸功率MOS管和上游電源安全。為此目的設(shè)計(jì)的限流電路一般有如下功能，首先利用感應(yīng)MOS監(jiān)測輸出電流，其次將監(jiān)測到的電流與基準(zhǔn)做比較，最后是根據(jù)比較結(jié)果反饋控制功率MOS管的輸出電流，使其保持在安全的電流范圍內(nèi)。本發(fā)明人注意到，越來越多的USB設(shè)備需要更大的電流OlA)，而過大的瞬間電流即使被限流，因其限流閾值很大，導(dǎo)致功耗偏高(芯片溫度升高)。本發(fā)明人認(rèn)為，如果在限流電路中嵌入折返電路結(jié)構(gòu)以利用其以折返方式降低輸出電流的折返功能(foldback)，則能夠使芯片進(jìn)入限流模式后降低功耗。因?yàn)樾酒M(jìn)入限流模式后，自身輸出電阻變大，致使輸出電壓(Vout)下降，所以本發(fā)明(實(shí)用新型)可在芯片進(jìn)入限流狀態(tài)后隨著輸出電壓(Vout)下降而進(jìn)一步降低芯片限流閾值，具體見圖1。這樣可使芯片可以長時(shí)間工作在限流狀態(tài)，而不會(huì)被限流產(chǎn)生的功耗(此時(shí)功率等于限流閾值乘以輸入輸出端電壓差)燒毀。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0003]本實(shí)用新型針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷或不足，提供一種具有折返特性的限流電路，以使芯片進(jìn)入限流模式后降低功耗。
[0004]本實(shí)用新型的技術(shù)方案如下:
[0005]具有折返特性的限流電路，其特征在于，包括柵極互連的功率MOS管和感應(yīng)MOS管，所述感應(yīng)MOS管的柵極連接反饋控制電路中的功率MOS管柵壓接點(diǎn)，所述功率MOS管的電流輸出端連接鉗位電路中的功率MOS管輸出電流接點(diǎn)，在所述功率MOS管與所述鉗位電路之間形成輸出電壓點(diǎn)，所述感應(yīng)MOS管的感應(yīng)電流輸出端連接鉗位電路中的感應(yīng)電流接點(diǎn)，所述感應(yīng)MOS管的源極腳直接串聯(lián)接入電阻即折返電阻Rfb，所述感應(yīng)MOS管和所述功率MOS管的電壓輸入端均連接輸入電壓節(jié)點(diǎn)，所述輸入電壓節(jié)點(diǎn)連接芯片內(nèi)部的基準(zhǔn)電流產(chǎn)生電路，所述基準(zhǔn)電流的流出端分別連接所述鉗位電路中的鏡像電流接點(diǎn)和所述反饋控制電路中的差值電流接點(diǎn)。
[0006]所述感應(yīng)MOS管為感應(yīng)NMOS管，所述功率MOS管為功率NMOS管，所述感應(yīng)NMOS管的感應(yīng)電流輸出端即源極通過所述折返電阻Rfb連接所述鉗位電路中的感應(yīng)電流接點(diǎn)，在所述折返電阻Rfb與所述鉗位電路中的感應(yīng)電流接點(diǎn)之間形成感應(yīng)電壓點(diǎn)，所述感應(yīng)NMOS管的漏極即為電壓輸入端，所述功率NMOS管的源極即為電流輸出端，所述功率NMOS管的漏極即為電壓輸入端。
[0007]所述鉗位電路包括第一比較器，柵極互連的第一 NMOS管和第二 NMOS管，所述第一NMOS管的柵極和漏極以及所述第一比較器的輸出端和負(fù)輸入端連接形成所述鉗位電路中的感應(yīng)電流接點(diǎn)，所述第一比較器的正輸入端為所述鉗位電路中的功率MOS管輸出電流接點(diǎn)，所述第二 NMOS管的漏極為所述鉗位電路中的鏡像電流接點(diǎn)，所述第一 NMOS管的源極和第二 NMOS管的源極均接地。
[0008]所述反饋控制電路包括電荷泵，柵極互連的第三NMOS管和第四NMOS管，以及柵極互連的第五PMOS管和第六PMOS管，所述電荷泵輸入端連接所述輸入電壓節(jié)點(diǎn)，所述電荷泵輸出端連接所述第四NMOS管的漏極形成所述反饋控制電路中的功率MOS管柵壓接點(diǎn)，所述第三NMOS管的柵極和漏極以及所述第五PMOS管的漏極相互連接，所述第三NMOS管的源極和第四NMOS管的源極均接地，所述第五PMOS管的源極和第六PMOS管的源極均連接所述輸入電壓節(jié)點(diǎn)，所述第六PMOS管的柵極和漏極連接形成所述反饋控制電路中的差值電流接點(diǎn)。
[0009]所述感應(yīng)MOS管為感應(yīng)PMOS管，所述功率MOS管為功率PMOS管，所述感應(yīng)PMOS管的感應(yīng)電流輸出端即漏極與所述鉗位電路中的感應(yīng)電流接點(diǎn)直接連接并形成感應(yīng)電壓點(diǎn)，所述折返電阻Rfb位于所述感應(yīng)PMOS管的源極與所述輸入電壓節(jié)點(diǎn)之間，所述功率PMOS管的源極即為電壓輸入端，所述功率PMOS管的漏極即為電流輸出端。
[0010]本實(shí)用新型的技術(shù)效果如下:本實(shí)用新型具有折返特性的限流電路，通過在感應(yīng)MOS管的源極腳直接串聯(lián)接入電阻即折返電阻Rfb，實(shí)現(xiàn)了限流電路的折返特性。芯片進(jìn)入限流模式后，自身輸出電阻變大，致使輸出電壓Vout下降，所以本實(shí)用新型可在芯片在進(jìn)入限流狀態(tài)后隨著輸出電壓Vout下降而進(jìn)一步降低芯片限流閾值，具體見圖1，101是不帶折返特性的輸出電流值;102是帶折返特性的輸出電流值，通過加入折返電阻Rfb，使芯片輸出電流達(dá)到設(shè)定值Im后下降到Iffi,并一直保持(恒流輸出)，以保護(hù)芯片不被過高的輸出電流損壞，同時(shí)有效降低芯片發(fā)熱，這樣可使芯片可以長時(shí)間工作在限流狀態(tài)，而不會(huì)被限流產(chǎn)生的功耗(此時(shí)功率等于限流閾值乘以輸入輸出端電壓差)燒毀。本實(shí)用新型是一種結(jié)構(gòu)簡單的折返電路(fold-back)，其具有低響應(yīng)時(shí)間，結(jié)構(gòu)簡單和適于普通MOS工藝的特點(diǎn)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1是輸出電流被限制后變?yōu)楹懔鬏敵鰰r(shí)的電壓電流曲線示意圖。
[0012]圖2是實(shí)施本實(shí)用新型的具有折返特性的限流電路的結(jié)構(gòu)原理示意圖。
[0013]圖3是本實(shí)用新型的另一個(gè)實(shí)施例。
[0014]圖4是例舉了具體反饋控制電路和具體鉗位電路的本實(shí)用新型實(shí)施例。
[0015]附圖標(biāo)記列示如下:1_反饋控制電路；2_功率MOS管柵壓接點(diǎn)；3_差值電流接點(diǎn)；4-鉗位電路；5_鏡像電流接點(diǎn)；6_感應(yīng)電流接點(diǎn)；7_功率MOS管輸出電流接點(diǎn)；8_接地點(diǎn)；9-電荷泵；1ut-功率MOS管輸出電流值；Ira_不帶折返特性的輸出電流值；、_帶折返特性的輸出電流值；Vin-輸入電壓節(jié)點(diǎn)或電源電壓或輸入電壓；Vout-輸出電壓或負(fù)載端口電壓或功率MOS管輸出電壓；Mout-功率MOS管；Msns-感應(yīng)MOS管；Vg-柵壓；Isns_感應(yīng)電流；Vsns-感應(yīng)電壓；RFB-折返電阻；Iset-芯片內(nèi)部產(chǎn)生的基準(zhǔn)電流值山-功率MOS管電流輸出值；I2-鏡像電流值；Λ 1-12與Iset電流之差，僅當(dāng)I2大于Iset時(shí)存在；I: M-Msns尺寸比Mout尺寸；M1?M6-第I個(gè)MOS管至第6個(gè)MOS管；Al-第一比較器。

【具體實(shí)施方式】
[0016]下面結(jié)合附圖(圖1-圖4)對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行說明。
[0017]圖1是輸出電流被限制后變?yōu)楹懔鬏敵鰰r(shí)的電壓電流曲線示意圖。圖2是實(shí)施本實(shí)用新型的具有折返特性的限流電路的結(jié)構(gòu)原理示意圖。圖3是本實(shí)用新型的另一個(gè)實(shí)施例。圖4是例舉了具體反饋控制電路和具體鉗位電路的本實(shí)用新型實(shí)施例。如圖2至圖3所示，具有折返特性的限流電路，其特征在于，包括柵極互連的功率MOS管Mout和感應(yīng)MOS管Msns，所述感應(yīng)MOS管Msns的柵極連接反饋控制電路I中的功率MOS管柵壓Vg接點(diǎn)，所述功率MOS管Mout的電流輸出端(產(chǎn)生功率MOS管Mout輸出電流值lout)連接鉗位電路4中的功率MOS管輸出電流接點(diǎn)7，在所述功率MOS管Mout與所述鉗位電路4之間形成輸出電壓點(diǎn)Vout (也可以稱之為輸出電壓或負(fù)載端口電壓或功率MOS管輸出電壓)，所述感應(yīng)MOS管Msns的感應(yīng)電流輸出端(產(chǎn)生感應(yīng)電流Isns)連接鉗位電路4中的感應(yīng)電流接點(diǎn)6，所述感應(yīng)MOS管Msns的源極腳直接串聯(lián)接入電阻即折返電阻RFB，所述感應(yīng)MOS管和所述功率MOS管的電壓輸入端均連接輸入電壓節(jié)點(diǎn)Vin (也可以稱之為電源電壓或輸入電壓)，所述輸入電壓節(jié)點(diǎn)Vin連接芯片內(nèi)部的基準(zhǔn)電流產(chǎn)生電路(形成芯片內(nèi)部產(chǎn)生的基準(zhǔn)電流值Iset)，所述基準(zhǔn)電流的流出端分別連接所述鉗位電路4中的鏡像電流接點(diǎn)5和所述反饋控制電路I中的差值電流接點(diǎn)3。
[0018]如圖1所示，Im是不帶折返特性的輸出電流值山2是帶折返特性的輸出電流值，通過加入折返電阻rfb，使芯片輸出電流達(dá)到設(shè)定值Ιω后下降到Im并一直保持(恒流輸出)，以保護(hù)芯片不被過高的輸出電流損壞，同時(shí)有效降低芯片發(fā)熱，這樣可使芯片可以長時(shí)間工作在限流狀態(tài)，而不會(huì)被限流產(chǎn)生的功耗(此時(shí)功率等于限流閾值乘以輸入輸出端電壓差)燒毀。
[0019]如圖2所示,所述感應(yīng)MOS管Msns為感應(yīng)NMOS管,所述功率MOS管Mout為功率NMOS管，所述感應(yīng)NMOS管的感應(yīng)電流輸出端(產(chǎn)生感應(yīng)電流Isns)即源極通過所述折返電阻Rfb連接所述鉗位電路4中的感應(yīng)電流接點(diǎn)6，在所述折返電阻Rfb與所述鉗位電路4中的感應(yīng)電流接點(diǎn)6之間形成感應(yīng)電壓Vsns點(diǎn)，所述感應(yīng)NMOS管的漏極即為電壓輸入端(連接輸入電壓節(jié)點(diǎn)Vin)，所述功率NMOS管的源極即為電流輸出端(輸出電流值lout)，所述功率NMOS管的漏極即為電壓輸入端(連接輸入電壓節(jié)點(diǎn)Vin)。
[0020]如圖4所示，所述鉗位電路4包括第一比較器Al，柵極互連的第一 NMOS管Ml和第二 NMOS管M2，所述第一匪OS管Ml的柵極和漏極以及所述第一比較器Al的輸出端和負(fù)輸入端連接形成所述鉗位電路4中的感應(yīng)電流接點(diǎn)6，所述第一比較器Al的正輸入端“ + ”為所述鉗位電路4中的功率MOS管Mout輸出電流接點(diǎn)7，所述第二 NMOS管M2的漏極為所述鉗位電路4中的鏡像電流接點(diǎn)5，所述第一 NMOS管的源極和第二 NMOS管的源極均接地。所述反饋控制電路I包括電荷泵9，柵極互連的第三NMOS管M3和第四NMOS管M4，以及柵極互連的第五PMOS管M5和第六PMOS管M6，所述電荷泵9輸入端連接所述輸入電壓節(jié)點(diǎn)Vin，所述電荷泵9輸出端連接所述第四NMOS管M4的漏極形成所述反饋控制電路I中的功率MOS管柵壓接點(diǎn)Vg，所述第三NMOS管M3的柵極和漏極以及所述第五PMOS管M5的漏極相互連接，所述第三NMOS管M3的源極和第四NMOS管M4的源極均接地于接地點(diǎn)8，所述第五PMOS管M5的源極和第六PMOS管M6的源極均連接所述輸入電壓節(jié)點(diǎn)Vin，所述第六PMOS管M6的柵極和漏極連接形成所述反饋控制電路I中的差值電流接點(diǎn)3。
[0021]如圖3所示，所述感應(yīng)MOS管Msns為感應(yīng)PMOS管，所述功率MOS管Mout為功率PMOS管，所述感應(yīng)PMOS管的感應(yīng)電流輸出端(產(chǎn)生感應(yīng)電流Isns)即漏極與所述鉗位電路4中的感應(yīng)電流接點(diǎn)6直接連接并形成感應(yīng)電壓點(diǎn)Vsns，所述折返電阻Rfb位于所述感應(yīng)PMOS管的源極與所述輸入電壓節(jié)點(diǎn)Vin之間，所述功率PMOS管的源極即為電壓輸入端(連接輸入電壓節(jié)點(diǎn)Vin)，所述功率PMOS管的漏極即為電流輸出端(輸出電流值Iwt)。
[0022]新型具有折返特性限流電路如圖2所示，具體介紹如下:
[0023]1.該限流電路嵌于芯片中，用于監(jiān)測芯片輸出電流。當(dāng)1ut超過設(shè)定值后，該限流電路會(huì)將1ut保持在設(shè)定值(恒流)。
[0024]2.Vin端口接電源，Vout端口接負(fù)載。
[0025]3.鉗位電路將使Vsns = Vout,且促使I1 = Isns,同時(shí)保持I2與Isns成比例。
[0026]4.Mout 為大尺寸功率 MOS 管(NMOS)。
[0027]5.Msns為感應(yīng)MOS管，用于監(jiān)測Mout的輸出電流，其尺寸為Mout的1/M。
[0028]6.Rfb為電阻，利用此電阻可實(shí)現(xiàn)限流電路的折返特性。
[0029]7.1set為芯片內(nèi)部產(chǎn)生的基準(zhǔn)電流。
[0030]Λ I為I2與Iset電流之差，僅當(dāng)I2大于Iset時(shí)存在。
[0031]9.工作過程簡介如下，當(dāng)輸出電流1ut = O時(shí),Vout = Vin。當(dāng)輸出電流1ut逐漸變大時(shí)，Vout下降,鉗位電路會(huì)保持Vsns = Vout,并鏡像Isns (12)。當(dāng)鏡像電流12 (與Isns成比例)超過Iset (固定值)后，Δ I不為零。這會(huì)促使反饋控制電路通過改變Mout的柵壓Vg進(jìn)而不斷調(diào)整其源漏電流，最終輸出電流(1ut)達(dá)到恒定(具體大小取決于芯片內(nèi)部Iset)。
[0032]10.新型具有折返特性限流電路，通過加入折返電阻(Rfb)，使芯片輸出電流達(dá)到設(shè)定值Ιω后下降到Iffi,并一直保持(恒流輸出)，以保護(hù)芯片不被過高的輸出電流損壞，同時(shí)有效降低芯片發(fā)熱。
[0033]因?yàn)镸out的尺寸很大(源漏阻抗較小)，所以它在線性區(qū)時(shí)芯片輸出電流(1ut)就已經(jīng)達(dá)到設(shè)計(jì)限值。而隨著Vout進(jìn)一步降低(輸出電流仍恒定)，Mout又會(huì)進(jìn)入飽和區(qū)。這樣根據(jù)MOS在不同區(qū)域的電壓電流公式可推導(dǎo)出限流電路的折返特性:
[0034]1l = (M+N)*Iset
[0035]12 = M*Iset
[0036]其中，M為Mout與Msns的寬長比之比，
N R
[0037]Routl為Mout在線性區(qū)時(shí)的漏源等效阻抗，由此我們也可計(jì)算出限
I Rout I
流電路的折返特性所需Rfb電阻大小。
[0038]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.具有折返特性的限流電路，其特征在于，包括柵極互連的功率MOS管和感應(yīng)MOS管，所述感應(yīng)MOS管的柵極連接反饋控制電路中的功率MOS管柵壓接點(diǎn)，所述功率MOS管的電流輸出端連接鉗位電路中的功率MOS管輸出電流接點(diǎn)，在所述功率MOS管與所述鉗位電路之間形成輸出電壓點(diǎn)，所述感應(yīng)MOS管的感應(yīng)電流輸出端連接鉗位電路中的感應(yīng)電流接點(diǎn)，所述感應(yīng)MOS管的源極腳直接串聯(lián)接入電阻即折返電阻Rfb，所述感應(yīng)MOS管和所述功率MOS管的電壓輸入端均連接輸入電壓節(jié)點(diǎn)，所述輸入電壓節(jié)點(diǎn)連接芯片內(nèi)部的基準(zhǔn)電流產(chǎn)生電路，所述基準(zhǔn)電流的流出端分別連接所述鉗位電路中的鏡像電流接點(diǎn)和所述反饋控制電路中的差值電流接點(diǎn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有折返特性的限流電路，其特征在于，所述感應(yīng)MOS管為感應(yīng)NMOS管，所述功率MOS管為功率NMOS管，所述感應(yīng)NMOS管的感應(yīng)電流輸出端即源極通過所述折返電阻Rfb連接所述鉗位電路中的感應(yīng)電流接點(diǎn)，在所述折返電阻Rfb與所述鉗位電路中的感應(yīng)電流接點(diǎn)之間形成感應(yīng)電壓點(diǎn)，所述感應(yīng)NMOS管的漏極即為電壓輸入端，所述功率NMOS管的源極即為電流輸出端，所述功率NMOS管的漏極即為電壓輸入端。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有折返特性的限流電路，其特征在于，所述鉗位電路包括第一比較器，柵極互連的第一 NMOS管和第二 NMOS管，所述第一 NMOS管的柵極和漏極以及所述第一比較器的輸出端和負(fù)輸入端連接形成所述鉗位電路中的感應(yīng)電流接點(diǎn)，所述第一比較器的正輸入端為所述鉗位電路中的功率MOS管輸出電流接點(diǎn)，所述第二 NMOS管的漏極為所述鉗位電路中的鏡像電流接點(diǎn)，所述第一 NMOS管的源極和第二 NMOS管的源極均接地。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有折返特性的限流電路，其特征在于，所述反饋控制電路包括電荷泵，柵極互連的第三NMOS管和第四NMOS管，以及柵極互連的第五PMOS管和第六PMOS管，所述電荷泵輸入端連接所述輸入電壓節(jié)點(diǎn)，所述電荷泵輸出端連接所述第四NMOS管的漏極形成所述反饋控制電路中的功率MOS管柵壓接點(diǎn)，所述第三NMOS管的柵極和漏極以及所述第五PMOS管的漏極相互連接，所述第三NMOS管的源極和第四NMOS管的源極均接地，所述第五PMOS管的源極和第六PMOS管的源極均連接所述輸入電壓節(jié)點(diǎn)，所述第六PMOS管的柵極和漏極連接形成所述反饋控制電路中的差值電流接點(diǎn)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有折返特性的限流電路，其特征在于，所述感應(yīng)MOS管為感應(yīng)PMOS管，所述功率MOS管為功率PMOS管，所述感應(yīng)PMOS管的感應(yīng)電流輸出端即漏極與所述鉗位電路中的感應(yīng)電流接點(diǎn)直接連接并形成感應(yīng)電壓點(diǎn)，所述折返電阻Rfb位于所述感應(yīng)PMOS管的源極與所述輸入電壓節(jié)點(diǎn)之間，所述功率PMOS管的源極即為電壓輸入端，所述功率PMOS管的漏極即為電流輸出端。
【文檔編號(hào)】H02H9/02GK203951180SQ201420398088
【公開日】2014年11月19日 申請(qǐng)日期:2014年7月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月18日
【發(fā)明者】鄭辰光 申請(qǐng)人:圣邦微電子（北京）股份有限公司