CN101165983B - 一种限流短路保护电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种限流短路保护电路，包括第一场效应管、第二场效应管、第三场效应管、第四场效应管、第五场效应管、第一功率管、第二功率管及第一电阻，第一场效应管、第二场效应管、第三场效应管组成的电流镜等比例镜像电路，第一场效应管、第二场效应管、第三场效应管的源极均与地连接，第二场效应管的漏极与第四场效应管的漏极相连、第三场效应管的漏极与第五场效应管的漏极相连，第四场效应管、第五场效应管组成镜像电路，第一电阻的一端与第四场效应管的源极及第一功率管的源极相连，第一电阻的另一端与第五场效应管的源极及第二功率管的源极相连。该限流短路保护电路低功耗，适用于电源管理集成电路。

Description

一种限流短路保护电路

技术领域

本发明主要涉及电源管理集成电路领域，尤其是适用于电源管理集成电路的限流短路保护电路。

背景技术

当前，便携式电子设备(如手机，PDA，MP3等)主要靠锂电池经过低压降线性电压调节器(LDO)和开关式直流调节器(DCDC)供电。这些电源转换器中均采用了功率管。电源转换器的质量指标应该是以安全性、可靠性为第一原则。然而，DC-DC、LDO等电源管理芯片在应用时，可能会因为应用错误或者别的意外事故导置输出端短路，这样就会产生一个很大的电流，足够烧毁芯片。所以，在电气技术指标满足正常使用要求的条件下，为使电源在恶劣环境及突发故障情况下安全可靠地工作，必须设计多种保护电路，比如防浪涌的软启动，欠压、过热、过流短路、缺相等保护电路。

目前，比较常用的限流短路保护电路主要是连续检测负载电流的大小，如果检测值出现很大的异常，***就认为过流/短路，产生过流/短路关闭信号。下面简单讲述几种常见的典型的已有限流短路保护电路：

A.采用精密电阻方案：

如图1所示，该方案使用一个外挂的精密电阻Rsense与功率管MP1串联，通过测量精密电阻两端的电压来检测功率管的电流。图中Vgate是来自芯片对功率管的控制信号，VCC是输入电源，VSS是模拟地。它的工作原理如下：电阻Rsense是一个阻值很小的精密电阻，例如0.2Ω，当电流流经电阻Rsense到功率管MP1时，在Rsense两端的压降为：

V_Rsense＝I_Rsense*Rsense    (1)

由于运放的虚短效应，其输入端电压保持相等(电路中取R1等于R2)，因而R2两端的电压等于V_Rsense。从而可以得到流经R2的电流与Isense成正比，同样可以得到与Isense成正比的电压Vsense，其大小为：

$\mathrm{Vsense}=\frac{R3*\mathrm{Rsense}*\mathrm{Isense}}{R2}---\left(2\right)$

而在集成电路里R3/R2的相对比例是比较容易做精确的。从以上分析得到的Vsense实现了对功率管输出电流的检测，因而可以通过Vsense与一个基准电压VREF进行比较来做限流/短路保护电路。如图2，一般COMP是一个迟滞比较器，COMP_OUT输出的高低电平用来判断是否过流/短路。

B.采用功率管自身内阻方案

和上面的方法类似，如图3所示，直接使用功率管自身的电阻来检测其电流。假设功率管电阻为R_MP1，电阻R1等于R2，则可以得到：

$\mathrm{Vsense}=\frac{R3*R_{\mathrm{MP}1}*\mathrm{Isense}}{R2}---\left(3\right)$

$R_{\mathrm{MP}1}=\frac{1}{{\mathrm{\μ}}_n{C}_{\mathrm{ox}}\frac{L}{W}(V_{\mathrm{GS}}-V_{\mathrm{TH}})}---\left(4\right)$

功率管MP1的内阻随电源电压或其栅源电压变化，如上式(4)，因而通过这种方案检测到的电流不是很精确。

C.采用与功率管匹配的小管方案

如图4所示，此电路采用与功率管MP1匹配的小管MP2来检测电流。电路中Vgate是误差放大器的输出端，VFB是LDO反馈给误差放大器的电压。取：

$\frac{W}{L_{\mathrm{MP}2}}=\frac{1}{N}\frac{W}{L_{\mathrm{MP}1}}---\left(5\right)$

由于运放的钳位作用，电压VA等于VB，于是可以得到：

$I_{\mathrm{MP}2}=\frac{1}{N}{I}_{\mathrm{MP}1}---\left(6\right)$

I_sen＝I_MP2                        (7)

V_sense＝I_sen*R₃                                (8)

通过以上分析，可以得到与功率管MP1电流成正比的电压Vsence，从而可以将其用来做限流或短路保护电路的监测端，再与一个带隙基准电压比较，就可以组成完整的限流或者短路保护电路，此电路检测电流的精度比精密电阻的方案低，其缺点是结构比较复杂，功耗较大。

现有的以上几种方案的基本思想就是先得到一个可以监控输出电流大小的监控电压Vsence，再将其与一个基准电压作比较以判断是否过流/短路。这样的方案由于需要放大器，迟滞比较器以及一个基准电压VREF等，电路普遍显得复杂，功耗普遍太大使得电流效率大大降低；而且电路(如LDO，Charger等)在正常工作时，这个限流/短路保护电路永远处于连续检测比较的工作状态，大大的浪费了功耗，尤其在电路(如LDO)负载电流为0或者负载电流较小时，这种过多的功耗将大大减小***的效率。而A方案更是需要外挂一个的难于集成的精密电阻，增加了***成本，降低了***的效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种限流短路保护电路，该电路低功耗，适用于电源管理集成电路。

为了解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案包括一种限流短路保护电路，该电路包括第一场效应管(M0)、第二场效应管(M1)、第三场效应管(M2)、第四场效应管(M3)、第五场效应管(M4)、第一功率管(MP1)、第二功率管(MP2)及第一电阻(R3)，所述第一场效应管(M0)、第二场效应管(M1)和第三场效应管(M2)组成电流镜等比例镜像电路，所述第一场效应管(M0)的源极、第二场效应管(M1)的源极和第三场效应管(M2)的源极均与地连接，所述第二场效应管(M1)的漏极与所述第四场效应管(M3)的漏极相连、所述第三场效应管(M2)的漏极与所述第五场效应管(M4)的漏极相连，所述第四场效应管(M3)和第五场效应管(M4)组成镜像电路，所述第一电阻(R3)的一端与所述第四场效应管(M3)的源极及所述第一功率管(MP1)的源极相连，所述第一电阻(R3)的另一端与所述第五场效应管(M4)的源极及所述第二功率管(MP2)的源极相连。

采用上述技术方案，结合下面将要详述的实施例，本发明有益的技术效果在于：本发明的限流短路保护电路不需要外挂精密电阻并采用动态自身调节的方法，只用了超小的功耗就较高得精度，从而降低了设计成本，提高了电流效率，且过流短路保护电路响应速度快；本发明的限流短路保护电路在电源核心电路正常工作时几乎处于关闭状态，几乎不消耗电流；在电源核心电路出现过流/短路情况时，才消耗一定的功耗；核心电路负载电流为0或者负载电流较小时，过流短路保护电路可以自动关闭。

本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。

附图说明

图1为现有的利用精密电阻检测电流方案的限流短路保护电路图。

图2为现有的COMP产生限流/短路保护信号示意图。

图3为现有的利用功率管自身电阻检测电流方案的限流短路保护电路图。

图4为现有的利用小管镜像功率管来检测电流方案的限流短路保护电路图

图5为本发明的限流短路保护电路一实施例的电路图。

图6为本发明的限流短路保护电路另一实施例的电路图。

具体实施方式

如图5所示，为本发明的限流短路保护电路一实施例的电路图。该限流短路保护电路采用管第一场效应管M0、第二场效应管M1、第三场效应管M2组成的电流镜等比例镜像偏置电流Ibias；小第二功率管MP2与大第一功率管MP1的宽长比为1∶N；第四场效应管M3、第五场效应管M4的镜像比例为K；第一电阻R3是一个百欧姆级别的多晶(poly)电阻；VCC和VSS分别为输入电压和模拟地，Vo是输出端，Io是电流负载。

第一场效应管M0、第二场效应管M1、第三场效应管M2组成的电流镜等比例镜像电路，第一场效应管M0、第二场效应管M1、第三场效应管M2的源极均与地连接，第二场效应管M1、第三场效应管M2的漏极分别与第四场效应管M3、第五场效应管M4的漏极相连，第四场效应管M3、第五场效应管M4组成镜像电路，第一电阻R3的一端与第四场效应管M3的源极及第一功率管MP1的源极相连，第一电阻R3的另一端与第五场效应管M4的源极及第二功率管MP2的源极相连。

偏置电流Ibias一定使得M4栅电压V_g，M4处于固定值。当这个LDO处于正常负载电流时，M4处于线性工作区，因而Vocp电位为高；当负载电流过大(包括短路)时，M4处于饱和工作区，因而Vocp电位变为低。Vocp经过两个反向器后可以作为过流/短路的判断信号。整个过流/短路保护电路消耗3*Ibias的静态电流。

如图6所示，该电路是在上述基础上为了减小功耗提高电流效率的进一步改进。Vbias是一个偏置电压，可以和核心电路共用；MP3是镜像第一功率管MP1的一个小管，宽长尺寸比为1∶N，其公共栅电压Vgate由核心电路来控制(在LDO里是误差放大器和缓冲器)；MOC管是过流/短路保护钳制管；在图4的基础上增加的MS3到MS5是从节省静态功耗的角度考虑，它们在核心电路带小/零负载的时候保证了过流/短路保护电路(4，5和6支路)的关闭；MS3到MS5的栅电压Vn和Vp由1到3支路产生。这样支路1-3支路就实现了对过流/保护电路的动态开关，以节约功耗。

支路3因为二极管连接始终处于工作恒定，即一定的偏置电流，并且决定了MS2栅电压V_g，MS2的大小。MP3连续镜像第一功率管MP1，宽长尺寸比为1∶N，在核心电路带小/零负载I_MP1时，支路2只流过

电流，使MS1处于线性工作区，同时使得MS2的栅电压大大小于阈值电压V_th。因而支路1和2几乎不消耗偏置电流，使得Vn处于高电位，而由Vn和Vp控制的4到6支路处于完全关闭状态。所以当核心电路在带小/零负载I_MP1的时候，保护电路只有支路3消耗偏置电流，这样一来大大的减小了***带小/零负载时的功耗，提高了电流效率。

在核心电路带的负载逐渐增加时，MP3镜像的电流

也增加，MS1由线性区渐渐变成饱和区，MS2的栅电压也大于其阈值电压。此时Vn由高电位变成了低电位，这个转变直接使4到6支路打开，使限流/短路保护处于工作状态，以达到限流/短路保护的目的。

在核心电路带的负载超过既定值(比如400mA)时，M4由工作在线性区变到饱和区，Vocp由较高的电位变低。由于Vocp变低(比如1.5V)，MOC管导通，一个较大的电流(比如2mA)流入核心电路的缓冲器，这样电压Vgate电压就嵌位了，第一功率管MP1的输出电流就嵌制在一定值。所以当电路发生过流/短路现象时，图5电路一方面通过嵌位电压Vgate来嵌位输出电流为一个允许值(这个值决定于设计者)，一方面***根据Vocp电位变低提示***处于不正常工作状态。

因此在发生过流/短路时，电路就处于安全状态，而不会因为大电流而烧毁芯片。

Claims (7)

1.一种限流短路保护电路，其特征在于：包括第一场效应管(M0)、第二场效应管(M1)、第三场效应管(M2)、第四场效应管(M3)、第五场效应管(M4)、第一功率管(MP1)、第二功率管(MP2)及第一电阻(R3)，所述第一场效应管(M0)、第二场效应管(M1)和第三场效应管(M2)组成电流镜等比例镜像电路，所述第一场效应管(M0)的源极、第二场效应管(M1)的源极和第三场效应管(M2)的源极均与地连接，所述第二场效应管(M1)的漏极与所述第四场效应管(M3)的漏极相连，所述第三场效应管(M2)的漏极与所述第五场效应管(M4)的漏极相连，所述第四场效应管(M3)和第五场效应管(M4)组成镜像电路，所述第一电阻(R3)的一端与所述第四场效应管(M3)的源极及所述第一功率管(MP1)的源极相连，所述第一电阻(R3)的另一端与所述第五场效应管(M4)的源极及所述第二功率管(MP2)的源极相连。

2.如权利要求1所述的限流短路保护电路，其特征在于：还包括第二电阻(R1)、第三电阻(R2)及电容(C0)，所述第三电阻(R2)一端接地，另一端与所述第二电阻(R1)的一端相连，所述第二电阻(R1)的另一端与所述电容(C0)一端相连后共同连接所述第一功率管(MP1)的漏极和所述第二功率管(MP2)的漏极，所述电容(C0)的另一端接地。

3.如权利要求1或2所述的限流短路保护电路，其特征在于：所述第四场效应管(M3)、第五场效应管(M4)镜像比例为K。

4.如权利要求1或2所述的限流短路保护电路，其特征在于：所述第一电阻(R3)是百欧姆级别的多晶电阻。

5.如权利要求1或2所述的限流短路保护电路，其特征在于：所述第一场效应管(M0)、第二场效应管(M1)、第三场效应管(M2)电流镜等比例镜像偏置电流为Ibias，所述偏置电流Ibias使所述第五场效应管(M4)的栅电压处于固定值，当电路处于正常负载电流时，所述第五场效应管(M4)处于线性工作区；当负载电流过大或短路时，所述第五场效应管(M4)处于饱和工作区。

6.如权利要求1或2所述的限流短路保护电路，其特征在于：还包括第六场效应管(MS3)、第七场效应管(MS4)、第八场效应管(MS5)和第九场效应管(MOC)，所述第六场效应管(MS3)的源极与地连接，其漏极与所述第一场效应管(M0)的栅极相连，所述第七场效应管(MS4)的源极与所述第一场效应管(M0)的漏极相连，所述第八场效应管(MS5)的源极与所述第九场效应管(MOC)的栅极相连，所述第八场效应管(MS5)的漏极连接电源VCC，所述第九场效应管(MOC)的源极连接电源VCC。

7.如权利要求6所述的限流短路保护电路，其特征在于：所述第九场效应管(MOC)是过流/短路保护钳制管。

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