CN105680431B - 一种可调节限流保护电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种可调节限流保护电路。可调节限流保护电路中包括片上的限流保护电路和片外的限流电阻。片上的限流保护电路包括误差放大器、功率管、采样管、开关管、电流镜电路和运算放大器结构。由片外的限流电阻决定极限电流的大小，当流过功率管的电流较小使采样电流小于极限电流时，开关管处于截止状态，保护电路未启动。当流过功率管的电流较大使采样电流大于极限电流时，开关管处于导通状态，保护电路启动使功率管截止，输出电流减小起到保护电路的作用。通过调节片外限流电阻来调节极限电流，与采样电流相比较来控制开关管导通或关断，从而控制限流保护电路打开或关断。本发明具有极限电流可调，结构简单、灵活简便、实用性强的特点。

Description

一种可调节限流保护电路
技术领域
本发明属于集成电路领域，具体涉及一种用于电源管理类芯片的限流保护电路。
背景技术
在电源管理类芯片中，随着负载电流要求的不断提高，电源芯片中功率管流过的电流不断增加，大输出电流将产生较大功耗，易导致芯片永久性损坏。为避免输出负载电流过大或输出短路等情况导致电路损坏，在电路内部一般会引入过流保护电路。如图1所示，一种现有技术的限流保护电路包括第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管、第五MOS管、第一电流源、第二电流源和误差放大器。该限流保护电路的极限电流为恒定值Ilimited。现有的这种限流保护电路会存在以下两种缺点：1、当电路在输入-输出压差较大状态，即功率管源漏端压差较大，若极限电流较大时，流过功率管的大电流易产生较大功耗使电路烧毁；2、当电路在输入-输出压差较小状态，即功率管源漏端压差较小，若极限电流较小时，大电流会使限流保护电路打开，导致功率管关断，电路无法正常工作。鉴于上述两种情况，功率管源漏端压差较大时，希望具有小的极限电流防止大电流损坏功率管；功率管源漏端压差较小时，希望具有较大的极限电流以便增加带负载能力。然而现有的这种极限电流恒定的限流保护电路在上述两种情况下难以兼顾。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种极限电流可调节变化的可调节限流保护电路。
为了解决上述技术问题，本发明采用的一种技术方案是：一种可调节限流保护电路，包括芯片上的限流保护电路和芯片外的二端元器件。所述限流保护电路包括第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管、第五MOS管、第六MOS管、第七MOS管、第八MOS管、第一电流源、运算放大器和误差放大器；所述误差放大器的正输入端接反馈电压，负输入端接第一基准电压，输出端连接第一MOS管的栅极；所述第一MOS管的栅极还分别与第二MOS管的漏极和第三MOS管的栅极相连，第一MOS管的漏极接第一电流源的输入端；第二MOS管的漏极与第三MOS管的栅极相连，第二MOS管的栅极分别与第四MOS管的漏极和第七MOS管的漏极相连；第三MOS管的漏极分别与第六MOS管的漏极、第六MOS管的栅极以及第七MOS管的栅极相连；第四MOS管的栅极分别与第五MOS管的栅极、第五MOS管的漏极以及第八MOS管的漏极相连，第四MOS管的漏极与第七MOS管的漏极相连；第五MOS管的栅极分别与自身的漏极和第八MOS管的漏极相连；第六MOS管的栅极分别与自身的漏极和第七MOS管的栅极相连；运算放大器的正输入端与第二基准电压相连，负输入端与第八MOS管的源级相连，输出端与第八MOS管的栅极相连；第一MOS管的源极、第二MOS管的源极、第三MOS管的源极、第四MOS管的源极、第五MOS管的源极分别连接电源电压；第六MOS管的源极、第七MOS管的源极和第一电流源的输出端分别连接电源地端；所述片外的二端元器件自芯片外部与限流保护电路相接，所述二端元器件的第一端分别与运算放大器的负输入端以及第八MOS管的源级相连，所述二端元器件的第二端连接电源地端。
具体的，所述第一MOS管至第五MOS管均为PMOS管，第六MOS管至第八MOS管均为NMOS管。
具体的，所述二端元器件为片外限流电阻。
进一步优选的，所述芯片上的限流保护电路还包括接在第六MOS管的源级与电源地端之间的第九MOS管、接在第七MOS管的源级与电源地端之间的第十MOS管、接在第四MOS管的源级与电源电压之间的第十一MOS管、接在第五MOS管的源级与电源电压之间的第十二MOS管以及第二电流源；所述第九MOS管的栅极分别与自身的漏极、第六MOS管的源级以及第十MOS管的栅极相连；第十MOS管的漏极与第七MOS管的源级相连；第十一MOS管的栅极分别与第十二MOS管的栅极、第十二MOS管的漏极以及第五MOS管的漏极相连，第十一MOS管的漏极与第四MOS管的源级相连；第十二MOS管的栅极分别与自身的漏极以及第五MOS管的源级相连；第二电流源的输入端与第八MOS管的漏极以及运算放大器的负输入端相连；第九MOS管的源极与第十MOS管的源极分别接电源地端；第十一MOS管的源级和第十二MOS管的源级分别接电源电压。
具体的，所述第九MOS管和第十MOS管均为NMOS管；第十一MOS管和第十二MOS管均为PMOS管。
本发明的范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案等。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明采用运算放大器、二端元器件和第八MOS管形成的电路结构使极限电流能够调节，使用者能够根据功率管源漏端压差的大小，通过二端元器件和运算放大器调节第八MOS管的电流，设置不同的极限电流。当电路在输入-输出压差较大，即功率管源漏端存在较大的压差时，通过增大二端元器件阻值使流过第八MOS管的电流减小，从而降低了极限电流，减少了整个电路的损耗能够有效防止电路被烧毁。当电路输入-输出压差较小即功率管源漏端压差较小时，通过减小二端元器件阻值使流过第八MOS管的电流增加，该电流经过第五MOS管和第四MOS管的电流镜像作用，使极限电流增加以便电路在大输出电流情况下能够正常输出。本发明中，极限电流跟随片外的二端元器件线性连续可调。本发明所述的可调节限流保护电路结构简单、灵活方便、实用性强。
附图说明
图1是一种现有的限流保护电路的电路原理图；
图2是本发明一种可调节限流保护电路的实施例一的电路原理图；
图3是本发明一种可调节限流保护电路的实施例二的电路原理图；
其中，1、限流保护电路；2、二端元器件。
具体实施方式
本发明实施例一如图2所示，一种可调节限流保护电路，包括芯片上的限流保护电路1和芯片外的二端元器件2。所述二端元器件2为片外限流电阻RPCL。所述限流保护电路1包括第一MOS管M1、第二MOS管M2、第三MOS管M3、第四MOS管M4、第五MOS管M5、第六MOS管M6、第七MOS管M7、第八MOS管M8、第一电流源I1、运算放大器A1和误差放大器EA1。所述误差放大器EA1的正输入端接反馈电压VFB，负输入端接第一基准电压VREF1，输出端连接第一MOS管M1的栅极。所述第一MOS管M1的栅极还分别与第二MOS管M2的漏极和第三MOS管M3的栅极相连，第一MOS管M1的漏极接第一电流源I1的输入端。第二MOS管M2的漏极与第三MOS管M3的栅极相连，第二MOS管M2的栅极分别与第四MOS管M4的漏极和第七MOS管M7的漏极相连。第三MOS管M3的漏极分别与第六MOS管M6的漏极、第六MOS管M6的栅极以及第七MOS管M7的栅极相连。第四MOS管M4的栅极分别与第五MOS管M5的栅极、第五MOS管M5的漏极以及第八MOS管M8的漏极相连，第四MOS管M4的漏极与第七MOS管M7的漏极相连。第五MOS管M5的栅极分别与自身的漏极和第八MOS管M8的漏极相连。第六MOS管M6的栅极分别与自身的漏极和第七MOS管M7的栅极相连。运算放大器A1的正输入端与第二基准电压VREF2相连，负输入端与第八MOS管M8的源级相连，输出端与第八MOS管M8的栅极相连。第一MOS管M1的源极、第二MOS管M2的源极、第三MOS管M3的源极、第四MOS管M4的源极、第五MOS管M5的源极分别连接电源电压。第六MOS管M6的源极、第七MOS管M7的源极和第一电流源I1的输出端分别连接电源地端。所述片外限流电阻RPCL自芯片外部与限流保护电路1相接，所述片外限流电阻RPCL的第一端分别与运算放大器A1的负输入端以及第八MOS管M8的源级相连，所述片外限流电阻RPCL的第二端连接电源地端。
其中，所述第一MOS管M1至第五MOS管M5均为PMOS管，第六MOS管M6至第八MOS管M8均为NMOS管。
实施例一中所述的可调节限流保护电路具体工作原理如下：
运算放大器A1、片外限流电阻RPCL、第八MOS管M8构成了可调的电流源结构。运算放大器A1的正输入端引入第二基准电压VREF2，处于深度负反馈状态的运算放大器A1使B点电压VB＝VREF2。在片外限流电阻RPCL上产生电流IRPCL＝VREF2/RPCL,该电流流经第八MOS管M8。经过第五MOS管M5和第四MOS管M4的电流镜像作用，使极限电流Ilimited＝M×IRPCL＝M×VREF2/RPCL，M为电流镜像比例。作为功率管的第一MOS管M1输出电流为IOUT，经过作为采样管的第三MOS管M3的电流采样以及经过第六MOS管M6和第七MOS管M7构成的电流镜像源得到采样电流Isample＝K×IOUT，K为采样和镜像比例，且K<<1。可调节限流保护电路工作时会出现三种工作状况：
1、当作为功率管的第一MOS管M1开始导通时，采样电流Isample经过第三MOS管M3以及第六MOS管M6和第七MOS管M7组成的电流镜逐渐增大。当采样电流Isample小于极限电流Ilimited时，第四MOS管M4会处于线性区呈现电阻特性，使A点处的电压VA等于电源电压,此时第二MOS管M2关断，作为功率管的第一MOS管M1正常输出。
2、当第一MOS管M1的输出电流IOUT继续增大，使电流Isample＝Ilimited，此时第四MOS管M4和第七MOS管M7均处于饱和区状态，A点处的电压VA等于电源电压与地电压的中间值，此时达到第二MOS管M2的导通电压。
3、当第一MOS管M1的输出电流IOUT继续增大，使电流Isample>Ilimited，此时第七MOS管M7处于线性区状态呈现电阻特性，A点处的电压VA等于地端电压即VA＝0V，此时第二MOS管M2的处于导通状态，使第一MOS管M1的栅极电压升高，第一MOS管M1处于截止状态使输出电流IOUT减小达到限流的作用。可见，本发明所述的可调节限流保护电路能够根据电路不同的输入-输出压差，使用片外限流电阻RPCL和运算放大器A1调节第八MOS管M8的电流，设置不同的极限电流Ilimited。当电路在输入-输出压差较大状态，即作为功率管的第一MOS管M1源漏端存在较大的压差，通过增大片外限流电阻RPCL来减小极限电流Ilimited，当输出电流IOUT增大到Isample>Ilimited，限流保护电路打开，第一MOS管M1关断进而防止电路烧毁现象的发生；当电路在输入-输出压差较小状态，即第一MOS管M1源漏端压差较小，若极限电流Ilimited较小时，输出电流IOUT较大的话易使限流保护电路1打开，此时通过减小片外限流电阻RPCL使流过第八MOS管M8的电流增加，使极限电流Ilimited增加以便在输出电流IOUT较大时限流保护电路1能够正常输出。通过线性调节片外限流电阻RPCL可以得到较大范围线性连续的极限电流Ilimited，以满足限流保护电路1工作在不同输入-输出压差状态的需求。
在上述的实施例一中仅仅采用单管电流镜像，存在一定的失调电流和较差的电源电压抑制比的风险。当流过作为功率管的第一MOS管M1的电流较小，不需要限流保护时，限流保护电路1仍然需要接片外限流电阻RPCL,因为如无片外限流电阻RPCL,电流IRPCL为0A，这会使限流保护电路1会启动导致电路无法正常工作。鉴于以上可能出现的风险，在实施例一的基础上进行进一步的改进，获得如下所述的实施例二的方案。
本发明的实施例二如图3所示，所述芯片上的限流保护电路1在实施例一的基础上设置了接在第六MOS管M6的源级与电源地端之间的第九MOS管M9、接在第七MOS管M7的源级与电源地端之间的第十MOS管M10、接在第四MOS管M4的源级与电源电压之间的第十一MOS管M11、接在第五MOS管M5的源级与电源电压之间的第十二MOS管M12以及第二电流源I2。所述第九MOS管M9的栅极分别与自身的漏极、第六MOS管M6的源级以及第十MOS管M10的栅极相连；第十MOS管M10的漏极与第七MOS管M7的源级相连；第十一MOS管M11的栅极分别与第十二MOS管M12的栅极、第十二MOS管M12的漏极以及第五MOS管M5的漏极相连，第十一MOS管M11的漏极与第四MOS管M4的源级相连；第十二MOS管M12的栅极分别与自身的漏极以及第五MOS管M5的源级相连；第二电流源I2的输入端与第八MOS管M8的漏极以及运算放大器A1的负输入端相连；第九MOS管M9的源极与第十MOS管M10的源极分别接电源地端；第十一MOS管M11的源级和第十二MOS管M12的源级分别接电源电压。所述第九MOS管M9和第十MOS管M10均为NMOS管；第十一MOS管M11和第十二MOS管M12均为PMOS管。
实施例二的主要思想是在实施例一的基础上使可调节限流保护电路精度更高、使用更加简便。
实施例二所述的可调节限流保护电路的具体工作原理如下：
第四MOS管M4、第十一MOS管M11和第七MOS管M7、第十MOS管M10构成了cascode结构作为采样电流Isample和极限电流Ilimited的电流比较器，该结构具有更好的电流镜像和比较，同时具有更好的电源电压抑制比。第二电流源I2的引入使min(IRPCL)＝I2和min(Ilimited)＝M×I2。当流过第一MOS管M1的电流较小，无需限流保护功能时，不接片外限流电阻RPCL能即可使限流保护电路1正常工作，使限流保护电路1的使用更加简便。
本发明是由片外的限流电阻RPCL决定极限电流Ilimited的大小，当流过作为功率管的第一MOS管的输出电流Iout较小使采样电流Isample小于极限电流Ilimited时，作为开关管的第二MOS管M2处于截止状态，限流保护电路1未启动。当流过第一MOS管的输出电流Iout较大使采样电流Isample大于极限电流Ilimited时，第二MOS管M2处于导通状态，限流保护电路1启动使第一MOS管截止，输出电流Iout减小起到保护整个电路的作用。通过调节片外限流电阻RPCL来调节极限电流Ilimited，与采样电流Isample相比较来控制第二MOS管M2导通或关断，从而控制限流保护电路1的打开或关断。
通过上述实施例一和实施例二，可见本发明所述的可调节限流保护电路具有结构简单、灵活方便、实用性强的特点。
在本发明中，“连接”、“相连”、“连”等表示电性相连的词语，如无特别说明，则表示直接或间接的电性连接。上述的所有电阻的第一端和第二端均是按照电流的流经方向定义的，电流首先经过电阻的一端为第一端，另一端就为第二端。
如上所述，我们完全按照本发明的宗旨进行了说明，但本发明并非局限于上述实施例和实施方法。相关技术领域的从业者可在本发明的技术思想许可的范围内进行不同的变化及实施。

Claims (4)

1.一种可调节限流保护电路，包括芯片上的限流保护电路（1）和芯片外的二端元器件（2）,其特征在于：所述限流保护电路（1）包括误差放大器、第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管、第五MOS管、第六MOS管、第七MOS管、第八MOS管、第九MOS管、第十MOS管、第十一MOS管、第十二MOS管、运算放大器、第一电流源以及第二电流源；所述误差放大器的正输入端接反馈电压，负输入端接第一基准电压，输出端连接第一MOS管的栅极；所述第一MOS管的栅极还分别与第二MOS管的漏极和第三MOS管的栅极相连，第一MOS管的漏极接第一电流源的输入端；第二MOS管的漏极与第三MOS管的栅极相连，第二MOS管的栅极分别与第四MOS管的漏极和第七MOS管的漏极相连；第三MOS管的漏极分别与第六MOS管的漏极、第六MOS管的栅极以及第七MOS管的栅极相连；第四MOS管的栅极分别与第五MOS管的栅极、第五MOS管的漏极以及第八MOS管的漏极相连，第四MOS管的漏极与第七MOS管的漏极相连；第五MOS管的栅极分别与自身的漏极和第八MOS管的漏极相连；第六MOS管的栅极分别与自身的漏极和第七MOS管的栅极相连；运算放大器的正输入端与第二基准电压相连，负输入端与第八MOS管的源极相连，输出端与第八MOS管的栅极相连；
所述第九MOS管接在第六MOS管的源极与电源地端之间，所述第九MOS管的栅极分别与自身的漏极、第六MOS管的源极以及第十MOS管的栅极相连，第九MOS管的源极与第十MOS管的源极分别接电源地端；
所述第十MOS管接在第七MOS管的源极与电源地端之间，第十MOS管的漏极与第七MOS管的源极相连；
所述第十一MOS管接在第四MOS管的源极与电源电压之间，第十一MOS管的栅极分别与第十二MOS管的栅极、第十二MOS管的漏极以及第五MOS管的源极相连，第十一MOS管的漏极与第四MOS管的源极相连，第十一MOS管的源极接电源电压；
所述第十二MOS管接在第五MOS管的源极与电源电压之间，第十二MOS管的栅极分别与自身的漏极以及第五MOS管的源极相连，第十二MOS管的源极接电源电压；
第二电流源的输入端与第八MOS管的源极以及运算放大器的负输入端相连；第一MOS管的源极、第二MOS管的源极、第三MOS管的源极分别连接电源电压；第一电流源的输出端和第二电流源的输出端分别连接电源地端；
所述二端元器件（2）自芯片外部与限流保护电路（1）相接，所述二端元器件（2）的第一端分别与运算放大器的负输入端以及第八MOS管的源极相连，所述二端元器件（2）的第二端连接电源地端。
2.根据权利要求1所述的一种可调节限流保护电路，其特征在于：所述第一MOS管至第五MOS管均为PMOS管，第六MOS管至第八MOS管均为NMOS管。
3.根据权利要求1所述的一种可调节限流保护电路，其特征是：所述二端元器件（2）为片外限流电阻。
4.根据权利要求1所述的可调节限流保护电路，其特征在于：所述第九MOS管和第十MOS管均为NMOS管；第十一MOS管和第十二MOS管均为PMOS管。
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