CN114967830A - 限流电路、芯片及电子设备 - Google Patents

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CN114967830A CN202210530609.4A CN202210530609A CN114967830A CN 114967830 A CN114967830 A CN 114967830A CN 202210530609 A CN202210530609 A CN 202210530609A CN 114967830 A CN114967830 A CN 114967830A
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石磊
王云
张建华
薛静
王明照
李荣荣
陆超
郑凯华
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Zhongke Saifei Guangzhou Semiconductor Co ltd
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Abstract

本申请提出一种限流电路、芯片及电子设备，该限流电路包括电流源、电压输出端、第一运算放大器、第一电流镜及稳压模块；第一运算放大器的输入端分别连接电压输出端的分压节点和参考电压源，第一运算放大器的输出端通过第一电流镜接入电流源，并将电流传输至稳压模块；稳压模块的输入端连接第一运算放大器，输出端连接电压输出端，并接入第一电压源和浮地电压，使第一电压源的电压小于或等于第一预设阈值时，稳压模块为放大状态，对接入的电流进行指定倍数的放大。本申请利用高压浮地，通过双环路负反馈的控制的方式实现电路的高精度限流作用。

Description

限流电路、芯片及电子设备
技术领域
本申请涉及限流电路技术领域，具体涉及一种限流电路、芯片及电子设备。
背景技术
在集成电路的应用中，尤其是汽车芯片领域，如汽车电源模块、引擎控制模块、车身控制模块，在进行高压电源、多电压域设计、低压差(low-dropout)等场景下，通常需要对电路中的电流进行较高精度地限制，以实现电路的稳定性。
发明内容
本申请提出一种限流电路、芯片及电子设备，利用高压浮地，通过双环路负反馈的控制的方式，实现电路的高精度限流作用。
本申请第一方面实施例提出了一种限流电路，包括电流源、电压输出端、第一运算放大器、第一电流镜及稳压模块；
所述第一运算放大器的输入端分别连接所述电压输出端的分压节点和所述参考电压源，所述第一运算放大器的输出端通过第一电流镜接入所述电流源，并将电流传输至所述稳压模块；
所述稳压模块的输入端连接所述第一运算放大器，输出端连接所述电压输出端，并接入第一电压源和浮地电压，使所述第一电压源的电压小于或等于第一预设阈值时，所述稳压模块为放大状态，对接入的电流进行指定倍数的放大。
在本申请一些实施例中，所述稳压模块包括第二运算放大器、第三MOS管、第四MOS管及第五MOS管；
所述第四MOS管和所述第五MOS管的源极分别与第一电压源连接，所述第四MOS管和所述第五MOS管的漏极分别与所述第二运算放大器的输入端连接，所述第四MOS管的栅极和所述第五MOS管的栅极连接，所述第四MOS管的栅极还与所述第三MOS管的漏极连接；
所述第二运算放大器的输入端还与所述电压输出端连接，所述第二运算放大器的输出端连接所述第三MOS管的栅极，且所述第二运算放大器连接所述浮地电压。
在本申请一些实施例中，所述稳压模块还包括第一补偿器件，所述第一补偿器件的一端连接所述第五MOS管的源极，另一端连接所述第二运算放大器的输出端。
在本申请一些实施例中，还包括第六MOS管和第七MOS管，所述第六MOS管与所述第一运算放大器连接，所述第七MOS管与所述稳压模块连接，所述第六MOS管和所述第七MOS管构成第三电流镜，对流经的电流进行放大后传输至所述稳压模块。
在本申请一些实施例中，所述第六MOS管和所述第七MOS管均为N型MOS管，所述第六MOS管的源极和所述第七MOS管的源极分别接地。
在本申请一些实施例中，该限流电路还包括N型的第八MOS管，所述第八MOS管的栅极连接偏置电压，源极连接所述第七MOS管，漏极连接所述第四MOS管的栅极。
在本申请一些实施例中，该限流电路还包括三极管，所述三极管的基极与所述第一运算放大器的输出端连接，发射极与所述第六MOS管的栅极和所述第七MOS管的栅极连接，集电极与所述第一电流镜连接。
在本申请一些实施例中，该限流电路还包括第二补偿器件，所述第二补偿器件的一端与所述第一运算放大器的输出端连接，另一端接地。
本申请第二方面的实施例提供了一种芯片，所述芯片上集成有如第一方面所述的限流电路。
本申请第三方面的实施例提供了一种电子设备，包括控制模块，所述控制模块应用第二方面所述的芯片。
本申请实施例中提供的技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本申请实施例提供的限流电路，第一运算放大器的输入端分别连接电压输出端的分压节点和参考电压源，并将电流传输至稳压模块，稳压模块的输入端连接第一运算放大器，输出端连接电压输出端，并接入第一电压源和浮地电压，使得第一电压源的电压小于或等于第一预设阈值时，稳压模块可以为放大状态，对接入的电流进行指定倍数的放大。如此，第一运算放大器和稳压模块等可组成一个负反馈电路，根据运算放大器的原理，对输出电压VOUT的值进行调节，从而可以起到稳定输出电压VOUT的作用，继而可以得到精度更高的电流。且在稳压模块浮地的情况下，可以减少外部元件对电路的干扰，可进一步提高输出电压的稳定性及电流的精度。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本申请的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。
在附图中：
图1示出了本申请实施例提供的一种限流电路的结构示意图；
图2示出了本申请实施例提供的另一种限流电路的结构示意图；
图3示出了本申请实施例提供的稳压模块的结构示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本申请的示例性实施方式。虽然附图中显示了本申请的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本申请而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本申请，并且能够将本申请的范围完整的传达给本领域的技术人员。
需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所属领域技术人员所理解的通常意义。
下面结合附图来描述根据本申请实施例提出的一种限流电路、芯片及电子设备。
请参照图1，为本实施例提供的限流电路，如图1所示，该电路包括电流源、电压输出端、第一运算放大器、第一电流镜及稳压模块。
上述第一运算放大器的输入端分别连接电压输出端的分压节点和参考电压源，第一运算放大器的输出端通过第一电流镜接入电流源，并将电流传输至稳压模块。稳压模块的输入端连接第一运算放大器，输出端连接电压输出端，并接入第一电压源和浮地电压，使第一电压源的电压小于或等于第一预设阈值时，稳压模块为放大状态，对接入的电流进行指定倍数的放大。
本实施例提供的限流电路，第一运算放大器的输入端分别连接电压输出端的分压节点和参考电压源，并将电流传输至稳压模块，稳压模块的输入端连接第一运算放大器，输出端连接电压输出端，并接入第一电压源和浮地电压，使得第一电压源的电压小于或等于第一预设阈值时，稳压模块可以为放大状态，对接入的电流进行指定倍数的放大。如此，第一运算放大器和稳压模块等可组成一个负反馈电路，根据运算放大器的原理，对输出电压VOUT的值进行调节，从而可以起到稳定输出电压VOUT的作用，继而可以得到精度更高的电流。且在稳压模块浮地的情况下，可以减少外部元件对电路的干扰，可进一步提高输出电压的稳定性及电流的精度。
其中，第一运算放大器的正向输入端接入参考电压源，反向输入端与电压输出端的分压节点连接。理论上，参考电压源等于该限流电路正常工作时电压输出端的分压节点上的电压。如图2所示，电压输出端依次与电阻R2和电阻R3连接，其中，电阻R3接地，电阻R2和电阻R3之间的分压节点与第一运算放大器连接。另外，第一运算放大器还包括两个供电端，一个连接供电电压VCC，另一个接地。
根据运算放大器的虚短特性(正常工作状态，其正向输入端和反向输入端电压相等)，fail限流电路的输出电压VOUT与第一运算放大器的参考电压VREF之间的关系为：VOUT＝VREF/R3·(R2+R3)。第一运算放大器工作过程中，由于接入的各项电压可能不是很稳定，导致输出电压VOUT可能会高于或低于上述VOUT的理论值，即VREF/R3·(R2+R3)的值。
本实施例中，第一运算放大器和稳压模块等可组成一个负反馈电路，当实际VOUT值比上述VOUT的理论值大时，根据运算放大器的原理，第一运算放大器会输出与反向输入相反的值，在本申请中即输出比实际VOUT值小的值；而当实际VOUT值比上述VOUT的理论值小时，根据运算放大器的原理，第一运算放大器会输出与反向输入相反的值，在本申请中即输出比实际VOUT值大的值。从而可以起到稳定输出电压VOUT的作用，继而可以得到精度更高的电流。
如图2所示，第一电流镜包括共源共栅的第一MOS管和第二MOS管。其中，第一MOS管的源极和第二MOS管的源极均与述供电电压VCC连接，第一MOS管的栅极和第二MOS管的栅极相连，并均与电流源IBIAS连接。
进一步地，如图2所示，该限流电路还包括三极管，该三极管的基极与第一运算放大器的输出端连接，发射极与下述的第六MOS管的栅极和第七MOS管的栅极连接，集电极与第一电流镜(具体为第二MOS管的漏极)连接。当第一运算放大器的输出电压使三极管导通时，可通过三极管将输出电压VOUT的变化传递给稳压模块。
于本实施例一些实施方式中，该稳压模块可以包括第二运算放大器、第三MOS管、第四MOS管及第五MOS管；第四MOS管和第五MOS管的源极分别与第一电压源连接，第四MOS管和第五MOS管的漏极分别与第二运算放大器的输入端连接，第四MOS管的栅极与第三MOS管的漏极连接；第四MOS管的栅极和第五MOS管的栅极连接，构成第二电流镜，且第二电流镜对电流进行指定倍数的放大。
第二运算放大器的输入端还与电压输出端连接，第二运算放大器的输出端连接第三MOS管的栅极，且第二运算放大器连接浮地电压。
如图2和图3所示，稳压模块包括第二运算放大器、第三MOS管、第四MOS管及第五MOS管，且第二运算放大器的正向输入端与输出电压VOUT连接，第二运算放大器的反向输入端与第四MOS管的漏极连接。而第四MOS管的源极与第一电压源电压VB连接，所以第四MOS管的漏极电压Vtr也与第一电压源电压VB正相关，即当第一电压源电压VB为高电压(或增大)时，第四MOS管的漏极电压也为高电压(增大)；当第一电压源电压VB为低电压(或减小)时，第四MOS管的漏极电压Vtr也为低电压(或减小)。第五MOS管与第四MOS管为共源共栅的电流镜，即，第五MOS管的源极也与第一电压源电压VB连接，第五MOS管的漏极与输出电压VOUT连接，第五MOS管的漏极电压与输出电压VOUT正相关。
如上，第二运算放大器、第三MOS管、第四MOS管及第五MOS管可构成一个负反馈电路(输出电压VOUT返回到第二运算放大器的正向输入端)，当第二运算放大器的正向输入端电压(输出电压VOUT)与反向输入端电压(第四MOS管的漏极电压Vtr)相等时，第五MOS管与第四MOS管作为电流镜正常工作，可以对流经的电流进行放大。且由于第二运算放大器浮地，可以减少外部元件对电路的干扰，可进一步提高输出电压的稳定性及电流的精度。
具体地，第二运算放大器的浮地电压VL可以等于VB-VOP，即第一电压源电压VB与低压器件(例如本实施例中下述的第六MOS管和第七MOS管)在高压井里的合适工作电压VOP的差值。其中，低压器件在高压井里的合适工作电压VOP的具体取值范围，可根据工艺不同进行不同设置，通常小于5.5V。
本实施例中，输出电压VOUT应用于汽车电源模块、引擎控制模块、多电压域设计等，其通常为较低的电压。所以，当第一电压源电压VB的电压比较低时，第四MOS管的栅极电压、漏极电压、第五MOS管的源极和第三MOS管的漏极电压均较低，第三MOS管工作在饱和区，第四MOS管的漏极电压Vtr可以和较低的输出电压VOUT相等，即第二运算放大器OPM2的正向输入电压和反向输入电压相等，第二运算放大器OPM2正常工作，第五MOS管与第四MOS管作为电流镜对流经的电流进行放大。此时，第一运算放大器OPM1由于反向输入端较低，则输出变高，使得电流镜放大后的电流能够传输。
而当第一电压源电压VB比较高时，第四MOS管的栅极电压、漏极电压、第五MOS管的源极和第三MOS管的漏极电压均较高，第五MOS管工作在饱和区，第四MOS管的漏极电压Vtr高于较低的输出电压VOUT。而第四MOS管的漏极电压Vtr高于较低的输出电压VOUT，即第二运算放大器OPM2的正向输入电压和反向输入电压不相等，第二运算放大器OPM2的输出电压为低电压，不能正常工作，第三MOS管栅极电压很低，即第三MOS管常通，工作在线性区，相当于一个阻抗可调的电阻。如此，在第一电压源电压VB较高时，第二运算放大器、第三MOS管、第四MOS管及第五MOS管构成的负反馈电路不能正常进行放大，第三MOS管工作在线性区，相当于一个电阻，增大了电流源结构的阻抗，从而可避免高电压对整体限流电路的影响，防止输出的电流值过大，从而保障该限流电路的电流精度。
进一步地，稳压模块还包括第一补偿器件，第一补偿器件的一端连接第五MOS管的源极，另一端连接第二运算放大器的输出端，用于提高反馈环路的稳定性。具体地，该补偿器件可以为电容，如图2和图3中的电容C2。
于本实施例一些实施方式中，该限流电路在稳压模块和三极管之间还可以设置第六MOS管和第七MOS管，第六MOS管与第一运算放大器连接，第七MOS管与稳压模块连接，第六MOS管和第七MOS管构成第三电流镜，对流经的电流进行放大后传输至稳压模块。第六MOS管和第七MOS管可与上述第一运算放大器和稳压模块共同构成上述的负反馈电路。
在实际应用中，该限流电路可能会连接一些低压器件，即第六MOS管的源极和第七MOS管的源极分别接地。此时，第六MOS管和第七MOS管可选择低压驱动的N型MOS管。
出于对第六MOS管和第七MOS管的保护，该限流电路还可以设置第八MOS管，该第八MOS管可以为抗高压的P型MOS管，其栅极连接偏置电压，源极可连接第七MOS管，漏极连接第四MOS管的栅极。
在三极管与第六MOS管之间还可以设置电阻R1，以对第六MOS管和第七MOS管的分压和流经的电流进行调解。
基于上述三组电流镜，假如电流源IBIAS通过第一MOS管和第二MOS管构成的第一电流镜，其镜像比例为K1，K1倍的IBAIS再通过第六MOS管和第七MOS管构成的第三电流镜，其镜像比例为K2，即对K1倍的IBAIS进一步放大K2倍，然后再通过第四MOS管和第五MOS管构成的第二电流镜，其镜像比例为K3，即对进一步放大K2倍K1倍的IBAIS，再进行K3倍的放大，因此最终的限流大小为：IBIAS*K1*K2*K3。其中，K1、K2及K3均可以时任意数，本领域技术人员可以根据想要达到的具体限流值决定。
具体地，上述第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管和第五MOS管均可以均为P型MOS管，以承载较高的工作电压。
于本实施例另一些实施方式中，该限流电路还可以包括第二补偿器件，第二补偿器件的一端与第一运算放大器的输出端连接，另一端接地。
如图2所示，第二补偿器件可以包括串联的电阻R4和电容C1，电阻R接地，电容C1可与第一运算放大器的输出端连接。通过设置该第二补偿器件，对负反馈环路的稳定性进行补偿。
需要说明的是，本实施例对上述第一运算放大器的具体电路结构、各电压的具体数值均不做具体限定，只要能够进行上述各自的功能即可。例如，上述第一运算放大器的正反向输入端可以互换。上述各MOS管的类型选择也不局限于上述方案，具体可根据供电电压VCC和第一电源电压VB的电压值确定。
基于上述限流电路相同的构思，本实施例还提供一种芯片，该芯片上集成有如上述任一实施方式的限流电路。
本实施例提供的芯片，基于上述模限流电路相同的构思，故至少能够实现上述限流电路能够实现的有益效果，在此不再赘述。
基于上述限流电路相同的构思，本实施例还提供一种电子设备，包括控制模块，该控制模块应用上述的芯片。
具体地，该电子设备可以是包括采用上述芯片制备的微控制单元(MCU)，以及使用该芯片的任意控制***(如汽车芯片及汽车控制***)等。
本实施例提供的电子设备，基于上述模限流电路相同的构思，故至少能够实现上述限流电路能够实现的有益效果，在此不再赘述。
应该注意的是上述实施例对本申请进行说明而不是对本申请进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本申请可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有说明，“多个”的含义是两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性及顺序。“垂直”并不是严格意义上的垂直，而是在误差允许范围之内。“平行”并不是严格意义上的平行，而是在误差允许范围之内。可将上述单词解释为名称。
下述描述中出现的方位词均为图中示出的方向，并不是对本申请的具体结构进行限定。在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
以上，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种限流电路，其特征在于，包括电流源、电压输出端、第一运算放大器、第一电流镜及稳压模块；
所述第一运算放大器的输入端分别连接所述电压输出端的分压节点和所述参考电压源，所述第一运算放大器的输出端通过第一电流镜接入所述电流源，并将电流传输至所述稳压模块；
所述稳压模块的输入端连接所述第一运算放大器，输出端连接所述电压输出端，并接入第一电压源和浮地电压，使所述第一电压源的电压小于或等于第一预设阈值时，所述稳压模块为放大状态，对接入的电流进行指定倍数的放大。
2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述稳压模块包括第二运算放大器、第三MOS管、第四MOS管及第五MOS管；
所述第四MOS管和所述第五MOS管的源极分别与第一电压源连接，所述第四MOS管和所述第五MOS管的漏极分别与所述第二运算放大器的输入端连接，所述第四MOS管的栅极和所述第五MOS管的栅极连接，所述第四MOS管的栅极还与所述第三MOS管的漏极连接；
所述第二运算放大器的输入端还与所述电压输出端连接，所述第二运算放大器的输出端连接所述第三MOS管的栅极，且所述第二运算放大器连接所述浮地电压。
3.根据权利要求2所述的电路，其特征在于，所述稳压模块还包括第一补偿器件，所述第一补偿器件的一端连接所述第五MOS管的源极，另一端连接所述第二运算放大器的输出端。
4.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，还包括第六MOS管和第七MOS管，所述第六MOS管与所述第一运算放大器连接，所述第七MOS管与所述稳压模块连接，所述第六MOS管和所述第七MOS管构成第三电流镜，对流经的电流进行放大后传输至所述稳压模块。
5.根据权利要求4所述的电路，其特征在于，所述第六MOS管和所述第七MOS管均为N型MOS管，所述第六MOS管的源极和所述第七MOS管的源极分别接地。
6.根据权利要求5所述的电路，其特征在于，还包括N型的第八MOS管，所述第八MOS管的栅极连接偏置电压，源极连接所述第七MOS管，漏极连接所述第四MOS管的栅极。
7.根据权利要求4所述的电路，其特征在于，还包括三极管，所述三极管的基极与所述第一运算放大器的输出端连接，发射极与所述第六MOS管的栅极和所述第七MOS管的栅极连接，集电极与所述第一电流镜连接。
8.根据权利要求1-7任一项所述的电路，其特征在于，还包括第二补偿器件，所述第二补偿器件的一端与所述第一运算放大器的输出端连接，另一端接地。
9.一种芯片，其特征在于，所述芯片上集成有如权利要求1-8任一项所述的限流电路。
10.一种电子设备，包括控制模块，其特征在于，所述控制模块应用权利要求9所述的芯片。
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