具有過電流保護功能的電源裝置的製作方法
2023-09-12 17:45:15 1
專利名稱：具有過電流保護功能的電源裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及對來自電池等電源的輸入電壓進行調整而生成規定的輸出電壓，同時進行過流限制的電源裝置。
背景技術：
以往，為了對輸入電壓進行調整而生成規定的輸出電壓並供給負載，同時將負載電流限制為規定值，採用串聯型的電源裝置(專利文獻1)。
在這種串聯型的電源裝置中，參照專利文獻1的圖1，在輸入端和輸出端之間設有控制電晶體P1，根據輸出電壓Vo和基準電壓Vref，用運算放大器OP1對該控制電晶體P1進行恆壓控制，以使輸出電壓Vo達到規定值，並供給負載Z1。設有用與對該控制電晶體P1的控制信號相同的控制信號同時控制的電流檢測用電晶體P2，檢測與輸出電流成正比的檢測電流值Vb。用比較器COMP1比較該檢測電流值Vb和規定的電流限制值Vref2，在檢測電流值超過電流限制值時，產生比較輸出，從而使控制電晶體P1截止。
(日本)特開2003-173211號公報在以往的專利文獻1的電源裝置中，將由輸入電壓生成的規定的輸出電壓供給負載，並可以在負載端短路等的故障時也將過大的輸出電流限制在規定值。
但是，在以往的專利文獻1的電源裝置中，在檢測電流值超過電流限制值時產生比較輸出而使控制電晶體截止。因此，在大負載時等的輸出電壓即使比規定電壓低也可以的情況下，就不能向負載供給超過了電流限制值的輸出電流。此外，過流限制動作的增益高，所以輸出電壓-輸出電流特性中的電壓陡降(陡降特性)陡峭。由此，容易在電流限制時引起振蕩。
而且，在以往的專利文獻1的電源裝置中，用與控制電晶體相同的控制信號同時控制電流檢測用電晶體，所以不能將過流限制動作與控制電晶體的控制動作進行區別來控制。
發明內容
因此，本發明的目的在於，在對輸入電壓進行調整而生成規定的輸出電壓並供給負載，同時將負載電流限制為規定值的、串聯型電源裝置和在串聯型中同時使用電荷泵型升壓電路的電源裝置中，還可穩定供給超過了電流限制值的負載電流，並抑制電流限制時的振蕩狀態。
本發明的一種方案涉及電源裝置。該電源裝置包括控制電晶體，受電壓控制信號控制，調整輸入電壓而將輸出電壓輸出；恆壓控制電路，被輸入規定的電壓基準值和對應於輸出電壓的電壓檢測值，根據電壓基準值和電壓檢測值之差而生成電壓控制信號；電流檢測電阻，設置在控制電晶體的電流路徑上；電流檢測電路，生成對應於電流檢測電阻的電壓降的電流檢測值；以及超過信號形成電路，被輸入電流檢測值和規定的電流限制基準值，生成與電流檢測值超過了電流基準值的部分對應的超過信號，並根據該超過信號來控制電壓控制信號。
根據該方案，產生與電流檢測值超過了電流基準值的部分對應的超過信號，並根據這種超過信號來控制電壓控制信號，從而使過流限制動作中的陡降特性平緩。由此，與以往那樣的陡峭的陡降特性不同，即使大負載時等的輸出電壓比規定電壓低也可以的情況下，可以穩定供給超過了電流限制值的負載電流。
本發明的另一方案也為電源裝置。該電源裝置包括控制電晶體，受電壓控制信號控制，調整輸入電壓而輸出調整電壓；電荷泵型升壓電路，被輸入調整電壓，將該調整電壓升壓而將輸出電壓輸出；恆壓控制電路，被輸入規定的電壓基準值和對應於輸出電壓的電壓檢測值，根據電壓基準值和電壓檢測值之差而生成電壓控制信號；電流檢測電阻，設置在控制電晶體的電流路徑上；電流檢測電路，生成對應於電流檢測電阻的電壓降的電流檢測值；以及超過信號形成電路，被輸入電流檢測值和規定的電流限制基準值，生成與電流檢測值超過了電流基準值的部分對應的超過信號，並根據該超過信號來控制電壓控制信號。
根據該方案，將包含了調整輸入電壓而輸出調整電壓的控制電晶體的串聯調節器、以及將該調整電壓升壓而將輸出電壓輸出的電荷泵型升壓電路串聯連接，並控制串聯調節器而使其輸出電壓為恆壓，同時將串聯調節器的主電路電流(不是來自電荷泵型升壓電路的輸出電流)作為電流限制的對象。由此，可以將輸出電壓以恆壓進行控制，同時可以保護串聯調節器過流。此外，在來自電池電源的輸入電壓下降的情況下，也可以從電荷泵型升壓電路輸出規定的輸出電壓。
超過信號生成電路也可以根據超過信號，使電壓控制信號向控制電晶體截止的方向偏移。這種情況下，在電流檢測值超過電流基準值時，由於控制電晶體在截止方向上受到控制，所以可以降低輸出電壓。
恆壓控制電路也可以包括將電壓基準值和電壓檢測值之差放大的第1差動放大電路；以及受該第1差動放大電路的輸出控制，產生電壓控制信號的產生電壓控制信號用電晶體。
電流檢測電路也可以包括在電流檢測電阻的一端和基準電位點之間串聯順序連接的第1電阻、變換用電晶體、第2電阻；以及將第1電阻和變換用電晶體的連接點與電流檢測電阻的另一端的電位差作為輸入信號，用其輸出信號對變換用電晶體進行控制的運算放大器，並將第2電阻的電壓降作為電流檢測值。這種情況下，在第1電阻、變換用電晶體、第2電阻中，流過與電流檢測電阻中流過的電流對應的電流，所以可將該電流通過第2電阻進行電壓變換而生成電壓檢測值。
超過信號形成電路也可以包括將電壓檢測值和電流限制基準值之差放大，並產生超過信號的第2差動放大電路；以及產生超過信號規定係數倍的鏡像電流超過信號的鏡像電路，並根據鏡像電流超過信號而對電壓控制信號進行控制。此外，通過調整鏡像電路的規定係數倍，也可以設定相對於超過信號的鏡像電流超過信號的大小。
這種情況下，通過鏡像電流比的調節，可以調節電壓控制信號的控制程度，可以調節電源裝置的電流電壓特性(陡降特性)。而且，通過可設定係數的鏡像電路等來調整過流限制動作中的陡降特性的平緩程度，所以可以使電流限制動作造成的振蕩裕度等合適。
也可以將恆壓控制電路、電流檢測電路、超過信號形成電路設置在一個IC內，同時將電流檢測電阻和控制電晶體設置在IC的外部。此外，也可以將電荷泵型升壓電路、恆壓控制電路、電流檢測電路、超過信號形成電路設置在一個IC內，同時將電流檢測電阻和控制電晶體設置在IC的外部。
通過將電流檢測電阻和控制電晶體設置在外部，電阻值等的調節容易，可以根據負載來調整電流限制值，而不變更IC。
本發明的另一方式為電子裝置。這種電子裝置包括電池；發光元件；以及將電池的電壓作為輸入電壓，而將驅動電壓供給發光元件的電源裝置。
根據這種方式，可以向發光元件供給超過了電流限制值的電流，可以抑制此時的振蕩。
應該指出，上述結構部件的任意組合或重新排布等都是有效的，並被本發明實施方式所包含。
此外，本發明的發明內容不必論述所有必要特徵，以致本發明也可以具有這些論述特徵的子組合。
圖1是表示本發明實施例的電源裝置的結構的圖。
圖2是表示圖1的電源裝置的電壓-電流特性的圖。
圖3是表示搭載了圖1的電源裝置的電子裝置的結構方框圖。
具體實施例方式
以下，根據優選實施方式來說明本發明，這些優選實施方式不是限定本發明的範圍而是例示本發明。實施方式中論述的所有特徵和其組合，對於本發明並不是必需的。
以下，參照附圖來說明本發明的電源裝置的實施例。圖1是表示本發明實施例的電源裝置200的結構的圖。圖2是表示圖1的電源裝置的電壓-電流特性、即輸出電壓Vout和主迴路電流I1之間關係的圖。圖3是表示搭載了圖1的電源裝置200的電子裝置300的結構方框圖。
圖3的電子裝置300例如為攜帶電話終端。該電子裝置300包括電源裝置200；電池202；LED204；恆流電路206；控制部208。
電池202輸出電池電壓Vbat。電源裝置200將電池電壓Vbat升壓，並將驅動電壓Vout輸出到LED204的陽極。恆流電路206被設置在LED204的陽極和地之間，生成流過LED204的恆定電流，並使LED204以期望的亮度發光。控制部208是統一控制電子裝置300整體的塊。恆流電路206根據控制部208指示的電流值來生成恆定電流，並控制LED204的亮度。LED204例如被設置作為液晶板的背光、被叫時點亮而使用戶知道被叫的發光裝置。
返回到圖1。電源裝置200包括電流檢測電阻11；主控制電晶體12；IC100；平滑電容器13、14。該電源裝置200將電池電壓Vbat升壓而輸出規定的輸出電壓Vout。
在圖1，電流檢測電阻11產生與流過它的主迴路電流I1對應的電壓降V1。該電流檢測電阻11採用低電阻值R1的電阻，以便減少損耗。例如，R1為0.05Ω就可以，作為IC的外裝部件而形成，從而可根據期望的電流限制值而調整為合適的電阻值。
主控制電晶體12是串聯型調節器的控制元件，在本例子中採用P型MOS場效應電晶體(以下，稱為PMOS電晶體)。作為主控制電晶體12，也可以是NMOS電晶體或PNP型雙極電晶體(以下，稱為PNP電晶體)或NPN型雙極電晶體(以下，稱為NPN電晶體)等其他控制元件。
該主控制電晶體12串聯連接到電流檢測電阻11，導通度受電壓控制信號Svc控制，調整來自電池電源等的輸入電壓Vbat而輸出調整電壓Vcp。輸入電壓Vbat在由電池電源供給的情況下，不能避免電壓值在某個範圍內變化，例如在3.0～4.5V左右的範圍內變化。平滑電容器13隨著由電荷泵型升壓電路20升壓主控制電晶體12的調整電壓Vcp而降低主迴路電流I1等的變動。
在本實施例，由電荷泵型升壓電路20升壓調整電壓Vcp而將輸出電壓Vout(例如，規定的輸出電壓值為4.75V)輸出。
眾所周知，該電荷泵型升壓電路20具有將由開關(或二極體)和電容器構成的電荷泵組件串聯多個的電荷泵部件。隨著該電荷泵動作，升壓電路20的輸入端和輸出端的電流和電壓產生變動。輸入端的變動被平滑電容器13吸收，輸出端的變動被IC外裝的平滑電容器14吸收。
在IC100中，除了該電荷泵型升壓電路20以外，還包括用於將輸出電壓Vout分壓而獲得電壓檢測值Vdetv的分壓電阻21、22；產生電壓控制信號Svc的恆壓控制電路30；產生與主迴路電流I1成正比的電流檢測值Vdeti的電流檢測電路40；以及產生與超過了電流限制值Ip(電流限制基準值Vrefi)的超過電流(超過信號)I3對應的鏡像超過電流(拔取電流)I4的超過電流形成電路50。由電流檢測電路40和超過電流形成電路50構成電流限制控制電路。P1～P5是IC100的端子。
恆壓控制電路30具有差動放大電路，該差動放大電路輸入電壓基準值Vref和電壓檢測值Vdetv，產生與這些電壓基準值Vrefv和電壓檢測值Vdetv之差對應的電流信號Ivc。該差動放大電路向連接在主控制電晶體12的柵極和地之間的NPN電晶體31的基極供給電流信號Ivc。在主控制電晶體12的柵極和施加了輸入電壓Vbat的端子P1之間連接電阻37。因此，電壓控制信號Svc根據電流信號Ivc而產生變化，主控制電晶體12被控制。
該差動放大電路包括構成差動對的PMOS電晶體33、34；以及構成電流鏡負載的NPN電晶體35、36及供給尾隨(tail)電流的恆流源電路32。在PMOS電晶體34的柵極上，施加電壓基準值Vrefv，在PMOS電晶體33的柵極上施加電壓檢測值Vdetv。在PMOS電晶體33、34的源極上，連接恆流源電路32。而在PMOS電晶體33、34的漏極上，分別連接NPN電晶體35、36。從PMOS電晶體33和NPN電晶體35的串聯連接點，輸出將電壓基準值Vrefv和電壓檢測值Vdetv的誤差放大所獲得的電流信號Ivc。
電流檢測電路40在電流檢測電阻11的一端(輸入電壓Vbat點)和基準電位點(地)之間，將第1電阻41(電阻值R2)和變換用電晶體42(PNP電晶體)及第2電阻44(電阻值R3)以這種順序串聯連接。第1電阻41和變換用電晶體42的連接點連接到運算放大器43的非反轉輸入端子，電流檢測電阻11的另一端連接到反轉輸入端子。即，由於運算放大器43作為理想放大器來動作，所以其兩個輸入間的電壓V0通過反饋而接近零。由此，第1電阻41的電壓降V2(＝I2·R2)與電流檢測電阻11的電壓降V1(＝I1·R1)相等。
檢測電流I2是I2＝I1·(R1/R2)。將電阻值R2例如設為5kΩ時，在主迴路電流I1為740mA時，檢測電流I2為7.4μA。該檢測電流I2流過第2電阻44，產生電流檢測值Vdeti。在電阻值R3例如為50kΩ時，電流檢測值Vdeti為0.37V。
在超過電流形成電路50上，輸入電流檢測值Vdeti和規定的電流限制基準值Vrefi，由差動放大電路產生與電流檢測值Vdeti超過了電流限制基準值Vrefi的部分對應的超過電流I3。
該差動放大電路包括構成差動對的PNP電晶體52、53；構成電流鏡負載的NPN電晶體54、55；供給尾隨電流的恆流源電路51。在PNP電晶體52、53的柵極上分別施加電流檢測值Vdeti、電流限制基準值Vrefi。在PNP電晶體52、53的發射極上，連接恆流源電路51。而在PNP電晶體52、53的集電極上，分別連接NPN電晶體54、55的集電極。該差動放大電路對電流檢測值Vdeti、電流限制基準值Vrefi進行差動放大，並從PNP電晶體53和NPN電晶體55的串聯連接點輸出超過電流I3。
此外，包括電流鏡電路(56～59)，這些電路將該超過電流I3作為電流鏡輸入電流(電流鏡元電流)，並將該超過電流通過規定係數K而形成了K倍的電流鏡輸出電流(電流鏡目的地電流)作為鏡像電流超過電流(拔取電流)I4來產生。
該電流鏡電路具有集電極和基極連接的輸入超過電流I3的電流鏡輸入端(電流鏡目的地)的NPN電晶體56；以及基極連接到NPN電晶體56的基極、流過與電流鏡比對應的電流的多個電流鏡輸出端(電流鏡目的地)的NPN電晶體57、58、59。NPN電晶體57、58、59通過微調等可獨立地斷路各自的電流路徑。
在本例子中，作為電流鏡輸出端的NPN電晶體，準備三個電晶體，將其中的兩個NPN電晶體57、58的發射極並聯連接而產生鏡像電流超過電流I4，將一個電晶體59的集電極開路。
這樣，準備多個電流鏡輸出端電晶體，以並聯連接來調整其中的所需數，從而可以在IC中調整電流鏡比。
NPN電晶體57～59的集電極連接到恆壓控制電路30的NPN電晶體31的基極。其結果，NPN電晶體31的基極電流成為從恆壓控制電路30中生成的電流信號Ivc中拔取由超過電流形成電路50生成的鏡像電流超過電流I4的電流。
由此，可以根據需要來調整輸出電壓Vout-主迴路電流I1的陡降特性的斜率。此外，即使因調整恆流源電路51的恆流值而變更超過電流I3，也可以調整輸出電壓Vout-主迴路電流I1的陡降特性的斜率。
參照圖2來說明以上電源裝置的動作。電荷泵型升壓電路20將輸入的調整電壓Vcp升壓到規定倍數，用平滑電容器14進行平滑而作為輸出電壓Vout輸出。
電荷泵型升壓電路20的規定倍數(升壓比)因內部的電壓降而不是一定值。但是，將對輸出電壓Vout進行了分壓的電壓檢測值Vdetv與電壓基準值Vrefv進行比較，為了使其差為零，主控制電晶體12受電壓控制信號Svc的控制。由此，即使升壓電路20內部的電壓降變動，輸出電壓Vout也受到恆壓控制而為規定的一定值(規定值)。
在主迴路電流I1達到由電流限制基準值Vrefi規定的電流限制值Ip之前，不產生鏡像電流超過電流I4，所以電壓控制信號Svc只由恆壓控制電路30的動作來決定。因此，進行恆壓控制，以使輸出電壓Vout為規定值。
在負載增加(大負載)，負載端發生短路故障時，輸出電流Iout增加，作為結果，主迴路電流I1增加。
在主迴路電流I1增加，超超過電流限制值Ip(電流限制基準值Vrefi)時，根據該超過的部分而產生超過電流I3，並產生將其通過規定係數K形成K倍的鏡像電流超過電流I4。該鏡像電流超過電流I4被從電流信號Ivc中拔取。
由此，產生電壓控制信號用的NPN電晶體31的導通度變小。NPN電晶體31中流過的電流通過電阻37來供給，所以電阻37的電壓降變小，電壓控制信號Svc上升。此時，由於主控制電晶體12的柵極-源極間電壓變小，所以主控制電晶體12的導通度降低，該部分的調整電壓Vcp下降。隨著該調整電壓Vcp的下降，輸出電壓Vout也下降。
如圖2的輸出電壓Vout-主迴路電流I1的特性所示，主迴路電流I1超過了電流限制值Ip(電流限制基準值Vrefi)範圍的輸出電壓Vout的陡降特性的斜率是平緩的。因此，即使是主迴路電流I1超過了電流限制值Ip的範圍，儘管輸出電壓Vout下降，也可以根據下降的輸出電壓Vout而繼續穩定供給輸出電壓Vout。
因而，由於輸出電壓Vout的陡降特性的斜率是平緩的，與以往的電源裝置有所不同，重複進行超過電流的產生-輸出電流的停止，即可以抑制陷入到振蕩狀態。
而且，通過可設定係數K的鏡像電路、恆流源電路51來調整超過電流限制動作中的陡降特性的平緩程度，從而可以使電流限制動作造成的振蕩裕度等合適。
此外，在輸入電壓Vbat因電池電源等的消耗而下降的情況下，根據其下降的長度來控制主控制電晶體12的導通度，進行可輸出規定的輸出電壓Vout的恆壓動作。
例如，在主控制電晶體12達到飽和狀態的情況下，輸出將此時的電壓用電荷泵型升壓電路20升壓過的輸出電壓Vout。
此外，將電流檢測電阻11串聯連接到串聯調節器的主控制電晶體12來進行超過電流檢測，所以可與恆壓控制電路30產生的電壓控制信號獨立地進行電流限制控制電路的電流限制動作。這種電流限制動作，即使在主控制電晶體12達到飽和狀態的情況下，也可以根據規定的電流限制值Ip來進行。
而且，將電流檢測電阻11外裝在IC100的外部，所以可以根據被連接的負載來調整電流限制值Ip，而不變更IC100的結構。
在以上的實施例中，說明了包括電荷泵型升壓電路20，但本發明也可以作為從實施例1除去電荷泵型升壓電路20的串聯型的電源裝置而構成。
權利要求
1.一種電源裝置，其特徵在於，包括控制電晶體，受電壓控制信號控制，調整輸入電壓而將輸出電壓輸出；恆壓控制電路，被輸入規定的電壓基準值和對應於所述輸出電壓的電壓檢測值，根據所述電壓基準值和所述電壓檢測值之差而生成電壓控制信號；電流檢測電阻，設置在所述控制電晶體的電流路徑上；電流檢測電路，生成對應於所述電流檢測電阻的電壓降的電流檢測值；以及超過信號形成電路，被輸入所述電流檢測值和規定的電流限制基準值，生成與所述電流檢測值超過了所述電流限制基準值的部分對應的超過信號，並根據該超過信號來控制所述電壓控制信號。
2.一種電源裝置，其特徵在於，包括控制電晶體，受電壓控制信號控制，調整輸入電壓而輸出調整電壓；電荷泵型升壓電路，被輸入所述調整電壓，將該調整電壓升壓而將輸出電壓輸出；恆壓控制電路，被輸入規定的電壓基準值和對應於所述輸出電壓的電壓檢測值，根據所述電壓基準值和所述電壓檢測值之差而生成電壓控制信號；電流檢測電阻，設置在所述控制電晶體的電流路徑上；電流檢測電路，生成對應於所述電流檢測電阻的電壓降的電流檢測值；以及超過信號形成電路，被輸入所述電流檢測值和規定的電流限制基準值，生成與所述電流檢測值超過了所述電流限制基準值的部分對應的超過信號，並根據該超過信號來控制所述電壓控制信號。
3.如權利要求1或2所述的電源裝置，其特徵在於，所述超過信號生成電路，根據所述超過信號，使所述電壓控制信號向所述控制電晶體截止的方向偏移。
4.如權利要求1或2所述的電源裝置，其特徵在於，所述恆壓控制電路包括將所述電壓基準值和所述電壓檢測值之差放大的第1差動放大電路；以及受該第1差動放大電路的輸出控制，產生所述電壓控制信號的產生電壓控制信號用電晶體。
5.如權利要求1或2所述的電源裝置，其特徵在於，所述電流檢測電路包括在所述電流檢測電阻的一端和基準電位點之間串聯連接的第1電阻、變換用電晶體、第2電阻；以及將所述第1電阻和所述變換用電晶體的連接點與所述電流檢測電阻的另一端的電位差作為輸入信號，並用其輸出信號來控制所述變換用電晶體的運算放大器，將所述第2電阻的電壓降作為所述電流檢測值。
6.如權利要求1或2所述的電源裝置，其特徵在於，所述超過信號生成電路包括將所述電流檢測值和所述電流限制基準值之差放大，並產生所述超過信號的第2差動放大電路；以及產生所述超過信號的規定係數倍的鏡像超過信號的鏡像電路，通過所述鏡像超過信號來控制所述電壓控制信號。
7.如權利要求6所述的電源裝置，其特徵在於，通過調整所述鏡像電路的規定係數倍，設定相對於所述超過信號的所述鏡像超過信號的大小。
8.如權利要求1所述的電源裝置，其特徵在於，將所述恆壓控制電路、所述電流檢測電路、超過信號形成電路設置在一個IC內，同時將所述電流檢測電阻和所述控制電晶體設置在所述IC的外部。
9.如權利要求2所述的電源裝置，其特徵在於，將所述電荷泵型升壓電路、所述恆壓控制電路、所述電流檢測電路、超過信號形成電路設置在一個IC內，同時將所述電流檢測電阻和所述控制電晶體設置在所述IC的外部。
10.一種電子裝置，其特徵在於，包括電池；發光元件；以及將所述電池的電壓作為輸入電壓，從而向所述發光元件供給驅動電壓的權利要求1或2所述的電源裝置。
全文摘要
提供一種電源裝置。在同時採用串聯型和電荷泵型升壓電路的電源裝置中，使過流限制動作中的陡降特性平緩，從而可穩定供給超過了電流限制值的負載電流，並抑制電流限制時的振蕩狀態。將輸出調整電壓的串聯調節器、以及將該調整電壓升壓而將輸出電壓輸出的電荷泵型升壓電路串聯連接，並控制串聯調節器而使輸出電壓為恆壓。然後，以串聯調節器的主迴路電流為電流限制的對象，產生與電流檢測值超過電流基準值的部分對應的超過信號，並根據這種超過信號來降低電壓控制信號。
文檔編號H02M3/10GK1716142SQ200510077890
公開日2006年1月4日 申請日期2005年6月13日 優先權日2004年6月14日
發明者伊藤智將, 山本勳, 巖城宏行 申請人:羅姆股份有限公司