用於在電壓調節器中進行限流的方法及裝置的製作方法
2023-07-23 21:28:26 4
專利名稱：用於在電壓調節器中進行限流的方法及裝置的製作方法
技術領域：
本發明大體而言涉及電壓調節器且更具體而言涉及在電壓調節電路中限制短路電流。
背景技術：
圖1是圖解說明現有技術電壓調節器電路的示意圖。電路10包括耦合在電源電壓20與輸出節點25之間的功率控制傳遞器件，例如PMOS電晶體15。在輸出節點25與大地之間產生一在規定電流IL範圍上的穩定輸出電壓Vout。放大器30的輸出耦合至電晶體15的柵極，從而調節電晶體15的行為。參考電阻器35及40為放大器30產生分壓輸入並完成由電晶體15、放大器30及電阻器35及40形成的調節迴路。電容器45補償所述調節迴路。
放大器30將穿過電阻器40的電壓與參考電壓Vbg。輸出電壓Vout由參考電壓Vbg及電阻器35和40共同決定。隨著電流IL增加超過其最大水平，放大器30開始在非線性模式(即，飽和)下操作，且因此輸出電壓Vout降低。電壓對電流的動作取決於電晶體15的特性。電路10的一個問題在於，如果電晶體10很大(例如，為具有良好的電源拒斥比)，那麼在以低電流負荷範圍為特徵的調節器中放大器30對高電流IL值飽和。這意味著與典型調節器負載電流相比，調節器呈現一非常高的短路電流。此短路電流主要取決於電晶體15的特性且不是直接可控的。
上述問題的一種解決方案是以連接在電晶體15的柵極與電源電壓20之間並可由負載電流值IL控制的開關為特徵。當電流IL低於一預定閾值時，開關斷開且調節器在正常操作狀態下操作。當IL高於所述閾值時，開關閉合，從而將所述電壓固定在電晶體15的控制節點處，且由此將調節器的短路電流限制在所選電流閾值。此方法的問題在於開關的快速導通-關斷狀態順序引起電路動作的振蕩。
所需要的是一種基於簡單結構的限流電路，該限流電路提供可預測的輸出響應且不改變正常操作狀態中的調節器的動作。
發明內容
一種用於限制來自功率控制傳遞器件的電源電流的電路，所述功率控制傳遞器件被耦合至電源電壓，所述電路包括下列各項。一檢測器件，其被耦合至電源電壓且所述檢測器件經構造以吸取與所述電源電流成比例的檢測電流。一電流反射鏡，其通過低阻抗節點(例如一電阻器)耦合至所述檢測器件及電源電壓，所述電流反射鏡經構造以通過低阻抗節點吸取與所述檢測電流成比例的鏡像電流。在一實施例中，鏡像電流約等於檢測電流，因此具有大約相同的對電源電流的比例。一限制器件，其被耦合至電源電壓、功率控制傳遞器件及低阻抗節點，所述限制器件經構造以根據低阻抗節點與電源電壓之間的電壓差來限制所述電源電流。在一實施例中，限制器件、功率控制傳遞器件及檢測器件均為MOS電晶體。
圖1是圖解說明現有技術電壓調節器電路的示意圖。
圖2是圖解說明使用圖1中電壓調節器電路構建的限流電路的一實施例的示意圖。
圖3是圖解說明等效於放大器的電路的示意圖。
圖4是圖解說明具有限流及不具有限流的電壓調節器的輸出電壓與負載電流關係的曲線圖。
圖5是圖解說明具有限流的電壓調節器的輸出電壓與負載電流關係的曲線圖。
圖6是圖解說明具有限流的電壓調節器的控制電壓與負載電流關係的曲線圖。
圖7是圖解說明用於限制來自功率控制傳遞器件的電源電流的方法的方框圖。
具體實施例方式
本發明的下述說明並非旨在將本發明的範圍限定於這些實施例，而是使任何所屬領域的技術人員能夠製作並使用本發明。
圖2是圖解說明使用圖1中電壓調節器電路構建的限流電路的一實施例的示意圖。限流電路100包括一檢測器件(例如電晶體110)，其耦合至電源電壓Vdd、電晶體15及放大器30。在此實施例中，電晶體110小於電晶體15一已知量，兩個電晶體的源極均耦合至電源電壓20，且兩個電晶體共用來自放大器30的同一柵極電壓。電晶體110耦合至電流反射鏡120，例如呈電流反射鏡構造形式的電晶體130及135。電流反射鏡120通過節點150耦合至電阻器140。電阻器140耦合至電源電壓20及一限制器件(例如電晶體160)。電晶體160耦合至放大器30。節點150是一低阻抗節點，其基於來自電源電壓20的穿過電阻器140的電壓降。在另一實施例中，電晶體160耦合至不同於電阻器的低阻抗節點，例如在三極體區域內適當偏壓的PMOS電晶體。
檢測器件應提供基於其所檢測器件的電流的電流。在該實施例中，檢測器件或電晶體110比電晶體15小一已知比率，且因此提供與流過電晶體15的電流成已知比率的流過其自身的電流。流過電晶體110的電流需要流過電流反射鏡120及電晶體135至大地。流過節點150且進入電流反射鏡120的電流反映或逼近流過電晶體110的電流。電流反射鏡可提供所需的任何電流比率，但是在本實施例中，使用一比一的比率。流過節點150的電流以電晶體110對電晶體15的比率逼近流過電晶體15的電流。如果電晶體110對電晶體15的比率是K且流過電晶體15的電流是Il(忽略穿過電阻器35及40的電流)，那麼流過節點150的電流是K·Il。
在一實施例中，電阻器140耦合至電源電壓20並將K·Il轉換成一穿過電晶體160的源極與柵極的電壓。限制器件(或電晶體160)將電壓鉗位在電晶體11O及15的柵極上。電晶體160通過電晶體160的柵極由穿過電阻值為R1m的電阻器140的電壓來驅動，以得到柵極電壓R1m·K·Il。在一實施例中，電晶體160是一PMOS電晶體。
電晶體160由低阻抗節點驅動並可在飽和狀態下操作，所以正常操作狀態與過電流模式之間的過渡是連續的，且由於電晶體160沒有出現導通-關斷狀態順序，所以不會出現穩定性問題。
圖3是圖解說明等效於來自圖2中放大器30的電路的示意圖。在一實施例中，放大器30是運算放大器。放大器30的宏模型電路代表放大器30的動作。所述宏模型電路由電壓為Vopa的理想壓控電壓源300及電阻為Ropa的電阻器310組成。在此宏模型電路中， 其中Vs是放大器30的飽和電壓，Av是放大器30的DC差分電壓增益，Vdd是電源電壓20，V+是放大器30的非反向輸入，且V_是放大器30的反向輸入。
Vg是電晶體110及15的柵極電壓。Vg由放大器30及電晶體160決定Vg＝Vopa+Ropa·Ilm.
Ilm是電晶體160的漏極電流，即當電晶體160導通並處於飽和狀態時Ilm=lm2(KRlmIl-|Vtop|)2,]]>其中Vtop是閾電壓且βlm是電晶體160的增益係數，所以Vg＝Vopa+FIL，其中 限流電路100具有三種操作模式正常、過電流及短路。在正常操作狀態下，負載電流Il從零開始增加且調節迴路(電晶體15、電阻器35及40及放大器30)通過調整(即減小)電壓Vopa使Vout穩定。一旦Il增加至Rlm·K·Il＞|Vtop|(電晶體160的閾電壓)，電晶體160導通且開始將電流Ilm注入放大器30的輸出並因此修改電壓Vg(電晶體110與15的柵極電壓)。當放大器30處於線性區域內時，電壓Vopa經調整以補償Ilm的影響且Vout保持穩定。在正常操作狀態下，電晶體15處於三極體區域內且放大器30處於線性區域內，因此Il=reg[(Vg-Vdd)-Vout-Vdd2-Vtop](Vout-Vdd),]]>其中Vg=Av(VoutR2R12-Vbg)+FIL,R12=R1+R2,]]>βreg是電晶體15的增益係數，R1電阻器35的電阻且R2是電阻器40的電阻。將Vg的等式帶入Il的等式，(AvR2R12-12)Vout2+(-AvVbg+FIL-AvR2R12Vdd-Vtop)Vout+]]>+(AvVbgVdd-FILVdd+Vdd22+VtopVdd-nreg)=0]]>因此，求解Vout的二次方程Vout=-B-B2-4AC2A]]>A=(AvR2R12-12)]]>B=(-AvVbgFIL-AvR2R12Vdd-Vtop)]]>C=(AvVbgVdd-FILVdd+Vdd22+VtopVdd-Ilreg)]]>此在放大器30處於線性區域內時成立，即Vopa＞VsthenAv(VoutR2R12-Vbg)>Vs]]>thenVout>R12R2(VsAv+Vbg)]]>隨著Il的增加，Vopa減小直到其達到Vs且放大器30離開線性區且限流電路100進入過電流操作狀態。因為低阻抗節點(電阻器140)驅動電晶體160且當達到放大器30的飽和電壓時電晶體160處於飽和狀態，所以從正常操作狀態到過電流操作狀態的過渡是穩定的。所述調整迴路不工作且電壓Vg變為Vg＝Vs+FIL。
隨著Il的增加，電晶體15的漏極-源極電壓增加，且Vout開始減小。由於有限流電路100，Vg(電晶體110及15的柵極電壓)不被限制在Vs(放大器30的飽和電壓，其在不存在電流限制時出現)而是限制在一更高的值，所以輸出電壓Vout開始下降到一較低水平負載電流。
在過電流操作期間，電晶體15中的電流為 代入Vg得到-12Vout2(Vs+FIL-Vtop)Vout+]]>+(-VsVdd-FILVdd+Vdd22+VtopVdd-Ilreg)=0]]>求解VoutVout=-B-B2-4AC2A]]>A=-12]]>B＝(Vs+FIL-Vtop)C=(-VsVdd-FILVdd+Vdd22+VtopVdd-Ilreg)]]>此在電晶體15處於三極體區域內時成立，Vs+FIL+|Vtop|VoutR12R2(VsAv+Vbg)]]>隨著Il的增加，Vout減小且電晶體15離開三極體區域並進入飽和狀態。限流電路100現在進入短路操作狀態。當忽略電晶體15中的溝道調製時，負載電流Il為Il=reg2(Vdd-Vg-Vtop)2,]]>其中Vg＝Vs+FIL代入Vg得到Il=reg2(Vdd-Vs-FIL-Vtop)2,]]>且Vout變為零。
負載電流Il的此值代表短路電流，即當Vout為零時在電晶體15中流動的電流(注意FIL是Il的函數，所以必須以數值方式求解該等式)。所述短路電流可通過選擇K、Rlm的值及電晶體160的尺寸來編程。
當沒有限流電路100時，短路電流為Il=reg2(Vdd-Vs-Vtop)2,]]>該電流比有限流電路100時的短路電流高。
圖4是圖解說明具有限流及不具有限流的電壓調節器的電壓輸出Vout與負載電流Il關係的曲線圖。當具有限流時，短路電流約為3mA。當沒有限流時，短路電流約為46mA。
圖5是圖解說明具有限流的電壓調節器從正常到過電流到短路操作狀態的輸出電壓與負載電流關係的曲線圖。當電流增加至約2.9mA時，正常操作狀態相對穩定在約2.5V處，在正常操作狀態下調整迴路通過隨著Il的增加而減小Vopa來調整Vout。當Vout自約2.5V降至約2.0V時，過電流模式顯示電流從約2.9mA增加至約3.0mA，在過電流操作狀態下放大器30飽和且Vg受到限制。當Vout降至約0V時，短路模式(其中電晶體15處於飽和狀態)顯示電流到達約3mA的最大值。
圖6是圖解說明具有限流的電壓調節器的電晶體15及110的柵極電壓Vg與負載電流Il關係的曲線圖。在正常操作期間，當電流自約2.5mA增加至約2.9mA時，柵極電壓Vg從約1.38V降至約1.19V。當電流Il為2.9mA時，隨電流Il增加至3mA，限流電路100起作用以將Vg鉗位在約1.19伏特。
圖7是圖解說明用於限制來自功率控制傳遞器件的電源電流的方法的方框圖。在方框700中，使用耦合至功率控制傳遞器件的檢測器件檢測電源電流。在方框710中，使用檢測器件吸取檢測電流，所述檢測電流與電源電流成比例。在方框720中，使用耦合至檢測器件的電流反射鏡吸取一鏡像電流，所述鏡像電流與檢測電流成比例。在方框740中，在電源電壓與低阻抗節點之間產生一電壓電勢。在方框750中，使用限制器件根據所述電壓電勢限制電源電流。
上述等式應用於一例示性實施例且並非意欲限制本發明。給出這些等式旨在幫助理解本發明的一實施例。任何所屬領域的技術人員將從上述說明及從附圖和權利要求書中認識到可在不背離下文權利要求書中所界定的本發明範圍的前提下對本發明做出各種修改或改變。
權利要求
1.一種用於限制來自一功率控制傳遞器件的一電源電流的電路，所述功率控制傳遞器件耦合至一電源電壓，所述電路包括一檢測器件，其耦合至所述電源電壓，所述檢測器件經構造以吸取一與所述電源電流成比例的檢測電流；一電流反射鏡，其耦合至所述檢測器件並耦合至所述電源電壓，所述電流反射鏡經構造以吸取與所述檢測電流相關的一鏡像電流；一電阻器，其耦合至所述電源電壓及所述電流反射鏡，所述電阻器經構造以載送所述鏡像電流並產生一電阻器電壓電勢；及一限制器件，其耦合至所述電源電壓、所述功率控制傳遞器件及所述電阻器，所述限制器件經構造以根據所述電阻器電壓電勢來限制所述電源電流。
2.如權利要求1所述的電路，其中所述檢測器件比所述功率控制傳遞器件小。
3.如權利要求2所述的電路，其中所述檢測電流與所述電源電流的比例和所述檢測器件的規格與所述功率控制傳遞器件的規格的比例相同。
4.如權利要求3所述的電路，其中所述限制器件、所述檢測器件及所述功率控制傳遞器件均為MOS電晶體。
5.如權利要求1所述的電路，其中所述檢測器件進一步耦合至所述功率控制傳遞器件並耦合至所述限制器件，所述限制器件經構造以根據所述電阻器電壓電勢來限制所述檢測電流。
6.如權利要求1所述的電路，其中所述鏡像電流與所述檢測電流大致相同。
7.如權利要求1所述的電路，其進一步包括一耦合至所述檢測器件、所述功率控制傳遞器件及所述限制器件的放大器，所述放大器具有一飽和電壓。
8.如權利要求7所述的電路，其進一步經構造以在三種狀態下工作正常操作狀態、過電流操作狀態及短路操作狀態，當所述放大器在低於其飽和電壓下操作時出現正常操作狀態。
9.如權利要求8所述的電路，其中所述檢測器件、所述功率控制傳遞器件及所述限制器件為MOS電晶體，其中所述放大器耦合至所述功率控制傳遞器件的柵極。
10.如權利要求9所述的電路，其進一步經構造以通過使用所述限制器件將電壓鉗位在所述功率控制傳遞器件的所述柵極上來響應過電流操作，所述過電流操作出現在所述放大器達到其飽和電壓且所述電源電流增加時。
11.如權利要求10所述的電路，其進一步經構造以通過所述限制器件處於飽和來響應過電流操作。
12.如權利要求9所述的電路，其進一步經構造以通過使所述功率控制傳遞器件將所述電源電流降至大約為零來響應短路操作，所述短路操作出現於當所述功率控制傳遞器件以飽和狀態操作時。
13.一種用於限制一來自一耦合至一電源電壓的功率控制傳遞器件的電源電流的電路，所述電路包括一檢測器件，其耦合至所述電源電壓，所述檢測器件經構造以吸取一與所述電源電流成比例的檢測電流；一電流反射鏡，其耦合至所述檢測器件並通過一低阻抗節點耦合至所述電源電壓，所述電流反射鏡經構造以通過所述低阻抗節點吸取一與所述檢測電流相關的鏡像電流；及一限制器件，其耦合至所述電源電壓、所述功率控制傳遞器件及所述低阻抗節點，所述限制器件經構造以根據所述低阻抗節點與所述電源電壓之間的一電壓差來限制所述電源電流。
14.如權利要求13所述的電路，其中所述檢測器件比所述功率控制傳遞器件小。
15.如權利要求14所述的電路，其中所述檢測電流對所述電源電流的比例與所述檢測器件的規格對所述功率控制傳遞器件的規格的比例相同。
16.如權利要求15所述的電路，其中所述限制器件、所述檢測器件及所述功率控制傳遞器件均為MOS電晶體。
17.如權利要求13所述的電路，其中所述檢測器件進一步耦合至所述功率控制傳遞器件並耦合至所述限制器件，所述限制器件經構造以根據所述低阻抗節點與所述電源電壓之間的所述電壓差來限制所述檢測電流。
18.如權利要求13所述的電路，其中所述鏡像電流與所述檢測電流大致相等。
19.如權利要求13所述的電路，其進一步包括一耦合至所述檢測器件、所述功率控制傳遞器件及所述限制器件的放大器，所述放大器具有一飽和電壓且經構造以限制所述電源電流。
20.如權利要求19所述的電路，其進一步經構造以在三種狀態下工作正常操作狀態、過電流操作狀態及短路操作狀態，當所述放大器在低於其飽和電壓操作時出現正常操作。
21.如權利要求20所述的電路，其中所述檢測器件、所述電源控制傳遞器件及所述限制器件為MOS電晶體，其中所述放大器耦合至所述功率控制傳遞器件的柵極。
22.如權利要求21所述的電路，其進一步經構造以通過使用所述限制器件將電壓鉗位在所述功率控制傳遞器件的所述柵極上來響應過電流操作，所述過電流操作出現在當所述放大器達到其飽和電壓且所述電源電流增加時。
23.如權利要求22所述的電路，其進一步經構造以通過在飽和狀態下操作所述限制器件來響應過電流操作。
24.如權利要求21所述的電路，其進一步經構造以響應短路操作，所述短路操作出現於當所述功率控制傳遞器件以飽和狀態操作時。
25.一種用於限制一來自一耦合至一電源電壓的功率控制傳遞器件的電源電流的方法，所述方法包括在所述電源電壓與一低阻抗節點之間產生一電壓電勢；及根據所述電壓電勢使用一限制器件限制所述電源電流。
26.如權利要求25所述的方法，其進一步包括使用一耦合至所述功率控制傳遞器件的檢測器件檢測所述電源電流。
27.如權利要求26所述的方法，其進一步包括使用所述檢測器件吸取一檢測電流，所述檢測電流與所述電源電流成比例。
28.如權利要求27所述的方法，其中所述檢測器件比所述功率控制傳遞器件小且所述檢測電流所具有的對所述電源電流的比例與所述檢測器件所具有的對所述功率控制傳遞器件的比例相同。
29.如權利要求27所述的方法，其進一步包括使用一耦合至所述檢測器件的電流反射鏡吸取一鏡像電流，所述鏡像電流與所述檢測電流相關。
30.如權利要求29所述的方法，其中所述鏡像電流近似等於所述檢測電流。
31.如權利要求29所述的方法，其進一步包括通過所述低阻抗節點吸取所述鏡像電流。
全文摘要
本發明揭示一種用於限制來自一功率控制傳遞器件的電源電流的電路，所述功率控制傳遞器件耦合至電源電壓，所述電路包括下列各項。一檢測器件，其耦合至電源電壓且所述檢測器件經構造以吸取一與所述電源電流成比例的檢測電流。一電流反射鏡，其通過一低阻抗節點耦合至所述檢測器件及電源電壓，所述電流反射鏡經構造以通過低阻抗節點吸取與所述檢測電流相關的鏡像電流。一限制器件，其耦合至電源電壓、功率控制傳遞器件及低阻抗節點，所述限制器件經構造以根據低阻抗節點與電源電壓之間的電壓差來限制所述電源電流。
文檔編號G05F1/573GK1839359SQ200480024072
公開日2006年9月27日 申請日期2004年6月30日 優先權日2003年7月10日
發明者吉安·馬爾科·博, 馬西莫·馬祖科 申請人:艾梅爾公司