电流限制电路、电压调节器及DC-DC转换器

摘要

本发明提供了一种电流限制电路，该电流限制电路包括：电流-电压转换电路，连接到所述电流镜像电路，以产生一个与所述镜像电流成比例的电压,其包括一个第五晶体管和一个电阻,电阻一端连接到电流镜像电路，另一端连接到第五晶体管的栅极和漏极，第五晶体管的源极与输出电压调整晶体管的源极连接；电压比较电路，与输出电压调整晶体管相同，连接到电流-电压转换电路和输出电压调整晶体管的控制端，用于将电流-电压转换电路产生的电压与一个阈值电压作比较，并在所述电流-电压转换电路产生的电压大于所述阈值电压时将所述控制端的电压限制在一个预定电压。通过本发明实施例无需采用负温度系数很大的电阻，即可实现较好的温度系数的电流限制值。

说明书

技术领域

本发明涉及电子领域，具体涉及一种电流限制电路、电压调节器及 DC-DC转换器。

背景技术

随着便携式电子设备的广泛应用，便携设备中的电子元件设计的待机功 耗要求越来越受到关注。用于便携设备的电池的电量往往十分有限，这要求 不断降低便携设备的电子元件的静态电流。待机功耗这一指标对便携式电子 设备的待机时间有着至关重要的影响。广泛应用于便携设备中的各种电源芯 片，如电压调节器和DC-DC转换器，都需要不断减少其待机电流，即空载时 电源芯片自身所消耗的静态电流。

例如，电压调节器一般包括参考电压源、误差放大器、输出电压调整元 件、采样电阻、旁路元件等。误差放大器可以是一个比较器。参考电压源提 供的基准电压施加到该比较器的反相输入端；利用采样电阻从输出电压获得 的采样电压施加到该比较器的同相输入端，由此形成负反馈。基准电压与采 样电压的差值经误差放大器放大后，对输出电压调整元件进行控制，从而稳 定输出电压。输出电压调整元件通常可以采用双极型晶体管，也可以采用金 属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。

另外，上述电压调节器和DC-DC转换器一般都需要过流保护电路。过流 保护电路也通常被称为电流限制电路，其功能是限制如上面提到的输出电压 调整元件等功率器件在过载或短路时的电流，从而起到保护功率器件的作用。

图1，其中示出了一种现有技术的电流限制电路。其原理是通过电阻R1 上的电压是否达到MP4的导通电压，来控制电流输出，为了实现较好的温度 系统，需要用负温度系数较大的电阻(R1)与晶体管MP4的阈值电压温度系数 相抵消。但有时受所采用的工艺限制，可能没有负温度系数足够大的电阻， 这样就无法设计出较好温度系数的电流限制。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种具有较低静态电流消耗的用于电压调节 器或DC-DC转换器的电流限制电路。该电流限制电路无需采用负温度系数很 大的电阻，即可实现较好的温度系数的电流限制值。

本发明的第一方面，提供了一种用于电压调节器或DC-DC转换器的电 流限制电路，该电压调节器或DC-DC转换器包括一个输出电压调整晶体 管(MPass)，所述输出电压调整晶体管包括一个控制端(MPG)，所述电流限 制电路包括：

与所述输出电压调整晶体管(MPass)相同的电流采样晶体管(MP1)，连 接到所述输出电压调整晶体管(MPass)，使得流过所述电流采样晶体管 (MP1)的电流与流过所述输出电压调整晶体管(MPass)的电流之比等于所述 电流采样晶体管(MP1)的几何尺寸与所述输出电压调整晶体管(MPass)的几 何尺寸之比；

电流镜像电路，连接到所述电流采样晶体管(MP1)，用于以流过所述电 流采样晶体管的电流为参考电流产生一个与流过所述电流采样晶体管 (MP1)的电流成比例的镜像电流；

电流-电压转换电路，连接到所述电流镜像电路，以产生一个与所述镜 像电流成比例的电压,其包括一个第五晶体管(MP5)和一个电阻（R1）,所述 电阻一端连接到所述电流镜像电路，另一端连接到所述第五晶体管(MP5) 的栅极和漏极，所述第五晶体管（MP5）的源极与输出电压调整晶体管 (MPass)的源极连接；

电压比较电路(MP4)，与所述输出电压调整晶体管(MPass)相同，连接 到所述电流-电压转换电路和所述输出电压调整晶体管(MPass)的控制端 （MPG），用于将所述电流-电压转换电路产生的电压与一个阈值电压作比 较，并在所述电流-电压转换电路产生的电压大于所述阈值电压时将所述控 制端（MPG）的电压限制在一个预定电压。

另一方面，本发明实施例提供了包括本发明第一方面电流限制电路的电 压调节器。

再一方面，本发明实施例提供了包括本发明第一方面的电流限制电路的 DC-DC转换器。

通过本发明实施例提供电流限制电路，使用晶体管和电阻组合作为分压 电路，控制另一个晶体管导通的方式对输出进行限流，由于一般PMOS的阈 值电压都为负温度系数，即使不同阈值的PMOS，其阈值电压的温度系数都 相似，所以阈值压差的温度系数很小。从而无需采用负温度系数很大的电阻， 即可实现较好的温度系数的电流限制值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中 的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不 付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了一种现有技术的电流限制电路；

图2示出了根据本发明的一个优选实施方案的电流限制电路；

图3示出了另一种实施例的电流限制电路的结构图；

图4示出了包括图3中的电流限制电路的一个低压差线性稳压器；

图5示出了根据本发明的另一优选实施方案的电流限制电路。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

根据本发明的电流限制电路适用于输出电压调整元件为晶体管的电压调 节器或DC-DC转换器等电路，在本文中，术语“晶体管”包括双极性晶体管 和MOSFET。

如图2所示，其中示出了本发明的一个优选实施方案的电流限制电路， 该电流限制能电路包括一个由MOSFET MP1构成的电流采样电路，MOSFET  MP1用于对流过该电流限制电路的电压调节器或DC-DC转换器等电路的输 出电压调整元件MPass（图2中未示出，参见图4中虚线框以外的部分）的 电流进行采样，流过MOSFET MP1的电流与流过该输出电压调整元件MPass 的电流成一定比例。MOSFET MP1是一个与输出电压调整元件MPass类型相 同的MOSFET，在该实施例中，MOSFET MP1和该输出电压调整元件MPass 均为P沟道MOSFET。该输出电压调整元件MPass连接在输入电压和输出电 压之间，其控制端，即其栅极MPG，与相应的误差放大器EA的输出端和该 电流限制电路连接，其源极连接到输入电源VCC。（图2中未示出，参见图 4中虚线框以外的部分）MOSFET MP1的栅极和源极分别用于与该输出电压 调整元件的栅极MPG和源极连接。根据MOSFET的漏极电流特性，在 MOSFET MP1和该输出电压调整元件MPass的开启电压U_GS(th)等参数相同的 情况下，流过MOSFET MP1的电流与流过该输出电压调整元件MPass的电流 之比等于MP1的沟道宽长比与MPass的沟道宽长比之比。因此，通过选择 MOSFET MP1和该输出电压调整元件的几何尺寸，可以方便地改变流过他们 的电流之比。优选的，选择MOSFET MP1和该输出电压调整元件的沟道宽长 比，使得流过MOSFET MP1的电流小于流过该输出电压调整元件的电流的千 分之一。

图2所示的电流限制电路还包括一个电流镜像电路。一个电流-电压转换 电路和一个电压比较电路。其中，电流镜像电路连接到电流采样电路，用于 以流过所述电流采样电路的电流为参考电流产生一个与流过所述电流采样电 路的电流成比例的镜像电流。电流-电压转换电路连接到电流镜像电路，以产 生一个与镜像电流成比例的电压。电压比较电路连接到电流-电压转换电路和 上述输出电压调整晶体管的控制端，用于将电流-电压转换电路产生的电压与 一个阈值电压作比较，并在电流-电压转换电路产生的电压大于该阈值电压时， 将控制端的电压限制在一个预定电压。

在图2所示的实施例中，电流镜像电路由两个与MOSFET MP1类型不同 的MOSFET MN3和MN1组成，即MOSFET MN3和MN1均为N沟道 MOSFET，其中MOSFET MN1与MOSFET MP1串联，其漏极连接到 MOSFET MP1的漏极。电流-电压转换电路（I-V converter）由一个电阻R1 和一个MOSFET MP5构成1，电压比较电路由MOSFET MP4组成，电阻R1 连接在MN3的漏极和MP5的漏极之间，MP5的栅极和漏极连接在一起，形 成二极管的连接方式，MP5的源极与MP4的源极都连接在电源VCC，MP4 的漏极连接到控制端MPG，栅极连接到MN3的漏极，用于在MOSFET MP4 的栅极和源极之间提供偏置电压。MOSFET MP4把电阻R1和MP5上的电压 降与其阈值电压，即其开启电压的绝对值|V_GS(th)MP4|，相比较，根据比较结果 决定是否把MPG节点的电压拉高。MOSFET MN1的栅极和漏极点列在一起， 形成二极管连接方式，MOSFET MN1的源极和衬底点解至公共的地节点。 MOSFET MN3的栅极连接至MOSFET MN1的栅极，MOSFET MN3的源极 和衬底连接到MOSFET MN1的源极，MOSFET MN3的漏极连接到电阻R1 的与MOSFET MP4的栅极连接的一端。MOSFET MP4的源极和衬底连接到 MOSFET MP1的源极，MOSFET MP4的漏极连接到MOSFET MP1的栅极。

如此，流过MOSFET MN1的电流等于流过MOSFET MP1的电流，流过 MOSFET MN3的电流与流过MOSFET MN1的电流之比等于MN3的沟道宽 长比与MN1的沟道宽长比之比。

MP1与MPass的电流成比例关系，MP1的电流与MPass的电流之比等于 MP1和MPass的沟道宽长比之比（例如比例关系为1:K），则MP1的电流I_MP1 等于(1/K).Io，其中I_MP1为MP1的漏极电流，Io为MPass的电流。MN1和 MN3构成电流镜，为了简化描述，假设其宽长比为1:1:1。根据KCL定律， MP1的漏极电流等于MN1的漏极电流。因此MN3的漏极电流也等于(1/K).Io。 MP4和MP5采用阈值电压不同的晶体管，例如MP4为阈值电压绝对值较大 的5V PMOS，MP5为阈值电压绝对值较小的1.8V或1.2V PMOS，并满足 |V_(th)Mp4|>|V_(th)Mp5|。当MP4导通时，电流限制电路对MPass进行限流，所以可 以推知:I_MN3.R1+|V_(th)Mp5|=|V_(th)Mp4|，其中I_MN3为MN3的漏极电流，V_(th)Mp5为 晶体管MP5的阈值电压，V_(th)Mp4为晶体管MP4的阈值电压。

由此可得:I_MN3=(|_(th)mp4|-|_(th)mp5|)/R1。发生电流限制时I_O=K. (|_(th)mp4|-|_(th)mp5|)/R1。由于一般PMOS的阈值电压都为负温度系数，即使不同阈 值的PMOS，其阈值电压的温度系数都相似，所(|_(th)mp4|-|_(th)mp5|的温度系数很小。 从而无需采用负温度系数很大的R1，即可实现较好的温度系数的电流限制值。

现在参照图3和4，图3示出了图2中的电流限制电路的一种改进形式， 图4示出了包括图3中的电流限制电路的一个低压差线性稳压器，低压差线 性稳压器是电压调节器中的一种。与图2中的电流限制电路相比，图3所示 的改进形式的电流限制电路增加了两个P沟道MOSFET MP2、MP3和一个N 沟道MOSFET MN2。MOSFET MP2串联连接在MOSFET MP1和MN1之间， 其源极连接到MOSFET MP1的漏极，其漏极连接到MOSFET MN1的漏极， 其栅极连接到MOSFET MP3的栅极。MOSFET MP3的栅极和漏极连接在一 起，MOSFET MP3的源极连接到采用图3的电流限制电路的电压调节器或 DC-DC转换器等电路的输出电压调整元件Mpass(图3中未示出，参见图4中 虚线框以外的部分)的漏极。MOSFET MN2的栅极和源极分别连接到 MOSFET MN1的栅极和源极，MOSFET MN2的漏极连接到MOSFETMP3的 漏极。MOSFET MN2与MOSFET MN1连接成电流镜像电路，用于为 MOSFET MP3提供偏置电流。MOSFET MP2和MP3用来限制MOSFET MP1 的漏极电压与输出电压调整元件的漏极电压相等，以使流过MOSFET MP1的 电流与流过输出电压调整元件的电流之间的比例关系更精确。

在该实施例中，MP2和MP3构成放大电路，调整MP2的源极电压与MP3 的源极电压相等，即MP1的漏极电压等于V_O节点电压。这样MP1与MPass 的电流成比例关系,沟道宽长比之比的比例关系，MP1的电流与MPass的电流 之比等于MP1和MPass的沟道宽长比之比（例如比例关系为1:K），则MP1 的电流I_MP1等于(1/K)*Io，其中I_MP1为MP1的漏极电流，Io为MPass的电流。 MN1、MN2和MN3构成电流镜，为了简化描述，假设其沟道宽长比为1:1:1。 根据KCL定律，MP1的漏极电流等于MN1的漏极电流。因此MN3的漏极 电流也等于(1/K)*Io。MP4和MP5采用阈值电压不同的晶体管（例如MP4为 阈值电压绝对值较大的5V PMOS，MP5为阈值电压绝对值较小的1.8V或1.2V PMOS），并满足|_(th)mp4|>|_(th)mp5|。当MP4导通时，电流限制电路对MPass进行 限流，所以可以推知:I_MN3.R1+|V_thp5|=|V_thp4|，其中I_MN3为MN3的漏极电流， Vthp5为晶体管MP5的阈值电压，V_thp4为晶体管MP4的阈值电压。由此可得: I_MN3=(|V_(th)mp4|-|V_(th)mp5|)/R1。发生电流限制时I_O=K.(|V_(th)mp4|-|V_(th)mp5|)/R1。由于 一般PMOS的阈值电压都为负温度系数，即使不同阈值的PMOS，其阈值电 压的温度系数都相似，所以|V_(th)mp4|-|V_(th)mp5|的温度系数很小。从而无需采用负 温度系数很大的R1，即可实现较好的温度系数的电流限制值。

图3所示的电流限制电路的其他方面均与图2所示的电流限制电路相同， 这里不再赘述。

除了虚线框以内的电流限制电路以外，图4所示的低压差线性稳压器还 包括一个误差放大器EA、一个连接在输入电压VCC和输出电压Vo之间的输 出电压调整元件MPass(图4中其为一个P沟道MOSFET)、分别连接在输出电 压调整元件MPass的漏极和误差放大器EA的同相输入端之间和误差放大器 EA的同相输入端和公共的地节点之间的两个电阻Rf1和Rf2。误差放大器EA 的反相输入端连接到一个参考电压源Ref，其输出端连接到输出电压调整元件 MPass的控制端，即MOSFET MPass的栅极MPG。MOSFET MPass的栅极还 连接到该低压差线性稳压器的电流限制电路，其源极连接到输入电压VCC。 另外，负载RL和旁路电容Co连接在输出电压Vo和公共的地节点之间。通 过反馈回路利用误差放大器EA对输出电压调整元件MPass进行控制以控制 输出电压Vo是本领域已知的，这里不再进行赘述。

现在参照图5，图5示出了根据本发明的另一优选实施方案的电流限制电 路，与图3相比，MP5被替换成了PNP三极管，发生电流限制时I_O=K. (||V_(th)mp4|-V_be)/R1。其中V_(th)mp4为晶体管MP4的阈值电压，V_be为PNP三极管 MP5的基极-发射极电压，R1为电阻R1的电阻值。由于PNP的V_be一般也为 负温度系数，所以可以有效的与|V_(th)mp4|的负温度系数相抵消，而(|V_(th)mp4|-V_be) 具有较好的温度系数。MP5也可以被替换为较低阈值的NMOS或NPN管。 其余工作方式，均与前述的实施例类似，因此不多赘述。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行 了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而 已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做 的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。