主动式电流限制电路及使用该电路的电源调节器

摘要

本发明主要为电流限制电路又称为过电流保护(Over-Current Protection，OCP)电路，及使用该电路的电源调节器，目的在保护功率组件以及负载电路。过往的电流限制电路都会利用电阻与场效晶体管，将检测到的过电流转换成电压，然后再开启一P型晶体管，使得一充电电流将功率晶体管的栅极电压给箝制住，以达到限制电流的目的。不过，电阻与场效晶体管的工艺变化，以及组件本身的温度特性，往往会导致限流电流相当大的误差。所以，本发明将利用电流比较的方式，来提升电流限制电路的精准度。

说明书

技术领域

本发明为一种电流限制电路及使用该电路的电源调节器，尤其是有关于一种主动式电流限制电路及使用该电路的电源调节器。

背景技术

一般而言，在直流电压稳压器(又称为电源调节器power regulator)的应用中，都会有一些保护电路，而这些保护电路有过电压保护、过温度保护以及过电流保护，其中过电流保护可以利用一电流限制电路(current limiting circuit)来实现。电流限制的机制最常利用检测功率晶体管所流过的电流，利用一电阻将检测到的电流转换成电压，而此电压再将一P型晶体管导通，使得一充电电流将功率晶体管的栅极电压给箝制住，如此可以限制直流电压转换器的负载电流，达到过电流的保护。

传统的方法如图1与图2所示。图1为美国专利号7,362,080电流限制电路的先前技术，在(图一)中的电阻R_S100，将检测流过功率晶体管M₁₀₁的电流，并且将此电流转换成电压，来控制晶体管M₁₀₂。当有过电流发生时，R_S100上的压降足够开启M₁₀₂，此时会有一充电电流将M₁₀₁的栅极电压(VEO)给箝制住，如此便达到了限流的目的。不过，这样作法的最大缺点，就是会增加电压稳压器输入-输出电压的最小电压差(dropout voltage)。

图2为美国专利号7,362,080所提出改良后的架构，则是利用晶体管M_P203来检测功率晶体管M_P201的电流，当发生过电流的状况时，电阻R_S201上的压降足以让晶体管M_P204导通，此时会有一充电电流将该MP₂₀₁的栅极电压给箝制住，相同地达到限流的效果。不过，该电阻R_S201对工艺与温度变异所造成的误差，将会直接影响电流限制电路的精准度。

除此之外，图1和图2现有技术均有使用到电阻，若要将电流限制在较低的值，势必要增加电阻值，如此将会增加芯片的面积。综合上述说明，提高不同工艺与温度变化下限流的精准度，与芯片面积有效率的使用(areaefficiency)，均为本发明的重点。

因此，本案的发明人研究出一种电流限制电路及使用该电路的电源调节器，尤其是有关于一种主动式电流限制电路及使用该电路的电源调节器，其可改善现有技术中对于不同工艺与温度变化大的现状。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种主动式电流限制电路及使用该电路的电源调节器及其操作方法，其利用主动组件组成反馈电路，进而达成的高精确低工艺及温度变异的目的。

较佳的，本发明包括一种在电源调节器中的电流限制方法，其至少包含：

(a)开始；

(b)电源调节器在正常稳压状态下输出一固定电压且功率晶体管提供一电流至负载；

(c)感测功率晶体管输出电流是否过大或发生短路电流，若否，回到上一步(b)；若是，到下一步(d)；

(d)启动主动式过电流限制电路；以及

(e)过电流状况是否移除，若否，回到上一步(d)；若是，回到(b)。

较佳的，该电源调节器，其至少包括：

一P型功率晶体管，其源极接收一未调节的第一电压源依据一控制信号而于漏极产生一被调节的第二电压；

一反馈电路，其经由对该第二电压的分压产生一反馈信号；

一差动放大器，其输出耦合至该功率晶体管的栅极，其正输入端耦合至该反馈信号，其负输入端耦合至一参考电压；

一保护电路，该保护电路被组态为限制流经该P型功率晶体管的第一电流，且当第一电流超过一预定值时，提高该该功率晶体管的栅极的电压；其中，该保护电路包含多个晶体管而不包含电阻。

较佳的，本发明述及一种在电源调节器中的电流限制电路，其至少包含：

一P型功率晶体管，其源极耦合至该第一电压源；

一直流电流镜，其包括一对N型晶体管，该对N型晶体管栅极对栅极相接，其中一N型晶体管栅极与漏极相接；

一直流电流源，其中该直流电流源输出一预定值的对地方向的电流并与直流电流镜的输出相接于一第一端点；

一第一P型晶体管，其源极耦合至该第一电压源，其栅极耦合至该第一端点，其漏极耦合至该P型功率晶体管的栅极；以及

一第二P型晶体管，其源极耦合至该第一电压源，其栅极耦合至该P型功率晶体管的栅极，其漏极耦合至该直流电流镜的输入端。

为进一步说明本发明的结构目的和功效，兹配合图标范例详细说明如后。

附图说明

图1为现有技术的范例示意图；

图2为先前技艺的另一范例示意图；

图3为用于本发明的方法流程图；以及

图4为用于本发明的电流限制电路的范例示意图；以及

图5为用于本发明的电源调节器的范例示意图。

其中附图标记为：

I_REF    电流

R_S100 R_S202    电阻

M₁₀₁ M_P201 M₄₀₁    功率晶体管

M₁₀₂ MP₂₀₁ M_P203 M_P204    晶体管

M₄₀₂～M₄₀₆    晶体管

501    P型功率晶体管501

502    反馈电路

503    差动放大器

504    保护电路

具体实施方式

请参考图3，图3为本发明的一种在电源调节器中的电流限制方法，其至少包含：

(a)开始；

(b)电源调节器在正常稳压状态下输出一固定电压且功率晶体管提供一电流至负载；

(c)感测功率晶体管输出电流是否过大或发生短路电流，若否，回到上一步(b)；若是，到下一步(d)；

(d)启动主动式过电流限制电路；以及

(e)过电流状况是否移除，若否，回到上一步(d)；若是，回到(b)。

请参考图4，图4为本发明的一较佳实施例，晶体管M₄₀₁为一功率晶体管，晶体管M₄₀₂～M₄₀₆构成一电流限制电路，其中晶体管M₄₀₅的电流I_REF，由一参考电压产生电路所提供。其动作原理如下：晶体管M₄₀₂检测功率晶体管M₄₀₁上的电流，当输出负载电流有过电流的情况发生，此时晶体管M₄₀₂检测的电流将会上升，而电流经过一电流镜M₄₀₃与M₄₀₄，然后与晶体管M₄₀₅的电流I_REF相比较，所产生出的电压将开启晶体管M₄₀₆，并且产生一充电电流将M₄₀₁的栅极电压(VEO)给箝制住，如此便达到了限制电流的目的。本发明的电流限制电路无任何一电阻，所以又称为主动式电流限制电路(Active Current LimitingCircuit，ACLC)，也因为没有使用到电阻，所以提升了芯片面积的使用率。

晶体管M₄₀₅的电流I_REF，是由参考电压产生电路所提供，我们可以设计此电流I_REF，提高电流I_REF对工艺与温度变化的抵抗能力，如此本发明的限流电流精准度也就会大大地提升。

图5为本发明的一种电源调节器，其至少包含：

一P型功率晶体管501，其源极接收一未调节的第一电压源依据一控制信号而于漏极产生一被调节的第二电压；

一反馈电路502，其经由对该第二电压的分压产生一反馈信号；

一差动放大器503，其输出耦合至该功率晶体管501的栅极，其正输入端耦合至该反馈信号，其负输入端耦合至一参考电压；

一保护电路504，该保护电路504被组态为限制流经该P型功率晶体管的一第一电流，且当该第一电流超过一预定值时，提高该该功率晶体管501的栅极的电压；其中，该保护电路504包含多个晶体管而不包含电阻。

其中，较佳的，该反馈电路502进一步包含两个串接电阻。

其中，较佳的，该保护电路504进一步包含一直流电流源如图4中的M₄₀₅。

其中，较佳的，该保护电路504进一步包含一直流电流镜如图4中的M_403～404。

其中，较佳的，该保护电路504进一步包含：

一直流电流镜，其包括一对N型晶体管如图4中的M_403～404，该对N型晶体管栅极对栅极相接，其中一N型晶体管栅极与漏极相接；

一直流电流源如图4中的M₄₀₅，其中该直流电流源输出一预定值的对地方向的电流并与直流电流镜的输出相接于一第一端点；

一第一P型晶体管如图4中的M₄₀₆，其源极耦合至该第一电压源，其栅极耦合至该第一端点，其漏极耦合至该差动放大器的输出；以及

一第二P型晶体管如图4中的M₄₀₂，其源极耦合至该第一电压源，其栅极耦合至该差动放大器的输出，其漏极耦合至该直流电流镜的输入端。

其中，较佳的，该直流电流源为至少一P型晶体管所组成。

其中，较佳的，该直流电流镜为叠接共源共栅(cascode)电流镜。

其中，较佳的，该直流电流源的直流电流由一能隙参考电路(bandgapreference)产生。

熟悉本领域技术人员可了解该项发明亦可应用于电源调节器，在此不再赘述。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。