專利名稱：電源裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的涉及一種包括用于防止過電流輸出的保護電路的電源裝置，具體涉及一種包括這樣的保護電路的電源裝置，當(dāng)施加到用于輸出被輸入到輸入端的電壓的開關(guān)元件上的電壓達到預(yù)定電壓或更高時，該保護電路為了保護的目的，切斷開關(guān)元件。
背景技術(shù)：
在如圖8所示的現(xiàn)有電源裝置中，用于保護開關(guān)元件的電路根據(jù)輸入到輸入端IN的輸入電壓Vin，從輸出端OUT輸出輸出電壓Vout。通常使用電路來將由于與構(gòu)成開關(guān)元件的PMOS晶體管Ma串聯(lián)的固定電阻器Ra而引起的壓降與參考電壓Vs進行比較。當(dāng)如上所述的壓降超過參考電壓Vs時，該電路控制開關(guān)元件Ma的柵極電壓，使得開關(guān)元件Ma的阻抗增加，以便限制從輸出端OUT輸出的電流。
此外，圖9是合并了開關(guān)元件Ma與恒壓電路的電源裝置的示例電路。在圖9的情況下，開關(guān)元件Ma的導(dǎo)通狀態(tài)電阻設(shè)置得比構(gòu)成恒壓電路的電壓控制晶體管Mb的要小。這樣，當(dāng)輸入端IN的電壓Vin等于或低于所述恒壓電路的額定輸出電壓時導(dǎo)通開關(guān)元件Ma，這使得能夠減少輸入電壓Vin和輸出電壓Vout之間的電壓差。
現(xiàn)在，當(dāng)輸入電壓Vin達到所述恒壓電路的額定輸出電壓以便使恒壓電路能夠輸出額定輸出電壓時，輸入到開關(guān)元件Ma的柵極的控制信號切斷開關(guān)元件Ma，從而輸出電壓Vout被箝位在所述恒壓電路的額定輸出電壓上。
此外，在輸入電壓Vin低于所述恒壓電路的額定輸出電壓、從而開關(guān)元件Ma被導(dǎo)通的情況下，當(dāng)發(fā)生諸如負載短路之類的事故時，由于開關(guān)元件Ma的導(dǎo)通狀態(tài)電阻小，因此過電流從輸入端IN流過開關(guān)元件Ma，從而使開關(guān)元件Ma中產(chǎn)生故障。為了保護開關(guān)元件Ma不被該過電流損壞，添加如圖8所示的電流控制電路，它將固定電阻器Ra與開關(guān)元件Ma串聯(lián)。此外，有一種過電流保護系統(tǒng)和過電流保護電路，能夠在不使用具有內(nèi)置保險絲的IPS的情況下防止諸如MOSFET之類的半導(dǎo)體開關(guān)毀壞(例如，參照專利文獻1)。
專利文獻1日本專利特許公開09-046200然而，在如圖8和9所示的常規(guī)電路中，存在這樣的問題，即，加上開關(guān)元件自身導(dǎo)致的壓降，由于用于電流保護的固定電阻器而引起的壓降導(dǎo)致輸出電壓Vout的下降變大。更具體地說，在圖9中，當(dāng)在輸入電壓Vin小于恒壓電路的額定輸出電壓的狀態(tài)下工作時，希望將輸入端IN與輸出端OUT之間的電壓差設(shè)置得盡可能的小。然而，不管將開關(guān)元件Ma的導(dǎo)通狀態(tài)電阻設(shè)置為多么小，由于固定電阻器Ra，減少輸入端IN與輸出端OUT之間的阻抗仍然受到限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的總的目的是提供一種用于防止過電流輸出的保護電路。
本發(fā)明的一個更具體的目的是提供一種包括這樣的保護電路的電源裝置，當(dāng)施加到用于輸出被輸入到輸入端的電壓的開關(guān)元件上的電壓達到預(yù)定電壓或更高時，該保護電路切斷開關(guān)元件以便保護電源裝置。
根據(jù)本發(fā)明的一個特征，提供一種電源裝置，用于通過一個或多個開關(guān)元件從輸出端輸出被輸入到輸入端的電壓，每個元件具有控制電極，該電源裝置包括電壓生成電路，用于生成與所述開關(guān)元件的輸入端和輸出端之間的電壓成比例的輸出電壓Vo，從而輸出所生成的電壓；和控制電路，用于根據(jù)電壓生成電路的輸出電壓Vo，控制所述開關(guān)元件的操作；其中，當(dāng)電壓生成電路的輸出電壓Vo超過預(yù)定參考電壓Vs時，控制電路使開關(guān)元件減少輸出電流。


圖1示出根據(jù)本發(fā)明第一實施例的電源裝置的示例電路；圖2示出圖1中的每個電壓相對于負載電流io的變化而變化的示例；圖3示出根據(jù)本發(fā)明第一實施例的電源裝置的另一示例電路；圖4示出根據(jù)本發(fā)明第一實施例的電源裝置的再一個示例電路；圖5示出根據(jù)本發(fā)明第一實施例的電源裝置的再一個示例電路；
圖6示出圖5中的每個電壓相對于輸入電壓Vin的變化而變化的示例；圖7示出根據(jù)本發(fā)明第一實施例的電源裝置的再一個示例電路；圖8示出常規(guī)電源裝置的示例電路；以及圖9示出常規(guī)電源裝置的另一示例電路。
具體實施例方式
下面參照附圖描述本發(fā)明的實施例。
圖1示出根據(jù)本發(fā)明第一實施例的電源裝置的示例電路。
在圖1中，電源裝置1將來自AC-DC轉(zhuǎn)換器10的輸出電壓作為輸入電壓Vin輸入到輸入端IN，并且電源裝置1通過開關(guān)元件M1，從輸出端OUT將輸出電壓Vout輸出到負載11。
電源裝置1包括偏壓生成電路2、參考電壓生成電路3、PMOS晶體管M1到M3和運算放大器電路AMP。應(yīng)當(dāng)注意，PMOS晶體管M2構(gòu)成第一MOS晶體管，PMOS晶體管M3構(gòu)成第二MOS晶體管，參考電壓生成電路3和運算放大器電路AMP構(gòu)成控制電路，并且運算放大器電路AMP構(gòu)成比較器電路。
上述開關(guān)元件M1包括連接在輸入端IN和輸出端OUT之間的PMOS晶體管，該PMOS晶體管的柵極連接到運算放大器電路AMP的輸出端。此外，PMOS晶體管M2和M3串聯(lián)在輸入端IN和地電壓之間。PMOS晶體管M2和M3之間的接點連接到運算放大器電路AMP的非反相輸入端，而來自參考電壓生成電路3的預(yù)定電壓Vs被輸入到運算放大器AMP的反相輸入端。
PMOS晶體管M2的柵極連接到輸出端OUT，而來自偏壓生成電路2的預(yù)定偏壓Vbias被輸入到PMOS晶體管M3的柵極。此外，負載11連接在輸出端OUT和地電壓之間。PMOS晶體管M2、M3和偏壓生成電路2構(gòu)成電壓生成電路5，用于生成與輸入端IN和輸出端OUT之間的電壓成比例的電壓Vo，以便將所生成的電壓輸出到運算放大器AMP的非反相輸入端。
在如上所述的配置中，由于PMOS晶體管M2和M3串聯(lián)，因此PMOS晶體管M2和M3的各個漏極電流是相同的。因此，PMOS晶體管M2的柵極-源極電壓Vgs2和PMOS晶體管M3的柵極-源極電壓Vgs3相互成比例，并且可以表示為下面的等式(1)，其中K是比例常數(shù)
Vgs2＝K×Vgs3............(1)PMOS晶體管M2的柵極-源極電壓Vgs2與PMOS晶體管M1的源極-漏極電壓Vsd1(圖1中未示出)相同，而PMOS晶體管M3的源極電壓Vo等于偏壓Vbias加上PMOS晶體管M3的柵極-源極電壓Vgs3?；谏鲜?，適用下面的等式(2)Vo＝Vbias+Vgs3＝Vbias+Vgs2/K＝Vbias+Vsd1/K............(2)換句話說，可以理解的是，PMOS晶體管M3的源極電壓包括與PMOS晶體管M1的源極-漏極電壓Vsd成線性比例的部分。
此外，將PMOS晶體管M2的電特性和PMOS晶體管M3的電特性設(shè)置得相同，導(dǎo)致Vgs2＝Vgs3，從而上述等式(2)可以用下面等式(3)表示Vo＝Vbias+Vgs3＝Vbias+Vgs2＝Vbias+Vsd1............(3)換句話說，可以理解的是，PMOS晶體管M3的源極電壓Vo將等于偏壓Vbias加上PMOS晶體管M1的源極-漏極電壓Vsd1(即，輸入端IN與輸出端OUT之間的電壓)。
運算放大器AMP將PMOS晶體管M3的源極電壓Vo與參考電壓Vs進行比較，并且當(dāng)PMOS晶體管M3的源極電壓Vo升高以達到參考電壓Vs時，AMP輸出電壓升高，以控制PMOS晶體管M1的柵極電壓并且抑制從輸出端OUT輸出的電流的增加。
利用圖2來稍微詳細地描述上述操作。當(dāng)從輸出端OUT流過負載11的負載電流io為0(零)時，輸入電壓Vin和輸出電壓Vout相同。此外，PMOS晶體管M3的源極電壓Vo等于偏壓Vbias。由于參考電壓Vs大于偏壓Vbias，因此運算放大器電路AMP的輸出信號處于低電平。
由于PMOS晶體管的導(dǎo)通狀態(tài)電阻約為幾歐姆，因此隨著負載電流io增加，PMOS晶體管M1的源極-漏極電壓Vsd1增加，而輸出電壓Vout下降。另一方面，PMOS晶體管M3的源極電壓Vo以與輸出電壓Vout下降的速率相同的速率上升。當(dāng)PMOS晶體管M3的源極電壓Vo超過參考電壓Vs時，運算放大器電路AMP的輸出電壓升高，并且限制PMOS晶體管M1的輸出電流的升高，此外當(dāng)負載電流io增加時，輸出電壓Vout迅速地下降。
接下來，圖3示出包括多個具有相同特性的開關(guān)元件的示例。當(dāng)負載電流io超過僅一個開關(guān)元件的電流容量時或者當(dāng)試圖將開關(guān)元件的導(dǎo)通狀態(tài)電阻設(shè)置得盡可能的小時，使用圖3所示的配置。要注意，在圖3中，對與圖1相同或相似的部分給予相同的標記，從而省略對其的說明。在如圖3的情況下，分別在PMOS晶體管M1a和M1b的源極與輸入端IN之間彼此并聯(lián)地插入固定電阻器R1和R2，每個電阻具有小的電阻值，這使得能夠?qū)⒘鬟^每個PMOS晶體管M1a和M1a的電流值設(shè)置得相同。
此外，當(dāng)開關(guān)元件如圖3所示配置時，電壓生成電路5的PMOS晶體管M2的源極連接到輸入端IN。在圖4中，該源極連接到PMOS晶體管M1b。可以根據(jù)設(shè)置要檢測的電壓生成電路5中的電壓時要保護的對象是輸入端IN與輸出端OUT之間的電壓還是開關(guān)元件自身的壓降，來選擇上述配置之一。
圖5示出除了圖1的配置外還包括用于將輸出電壓Vout箝位在預(yù)定電壓上的電路的情況的示例，而圖6示出圖5中的各個部分上的電壓變化的示例。要注意，在圖5中，對與圖1相同的部分給予相同的標記，從而這里省略對其的說明，而僅僅描述與圖1的差別。
圖5與圖1之間的差別在于，圖1的運算放大器電路AMP被改為比較器CMP，在輸入端IN與輸出端OUT之間添加了用于提供電流的固定電阻器R3，并且在輸出端OUT與地電壓之間添加了齊納(Zener)二極管ZD。要注意，PMOS晶體管M1的導(dǎo)通狀態(tài)電阻被設(shè)置得比固定電阻器R3小得多。
在圖5中，當(dāng)輸入電壓Vin處于或低于齊納二極管ZD的齊納電壓Vz時，由于PMOS晶體管M1被導(dǎo)通，因此電流從輸入端IN主要通過PMOS晶體管M1提供到負載11。然后，當(dāng)輸入電壓Vin超過齊納電壓Vz時，如圖6所示，輸出電壓Vout被箝位在齊納電壓Vz上。當(dāng)輸入電壓Vin進一步升高到超過電壓(Vz+Vs-Vbias)，即參考電壓Vs減去偏壓Vbias(Vs-Vbias)加上齊納電壓Vz時，由于PMOS晶體管M3的源極電壓Vo超過參考電壓Vs，因此比較器CMP的輸出信號的信號電平反相，切斷PMOS晶體管M1。在這種狀態(tài)下，電流通過固定電阻器R3提供到負載11。
在輸入電壓Vin處于或低于齊納二極管ZD的齊納電壓Vz且PMOS晶體管M1被導(dǎo)通的情況下，當(dāng)由于負載11短路等而流入過載電流io時，輸入端IN與輸出端OUT之間的壓降變大。當(dāng)壓降達到或高于參考電壓Vs與偏壓Vbias之間的電壓差時，由于PMOS晶體管M3的源極電壓Vo超過參考電壓Vs，因此比較器CMP的輸出信號被反相變?yōu)楦唠娖?。這樣，PMOS晶體管M1被切斷，從而使固定電阻器R3成為向負載11提供電流的唯一通路，這使得能夠保護PMOS晶體管M1不被過電流損壞，并且能夠向負載11提供小的電流。
接下來，圖7示出使用恒壓電路代替圖5中的齊納二極管ZD的情況的示例。要注意，在圖7中，對與圖5相同或相似的部分給予相同的標記，從而省略對其的說明。
在圖7中，用比較器CMP代替圖5中的運算放大器電路AMP，同時恒壓電路21包括運算放大器電路AMP1、用于生成預(yù)定參考電壓Vref并輸出所生成電壓的參考電壓生成電路22、用于電壓控制的PMOS晶體管和NMOS晶體管M5、以及用于輸出電壓檢測的電阻器R4和R5。
PMOS晶體管M4和NMOS晶體管M5串聯(lián)在輸入端IN與地電壓之間，同時PMOS晶體管M4和NMOS晶體管M5的柵極分別連接到運算放大器電路AMP1的輸出端。電阻器R4和R5串聯(lián)在PMOS晶體管M4和NMOS晶體管M5的接點以及地電壓之間，同時電阻器R4和R5的接點連接到運算放大器電路AMP1的非反相輸入端。此外，參考電壓Vref輸入到運算放大器AMP1的反相輸入端。
在如上所述的配置中，當(dāng)電壓Vin處于或低于恒壓電路21的額定輸出電壓時，由于作為開關(guān)元件的PMOS晶體管M1被導(dǎo)通，因此電流從輸入端IN主要經(jīng)由PMOS晶體管M1提供到負載11。此時，盡管提供到負載11的電流也從恒壓電路21的PMOS晶體管M4流過，但由于PMOS晶體管M4的導(dǎo)通狀態(tài)電阻比PMOS晶體管M1的導(dǎo)通狀態(tài)電阻大得多，因此大部分負載電流io從PMOS晶體管M1提供。
當(dāng)輸入電壓Vin超過恒壓電路21的額定輸出電壓Vx時，輸出電壓Vout被箝位在額定輸出電壓Vx上。當(dāng)輸入電壓Vin進一步升高到超過電壓(Vx+Vs-Vbias)，即參考電壓Vs減去偏壓Vbias的電壓(Vs-Vbias)加上恒壓電路21的額定輸出電壓Vx時，由于PMOS晶體管M3的源極電壓Vo超過參考電壓Vs，因此比較器CMP的輸出信號的信號電平反相，切斷PMOS晶體管M1。在上述狀態(tài)下，電流從恒壓電路21提供到負載11。在輸入電壓Vin處于或低于恒壓電路21的額定輸出電壓Vx、從而PMOS晶體管M1被導(dǎo)通時的操作與圖5的操作幾乎相同。
當(dāng)由于負載11短路等而導(dǎo)致從輸出端OUT流出過電流時，輸入端IN與輸出端OUT之間的壓降變大。當(dāng)壓降達到或高于參考電壓Vs與偏壓Vbias之間的電壓差時，PMOS晶體管M3的源極電壓Vo超過參考電壓Vs，從而比較器CMP的輸出信號的信號電平被反相變?yōu)楦唠娖健＿@樣，PMOS晶體管M1被切斷，能夠保護PMOS晶體管M1不被過電流損壞。只有來自恒壓電路21的PMOS晶體管M4的電流提供到負載11。如前面所述，由于PMOS晶體管M4的電流供應(yīng)容量比PMOS晶體管M1小得多，因此可以減少向負載11提供電流的容量。
要注意，盡管圖5和7中作為示例示出了具有單個PMOS晶體管M1作為開關(guān)元件的情況，但即使在如3和4中那樣具有多個PMOS晶體管M1的情況中，也執(zhí)行相同的操作。在后一種情況下，當(dāng)輸入端IN與輸出端OUT之間的電壓要作為電壓生成電路21中檢測的電壓時，PMOS晶體管M2的源極可以連接到輸入端IN，而當(dāng)開關(guān)元件自身的壓降要作為檢測的電壓時，PMOS晶體管M2的源極可以連接到開關(guān)元件之一的源極。
權(quán)利要求
1.一種電源裝置，用于通過一個或多個開關(guān)元件的每一個從輸出端輸出被輸入到輸入端的電壓，每個元件具有控制電極，該電源裝置包括電壓生成電路，用于生成與所述開關(guān)元件的輸入端和輸出端之間的電壓成比例的輸出電壓Vo，以便輸出所生成的電壓；和控制電路，用于根據(jù)電壓生成電路的輸出電壓Vo，控制所述開關(guān)元件的操作；其中，當(dāng)電壓生成電路的輸出電壓Vo超過預(yù)定參考電壓Vs時，控制電路使開關(guān)元件減少輸出電流。
2.一種電源裝置，用于通過一個或多個開關(guān)元件的每一個從輸出端輸出被輸入到輸入端的電壓，每個元件具有控制電極，該電源裝置包括電壓生成電路，用于生成與所述輸入端和所述輸出端之間的電壓成比例的輸出電壓Vo，以便輸出所生成的電壓；和控制電路，用于根據(jù)電壓生成電路的輸出電壓Vo，控制所述開關(guān)元件的操作；其中，當(dāng)電壓生成電路的輸出電壓Vo超過預(yù)定參考電壓Vs時，控制電路使開關(guān)元件減少輸出電流。
3.一種電源裝置，用于控制輸入到輸入端的電壓，使得該電壓達到或低于預(yù)定箝位電壓，以便從輸出端輸出所述受控制的電壓，該電源裝置包括一個或多個開關(guān)元件，每一個具有連接在所述輸入端和輸出端之間的控制電極；電壓生成電路，用于生成與每一個所述開關(guān)元件的輸入端和輸出端之間的電壓成比例的輸出電壓Vo，以便輸出所生成的電壓；和控制電路，用于根據(jù)電壓生成電路的輸出電壓Vo，控制所述開關(guān)元件的操作；其中，當(dāng)電壓生成電路的輸出電壓Vo超過預(yù)定參考電壓Vs時，控制電路使開關(guān)元件減少輸出電流。
4.一種電源裝置，用于控制輸入到輸入端的電壓，使得該電壓達到或低于預(yù)定箝位電壓，以便從輸出端輸出所述受控制的電壓，該電源裝置包括一個或多個開關(guān)元件，每一個具有連接在所述輸入端和輸出端之間的控制電極；電壓生成電路，用于生成與所述輸入端和所述輸出端之間的電壓成比例的輸出電壓Vo，以便輸出所生成的電壓；和控制電路，用于根據(jù)電壓生成電路的輸出電壓Vo，控制每個所述開關(guān)元件的操作；其中，當(dāng)電壓生成電路的輸出電壓Vo超過預(yù)定參考電壓Vs時，控制電路使開關(guān)元件減少輸出電流。
5.如權(quán)利要求1所述的電源裝置，其中，電壓生成電路包括第一MOS晶體管，其源極連接到所述輸入端，并且柵極連接到所述輸出端；和第二MOS晶體管，其源極、漏極和柵極分別連接到第一MOS晶體管的漏極、地電壓和預(yù)定電壓Vbias；并且其中，所述第一MOS晶體管和所述第二MOS晶體管屬于相同類型的MOS晶體管，從所述第一MOS晶體管和所述第二MOS晶體管的接點輸出與所述輸入端和輸出端之間的電壓成比例的電壓Vo。
6.如權(quán)利要求5所述的電源裝置，其中，所述第一MOS晶體管和所述第二MOS晶體管具有相同的電特性。
7.如權(quán)利要求5所述的電源裝置，其中，所述第一MOS晶體管和所述第二MOS晶體管中的每一個是PMOS晶體管。
8.如權(quán)利要求5所述的電源裝置，其中所述成比例的電壓Vo是第二MOS晶體管的柵極-源極電壓與預(yù)定電壓Vbias相加的電壓。
9.如權(quán)利要求1所述的電源裝置，其中，所述控制電路包括參考電壓生成電路，用于生成預(yù)定參考電壓Vs，以便輸出所生成的電壓；和比較器電路，用于控制所述開關(guān)元件的操作，使得所述成比例的輸出電壓Vo達到所述參考電壓Vs。
10.如權(quán)利要求1所述的電源裝置，其中，所述開關(guān)元件、所述電壓生成電路和所述控制電路被集成到一個集成電路中。
全文摘要
公開一種用于通過一個或多個開關(guān)元件輸出電壓的電源裝置。該裝置包括電壓生成電路，用于生成與開關(guān)元件的輸入端和輸出端之間的電壓成比例的輸出電壓Vo；和控制電路，用于根據(jù)輸出電壓Vo，控制開關(guān)元件的操作。當(dāng)輸出電壓Vo超過預(yù)定電壓Vs時，控制電路使開關(guān)元件減少輸出電流。
文檔編號H03K17/687GK1922785SQ20058000527
公開日2007年2月28日 申請日期2005年2月17日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月18日
發(fā)明者西田淳二 申請人:株式會社理光