帶有動態(tài)生成追蹤參考電壓的限流負(fù)載開關(guān)的制作方法
【專利摘要】提出了一種橋接電源Vss和負(fù)載，帶有由VRdt－產(chǎn)生器動態(tài)生成的參考電壓VRdt的限流負(fù)載開關(guān)。它包括：互相連接在分裂電流結(jié)構(gòu)上的一對功率場效應(yīng)管和感應(yīng)場效應(yīng)管。此場效應(yīng)管對產(chǎn)生負(fù)載電壓，并把負(fù)載電流Iload限制在預(yù)置的最大值Imax以下。場效應(yīng)管FET對使得它們各自的電流Ipower和Is保持電流比RATIOI＝Is/Ipower<<1，感應(yīng)場效應(yīng)管高端端子通過一個感應(yīng)電阻器Rsense與Vss耦合，在電阻器兩端產(chǎn)生感應(yīng)電壓Vs＝Is×Rsense。限流放大器的輸入端與VRdt和Vs相連，輸出端控制場效應(yīng)管對關(guān)閉限流反饋回路。VRdt－產(chǎn)生器在動態(tài)調(diào)節(jié)VRdt的同時，補償由于感應(yīng)場效應(yīng)管的運行轉(zhuǎn)換使RATIOI發(fā)生改變所帶來的不良影響，因此避免了Iload過度轉(zhuǎn)換而超過Imax的情況。
【專利說明】帶有動態(tài)生成追蹤參考電壓的限流負(fù)載開關(guān)
[0001]參照的相關(guān)申請。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明主要涉及電源領(lǐng)域，確切地說，本發(fā)明旨在設(shè)計一種保護(hù)電源及/或其負(fù)載的負(fù)載開關(guān)。
【背景技術(shù)】
[0003]在電力電子學(xué)領(lǐng)域，負(fù)載開關(guān)一般是在負(fù)載上耦合一個電源，用于連接或斷開電源與負(fù)載。只要設(shè)計得當(dāng)，負(fù)載開關(guān)就能夠保護(hù)電源和負(fù)載免受故障影響，其功能示例如下:
電源和負(fù)載間受控于外部信號的可控功率開關(guān) 欠電壓鎖死
通過斜率控制減小涌入負(fù)載電流來調(diào)節(jié)負(fù)載電壓上升速率，以避免CMOS器件閂鎖等故障影響；這在技術(shù)上也被稱為軟啟動。
[0004]負(fù)載限流，以避免短路時對硬件造成損傷。
[0005]負(fù)載功率的熱保護(hù)，以避免硬件過熱。
[0006]如圖1A所不,原有技術(shù)的限流負(fù)載開關(guān)(CLLS) I用于稱合外部電源Vss6和外部負(fù)載8。此時，外部負(fù)載8與電阻負(fù)載Rload和電容負(fù)載Cload并聯(lián)。那么，原有技術(shù)的限流負(fù)載開關(guān)(CLLS)I保持在負(fù)載電壓Vload下,將負(fù)載電流Iload傳送給外部負(fù)載8。一個帶有低導(dǎo)通電阻Rdson的功率場效應(yīng)管(FET)Ml 2，即一個P-溝道金屬氧化物半導(dǎo)體(PMOS)場效應(yīng)管(FET)，用作連接或斷開外部電源Vss6與外部負(fù)載8的通路電晶體。因此，當(dāng)需要從外部電源Vss6上斷開外部負(fù)載8時，功率場效應(yīng)管FET Ml 2將被完全關(guān)閉。
[0007]原有技術(shù)的限流負(fù)載開關(guān)(CLLS) I以一個帶有預(yù)置的固定參考電壓VR的反饋回路12將負(fù)載電流Iload限制在一個可預(yù)設(shè)的最大值Imax內(nèi)。這個固定的參考電壓VR同一個可預(yù)設(shè)的電流反射鏡16—同產(chǎn)生。正常運行時,功率場效應(yīng)管(FET) Ml 2完全開通，將負(fù)載電流Iload從外部電源Vss6傳送至外部負(fù)載8上。與此同時，作為負(fù)載電流Iload一部分的感應(yīng)電流Is，流經(jīng)感應(yīng)場效應(yīng)管FET M2 4和感應(yīng)電阻器Rsense，并在感應(yīng)電阻器Rsense上產(chǎn)生感應(yīng)電壓Vs。反饋回路12中有一個輸出端為IOc的限流放大器10，帶動功率場效應(yīng)管FET Ml 2和感應(yīng)場效應(yīng)管FET M2 4的共功率柵極3b，以此控制它們各自的導(dǎo)通電阻。限流放大器10的第一個輸入端IOa和第二個輸入端10b，分別連接固定參考電壓VR和感應(yīng)電壓Vs。正常運行時，感應(yīng)電流Is很小，對應(yīng)的感應(yīng)電壓Vs小于固定參考電壓VR,因此反饋回路12保持開路(限流放大器輸出端IOc進(jìn)入高阻抗?fàn)顟B(tài))。但是，當(dāng)外部負(fù)載8短接時，負(fù)載電流Iload隨感應(yīng)電流Is急劇上升，導(dǎo)致感應(yīng)電壓Ns上升。當(dāng)感應(yīng)電壓Vs達(dá)到固定參考電壓VR時，反饋回路12通過限流放大器10關(guān)閉，并連續(xù)控制功率場效應(yīng)管FET Ml 2和感應(yīng)場效應(yīng)管FET M2 4的共功率柵極3b，以使感應(yīng)電壓Vs與固定參考電壓VR保持一致，而且對應(yīng)的負(fù)載電流Iload限制在可預(yù)設(shè)的最大值Imax內(nèi)。原有技術(shù)的限流負(fù)載開關(guān)(CLLS)I的另一特點就是，它包括輸出端和限流放大器10輸出端并聯(lián)的一個軟啟動控制電路18，以控制功率場效應(yīng)管FET Ml 2和感應(yīng)場效應(yīng)管FET M2 4的共功率柵極3b在啟動時控制負(fù)載電壓Vload的斜率。軟啟動后，共功率柵極3b被拉低，以致于功率場效應(yīng)管FET Ml 2完全打開，并在帶有低導(dǎo)通電壓Rdson的線性區(qū)域內(nèi)運行。對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員，由于在開關(guān)電路的軟啟動時，限流放大器輸出端IOc仍保持在高阻抗?fàn)顟B(tài)，因此軟啟動控制電路18與反饋電路12之間沒有功能串?dāng)_。為了避免過多的繁瑣細(xì)節(jié)，軟啟動控制電路18的內(nèi)部電路本文不再贅述。
[0008]接下來詳細(xì)介紹一下原有技術(shù)的限流負(fù)載開關(guān)(CLLS)I的子系統(tǒng)層。功率場效應(yīng)管FET Ml 2是帶有低導(dǎo)通電阻Rdson的連接或斷開外部電源Vss6與外部負(fù)載8的主通路電晶體。功率場效應(yīng)管源端2a(SI)與外部電源Vss6相連，共電源漏極3c(D)與外部負(fù)載8的負(fù)載電壓Vload相連。感應(yīng)場效應(yīng)管FET M2 4，此例中即P通道金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管PMOS FET，是作為電流感應(yīng)晶體管，它可以與功率場效應(yīng)管FET Ml 2制作于同一半導(dǎo)體芯片上，作為半導(dǎo)體芯片上的一小部分并按如下典型示例選擇場效應(yīng)管溝道寬度與溝道長度的比值(W/L)，:
RATIOI=Is/lpower=0.001 …(A)
其中，RATIOI ^ W/L(感應(yīng)場效應(yīng)管FET M2 4)/W/L (功率場效應(yīng)管FET Ml 2)
當(dāng)通過感應(yīng)場效應(yīng)管FET M2 4的電壓與功率場效應(yīng)管FET Ml 2相等時，RATIOI的值由方程(A)給出。當(dāng)通過上述兩個場效應(yīng)管的電壓不相等時，RATIOI會有變化，稍后給出。無論場效應(yīng)管是處在飽和區(qū)還是處在線性區(qū)域，場效應(yīng)管的導(dǎo)通電阻比RATIOR被修正為:RATIOR=Ron (功率場效應(yīng)管FET Ml 2)/ Ron (感應(yīng)場效應(yīng)管FET M2 4)=常數(shù)與方程(A) —致，RATIOR的值可設(shè)置為0.001。
[0009]為了在保持電源效率的同時感測電流，一般要遵循下式:
RAT10I?1
其中，Ipower ^ Iload0因此RATIOI的值一般在下述范圍中選取:
RATIOI的取值范圍一般從0.0001到0.1。
[0010]實際上，功率場效應(yīng)管FET Ml 2和感應(yīng)場效應(yīng)管FET M2 4是互相連接在一個分裂源中，這個分裂源中有共功率柵極3b和共功率漏極3c，以及一個獨立的感應(yīng)場效應(yīng)管源極4a。由方程(A)可知，當(dāng)感應(yīng)電流Is流經(jīng)連接感應(yīng)場效應(yīng)管源極4a和外部電源Vss6間的感應(yīng)電阻器Rsense時,在感應(yīng)電阻器Rsense上產(chǎn)生感應(yīng)電壓Vs,因此可以通過感應(yīng)電流Is來間接獲得負(fù)載電流Iload。
[0011]作為反饋回路12的一部分，感應(yīng)電壓Vs饋電至限流放大器10的第二輸入端10b。作為反饋回路12的另一部分，預(yù)置的固定參考電壓VR和VR —發(fā)生器14共同發(fā)電，并饋電至限流放大器10的第一輸入端10a。在VR —發(fā)生器內(nèi)部，固定參考電壓VR是在參考電壓電阻Rref上產(chǎn)生的，參考電壓電阻Rref連接在外部電源Vss6和輸出電流=16的預(yù)置的電流反射鏡16的電流輸出節(jié)點之間。輸出電流16為場效應(yīng)管FET M6的漏電流，場效應(yīng)管FET M6是對偶電流反射鏡(FET M5和FET M6)的一部分，其中FET M5載有電源16a，提供恒定電流:
I4=Iset
其中Iset為可預(yù)置的電流，同 一個外接電流設(shè)置電阻器Rset—同設(shè)置。最終，通過電流反射鏡流經(jīng)輸出電流16 (I6=I4=Iset)，產(chǎn)生固定參考電壓VR ;當(dāng)外部負(fù)載8短接，即Vs>VR時，Iset將使反饋回路12把負(fù)載電流Iload限制在可預(yù)置的最大值Imax之下。
[0012]圖1B為感應(yīng)電流Is、電源電流Ipower，以及一些與負(fù)載電阻Rload相對的原有技術(shù)的限流負(fù)載開關(guān)(CLLS) I的其他內(nèi)部信號的示例圖。另外，圖中還標(biāo)出了感應(yīng)場效應(yīng)管FET M2 4的輸出電阻(Ro2)。由方程(A)可知，實際上Ipower與負(fù)載電流Iload相等，因此可以用來代表1load。本例中:
Imax=2.8Amp (安培)
VR=43mV (毫伏)
由此可知，當(dāng)Rload很大(>4.2 Ohm)時，Iload保持在Imax以下(A區(qū)右邊)。其中功率場效應(yīng)管FET Ml 2接近完全開通，它的共功率柵極3b被拉低至低電位。當(dāng)Rload持續(xù)降低時，Iload持續(xù)升高。當(dāng)Iload最終被反饋回路12拉低，并控制在Imax以下，即Rload〈2.70hm(B 區(qū))時，一直存在一個 2.7 0hm<Rload<4.2 Ohm 的反常區(qū)，在此區(qū)域，Iload將發(fā)生一個不可接受的高轉(zhuǎn)換，超出Imax50 (A區(qū)左邊)。這種情況下，轉(zhuǎn)換的Iload過調(diào)量50相當(dāng)于比Imax (2.8安培)高出4.4安培，在反饋回路12關(guān)閉之前，轉(zhuǎn)換電流Iload將限制在Imax以下(B區(qū))。因此，有必要找到發(fā)生這種轉(zhuǎn)換的Iload過調(diào)量50的原因，然后通過對原有技術(shù)的限流負(fù)載開關(guān)(CLLS) I進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚齺斫档瓦^調(diào)量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]發(fā)明了一種現(xiàn)有的帶有動態(tài)生成追蹤參考電壓VRdt的限流負(fù)載開關(guān)(CLLS)，包括一對用于橋接外部電源Vss和外部負(fù)載的功率場效應(yīng)管和感應(yīng)場效應(yīng)管。限流負(fù)載開關(guān)(CLLS)在外部負(fù)載上產(chǎn) 生負(fù)載電壓Vload，并自動將因此產(chǎn)生的負(fù)載電流Iload限制在可預(yù)置的最大值Imax以下。上述的一對場效應(yīng)管相互連接在一個帶有共功率柵極和共低端端子的分裂電流結(jié)構(gòu)上，而且它們的尺寸設(shè)計是為了滿足器件電流Ipower和Is保持一致的電流比=RATIO1=IsAp0WerKlt5功率場效應(yīng)管的高端端子與Vss相連，而感應(yīng)場效應(yīng)管的高端端子通過一個串聯(lián)的感應(yīng)電阻Rsense，與Vss耦合，在感應(yīng)電阻兩端產(chǎn)生感應(yīng)電壓Vs=Is*Rsense。
[0014]—個限流放大器其第一輸入端與VRdt相連,第二輸入端與Rsense的低端相連,輸出端與共功率柵極相連，因此當(dāng)Vs趨向超過VRdt時，可通過感應(yīng)場效應(yīng)管FET關(guān)閉反饋回路，并將Vs限制在VRdt以下。
[0015]一個VRdt —產(chǎn)生電路，以產(chǎn)生VRdt，VRdt —產(chǎn)生器還耦合到Vload上，因此，當(dāng)Iload趨于超過Imax，導(dǎo)致感應(yīng)場效應(yīng)管FET從它的線性區(qū)域轉(zhuǎn)換到飽和區(qū)時，所述的VRdt —產(chǎn)生器能夠通過并發(fā)水平轉(zhuǎn)換，充分補償由于感應(yīng)場效應(yīng)管的運行轉(zhuǎn)換使RATIO1發(fā)生改變所帶來的不良影響，自動動態(tài)調(diào)節(jié)VRdt ;如果沒有VRdt的自動動態(tài)調(diào)節(jié)，RATIO1的變化將導(dǎo)致Iload過度轉(zhuǎn)換超過Imax。
[0016]在更具體的實施方案中，VRdt產(chǎn)生器包括:
一種串聯(lián)高端追蹤電阻器、追蹤場效應(yīng)管以及低端分支點的追蹤有源偏置網(wǎng)絡(luò)。此網(wǎng)絡(luò)橋接Vss和Vload，同時流通來自Vss的追蹤偏置電流，并從Vload中獲取追蹤耦合電流。由于高端追蹤電阻器的低端與限流放大器的第一輸入端相連，其高端上的電壓降與VRdt相等。高端追蹤電阻器的設(shè)計滿足當(dāng)追蹤偏置電流等于可預(yù)置的電流Iset，感應(yīng)場效應(yīng)管在飽和區(qū)工作時，所對應(yīng)的VRdt*為:
VRdt*=IsetX高端追蹤電阻
Iload與可預(yù)置的Imax相等，通過Iload的反饋回路,將Vs局限在VRdt*以下。當(dāng)Rload連續(xù)下降時，VRdt會逼近VRdt*,但不超過VRdt*。低端分支點進(jìn)一步流通第一偏置電流:
第一偏置電流=追蹤偏置電流+追蹤耦合電流
一個固定電流有源偏置網(wǎng)絡(luò)，與一個高端固定電流偏置電阻器和一個在飽和區(qū)接通的固定電流偏置場效應(yīng)管串聯(lián)，固定電流有源偏置網(wǎng)絡(luò)與Vss相連接，以流通第二偏置電流:第二偏置電流=Iset因此:
a)當(dāng)感應(yīng)場效應(yīng)管在飽和區(qū)工作時，低端分支點的電勢將追蹤場效應(yīng)管置于飽和區(qū)，與固定電流偏置場效應(yīng)管一同形成電流鏡。這使追蹤偏置電流與Iset相等，VRdt與VRdt*相等，因此將對應(yīng)的Iload限制在Imax以下。
[0017]b)當(dāng)感應(yīng)場效應(yīng)管在線性區(qū)域工作時，低端分支點的電勢將追蹤場效應(yīng)管置于線性區(qū)域，并且追蹤偏置電流減小到Iset以下，使得VRdt小于VRdt*,因此Iload超過Imax的情況就可避免。
[0018]在更具體的實施方案中，為了從Vload中引出追S示f禹合電流，追S示有源偏直網(wǎng)絡(luò)還包括無源電阻耦合網(wǎng)絡(luò)，無源電阻耦合網(wǎng)絡(luò)能夠橋接追蹤場效應(yīng)管的低端和Vload的低端，而且擁有串聯(lián)在低端分支點上的第一耦合電阻器和第二耦合電阻器。
[0019]在一首選的實施方案中，對于選擇的最大化區(qū)域，當(dāng)確定追蹤有源偏置網(wǎng)絡(luò)的電路元件的尺寸，以保證VRdt并發(fā)電位轉(zhuǎn)換充分補償RATIO1的改變時，要在1.2XIset到5X Iset的范圍內(nèi)設(shè)置第一偏置電流。在一個更佳的實施方案中，將第一偏置電流設(shè)置在了2XIset 左右。
[0020]在更具體的實施方案中，VRdt+產(chǎn)生器包括一個可預(yù)置的雙電流源，橋接低端分支點和固定電流有源偏置網(wǎng)絡(luò)低端接地，因此使得第一偏置電流和第二偏置電流接地。
[0021]在更具體的實施方案中，可預(yù)置的雙電流源包括一個三支路電流鏡和:
配置產(chǎn)生可預(yù)置電流Iset的第一電流支路
配置將第一偏置電流流通至2X Iset鏡射電位的第二電流支路 配置將第二偏置電流流通至Iset鏡射電位的第三電流支路
在更具體的實施方案中，之所以設(shè)計限流放大器，是由于當(dāng)Vs小于VRdt時，限流放大器的輸出進(jìn)入高阻抗?fàn)顟B(tài)，斷開反饋回路，因此確保限流負(fù)載開關(guān)免受來自于其他已關(guān)閉的反饋回路不必要的無關(guān)干擾。
[0022]在另一實施方案中，限流負(fù)載開關(guān)(CLLS)還包括軟啟動控制電路，控制共功率柵極，因此實現(xiàn)在啟動時控制負(fù)載電壓Vload斜率的目的。軟啟動控制電路的輸出端與限流放大器的輸出端并聯(lián)。
[0023]在更具體的實施方案中，功率場效應(yīng)管和感應(yīng)場效應(yīng)管可以是P-溝道金屬氧化物半導(dǎo)體(PMOS)器件，也可以是N-溝道金屬氧化物半導(dǎo)體(NMOS)器件。
[0024]首先要說明，RATIO1要在0.0001到0.1的范圍內(nèi)選取。
[0025]在本說明的備忘中，還專為本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步闡明有關(guān)本發(fā)明的各種情況和說明。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]為了更加詳細(xì)地介紹本發(fā)明的各種實施方案，特提交附圖以作參考。但附圖僅用作說明，不能以此限定本發(fā)明的范圍。
[0027]圖1A表示用于在外部負(fù)載上耦合外部電源的原有技術(shù)的限流負(fù)載開關(guān)(CLLS)； 圖1B為電源電流Ipower加上原有技術(shù)的限流負(fù)載開關(guān)(CLLS)的一些其他外部信號，
隨負(fù)載電阻Rload的變化關(guān)系圖；
圖1C和圖1D分別表示原有技術(shù)的限流負(fù)載開關(guān)(CLLS)的控制電路部分，在兩個獨立工作區(qū)域內(nèi)的工作狀態(tài)；
圖1E和圖1F分別表示感應(yīng)電流和感應(yīng)電壓隨原有技術(shù)的限流負(fù)載開關(guān)(CLLS)的負(fù)載電阻Rload的變化關(guān)系圖；
圖2A表示現(xiàn)有技術(shù)的限流負(fù)載開關(guān)(CLLS)，用于在外部負(fù)載上耦合一個外部電源；
圖2B為電源電流Ipower加上現(xiàn)有發(fā)明限流負(fù)載開關(guān)(CLLS)與負(fù)載電阻Rload之間的變化關(guān)系圖。
【具體實施方式】
[0028]本說明和所含附圖僅為本發(fā)明的一個或多個目前的最佳實施方案，以及一些典型的可選組件和/或備選實施方案。本說明和附圖旨在舉例說明，并不能以此限定本發(fā)明的范圍。因此，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)能夠輕松識別依本發(fā)明所作的變化、修改及替換。這些變化、修改及替換仍屬本發(fā)明涵蓋的范`圍。
[0029]圖1C表示在A工作區(qū)內(nèi)，原有技術(shù)的限流負(fù)載開關(guān)(CLLS) I的控制電路部分，簡化后的工作狀態(tài)。圖1D表示B區(qū)內(nèi)，原有技術(shù)的限流負(fù)載開關(guān)(CLLS) I的控制電路部分，簡化后的工作狀態(tài)。相對應(yīng)地，圖1E和圖1F分別表示感應(yīng)電流Is和感應(yīng)電壓Vs隨原有技術(shù)的限流負(fù)載開關(guān)(CLLS)I的負(fù)載電阻Rload的變化情況。控制電路部分包括分裂源功率場效應(yīng)管FET Ml 2和感應(yīng)場效應(yīng)管FET M2 4，以及反饋回路12。從圖1C至圖1F，以下示例僅為舉例說明:
RATIO1=0.001
定義如下表示方法，以便詳細(xì)說明A區(qū):
Rol =功率場效應(yīng)管FET Ml 2的漏源電阻 Ro2 =感應(yīng)場效應(yīng)管FET M2 4的漏源電阻 Ron =功率場效應(yīng)管FET Ml 2的線性電阻(Rdsonl)
Rsense =感應(yīng)電阻
Isl =當(dāng)Vs〈VRl時的感應(yīng)電流
Ids =漏源電流
Vgs =柵源電壓
Vsl =當(dāng)IloacKImax時的感應(yīng)電壓
VRl =當(dāng)Iload接近Imax時，要觸發(fā)限流放大器10 (閉合反饋回路12)所需的參考電
壓A區(qū)內(nèi)(圖1C，圖1E的右側(cè)以及圖1F)，原有技術(shù)的限流負(fù)載開關(guān)(CLLS) I在正常工作狀態(tài)下運行:
Vsl = Isl * Rsense < VRl
反饋回路12保持開路
共功率柵極3b被拉低(例如，這可以通過軟啟動圖1A的控制回路18來實現(xiàn))
功率場效應(yīng)管FET Ml 2和感應(yīng)場效應(yīng)管FET M2 4均是在線性區(qū)域被完全開通和工作的。
[0030]Iload ^ Ipower=Vss/(Ron+Rload)(I)
Isl={Rol/[Rol+(Ro2+Rsense)]}*Iload={Ron/[Ron+(1000*Ron+Rsense)]}*Iload
(2)
同樣地，定義如下表示方法，以便詳細(xì)說明B區(qū):
Rol =功率場效應(yīng)管FET Ml 2的漏源電阻
Ro2 =感應(yīng)場效應(yīng)管FET M2 4的漏源電阻
Rsense =感應(yīng)電阻
Is2 =當(dāng)Iload=Imax時 的感應(yīng)電流
Ids =漏源電流
Vgs =柵源電壓
Vs2 =當(dāng)Iload=Imax時的感應(yīng)電壓
VR2 =當(dāng)反饋回路12關(guān)閉時,要將Iload保持在Imax水平所需的參考電壓B區(qū)內(nèi)(圖1D、圖1E的左側(cè)以及圖1F)，隨著反饋回路12的關(guān)閉，原有技術(shù)的限流負(fù)載開關(guān)(CLLS) I在限流狀態(tài)下工作，而且:
Vs2 = Is2 * Rsense = VR2
感應(yīng)場效應(yīng)管FET M2 4的Vgs受反饋回路12的控制，并將Iload限制在Imax以下。
[0031]每當(dāng)Rload在B區(qū)內(nèi)變化時，反饋回路12會對感應(yīng)場效應(yīng)管FET M2 4的Vgs進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，并將Iload維持在Imax的水平上。
[0032]Iload ^ Ipower=Vss/(Rol+Rload) (3)
Ro2 = 1000 * Rol
Iload=(Rol+Ro2+Rsense)*Is2/Rol ^ 1000*Is2 (4)
(假設(shè) Rsense〈〈Rol〈〈Ro2)
Is2 ^ (1/1000)*Iload=Imax/1000 (5)
通過上述各種不同的方程式，可以計算出感應(yīng)電流Is與感應(yīng)電壓Vs隨原有技術(shù)的限流負(fù)載開關(guān)(CLLS)I的負(fù)載電阻Rload的變化關(guān)系，變化圖像見圖1E和圖1F。從圖1E中，可以看出，感應(yīng)電路在A區(qū)和B區(qū)(Isl和Is2)之間是不連續(xù)的。這種不連續(xù)是由于，在A區(qū)，當(dāng)感應(yīng)場效應(yīng)管FET M2完全開通，而且其漏源電阻Ro2相當(dāng)小時，感應(yīng)電阻Rsense的值可以和感應(yīng)場效應(yīng)管FET M2 4的導(dǎo)通電阻(Ron2=1000Ron)相比擬。然而在B區(qū)，感應(yīng)場效應(yīng)管FET M2工作在飽和區(qū)，因此其漏源電阻Ro2很大，感應(yīng)電阻Rs不可忽略。因此正如方程(2)、方程(5)以及圖1B所示，A區(qū)和B區(qū)的RATIO1是不同的。這就使得要關(guān)閉反饋回路12，以便將Iload限制在Imax以下，A區(qū)內(nèi)所需的參考電壓VRl要小于在B區(qū)內(nèi)所需的參考電壓VR2。但是，原有技術(shù)的限流負(fù)載開關(guān)(CLLS) I電路，對于反饋回路12僅有一個固定參考電壓VR。因此，正如之前在圖1B中所述，在2.7 Ohm < Rload〈4.2 Ohm的反常區(qū)內(nèi)，Iload會發(fā)生一個超出Imax50的不可接受的高轉(zhuǎn)換。在本例中，Iload轉(zhuǎn)換過調(diào)量50高達(dá)4.4安培，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于Imax (2.8安培)。在此反常區(qū)內(nèi)，當(dāng)負(fù)載電阻Rload降低，Iload首次達(dá)到Imax (A點，2.8安培)時，所產(chǎn)生的感應(yīng)電壓Vs (C點，30毫伏)仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于固定參考電壓VR (B點,43毫伏)。因此,反饋回路12仍然保持開路狀態(tài)。Rload必須進(jìn)一步降低，直到感應(yīng)電壓Vs最終達(dá)到固定參考電壓VR(D點，42毫伏)，才能閉合反饋回路，并使功率場效應(yīng)管FET Ml 2和感應(yīng)場效應(yīng)管FET M2 4進(jìn)入飽和區(qū)(B區(qū))，然后把Iload降至當(dāng)前的Imax。
[0033]為解決上述由于感應(yīng)電流不連續(xù)引起的轉(zhuǎn)換Iload超出問題，本發(fā)明提出了一種用于在外部負(fù)載8上耦合外部電源Vss6的限流負(fù)載開關(guān)(CLLS)lOl，如圖2A所示。當(dāng)分裂源電晶體對功率場效應(yīng)管FET Ml 2和感應(yīng)場效應(yīng)管FET M2 4時，反饋回路12的結(jié)構(gòu)與圖1A十分相似，不同的是本發(fā)明限流負(fù)載開關(guān)(CLLS) 101利用一個動態(tài)追蹤參考電壓產(chǎn)生器VRdt-產(chǎn)生器114，根據(jù)轉(zhuǎn)換分裂源電晶體對(2和4)的工作區(qū)，來動態(tài)調(diào)整參考電壓VRdt。VRdt-產(chǎn)生器114耦合到Vload上，當(dāng)Iload趨于超出Imax，導(dǎo)致感應(yīng)場效應(yīng)管FET M2 4從它的線性區(qū)域運轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換到它的飽和區(qū)時，通過一個并發(fā)水平轉(zhuǎn)換，以及對感應(yīng)場效應(yīng)管FETM2 4的運轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換引起RATIO1的變化所帶來的不良影響進(jìn)行充分補償，VRdt-產(chǎn)生器114將自發(fā)動態(tài)調(diào)整VRdt。因此，本發(fā)明限流負(fù)載開關(guān)(CLLS) 101能夠確保Iload從線性工作區(qū)(A區(qū))平穩(wěn)轉(zhuǎn)換至飽和區(qū)(B區(qū))，消除了原有技術(shù)中Iload其他轉(zhuǎn)換的50過調(diào)量。對應(yīng)的電源電流Ipower加上本發(fā)明限流負(fù)載開關(guān)(CLLS) 101的一些其他外部信號，與負(fù)載電阻Rload之間的關(guān)系如圖2B所示。
[0034]下面詳細(xì)介紹一下VRdt-產(chǎn)生器114的子系統(tǒng)水平類型，它包括一個串聯(lián)高端追蹤電阻器R4的追蹤有源偏置網(wǎng)絡(luò)、一個追蹤場效應(yīng)管FET M3以及一個低端支路點116。所述的追蹤有源偏置網(wǎng)絡(luò)橋接外部電源Vss6以及Vload，以便從Vss6中引出追蹤偏置電流16，從Vload中引出追蹤耦合電流17。由于高端追蹤電阻器R4的低端連接在限流放大器10的第一輸入端IOa上，因此R4兩端電壓為參考電壓VRdt。此外，高端追蹤電阻器的設(shè)計滿足當(dāng)追蹤偏置電流等于可預(yù)置的電流Iset,感應(yīng)場效應(yīng)`管在飽和區(qū)工作時,所對應(yīng)的VRdt*為:
VRdt^=IsetX高端追蹤電阻R4
通過反饋回路12將Vs限制在VRdt*以下，而且對應(yīng)的Iload小于或等于可預(yù)置的Imax。當(dāng)Rload連續(xù)下降時，VRdt逼近VRdt*。低端支路點116進(jìn)一步減小第一偏置電流13:第一偏置電流13 =追蹤偏置電流16 +追蹤耦合電流17
為了從Vload中引出追蹤耦合電流17，追蹤有源偏置網(wǎng)絡(luò)還包括一個無源電阻耦合網(wǎng)絡(luò)，這個無源電阻耦合網(wǎng)絡(luò)的第一耦合電阻器R6和第二耦合電阻器R7串聯(lián)在低端支路點116上。因此，無源電阻耦合網(wǎng)絡(luò)橋接Vload與追蹤場效應(yīng)管FET M3的低端。
[0035]VRdt-產(chǎn)生器114具有額外的固定電流有源偏置網(wǎng)絡(luò)，此網(wǎng)絡(luò)包括一個高端固定電流偏置電阻器R5串聯(lián)一個在飽和區(qū)接通的固定電流偏置場效應(yīng)管FET M4。固定電流有源偏置網(wǎng)絡(luò)與Vss6相連，以減小其中的第二偏置電流12:
R5 = R4
第二偏置電流12 = Iset
為追蹤有源偏置網(wǎng)絡(luò)與固定電流有源偏置網(wǎng)絡(luò)設(shè)計多個電路元件，是為了: a)當(dāng)感應(yīng)場效應(yīng)管FET M2 4在飽和區(qū)工作時，低端支路點116的電勢將追蹤場效應(yīng)管FET M3置于飽和區(qū)，同固定電流偏置場效應(yīng)管FET M4—起形成電流鏡，因此迫使追蹤偏置電流16等于Iset (Iset = 12), VRdt等于VRdt*,并將對應(yīng)的Iload限制在Imax以下。
[0036]b)當(dāng)感應(yīng)場效應(yīng)管FET M2 4在線性區(qū)域工作時，低端支路點116的電勢將追蹤效應(yīng)管FET M3置于線性區(qū)域，而且追蹤偏置電流16降低至Iset以下，這使得VRdt明顯小于VRdt*,因此避免了 Iload轉(zhuǎn)換過調(diào)量50Imax以上。
[0037]為了提供上述的多個源電流，VRdt-產(chǎn)生器114還包括可預(yù)置的雙電流源118，橋接低端支路點116和低端固定電流有源偏置網(wǎng)絡(luò)接地，使得第一偏置電流13和第二偏置電流12接地。然后，可預(yù)置的雙電流源118還包括以下三支路電流鏡:
配有電流源Isetl20和場效應(yīng)管FET M7的第一電流支路，以產(chǎn)生可預(yù)置電流14 =Iset (其值取決于外部電阻Rset，此處不再詳述)
配有場效應(yīng)管FET M8的第二電流支路，以便流通第一偏置電流13，13 = 2 X Iset鏡電流。
[0038]配有場效應(yīng)管FET M9的第三電流支路，以便流通第二偏置電流12，12 = Iset鏡電流。
[0039]如圖2B所不,本發(fā)明中，除了在Rload?4.5 Ohm附近有一個微小的假信號之外，在Rload的整個量程范圍內(nèi)(10 Ohm-O Ohm),隨著Rload的不斷減小，Iload朝Imax (2.8安培)逐漸漸進(jìn)式增加。另一重要特點是，在A區(qū)和B區(qū)之間的轉(zhuǎn)換區(qū)域AB中，Iload隨Rload的變化關(guān)系也不再受任何超過Imax的轉(zhuǎn)換影響。由于功率場效應(yīng)管FET Ml 2和感應(yīng)場效應(yīng)管FET M2 4的分裂源配置電流比為RATIOI = Is/Ipower=0.001，因此，Is隨Rload的變化關(guān)系圖像與Iload隨Rload的變化關(guān)系圖像除在轉(zhuǎn)換區(qū)域AB內(nèi)不同之外，其他區(qū)域大致相同。在轉(zhuǎn)換區(qū)域AB中，功率場效應(yīng)管FET Ml 2和感應(yīng)場效應(yīng)管FET M2 4經(jīng)歷了一個從線性到飽和狀態(tài)的劇烈轉(zhuǎn)換。當(dāng)Ipower/Is的比值在轉(zhuǎn)換區(qū)域AB內(nèi)仍然劇烈變化(從1700到1100之間)時，VRdt —產(chǎn)生器114動態(tài)調(diào)節(jié)追蹤參考電壓VRdt，通過一個并發(fā)水平轉(zhuǎn)換，充分補償RATIOI發(fā)生改變所帶來的不良影響，這就使得本發(fā)明中Iload隨Rload的變化關(guān)系也不再受任何超過Imax的轉(zhuǎn)換影響。參考圖中，在A區(qū)內(nèi)，感應(yīng)電壓Vs隨Rload的變化關(guān)系在VRdt之下，這說明反饋回路12開路。然而，在B區(qū)內(nèi)，感應(yīng)電壓Ns隨Rload的變化關(guān)系略微超過VRdt，這說明反饋回路12已閉合(圖2B中，B區(qū)內(nèi)，Vs和VRdt之間的差異，可看作是電流放大器10中輸入偏置的結(jié)果)。另一參考圖中，Ro2(感應(yīng)場效應(yīng)管FETM2 4的漏源電阻)隨Rload的變化關(guān)系在A區(qū)(線性區(qū)域)內(nèi)的值很小，但在B區(qū)(飽和區(qū))內(nèi)卻迅速增加。基于本發(fā)明限流負(fù)載開關(guān)(CLLS) 101中的以下數(shù)字電路設(shè)計參數(shù)，繪出圖2B以作參考:
功率場效應(yīng)管FET Ml 2 Rdson = 20毫歐 感應(yīng)場效應(yīng)管FET M2 4 Rdson = 20歐 追蹤場效應(yīng)管FET M3 Rdson = 40千歐 Rsense=16 歐 R4=R5=4.5 千歐 R6 = 50千歐 R7 = 25千歐 Iset = 12 = 10 微安 13 = 2*Iset=20 微安 Vss=12 伏 Imax = 2.8 安培 Cload =IuF
對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員，在本發(fā)明的設(shè)計思路基礎(chǔ)上，還可通過調(diào)整上述限流負(fù)載開關(guān)CLLS的數(shù)字電路設(shè)計參數(shù)，例如改變不同的Vss和Imax的值等，達(dá)到其他設(shè)計任務(wù)要求。隨著可用的電路模擬工具不斷開發(fā)，在它們的輔助下，這些電路設(shè)計參數(shù)的調(diào)整將越來越快捷。
[0040]總之，在限流反饋回路中，通過利用所述的動態(tài)生成追蹤參考電壓，負(fù)載開關(guān)能夠保證在整個負(fù)載電阻范圍內(nèi)，負(fù)載電流被局限在預(yù)置的限流水平上。盡管，本發(fā)明闡述的是功率場效應(yīng)管FET和感應(yīng)場效應(yīng)管FET互相連接在一個分裂源結(jié)構(gòu)上，但對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明還有更廣泛的應(yīng)用，比如功率場效應(yīng)管FET和感應(yīng)場效應(yīng)管FET，同一個共功率柵極和共低端端子一起，互相連接在一個分裂源結(jié)構(gòu)上。同樣地，本發(fā)明闡述的是場效應(yīng)管FET和感應(yīng)場效應(yīng)管FET均為P —溝道金屬氧化物半導(dǎo)體(PMOS)結(jié)構(gòu)，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明中的場效應(yīng)管FET和感應(yīng)場效應(yīng)管FET也可以是N —溝道金屬氧化物半導(dǎo)體(NMOS)結(jié)構(gòu)。另外，盡管VRdt —產(chǎn)生器114將第一偏置電流13設(shè)置在13 =2X Iset鏡電流水位上，但是為了最大化追蹤有源偏置網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計選擇區(qū)域，以保證VRdt并行發(fā)生電位轉(zhuǎn)換充分補償RATIO1的變化，利用電路模擬，第一偏置電流13的設(shè)置，可以通過舉例法，而不是通過局限法，在從1.2X Iset到5X Iset的更廣泛范圍內(nèi)設(shè)置。
[0041]通過說明和圖示，我們給出了參考具體裝置的多個典型示例。其實只要稍加試驗，本領(lǐng)域的技術(shù)人員就能實現(xiàn)其他示例的應(yīng)用，將本發(fā)明應(yīng)用到多個其他結(jié)構(gòu)中。因此，鑒于本專利文件，本發(fā)明的保護(hù)范圍并不僅僅局限于之前提到地具體典型示例，而是在以下的權(quán)利要求中限定?；跈?quán)利要求的同等含義和范圍內(nèi)，所做出的任何以及所有的修改，都將被認(rèn)為仍屬本發(fā)明涵蓋的范圍。
【權(quán)利要求】
1.帶有動態(tài)生成追蹤參考電壓VRdt的限流負(fù)載開關(guān)CLLS包括: 一對功率場效應(yīng)管和感應(yīng)場效應(yīng)管，相互連接在帶有共功率柵極和共低端端子的分裂電流結(jié)構(gòu)上，橋接一個外部電源Vss和一個外部負(fù)載，產(chǎn)生負(fù)載電壓Vload，而且當(dāng)場效應(yīng)管對飽和時，自動將產(chǎn)生的負(fù)載電流Iload限制在可預(yù)置的最大值Imax，選擇場效應(yīng)管對的尺寸使得它們各自流出的器件電流Ipower和Is保持電流比RATIO1 = Is/Ipower〈〈l,感應(yīng)場效應(yīng)管高端端子通過一個感應(yīng)電阻器Rsense與Vss耦合，在電阻器兩端產(chǎn)生感應(yīng)電壓Vs = IsXRsense ； 一個限流放大器，其第一輸入端與動態(tài)追蹤參考電壓VRdt相連,其第二輸入端與Rsense的低端相連，其輸出端與共功率柵極相連，因此通過感應(yīng)場效應(yīng)管形成一反饋回路，當(dāng)Vs趨向超過VRdt時，將Vs限制在VRdt以下；以及 一個VRdt —產(chǎn)生器，以產(chǎn)生VRdt，VRdt 一產(chǎn)生器還耦合到Vload上，因此，當(dāng)Iload趨于超過Imax，導(dǎo)致感應(yīng)場效應(yīng)管從它的線性區(qū)域轉(zhuǎn)換到飽和區(qū)時，所述的VRdt —產(chǎn)生器能夠通過一并行發(fā)生電位轉(zhuǎn)換，充分補償由于感應(yīng)場效應(yīng)管的運行轉(zhuǎn)換使RATIO1發(fā)生改變所帶來的不良影響，自動動態(tài)調(diào)節(jié)VRdt ;如果沒有VRdt的自動動態(tài)調(diào)節(jié)，RATIO1的變化將導(dǎo)致Iload過度轉(zhuǎn)換而超出Imax ； 其中當(dāng)Vs小于VRdt時，限流放大器的輸出端進(jìn)入高阻抗?fàn)顟B(tài)，斷開反饋回路，因此確保限流負(fù)載開關(guān)免受來自于其他閉合反饋回路不良的無關(guān)干擾； 所述限流負(fù)載開關(guān)還包括一個軟啟動控制電路，其輸出端與限流放大器的輸出端并聯(lián)，以便控制共功率柵極，因此達(dá)到在啟動時控制負(fù)載電壓Vload斜率的目的。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的限 流負(fù)載開關(guān)，其中VRdt—產(chǎn)生器還包括: 一個追蹤有源偏置網(wǎng)絡(luò)，與高端追蹤電阻器、追蹤場效應(yīng)管以及低端分支點串聯(lián)，此網(wǎng)絡(luò)橋接Vss和Vload，同時流通來自Vss的追蹤偏置電流，并從Vload中獲取追蹤耦合電流；由于其低端與限流放大器的第一輸入端相連，高端追蹤電阻器上的電壓降與所述的VRdt相等；高端追蹤電阻器的設(shè)計滿足當(dāng)追蹤偏置電流等于一可預(yù)置的電流Iset且感應(yīng)場效應(yīng)管在飽和區(qū)工作時，所對應(yīng)的VRdt*為: VRdt^=IsetX高端追蹤電阻阻值 其在Iload與可預(yù)置的Imax相等時,通過Iload的反饋回路,將Vs局限在VRdt*以下，上述的低端分支點進(jìn)一步流通第一偏置電流: 第一偏置電流=追蹤偏置電流+追蹤耦合電流 以及一個固定電流有源偏置網(wǎng)絡(luò)，與一個高端固定電流偏置電阻器和一個在飽和區(qū)接通的固定電流偏置場效應(yīng)管串聯(lián)，固定電流有源偏置網(wǎng)絡(luò)與Vss相連接，以流通第二偏置電流: 第二偏置電流=Iset 因此: a)當(dāng)感應(yīng)場效應(yīng)管在飽和區(qū)工作時，低端分支點的電勢將追蹤場效應(yīng)管置于飽和區(qū)，與固定電流偏置場效應(yīng)管形成電流鏡，這就使得追蹤偏置電流與I set相等，VRdt與VRdt*相等，因此將對應(yīng)的Iload限制在Imax ； b)當(dāng)感應(yīng)場效應(yīng)管在線性區(qū)域工作時，低端分支點的電勢將追蹤場效應(yīng)管置于線性區(qū)域，并且追蹤偏置電流減小到Iset以下，使得VRdt小于VRdt*,因此避免Iload過度轉(zhuǎn)換而超過Imax的情況。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的限流負(fù)載開關(guān)，為了從Vload中引出追蹤耦合電流，追蹤有源偏置網(wǎng)絡(luò)還包括一無源電阻耦合網(wǎng)絡(luò)，擁有串聯(lián)在低端分支點上的第一耦合電阻器和第二耦合電阻器，橋接追蹤場效應(yīng)管的低端和Vload的低端。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的限流負(fù)載開關(guān)，為在選定追蹤有源偏置網(wǎng)絡(luò)的電路元件的尺寸以保證一 VRdt電位轉(zhuǎn)換能并行發(fā)生且充分補償RATIO1的改變時有最大的選擇范圍，所述第一偏置電流設(shè)置在1.2 X Iset到5 X Iset的范圍內(nèi)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的限流負(fù)載開關(guān)，其中的VRdt—產(chǎn)生器還包括一個可預(yù)置的雙電流源，橋接低端分支點和固定電流有源偏置網(wǎng)絡(luò)低端接地，因此流通第一偏置電流和第二偏置電流接地。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的限流負(fù)載開關(guān)，其中可預(yù)置的雙電流源包括一個三支路電流鏡: 配置產(chǎn)生可預(yù)置電流Iset的第一電流支路 配置流通鏡電流水平在1.2XIset到5XIset范圍內(nèi)的第一偏置電流的第二電流支路，以及 配置流通鏡電流水平為Iset第二偏置電流的第三電流支路。
7.根據(jù)權(quán)利要求 1所述的限流負(fù)載開關(guān)，其中所述的功率場效應(yīng)管和所述的感應(yīng)場效應(yīng)管均為P-溝道金屬氧化物半導(dǎo)體(PMOS)器件，而且功率場效應(yīng)管和感應(yīng)場效應(yīng)管的高端為源極，低端為漏極。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的限流負(fù)載開關(guān)，其中所述的功率場效應(yīng)管和所述的感應(yīng)場效應(yīng)管均為N-溝道金屬氧化物半導(dǎo)體(NMOS)器件。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的限流負(fù)載開關(guān)，其中所述的限流放大器的第一輸入端為其正輸入，所述的限流放大器的第二輸入端為其負(fù)輸入。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的限流負(fù)載開關(guān)，其中所述的限流放大器的第一輸入端為其負(fù)輸入，所述的限流放大器的第二輸入端為其正輸入。
【文檔編號】H03K17/16GK103825592SQ201310597591
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2009年10月9日 優(yōu)先權(quán)日:2008年10月10日
【發(fā)明者】伍志文, 韋志南, 鄭偉強, 張艾倫 申請人:萬國半導(dǎo)體有限公司