具有折返特性的限流电路的制作方法
【专利摘要】具有折返特性的限流电路，以使芯片进入限流模式后降低功耗，包括栅极互连的功率MOS管和感应MOS管，感应MOS管的栅极连接反馈控制电路中的功率MOS管栅压接点，功率MOS管的电流输出端连接钳位电路中的功率MOS管输出电流接点，在所述功率MOS管与所述钳位电路之间形成输出电压点，感应MOS管的感应电流输出端连接钳位电路中的感应电流接点，所述感应MOS管的源极脚直接串联接入电阻即折返电阻RFB，所述感应MOS管和所述功率MOS管的电压输入端均连接输入电压节点，所述输入电压节点连接芯片内部的基准电流产生电路，所述基准电流的流出端分别连接所述钳位电路中的镜像电流接点和所述反馈控制电路中的差值电流接点。
【专利说明】具有折返特性的限流电路
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及用于芯片(集成电路)的电流陡增抑制技术，特别是一种具有折返特性的限流电路。
【背景技术】
[0002]当遇到热插拔、下游负载等效阻值突然变小或输出端突然短地的事件时，芯片(大电流开关)需要限流电路，以抑制突然暴增的输出电流，并保护内部大尺寸功率MOS管和上游电源安全。为此目的设计的限流电路一般有如下功能，首先利用感应MOS监测输出电流，其次将监测到的电流与基准做比较，最后是根据比较结果反馈控制功率MOS管的输出电流，使其保持在安全的电流范围内。本发明人注意到，越来越多的USB设备需要更大的电流OlA)，而过大的瞬间电流即使被限流，因其限流阈值很大，导致功耗偏高(芯片温度升高)。本发明人认为，如果在限流电路中嵌入折返电路结构以利用其以折返方式降低输出电流的折返功能(foldback)，则能够使芯片进入限流模式后降低功耗。因为芯片进入限流模式后，自身输出电阻变大，致使输出电压(Vout)下降，所以本发明(实用新型)可在芯片进入限流状态后随着输出电压(Vout)下降而进一步降低芯片限流阈值，具体见图1。这样可使芯片可以长时间工作在限流状态，而不会被限流产生的功耗(此时功率等于限流阈值乘以输入输出端电压差)烧毁。
实用新型内容
[0003]本实用新型针对现有技术中存在的缺陷或不足，提供一种具有折返特性的限流电路，以使芯片进入限流模式后降低功耗。
[0004]本实用新型的技术方案如下:
[0005]具有折返特性的限流电路，其特征在于，包括栅极互连的功率MOS管和感应MOS管，所述感应MOS管的栅极连接反馈控制电路中的功率MOS管栅压接点，所述功率MOS管的电流输出端连接钳位电路中的功率MOS管输出电流接点，在所述功率MOS管与所述钳位电路之间形成输出电压点，所述感应MOS管的感应电流输出端连接钳位电路中的感应电流接点，所述感应MOS管的源极脚直接串联接入电阻即折返电阻Rfb，所述感应MOS管和所述功率MOS管的电压输入端均连接输入电压节点，所述输入电压节点连接芯片内部的基准电流产生电路，所述基准电流的流出端分别连接所述钳位电路中的镜像电流接点和所述反馈控制电路中的差值电流接点。
[0006]所述感应MOS管为感应NMOS管，所述功率MOS管为功率NMOS管，所述感应NMOS管的感应电流输出端即源极通过所述折返电阻Rfb连接所述钳位电路中的感应电流接点，在所述折返电阻Rfb与所述钳位电路中的感应电流接点之间形成感应电压点，所述感应NMOS管的漏极即为电压输入端，所述功率NMOS管的源极即为电流输出端，所述功率NMOS管的漏极即为电压输入端。
[0007]所述钳位电路包括第一比较器，栅极互连的第一 NMOS管和第二 NMOS管，所述第一NMOS管的栅极和漏极以及所述第一比较器的输出端和负输入端连接形成所述钳位电路中的感应电流接点，所述第一比较器的正输入端为所述钳位电路中的功率MOS管输出电流接点，所述第二 NMOS管的漏极为所述钳位电路中的镜像电流接点，所述第一 NMOS管的源极和第二 NMOS管的源极均接地。
[0008]所述反馈控制电路包括电荷泵，栅极互连的第三NMOS管和第四NMOS管，以及栅极互连的第五PMOS管和第六PMOS管，所述电荷泵输入端连接所述输入电压节点，所述电荷泵输出端连接所述第四NMOS管的漏极形成所述反馈控制电路中的功率MOS管栅压接点，所述第三NMOS管的栅极和漏极以及所述第五PMOS管的漏极相互连接，所述第三NMOS管的源极和第四NMOS管的源极均接地，所述第五PMOS管的源极和第六PMOS管的源极均连接所述输入电压节点，所述第六PMOS管的栅极和漏极连接形成所述反馈控制电路中的差值电流接点。
[0009]所述感应MOS管为感应PMOS管，所述功率MOS管为功率PMOS管，所述感应PMOS管的感应电流输出端即漏极与所述钳位电路中的感应电流接点直接连接并形成感应电压点，所述折返电阻Rfb位于所述感应PMOS管的源极与所述输入电压节点之间，所述功率PMOS管的源极即为电压输入端，所述功率PMOS管的漏极即为电流输出端。
[0010]本实用新型的技术效果如下:本实用新型具有折返特性的限流电路，通过在感应MOS管的源极脚直接串联接入电阻即折返电阻Rfb，实现了限流电路的折返特性。芯片进入限流模式后，自身输出电阻变大，致使输出电压Vout下降，所以本实用新型可在芯片在进入限流状态后随着输出电压Vout下降而进一步降低芯片限流阈值，具体见图1，101是不带折返特性的输出电流值;102是带折返特性的输出电流值，通过加入折返电阻Rfb，使芯片输出电流达到设定值Im后下降到Iffi,并一直保持(恒流输出)，以保护芯片不被过高的输出电流损坏，同时有效降低芯片发热，这样可使芯片可以长时间工作在限流状态，而不会被限流产生的功耗(此时功率等于限流阈值乘以输入输出端电压差)烧毁。本实用新型是一种结构简单的折返电路(fold-back)，其具有低响应时间，结构简单和适于普通MOS工艺的特点。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1是输出电流被限制后变为恒流输出时的电压电流曲线示意图。
[0012]图2是实施本实用新型的具有折返特性的限流电路的结构原理示意图。
[0013]图3是本实用新型的另一个实施例。
[0014]图4是例举了具体反馈控制电路和具体钳位电路的本实用新型实施例。
[0015]附图标记列示如下:1_反馈控制电路；2_功率MOS管栅压接点；3_差值电流接点；4-钳位电路；5_镜像电流接点；6_感应电流接点；7_功率MOS管输出电流接点；8_接地点；9-电荷泵；1ut-功率MOS管输出电流值；Ira_不带折返特性的输出电流值；、_带折返特性的输出电流值；Vin-输入电压节点或电源电压或输入电压；Vout-输出电压或负载端口电压或功率MOS管输出电压；Mout-功率MOS管；Msns-感应MOS管；Vg-栅压；Isns_感应电流；Vsns-感应电压；RFB-折返电阻；Iset-芯片内部产生的基准电流值山-功率MOS管电流输出值；I2-镜像电流值；Λ 1-12与Iset电流之差，仅当I2大于Iset时存在；I: M-Msns尺寸比Mout尺寸；M1?M6-第I个MOS管至第6个MOS管；Al-第一比较器。
【具体实施方式】
[0016]下面结合附图(图1-图4)对本实用新型进行说明。
[0017]图1是输出电流被限制后变为恒流输出时的电压电流曲线示意图。图2是实施本实用新型的具有折返特性的限流电路的结构原理示意图。图3是本实用新型的另一个实施例。图4是例举了具体反馈控制电路和具体钳位电路的本实用新型实施例。如图2至图3所示，具有折返特性的限流电路，其特征在于，包括栅极互连的功率MOS管Mout和感应MOS管Msns，所述感应MOS管Msns的栅极连接反馈控制电路I中的功率MOS管栅压Vg接点，所述功率MOS管Mout的电流输出端(产生功率MOS管Mout输出电流值lout)连接钳位电路4中的功率MOS管输出电流接点7，在所述功率MOS管Mout与所述钳位电路4之间形成输出电压点Vout (也可以称之为输出电压或负载端口电压或功率MOS管输出电压)，所述感应MOS管Msns的感应电流输出端(产生感应电流Isns)连接钳位电路4中的感应电流接点6，所述感应MOS管Msns的源极脚直接串联接入电阻即折返电阻RFB，所述感应MOS管和所述功率MOS管的电压输入端均连接输入电压节点Vin (也可以称之为电源电压或输入电压)，所述输入电压节点Vin连接芯片内部的基准电流产生电路(形成芯片内部产生的基准电流值Iset)，所述基准电流的流出端分别连接所述钳位电路4中的镜像电流接点5和所述反馈控制电路I中的差值电流接点3。
[0018]如图1所示，Im是不带折返特性的输出电流值山2是带折返特性的输出电流值，通过加入折返电阻rfb，使芯片输出电流达到设定值Ιω后下降到Im并一直保持(恒流输出)，以保护芯片不被过高的输出电流损坏，同时有效降低芯片发热，这样可使芯片可以长时间工作在限流状态，而不会被限流产生的功耗(此时功率等于限流阈值乘以输入输出端电压差)烧毁。
[0019]如图2所示,所述感应MOS管Msns为感应NMOS管,所述功率MOS管Mout为功率NMOS管，所述感应NMOS管的感应电流输出端(产生感应电流Isns)即源极通过所述折返电阻Rfb连接所述钳位电路4中的感应电流接点6，在所述折返电阻Rfb与所述钳位电路4中的感应电流接点6之间形成感应电压Vsns点，所述感应NMOS管的漏极即为电压输入端(连接输入电压节点Vin)，所述功率NMOS管的源极即为电流输出端(输出电流值lout)，所述功率NMOS管的漏极即为电压输入端(连接输入电压节点Vin)。
[0020]如图4所示，所述钳位电路4包括第一比较器Al，栅极互连的第一 NMOS管Ml和第二 NMOS管M2，所述第一匪OS管Ml的栅极和漏极以及所述第一比较器Al的输出端和负输入端连接形成所述钳位电路4中的感应电流接点6，所述第一比较器Al的正输入端“ + ”为所述钳位电路4中的功率MOS管Mout输出电流接点7，所述第二 NMOS管M2的漏极为所述钳位电路4中的镜像电流接点5，所述第一 NMOS管的源极和第二 NMOS管的源极均接地。所述反馈控制电路I包括电荷泵9，栅极互连的第三NMOS管M3和第四NMOS管M4，以及栅极互连的第五PMOS管M5和第六PMOS管M6，所述电荷泵9输入端连接所述输入电压节点Vin，所述电荷泵9输出端连接所述第四NMOS管M4的漏极形成所述反馈控制电路I中的功率MOS管栅压接点Vg，所述第三NMOS管M3的栅极和漏极以及所述第五PMOS管M5的漏极相互连接，所述第三NMOS管M3的源极和第四NMOS管M4的源极均接地于接地点8，所述第五PMOS管M5的源极和第六PMOS管M6的源极均连接所述输入电压节点Vin，所述第六PMOS管M6的栅极和漏极连接形成所述反馈控制电路I中的差值电流接点3。
[0021]如图3所示，所述感应MOS管Msns为感应PMOS管，所述功率MOS管Mout为功率PMOS管，所述感应PMOS管的感应电流输出端(产生感应电流Isns)即漏极与所述钳位电路4中的感应电流接点6直接连接并形成感应电压点Vsns，所述折返电阻Rfb位于所述感应PMOS管的源极与所述输入电压节点Vin之间，所述功率PMOS管的源极即为电压输入端(连接输入电压节点Vin)，所述功率PMOS管的漏极即为电流输出端(输出电流值Iwt)。
[0022]新型具有折返特性限流电路如图2所示，具体介绍如下:
[0023]1.该限流电路嵌于芯片中，用于监测芯片输出电流。当1ut超过设定值后，该限流电路会将1ut保持在设定值(恒流)。
[0024]2.Vin端口接电源，Vout端口接负载。
[0025]3.钳位电路将使Vsns = Vout,且促使I1 = Isns,同时保持I2与Isns成比例。
[0026]4.Mout 为大尺寸功率 MOS 管(NMOS)。
[0027]5.Msns为感应MOS管，用于监测Mout的输出电流，其尺寸为Mout的1/M。
[0028]6.Rfb为电阻，利用此电阻可实现限流电路的折返特性。
[0029]7.1set为芯片内部产生的基准电流。
[0030]Λ I为I2与Iset电流之差，仅当I2大于Iset时存在。
[0031]9.工作过程简介如下，当输出电流1ut = O时,Vout = Vin。当输出电流1ut逐渐变大时，Vout下降,钳位电路会保持Vsns = Vout,并镜像Isns (12)。当镜像电流12 (与Isns成比例)超过Iset (固定值)后，Δ I不为零。这会促使反馈控制电路通过改变Mout的栅压Vg进而不断调整其源漏电流，最终输出电流(1ut)达到恒定(具体大小取决于芯片内部Iset)。
[0032]10.新型具有折返特性限流电路，通过加入折返电阻(Rfb)，使芯片输出电流达到设定值Ιω后下降到Iffi,并一直保持(恒流输出)，以保护芯片不被过高的输出电流损坏，同时有效降低芯片发热。
[0033]因为Mout的尺寸很大(源漏阻抗较小)，所以它在线性区时芯片输出电流(1ut)就已经达到设计限值。而随着Vout进一步降低(输出电流仍恒定)，Mout又会进入饱和区。这样根据MOS在不同区域的电压电流公式可推导出限流电路的折返特性:
[0034]1l = (M+N)*Iset
[0035]12 = M*Iset
[0036]其中，M为Mout与Msns的宽长比之比，
N R
[0037]Routl为Mout在线性区时的漏源等效阻抗，由此我们也可计算出限
I Rout I
流电路的折返特性所需Rfb电阻大小。
[0038]在此指明，以上叙述有助于本领域技术人员理解本发明创造，但并非限制本发明创造的保护范围。任何没有脱离本发明创造实质内容的对以上叙述的等同替换、修饰改进和/或删繁从简而进行的实施，均落入本发明创造的保护范围。
【权利要求】
1.具有折返特性的限流电路，其特征在于，包括栅极互连的功率MOS管和感应MOS管，所述感应MOS管的栅极连接反馈控制电路中的功率MOS管栅压接点，所述功率MOS管的电流输出端连接钳位电路中的功率MOS管输出电流接点，在所述功率MOS管与所述钳位电路之间形成输出电压点，所述感应MOS管的感应电流输出端连接钳位电路中的感应电流接点，所述感应MOS管的源极脚直接串联接入电阻即折返电阻Rfb，所述感应MOS管和所述功率MOS管的电压输入端均连接输入电压节点，所述输入电压节点连接芯片内部的基准电流产生电路，所述基准电流的流出端分别连接所述钳位电路中的镜像电流接点和所述反馈控制电路中的差值电流接点。
2.根据权利要求1所述的具有折返特性的限流电路，其特征在于，所述感应MOS管为感应NMOS管，所述功率MOS管为功率NMOS管，所述感应NMOS管的感应电流输出端即源极通过所述折返电阻Rfb连接所述钳位电路中的感应电流接点，在所述折返电阻Rfb与所述钳位电路中的感应电流接点之间形成感应电压点，所述感应NMOS管的漏极即为电压输入端，所述功率NMOS管的源极即为电流输出端，所述功率NMOS管的漏极即为电压输入端。
3.根据权利要求1所述的具有折返特性的限流电路，其特征在于，所述钳位电路包括第一比较器，栅极互连的第一 NMOS管和第二 NMOS管，所述第一 NMOS管的栅极和漏极以及所述第一比较器的输出端和负输入端连接形成所述钳位电路中的感应电流接点，所述第一比较器的正输入端为所述钳位电路中的功率MOS管输出电流接点，所述第二 NMOS管的漏极为所述钳位电路中的镜像电流接点，所述第一 NMOS管的源极和第二 NMOS管的源极均接地。
4.根据权利要求1所述的具有折返特性的限流电路，其特征在于，所述反馈控制电路包括电荷泵，栅极互连的第三NMOS管和第四NMOS管，以及栅极互连的第五PMOS管和第六PMOS管，所述电荷泵输入端连接所述输入电压节点，所述电荷泵输出端连接所述第四NMOS管的漏极形成所述反馈控制电路中的功率MOS管栅压接点，所述第三NMOS管的栅极和漏极以及所述第五PMOS管的漏极相互连接，所述第三NMOS管的源极和第四NMOS管的源极均接地，所述第五PMOS管的源极和第六PMOS管的源极均连接所述输入电压节点，所述第六PMOS管的栅极和漏极连接形成所述反馈控制电路中的差值电流接点。
5.根据权利要求1所述的具有折返特性的限流电路，其特征在于，所述感应MOS管为感应PMOS管，所述功率MOS管为功率PMOS管，所述感应PMOS管的感应电流输出端即漏极与所述钳位电路中的感应电流接点直接连接并形成感应电压点，所述折返电阻Rfb位于所述感应PMOS管的源极与所述输入电压节点之间，所述功率PMOS管的源极即为电压输入端，所述功率PMOS管的漏极即为电流输出端。
【文档编号】H02H9/02GK203951180SQ201420398088
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年7月18日 优先权日:2014年7月18日
【发明者】郑辰光 申请人:圣邦微电子（北京）股份有限公司