电流限制电路及具有其的用电设备的制作方法

1.本发明涉及电子信息技术领域，尤其涉及一种电流限制电路及具有其的用电设备。


背景技术：

2.现有技术中用于实现电流限制和过流保护的电路和装置，往往通过采样管复制功率管的电流并输出至比较器处，利用比较器与参考电压的比较结果控制功率管和采样管以起到过流保护和电流限制的效果。但此种方案由于参考电压的存在，往往会导致采样管与功率管的栅极相对于源极的电压不同，产生的电压差容易导致系统存在失调，极端情况下导致有近30％的误差，无法起到预期的效果。如果将功率管和采样管替换为p沟道晶体管，虽然能够使偏差得到一定改善，但为了实现基本功能，需要为p沟道晶体管增加掩膜层和高低压转换电路，从而增加了电路的成本和复杂程度，并且，即使经过上述调整，形成的电路系统也无法解决功率管在线性区工作时的限流问题。


技术实现要素：

3.本发明的目的之一在于提供一种电流限制电路，以解决现有技术中电流限制电路误差大、结构复杂、成本高且难以对线性区工作的功率管限流的技术问题。
4.本发明的目的之一在于提供一种具有电流限制电路的用电设备。
5.为实现上述发明目的之一，本发明一实施方式提供一种电流限制电路，包括依次连接的电流输入端、镜像电路以及调节电路；所述镜像电路包括栅极相互连接的第一场效应管和第二场效应管；所述调节电路的输入侧连接所述第二场效应管的源极和参考电压，且输出侧连接所述第一场效应管的栅极，所述调节电路配置为根据所述第二场效应管的源极的输出以及所述参考电压，控制所述第一场效应管的栅极的电平；所述电流限制电路还包括补偿电路，所述补偿电路连接所述第二场效应管的栅极，且配置为输出补偿电压，其中，所述补偿电压的值等于所述参考电压的值。
6.作为本发明一实施方式的进一步改进，所述镜像电路还包括高电平端和地电平端，所述高电平端连接所述第一场效应管的漏极和所述第二场效应管的漏极，所述地电平端连接所述第一场效应管的源极、所述第二场效应管的源极和所述调节电路；所述调节电路配置为根据所述第二场效应管的源极的输出以及所述参考电压，选择性将所述第一场效应管的栅极的电平拉低。
7.作为本发明一实施方式的进一步改进，所述调节电路包括第一比较器，所述第一比较器的正相输入端连接所述第二场效应管的源极、反相输入端连接所述参考电压，且输出端连接所述第一场效应管的栅极；所述第一比较器配置为根据所述第二场效应管的源极的输出值以及所述参考电压的值的比较结果，控制所述第一场效应管栅极的电平。
8.作为本发明一实施方式的进一步改进，所述调节电路包括第一感应电阻和第三场效应管；所述第一感应电阻一端接地，另一端连接所述第一比较器的正相输入端；所述第三
场效应管的栅极连接所述第一比较器的输出端、源极接地，且漏极连接所述第一场效应管的栅极。
9.作为本发明一实施方式的进一步改进，所述电流限制电路还包括参考电压源，所述参考电压源一端接地，另一端连接所述第一比较器的反相输入端。
10.作为本发明一实施方式的进一步改进，所述补偿电路包括补偿电流源和补偿电阻，所述补偿电流源连接所述第二场效应管的栅极，所述第一场效应管的栅极通过所述补偿电阻连接所述第二场效应管的栅极；补偿电流源配置为输出补偿电流，所述补偿电流的值等于所述参考电压的值与所述补偿电阻的阻值之比。
11.作为本发明一实施方式的进一步改进，所述补偿电路包括第一镜像支路、第二镜像支路以及连接所述第一镜像支路的参考电路；所述参考电路包括第四场效应管、第二比较器和参考电阻，所述第四场效应管串接于所述第一镜像支路；所述第二比较器的输出端连接所述第四场效应管的栅极且正相输入端连接所述参考电压；所述参考电阻一端连接所述第四场效应管的源极和所述第二比较器的反相输入端，且另一端接地；所述补偿电路还包括串接于所述第二镜像支路的第二感应电阻，所述第二感应电阻未接地的一端连接所述调节电路的输入侧，且配置为向所述调节电路提供参考电压。
12.作为本发明一实施方式的进一步改进，所述补偿电路还包括第三镜像支路和补偿电阻；所述补偿电阻的一端连接所述第一场效应管的栅极，且另一端分别连接所述第三镜像支路和所述第二场效应管的栅极。
13.作为本发明一实施方式的进一步改进，所述调节电路包括第一比较器、第一感应电阻和第三场效应管，所述第一比较器的正相输入端连接所述第二场效应管的源极、反相输入端连接所述第二镜像支路，且输出端连接所述第三场效应管的栅极；所述第一感应电阻一端接地，另一端连接所述第一比较器的正相输入端；所述第二感应电阻未接地一端连接所述第一比较器的反相输入端；所述第三场效应管的栅极连接所述第一比较器的输出端、源极接地，且漏极连接所述第一场效应管的栅极。
14.为实现上述发明目的之一，本发明一实施方式提供一种用电设备，包括上述任一种技术方案所述的电流限制电路。
15.与现有技术相比，本发明提供的电流限制电路，通过设置补偿电路，向用于采样的第二场效应管栅极输入与参考电压相等的补偿电压，从而保持第一场效应管和第二场效应管栅极电压动态平衡，镜像电路两条支路上电流始终成比例设置或相等，以控制电流限制过程中的误差，并同时兼顾成本、结构和功率管限流的普遍适用性。
附图说明
16.图1是本发明一实施方式中电流限制电路的电路结构示意图；
17.图2是本发明另一实施方式中电流限制电路的电路结构示意图。
具体实施方式
18.以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。
19.需要说明的是，术语“包括”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
20.在用电设备工作过程中，可能会由于下游等效阻抗突然减小或突发短路故障等情况，导致输出电流迅速过大，并进一步影响上游电源或下游负载的损坏，因此如何将电流限制于合理的范围内，特别是如何配置限流电路或过流电路，以使其适用于精度要求较高的工作状况，并且同时平衡成本、电路复杂程度以及补偿误差或补偿效果，是本领域亟待解决的技术问题，也是本发明的目的之一。
21.本发明一实施方式提供一种用电设备，包括一种电流限制电路，通过调节场效应管的通断或开度，限制电路中电流的大小，使其维持在稳定范围内，防止电流过大导致的用电设备内部供电器件和/或其他功能性器件损坏。
22.所述用电设备可以是例如电脑、手机、上位机等电子设备，也可以是电源、电表等电回路中的必要设备，当然也可以是其他任何利用外部或内部电能实现自身功能和效果的用电设备。当然，上述用电设备还可以解释为设置有电流限制电路的、独立设置的电流限制装置，从而选择性地连接于回路中以赋予相关系统以电流限制功能。
23.本发明一实施方式提供一种如图1所示的电流限制电路，可以设置于上文所述的任一用电设备中。所述电流限制电路包括依次连接的电流输入端1、镜像电路2以及调节电路3。电流输入端1用于引入输入电流，以使后端元器件足以利用所述输入电流至少进行限制调节和过流判断；镜像电路2用于复制或按照一定比例复制所述输入电流，并输出至调节电路3；调节电路3用于根据预设运算关系判断来自镜像电路2的电流是否满足条件，并在满足条件时输出调节信号或指示信号至少其中一种，以调节所述输入电流的大小和/或指示当前电路已处于过流状态。
24.镜像电路2包括栅极相互连接的第一场效应管21和第二场效应管22，调节电路3的输入侧连接第二场效应管22的源极和参考电压vref，且输出侧连接第一场效应管21的栅极，调节电路3进一步配置为根据第二场效应管22的源极的输出以及所述参考电压vref，控制第一场效应管21的栅极的电平。例如，可以在第二场效应管22的源极的输出电平或输出电流大小与所述参考电压vref之间的运算关系符合预设关系时，通过第一场效应管21的栅极控制其关断或限制其开度，且/或可以再第二场效应管22的源极的输出电平或输出电流大小与所述参考电压vref之间的运算关系不符合预设关系时，回复第一场效应管21的正常导通，如此，形成具有可恢复性的电流限制电路。
25.可以理解地，本发明中包括上文描述在内的任何关于“连接”的描述，均可以解释为具有直接连接和间接连接两种，所述间接连接既可以包括通过其他电子元器件建立连接关系，也可以包括通过连接其他电子元器件，获得等价的信号或实现等价的效果。例如第一场效应管21和第二场效应管22的栅极之间的连接，可以采用直接连接也可以通过其他元器件建立连接关系，又例如调节电路3与参考电压vref的连接，可以是直接连接参考电压vref，也可以是连接其他电路获得等价的参考电压vref信号或数值。
26.进一步地，所述电流限制电路还包括补偿电路4，用于补偿参考电压vref对第二场效应管22的电平影响，平衡第一场效应管21和第二场效应管22之间的镜像关系，提升电路
工作及电流限制的精度。具体而言，补偿电路4连接第二场效应管22的栅极，且配置为输出补偿电压voffset，进一步地，所述补偿电压voffset的值配置为等于参考电压vref的值。如此，通过提升第二场效应管22的栅极电平，补偿因调节电路3内设置有参考电压vref导致第二场效应管22的源极电平提高，从而使得第二场效应管22的栅极相对于源极的电压与第一场效应管21的栅极相对于源极的电压不成比例的异常情况。
27.第一场效应管21和第二场效应管22在一种实施方式中可以被具体配置为ldmos(laterally-diffused metal-oxide semiconductor，横向扩散金属氧化物半导体)，相比于一般晶体管而言，具有增益、线性度、开关性能、散热性能和级数减少等方面优势，基于其耐高压和高频大功率器件的性质，可以更好地兼容cmos工艺并适用于射频功率电路的搭建。其中，第一场效应管21和第二场效应管可以配置为nldmos(n-laterally-diffused metal-oxide semiconductor，n型横向扩散金属氧化物半导体)或pldmos(p-laterally-diffused metal-oxide semiconductor，p型横向扩散金属氧化物半导体)其中任一种。
28.在一种实施方式中，所述电流输入端1可以是直接向镜像电路2输入上游供电信号，也可以是向镜像电路2输入导通信号，以初始化镜像电路2进行上游供电信号的接收，在后一种实施方式中，电流输入端1可以配置为连接第一场效应管21的栅极，在初始化阶段输入导通信号控制第一场效应管21导通，以从其漏极接收所述输入电流。
29.进一步地，镜像电路2还包括高电平端23和地电平端24，高电平端23连接第一场效应管21的漏极和第二场效应管22的漏极，地电平端24连接第一场效应管21的源极、第二场效应管22的源极和调节电路。如此，可以将第一场效应管21和第二场效应管22配置为nldmos，并利用电流输入端控制两个nldmos的栅极，以使其通过源极和漏极接入高电平端23和地电平端24，从而获得所述输入电流并进行后续过流判断和限流控制。
30.基于此，调节电路3可以进一步配置为根据第二场效应管22的源极输出以及参考电压vref，选择性将第一场效应管21的栅极电平拉低。上述判断过程可以是利用运算器接入第二场效应管22的源极和参考电压vref，从而根据预设判断规则输出高低电平，也可以是单纯将上述两项数据进行比对判断并输出。上述电平拉低过程可以是将电平拉至任何一个预设的低电平以进行开度调节，也可以是直接将电平拉至地，直接关断第一场效应管21。
31.在一种具体的实施方式中，调节电路3可以被配置为包括第一比较器31，其中，第一比较器31的正相输入端连接第二场效应管22的源极，第一比较器31的反相输入端连接参考电压vref，且第一比较器31的输出端连接第一场效应管21的栅极。如此，利用第一比较器31判断第二场效应管22的源极输出是否大于参考电压vref，并在判断大于或小于时对应输出不同的信号控制第一场效应管21实现不同的动作。进一步地，第一比较器31可以配置为根据第二场效应管22的源极的输出值以及参考电压vref的值的比较结果，控制第一场效应管21栅极的电平。例如，具体地，可以是在判断源极输出值大于参考电压vref时，控制第一场效应管21关断，并在判断源极输出值小于等于参考电压vref时，控制第一场效应管21导通。同样可以理解地，上述第一比较器31与第一场效应管21栅极之间的连接方式，可以是直接连接，也可以是间接连接。
32.优选地，调节电路3包括第一感应电阻32和第三场效应管33，其中，第一感应电阻32一端接地，第一感应电阻32另一端连接第一比较器31的正相输入端，第三场效应管33的栅极连接第一比较器31的输出端，第三场效应管33的源极接地，且第三场效应管33的漏极
连接第一场效应管21的栅极。如此，在第一感应电阻32的作用下，第二场效应管22的源极输出(也即第一比较器31的正相输入)形成为相对于地的电压信号，如此通过第一比较器31比较该电压信号的值和参考电压vref的值，在大于时输出高电平控制第三场效应管33导通，将第一场效应管21的栅极电平拉至地，并在小于等于时输出低电平，控制第三场效应管33关断，使上游电路正常运作。
33.而对于参考电压vref的形成，在本实施方式中，具体可以是电流限制电路还包括参考电压源34，其中，参考电压源34的一端接地，参考电压源34的另一端连接的第一比较器31的反相输入端。如此，通过控制参考电压源34输出电压信号的值的大小，使电流限制电路足以适应各种工况或精度要求下的设备。
34.在图1所示的实施方式中，补偿电路4可以包括补偿电流源40和补偿电阻41，以此形成与参考电压vref一致的补偿电压。具体地，补偿电流源40连接第二场效应管22的栅极，第一场效应管21的栅极通过补偿电阻41连接第二场效应管22的栅极；补偿电流源40对应配置为输出补偿电流，且所述补偿电流的值等于参考电压vref的值与补偿电阻41的组织之比，从而等效地向第二场效应管22的栅极输入与参考电压vref数值一致的补偿电压。如此，第二场效应管22由于第一感应电阻32的存在导致源极电平被拉高，出现一个数值上近似等于参考电压vref的误差，致使第二场效应管22的栅极相对于源极的电压小于第一场效应管21的栅极相对于源极的电压，从而可以通过上述补偿电路4的设置，提高第二场效应管22的栅极电压，使得其与第一场效应管21的电压差异保持平衡，减小过电流保护(ocp，over current protection)误差。
35.本发明另一实施方式提供一种如图2所示的电流限制电路，其可以具有与前一种实施方式相同或类似的电流输入端1、镜像电路2以及调节电路3，其中镜像电路2可以同样包括第一场效应管21和第二场效应管22，电流限制电路可以包括补偿电路4。在具体的实施方式中，镜像电路2还可以包括高电平端23和地电平端24。
36.对于该实施方式中的补偿电路4部分，具体可以配置为包括第一镜像支路421、第二镜像支路422以及连接第一镜像支路421的参考电路44，如此第一镜像支路421将参考电路44产生的参考信号镜像至第二镜像支路422处，形成调节电路3(或具体地，第一比较器31)的输入。
37.参考电路44可以具体包括第四场效应管441、第二比较器442和参考电阻443，其中第四场效应管441串接于第一镜像支路421，优选通过第四场效应管441的漏极和源极串接。第二比较器442的输出端连接第四场效应管441的栅极且正相输入端连接参考电压vref，同时，参考电阻443一端连接第四场效应管441的源极和第二比较器442的反相输入端，且参考电阻443的另一端接地。如此，第二比较器442可以根据参考电阻443上电压与参考电压vref的关系，选择性导通第四场效应管441以调节第一镜像支路421上电压稳定，形成调节后的参考电压，并通过第一镜像支路421与第二镜像支路422之间的镜像关系，将该调节后的参考电压用作调节电路3的输入。
38.上述用作输入的具体实现方式，在一种具体示例中可以是，补偿电路4还包括串接于第二镜像支路422的第二感应电阻45，其中，第二感应电阻45未接地一端连接调节电路3的输入侧，且配置为向调节电路3提供参考电压vref或经过调节后的参考电压。
39.进一步地，补偿电路4还可以包括第三镜像支路423和补偿电阻41，与前一种实施
方式相类似地，第一场效应管21的栅极和第二场效应管22的栅极之间，同样可以通过该补偿电阻41建立连接关系，换言之，补偿电阻41的一端连接第一场效应管21的栅极，且补偿电阻41的另一端分别连接第三镜像支路423和第二场效应管22的栅极，从而直接利用第一镜像支路421上形成的参考电压作为补偿电压，对第二场效应管22的栅极电压进行补偿。
40.具体而言，在该实施方式中，定义参考电阻443的阻值为r0，补偿电阻41的阻值为r1，第一感应电阻32的阻值为r2，第二感应电阻45的阻值为r3，则在正常实现电流限制的状态下，第二场效应管22的栅极电压相对于第一场效应管21的栅极电压，存在电压偏差δv，且该电压偏差至少满足：
[0041][0042]
在第一镜像支路421、第二镜像支路422和第三镜像支路423之间互成等比例镜像的情况下，补偿电阻41和第二感应电阻45上电压相等，如此可以通过第一比较器31控制第一感应电阻32，使其上电压等于第二感应电阻45上电压，保证第一场效应管21和第二场效应管22能够按照预设比例形成镜像。当第二场效应管22复制的电流在第一感应电阻32上产生的感应电压高于在第二感应电阻45的阻值与补偿电阻41的阻值一致的情况下，也即高于所述电压偏差δv，则第三场效应管33导通，第一场效应管21的栅极电压拉低，使得上游电路系统的电流始终维持在预设的过电流保护范围内。
[0043]
基于上述原理，在电路结构方面，与前一种实施方式类似地，调节电路3同样可以包括第一比较器31、第一感应电阻32和第三场效应管33，其中第一比较器31的正相输入端连接第二场效应管22的源极，第一比较器31的反相输入端连接第二镜像支路422，且第一比较器31的输出端连接第三场效应管33的栅极。第一感应电阻32一端接地，另一端连接第一比较器31的正相输入端。第二感应电阻45未接地一端连接第一比较器31的反相输入端。第三场效应管33的栅极连接第一比较器31的输出端，第三场效应管33的源极接地，且第三场效应管33的漏极连接第一场效应管21的栅极。如此，以第一感应电阻32和第二感应电阻45的一端分别作为输入，控制第三场效应管33的通断，影响第一场效应管21的电平。
[0044]
应当注意地，虽然本实施方式中对于第一场效应管21和第二场效应管22形成的镜像电路2的镜像比例系数并没有限制，可以是完全复制，也可以是成比例镜像(例如由第一场效应管21至第二场效应管22为k：1)，但三条镜像支路应当具体配置为完全复制，以统一三条支路的电流输出，达到本发明另一实施方式预期的技术效果。在电路构成方面，第一镜像支路421、第二镜像支路422和第三镜像支路423可以被具体配置为，分别通过具有相同沟道比例参数w/l的第五场效应管4210、第六场效应管4220和第七场效应管4230实现镜像复制。具体地，第五场效应管4210、第六场效应管4220和第七场效应管4230可以同样配置为p沟道场效应管，源极接高电平、栅极相互连接且漏极分别伸出，依次形成第一镜像支路421、第二镜像支路422和第三镜像支路423。
[0045]
同样需要强调地，第四场效应管441和第三场效应管33，出于功能和成本平衡的考虑，可以配置为普通的n沟道场效应管。图2所示的另一实施方式中，第二比较器442的正相输入端所接的参考电压vref，可以与图1所示的实施方式相类似地，配置为通过独立设置的参考电压源提供，当然不排斥其他实现方式。
[0046]
综上，本发明提供的电流限制电路，通过设置补偿电路4，向用于采样的第二场效应管22栅极输入与参考电压相等的补偿电压，从而保持第一场效应管21和第二场效应管22栅极电压动态平衡，镜像电路2两条支路上电流始终成比例设置或相等，以控制电流限制过程中的误差，并同时兼顾成本、结构和功率管限流的普遍适用性。
[0047]
应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
[0048]
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。