专利名称：无需运算放大器的低功耗限流电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种限流电路，特别涉及一种无需运算放大器的低功耗限流电路。它 直接应用的领域是模拟集成电路中的电源管理电路，尤其是基于双极工艺的单片DC-DC转 换器电路。
背景技术：
DC-DC转换器虽然有不同的拓扑结构，但所有的DC-DC转换器都需要过流保护的 功能。如果没有过流保护功能，当负载电流突然变大时，DC-DC转换器的功率级就会产生大 量热量，导致局部过热，使器件被烧毁。因此，完善的限流保护功能对于保证DC-DC转换器 的器件长期高可靠性显得尤为重要。目前，常见的基于双极工艺的DC-DC转换器的限流电路如图1所示(来自文献1 Macro Corsi 等，文献名禾尔"Current sensing schemes for use in BiCMOS integrated circuits，，，Bipolar/BiCMOS Circuits and Technology Meeting，1995，Page 55-57)。它 采用在电源和功率NPN双极晶体管QNa的集电极之间加入串联电阻I Sa，通过比较器对串 联电阻上感应的电压和预设值进行比较，产生限流信号。但此种电路结构有以下缺点1) 精度不高，对温度敏感。该电路的限流点设置取决于限流电阻的绝度值，而低阻值高精度的 电阻在工艺实现通常比较困难，电阻本身有温度漂移，其阻值随温度变化，因而影响限流点 的设置。2)功耗大。运算放大器会消耗一定的功耗，其他的一些辅助模块如偏置电路等，也 会消耗部分电流，因而导致其功耗过大。一般常规限流电路的耗电都在100 μ A以上。
发明内容
为克服传统比较器的精度不高、功耗大的问题，本发明提供一种无需运算放大器 的低功耗限流电路，且本发明电路无需运算放大器，结构简单、便于使用。为实现上述目的，本发明为解决上述技术问题提出了一种无需运算放大器的低功 耗限流电路，它包括作匹配电阻对的第一电阻Rs、第二电阻R,，其中，Rs的一端接电源Vcc，Rs的低电位 端A与PNP双极晶体管( 的发射极、PNP双极晶体管&的发射极连接在一起，Rq的一端接 电源V。。，Rq的低电位端B与NPN双极晶体管Qs的集电极相接；和作第一电流镜的PNP双极晶体管QpPNP双极晶体管％，其中，Q1W2的基极和发射 极分别连接在一起，Q1^ Q2的的发射极与NPN双极晶体管延的集电极相接，Q1, Q2的基极与 恒流源Ib相连，％的基极与自身的集电极相连,Q1的集电极与NPN双极晶体管％的集电极、 NPN双极晶体管Q7的集电极连接在一起；和作第二电流镜的PNP双极晶体管Q3、PNP双极晶体管仏，其中，Q3W4的基极和发射 极分别连接在一起，Q3、Q4的发射极与第一电阻民的低电位端A相接，Q3, Q4的基极与恒流 源。相接，A的集电极与自身的基极相连接，A的集电极、NPN双极晶体管％的集电极与 过流控制信号端OC相连接；和
作第三电流镜的NPN双极晶体管Q6、NPN双极晶体管Q7,其中，Q6^Q7的基极和发射 极分别连接在一起，％、Q7的发射极接地, 、(^的基极与A的集电极、Q5的集电极连接在一 起，Q6的集电极与A的发射极相接；和NPN双极晶体管QS、NPN功率双极晶体管Qn，其中Qs和％的基极和发射极分别连接 在一起，Qs> Qn的基极与功率管前级驱动输出端Vd相接，Qs, Qn的发射极与输出端Vott相接， Qs的集电极、A的发射极、Q2的发射极与第二电阻Rtl的低电位端B连接在一起，Qn的集电 极接电源Vrc;和NPN双极晶体管Q5，其中，A的基极与固定偏置电压VBias相连接，Q5的集电极和A 的集电极与A的集电极连接在一起，Q5的发射极与％的集电极相接。有益效果本发明的无需运算放大器的低功耗限流电路与常规限流电路相比，它具有以下特点·1.具有精确且与温度无关的限流点设置。电路的限流触发点取决于一个恒流电流 以及器件面积的比值，而非取决于器件的绝对值。虽然器件参数的绝对值很难精确控制，但 器件参数的比值可以通过优化的版图设计做得非常精确，因而使本电路的限流点设计更精 确，且由于器件参数的比值受温度的影响很小，使电路的限流点设置基本与温度无关。2.低功耗。由于本发明电路的结构无需运算放大器，大幅降低了电路的功耗，本 发明电路实现的耗电在20μΑ以下。而常规限流电路仅是其中的运算放大器，本身消耗的 耗电有几十微安以上，总耗电在100 μ A以上，因而本发明电路较之常规限流电路节省功耗 5倍以上。
图1为常规限流电路的电路原理图；图2为本发明的无需运算放大器的低功耗限流电路的电路原理图。
具体实施例方式本发明的具体实施方式
不仅限于下面的描述，现结合附图加以进一步说明。本发明具体实施的无需运算放大器的低功耗限流电路的电路原理图如图2所示。 具体结构和连接关系与本说明书的发明内容部分相同，此处不再重复。图2中，Ib是一个恒流源，Qn为NPN功率晶体管，Qs与％共用基极和发射极，Qs和 %发射极面积的比值为1 N。当仏导通时，假定通过仏的电流为I。ut，则Qs上的电流为 Iout/N, Qs上的电流会通过连接到它的集电极的电阻R,，在B节点处形成电压VB，而流经Rs的 电流会在A节点处形成电压\。根据负载情况的不同，电压乂4和％会相应变化，从而产生不同的过流控制信号0C。 当负载电流在预设值范围内时，过流控制信号OC为低，显示电路处于正常工作状态；当负 载电流超过预设值时，过流控制信号OC为高，电路进入过流保护状态。当负载电流在预设值范围内时，由于Qs上的电流约为％上的电流的1/N，流经Qs 的电流也会比较小，Rtl上的压降就会比较小，节点B上的电压Vb会高于( 的发射极电压VA。 由于( 和％共用基极，使得％的EB结压降要大于( 的EB结压降，几乎所有的偏置电流L都流经Q2，而Q3上几乎没有电流通过；流经％的电流经过Q1镜像之后，从Q1的集电极流出。 由于( 上几乎没有电流通过，与之形成镜像的Q4同样也几乎没有电流通过。％和A的电 流全部由A的集电极提供，晶体晶体管A和％都处于导通状态。通过适当设置偏置电压vBias，可得到过流控制信号OC的值。本发明中A和A发 射极面积的比值为1 K，VBias电压为IV，此电压经过(U々BE结压降后，便可以得到过流 控制信号OC的电压值。假设A的BE结压降为0. 7V，则过流控制信号OC的电压为1V-0. 7V =0. 3V。当负载电流超过预设值时，流经功率晶体管( 上的电流会比较大，流经( 上的电 流也会相应变大，此时，Rq上的压降比较大，节点B上的电压Vb会低于( 的发射极电压\。 由于％和( 又共用基极，从而使得％的EB结压降要小于( 的EB结压降，几乎所有的偏 置电流Ib都会流经仏，而A上几乎没有电流通过。与％组成电流镜的Q1同样没有电流通 过，这样A就无法为A提供电流，A以及和它组成电流镜的％上几乎都没有电流通过。流 经A的电流经过A镜像之后对OC节点充电，使得过流信号OC的电压变高。此时，电路处 于过流状态。本发明中仏和A发射极面积的比值为1 P，Q7*%发射极面积的比值为1 M。 以下对本发明电路中限流点的设置给出说明，并给出限流点的表达式。当负载电流在预设值范围内时，Vb电压大于Va电压；当输出负载处于过流状态时， Vb电压小于Va电压。当输出电流由小变大时，Va逐渐变小而Vb逐渐变大，直至Va等于VB， 过流信号开始被触发，各有一半偏置电流Ib分别流经％和仏，而此时流经负载的电流即为 预设的限流点1_。假定P = K以及M = 1，当Va = Vb时，可以得到如下关系
权利要求
1. 一种无需运算放大器的低功耗限流电路，其特征在于包括 作匹配电阻对的第一电阻Rs、第二电阻R,，其中，Rs的一端接电源Vcc，Rs的低电位端A 与PNP双极晶体管( 的发射极、PNP双极晶体管&的发射极连接在一起，Rq的一端接电源 Vcc, Rq的低电位端B与NPN双极晶体管Qs的集电极相接；和作第一电流镜的PNP双极晶体管Q1JNP双极晶体管％，其中，Q1W2的基极和发射极分 别连接在一起，Q1^ Q2的的发射极与NPN双极晶体管Qs的集电极相接，Q1^ Q2的基极与恒流 源Ib相连，％的基极与自身的集电极相连，A的集电极与NPN双极晶体管A的集电极、NPN 双极晶体管Q7的集电极连接在一起；和作第二电流镜的PNP双极晶体管Q3、PNP双极晶体管仏，其中，Q3W4的基极和发射极分 别连接在一起，Q3、Q4的发射极与第一电阻Rs的低电位端A相接，Q3、Q4的基极与恒流源L 相接，Q3的集电极与自身的基极相连接，A的集电极、NPN双极晶体管％的集电极与过流控 制信号端OC相连接；和作第三电流镜的NPN双极晶体管％、NPN双极晶体管Q7，其中，％、Q7的基极和发射极分 别连接在一起，Q6、Q7的发射极接地，Q6、Q7的基极与Q7的集电极、Q5的集电极连接在一起， Q6的集电极与A的发射极相接；和NPN双极晶体管延、NPN功率双极晶体管仏，其中延和％的基极和发射极分别连接在 一起，Qs> Qn的基极与功率管前级驱动输出端Vd相接，Qs, Qn的发射极与输出端Vott相接，Qs 的集电极、A的发射极、Q2的发射极与第二电阻Rtl的低电位端B连接在一起，Qn的集电极 接电源Vcc;和NPN双极晶体管Q5,其中，Q5的基极与固定偏置电压VBias相连接，A的集电极和Gl1的集 电极与A的集电极连接在一起，Q5的发射极与％的集电极相接。
全文摘要
本发明涉及一种无需运算放大器的低功耗限流电路。它由一对匹配电阻、第一电流镜、第二电流镜、第三电流镜、一个与功率管匹配的NPN双极晶体管和一个基极电压固定的NPN双极晶体管构成。本发明电路结构新颖，电路结构简单，不需要运算放大器，大大降低了电路的功耗。本发明电路可实现整个电路的耗电20μA以下，且本发明电路的限流点取决于器件参数的比值，而非器件参数的绝对值，这使得限流点的设置很精确，基本不受温度影响。它可广泛应用于模拟集成电路中的电源管理电路，如采用双极工艺的单片DC-DC转换器电路中。
文档编号H03F1/30GK102055410SQ20101058210
公开日2011年5月11日 申请日期2010年12月9日 优先权日2010年12月9日
发明者付东兵, 胡永贵, 谭旻, 黄晓宗 申请人:中国电子科技集团公司第二十四研究所