專利名稱：無需運(yùn)算放大器的低功耗限流電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種限流電路，特別涉及一種無需運(yùn)算放大器的低功耗限流電路。它 直接應(yīng)用的領(lǐng)域是模擬集成電路中的電源管理電路，尤其是基于雙極工藝的單片DC-DC轉(zhuǎn) 換器電路。
背景技術(shù)：
DC-DC轉(zhuǎn)換器雖然有不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但所有的DC-DC轉(zhuǎn)換器都需要過流保護(hù)的 功能。如果沒有過流保護(hù)功能，當(dāng)負(fù)載電流突然變大時(shí)，DC-DC轉(zhuǎn)換器的功率級(jí)就會(huì)產(chǎn)生大 量熱量，導(dǎo)致局部過熱，使器件被燒毀。因此，完善的限流保護(hù)功能對(duì)于保證DC-DC轉(zhuǎn)換器 的器件長(zhǎng)期高可靠性顯得尤為重要。目前，常見的基于雙極工藝的DC-DC轉(zhuǎn)換器的限流電路如圖1所示(來自文獻(xiàn)1 Macro Corsi 等，文獻(xiàn)名禾爾"Current sensing schemes for use in BiCMOS integrated circuits，，，Bipolar/BiCMOS Circuits and Technology Meeting，1995，Page 55-57)。它 采用在電源和功率NPN雙極晶體管QNa的集電極之間加入串聯(lián)電阻I Sa，通過比較器對(duì)串 聯(lián)電阻上感應(yīng)的電壓和預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較，產(chǎn)生限流信號(hào)。但此種電路結(jié)構(gòu)有以下缺點(diǎn)1) 精度不高，對(duì)溫度敏感。該電路的限流點(diǎn)設(shè)置取決于限流電阻的絕度值，而低阻值高精度的 電阻在工藝實(shí)現(xiàn)通常比較困難，電阻本身有溫度漂移，其阻值隨溫度變化，因而影響限流點(diǎn) 的設(shè)置。2)功耗大。運(yùn)算放大器會(huì)消耗一定的功耗，其他的一些輔助模塊如偏置電路等，也 會(huì)消耗部分電流，因而導(dǎo)致其功耗過大。一般常規(guī)限流電路的耗電都在100 μ A以上。

發(fā)明內(nèi)容
為克服傳統(tǒng)比較器的精度不高、功耗大的問題，本發(fā)明提供一種無需運(yùn)算放大器 的低功耗限流電路，且本發(fā)明電路無需運(yùn)算放大器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于使用。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題提出了一種無需運(yùn)算放大器的低功 耗限流電路，它包括作匹配電阻對(duì)的第一電阻Rs、第二電阻R,，其中，Rs的一端接電源Vcc，Rs的低電位 端A與PNP雙極晶體管( 的發(fā)射極、PNP雙極晶體管&的發(fā)射極連接在一起，Rq的一端接 電源V。。，Rq的低電位端B與NPN雙極晶體管Qs的集電極相接；和作第一電流鏡的PNP雙極晶體管QpPNP雙極晶體管％，其中，Q1W2的基極和發(fā)射 極分別連接在一起，Q1^ Q2的的發(fā)射極與NPN雙極晶體管延的集電極相接，Q1, Q2的基極與 恒流源Ib相連，％的基極與自身的集電極相連,Q1的集電極與NPN雙極晶體管％的集電極、 NPN雙極晶體管Q7的集電極連接在一起；和作第二電流鏡的PNP雙極晶體管Q3、PNP雙極晶體管仏，其中，Q3W4的基極和發(fā)射 極分別連接在一起，Q3、Q4的發(fā)射極與第一電阻民的低電位端A相接，Q3, Q4的基極與恒流 源。相接，A的集電極與自身的基極相連接，A的集電極、NPN雙極晶體管％的集電極與 過流控制信號(hào)端OC相連接；和
作第三電流鏡的NPN雙極晶體管Q6、NPN雙極晶體管Q7,其中，Q6^Q7的基極和發(fā)射 極分別連接在一起，％、Q7的發(fā)射極接地, 、(^的基極與A的集電極、Q5的集電極連接在一 起，Q6的集電極與A的發(fā)射極相接；和NPN雙極晶體管QS、NPN功率雙極晶體管Qn，其中Qs和％的基極和發(fā)射極分別連接 在一起，Qs> Qn的基極與功率管前級(jí)驅(qū)動(dòng)輸出端Vd相接，Qs, Qn的發(fā)射極與輸出端Vott相接， Qs的集電極、A的發(fā)射極、Q2的發(fā)射極與第二電阻Rtl的低電位端B連接在一起，Qn的集電 極接電源Vrc;和NPN雙極晶體管Q5，其中，A的基極與固定偏置電壓VBias相連接，Q5的集電極和A 的集電極與A的集電極連接在一起，Q5的發(fā)射極與％的集電極相接。有益效果本發(fā)明的無需運(yùn)算放大器的低功耗限流電路與常規(guī)限流電路相比，它具有以下特點(diǎn)·1.具有精確且與溫度無關(guān)的限流點(diǎn)設(shè)置。電路的限流觸發(fā)點(diǎn)取決于一個(gè)恒流電流 以及器件面積的比值，而非取決于器件的絕對(duì)值。雖然器件參數(shù)的絕對(duì)值很難精確控制，但 器件參數(shù)的比值可以通過優(yōu)化的版圖設(shè)計(jì)做得非常精確，因而使本電路的限流點(diǎn)設(shè)計(jì)更精 確，且由于器件參數(shù)的比值受溫度的影響很小，使電路的限流點(diǎn)設(shè)置基本與溫度無關(guān)。2.低功耗。由于本發(fā)明電路的結(jié)構(gòu)無需運(yùn)算放大器，大幅降低了電路的功耗，本 發(fā)明電路實(shí)現(xiàn)的耗電在20μΑ以下。而常規(guī)限流電路僅是其中的運(yùn)算放大器，本身消耗的 耗電有幾十微安以上，總耗電在100 μ A以上，因而本發(fā)明電路較之常規(guī)限流電路節(jié)省功耗 5倍以上。


圖1為常規(guī)限流電路的電路原理圖；圖2為本發(fā)明的無需運(yùn)算放大器的低功耗限流電路的電路原理圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的具體實(shí)施方式
不僅限于下面的描述，現(xiàn)結(jié)合附圖加以進(jìn)一步說明。本發(fā)明具體實(shí)施的無需運(yùn)算放大器的低功耗限流電路的電路原理圖如圖2所示。 具體結(jié)構(gòu)和連接關(guān)系與本說明書的發(fā)明內(nèi)容部分相同，此處不再重復(fù)。圖2中，Ib是一個(gè)恒流源，Qn為NPN功率晶體管，Qs與％共用基極和發(fā)射極，Qs和 %發(fā)射極面積的比值為1 N。當(dāng)仏導(dǎo)通時(shí)，假定通過仏的電流為I。ut，則Qs上的電流為 Iout/N, Qs上的電流會(huì)通過連接到它的集電極的電阻R,，在B節(jié)點(diǎn)處形成電壓VB，而流經(jīng)Rs的 電流會(huì)在A節(jié)點(diǎn)處形成電壓\。根據(jù)負(fù)載情況的不同，電壓乂4和％會(huì)相應(yīng)變化，從而產(chǎn)生不同的過流控制信號(hào)0C。 當(dāng)負(fù)載電流在預(yù)設(shè)值范圍內(nèi)時(shí)，過流控制信號(hào)OC為低，顯示電路處于正常工作狀態(tài)；當(dāng)負(fù) 載電流超過預(yù)設(shè)值時(shí)，過流控制信號(hào)OC為高，電路進(jìn)入過流保護(hù)狀態(tài)。當(dāng)負(fù)載電流在預(yù)設(shè)值范圍內(nèi)時(shí)，由于Qs上的電流約為％上的電流的1/N，流經(jīng)Qs 的電流也會(huì)比較小，Rtl上的壓降就會(huì)比較小，節(jié)點(diǎn)B上的電壓Vb會(huì)高于( 的發(fā)射極電壓VA。 由于( 和％共用基極，使得％的EB結(jié)壓降要大于( 的EB結(jié)壓降，幾乎所有的偏置電流L都流經(jīng)Q2，而Q3上幾乎沒有電流通過；流經(jīng)％的電流經(jīng)過Q1鏡像之后，從Q1的集電極流出。 由于( 上幾乎沒有電流通過，與之形成鏡像的Q4同樣也幾乎沒有電流通過。％和A的電 流全部由A的集電極提供，晶體晶體管A和％都處于導(dǎo)通狀態(tài)。通過適當(dāng)設(shè)置偏置電壓vBias，可得到過流控制信號(hào)OC的值。本發(fā)明中A和A發(fā) 射極面積的比值為1 K，VBias電壓為IV，此電壓經(jīng)過(U々BE結(jié)壓降后，便可以得到過流 控制信號(hào)OC的電壓值。假設(shè)A的BE結(jié)壓降為0. 7V，則過流控制信號(hào)OC的電壓為1V-0. 7V =0. 3V。當(dāng)負(fù)載電流超過預(yù)設(shè)值時(shí)，流經(jīng)功率晶體管( 上的電流會(huì)比較大，流經(jīng)( 上的電 流也會(huì)相應(yīng)變大，此時(shí)，Rq上的壓降比較大，節(jié)點(diǎn)B上的電壓Vb會(huì)低于( 的發(fā)射極電壓\。 由于％和( 又共用基極，從而使得％的EB結(jié)壓降要小于( 的EB結(jié)壓降，幾乎所有的偏 置電流Ib都會(huì)流經(jīng)仏，而A上幾乎沒有電流通過。與％組成電流鏡的Q1同樣沒有電流通 過，這樣A就無法為A提供電流，A以及和它組成電流鏡的％上幾乎都沒有電流通過。流 經(jīng)A的電流經(jīng)過A鏡像之后對(duì)OC節(jié)點(diǎn)充電，使得過流信號(hào)OC的電壓變高。此時(shí)，電路處 于過流狀態(tài)。本發(fā)明中仏和A發(fā)射極面積的比值為1 P，Q7*%發(fā)射極面積的比值為1 M。 以下對(duì)本發(fā)明電路中限流點(diǎn)的設(shè)置給出說明，并給出限流點(diǎn)的表達(dá)式。當(dāng)負(fù)載電流在預(yù)設(shè)值范圍內(nèi)時(shí)，Vb電壓大于Va電壓；當(dāng)輸出負(fù)載處于過流狀態(tài)時(shí)， Vb電壓小于Va電壓。當(dāng)輸出電流由小變大時(shí)，Va逐漸變小而Vb逐漸變大，直至Va等于VB， 過流信號(hào)開始被觸發(fā)，各有一半偏置電流Ib分別流經(jīng)％和仏，而此時(shí)流經(jīng)負(fù)載的電流即為 預(yù)設(shè)的限流點(diǎn)1_。假定P = K以及M = 1，當(dāng)Va = Vb時(shí)，可以得到如下關(guān)系
權(quán)利要求
1. 一種無需運(yùn)算放大器的低功耗限流電路，其特征在于包括 作匹配電阻對(duì)的第一電阻Rs、第二電阻R,，其中，Rs的一端接電源Vcc，Rs的低電位端A 與PNP雙極晶體管( 的發(fā)射極、PNP雙極晶體管&的發(fā)射極連接在一起，Rq的一端接電源 Vcc, Rq的低電位端B與NPN雙極晶體管Qs的集電極相接；和作第一電流鏡的PNP雙極晶體管Q1JNP雙極晶體管％，其中，Q1W2的基極和發(fā)射極分 別連接在一起，Q1^ Q2的的發(fā)射極與NPN雙極晶體管Qs的集電極相接，Q1^ Q2的基極與恒流 源Ib相連，％的基極與自身的集電極相連，A的集電極與NPN雙極晶體管A的集電極、NPN 雙極晶體管Q7的集電極連接在一起；和作第二電流鏡的PNP雙極晶體管Q3、PNP雙極晶體管仏，其中，Q3W4的基極和發(fā)射極分 別連接在一起，Q3、Q4的發(fā)射極與第一電阻Rs的低電位端A相接，Q3、Q4的基極與恒流源L 相接，Q3的集電極與自身的基極相連接，A的集電極、NPN雙極晶體管％的集電極與過流控 制信號(hào)端OC相連接；和作第三電流鏡的NPN雙極晶體管％、NPN雙極晶體管Q7，其中，％、Q7的基極和發(fā)射極分 別連接在一起，Q6、Q7的發(fā)射極接地，Q6、Q7的基極與Q7的集電極、Q5的集電極連接在一起， Q6的集電極與A的發(fā)射極相接；和NPN雙極晶體管延、NPN功率雙極晶體管仏，其中延和％的基極和發(fā)射極分別連接在 一起，Qs> Qn的基極與功率管前級(jí)驅(qū)動(dòng)輸出端Vd相接，Qs, Qn的發(fā)射極與輸出端Vott相接，Qs 的集電極、A的發(fā)射極、Q2的發(fā)射極與第二電阻Rtl的低電位端B連接在一起，Qn的集電極 接電源Vcc;和NPN雙極晶體管Q5,其中，Q5的基極與固定偏置電壓VBias相連接，A的集電極和Gl1的集 電極與A的集電極連接在一起，Q5的發(fā)射極與％的集電極相接。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種無需運(yùn)算放大器的低功耗限流電路。它由一對(duì)匹配電阻、第一電流鏡、第二電流鏡、第三電流鏡、一個(gè)與功率管匹配的NPN雙極晶體管和一個(gè)基極電壓固定的NPN雙極晶體管構(gòu)成。本發(fā)明電路結(jié)構(gòu)新穎，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需要運(yùn)算放大器，大大降低了電路的功耗。本發(fā)明電路可實(shí)現(xiàn)整個(gè)電路的耗電20μA以下，且本發(fā)明電路的限流點(diǎn)取決于器件參數(shù)的比值，而非器件參數(shù)的絕對(duì)值，這使得限流點(diǎn)的設(shè)置很精確，基本不受溫度影響。它可廣泛應(yīng)用于模擬集成電路中的電源管理電路，如采用雙極工藝的單片DC-DC轉(zhuǎn)換器電路中。
文檔編號(hào)H03F1/30GK102055410SQ20101058210
公開日2011年5月11日 申請(qǐng)日期2010年12月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月9日
發(fā)明者付東兵, 胡永貴, 譚旻, 黃曉宗 申請(qǐng)人:中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十四研究所