一种具有内部限流电路的电源开关的制作方法

一种具有内部限流电路的电源开关的制作方法
【专利摘要】一种具有内部限流电路的电源开关，在一个快速高侧电源开关上提供一个内部限流电路。
【专利说明】—种具有内部限流电路的电源开关
【技术领域】:
[0001]本发明广泛地涉及功率电路，特别是采用控制电路来限制电源开关中的电流，更具体地说，本发明涉及一个高侧开关的限流和防止开关短路。
【背景技术】:
[0002]在集成电路中，控制电路经常与电源电路集成在一起，用于防止开关元件上有过大的电流，电压，温度等。两个传统的限流电路是“经典”功率MOS电路和电流镜电路。
[0003]参照图1，“经典”功率MOS电路10有一个MOS场效应管12，一个电流检测电阻(Rs)，一个具有固定增益(A1)的放大器16，一个比较器(18)，一个低通滤波器20和一个触发器22，如图所示。
[0004]由于开关电路10位于负载24下方，接地端26上方，所以经典电路10是一个“低侧”电源开关。Rs承载整个负载电流込和感应电流。Rs通常有一个小型的检测电阻，以尽量减少Rs整个检测电阻的功率消耗。电压由放大器16放大，并输入到比较器18，以便它和参考电压Va进行比较。Vcl是限流电压，它在知道Rs的电阻时被选中，以对应特定的限流阈值，这样，当Rs两端的电压大于或等于Va时，限流电路10切断即将流进场效应管12的电流。当Rs两端的电压大于或等于Va时，比较器18输出一个信号34，触发器22与之响应。在本例中，触发器22是一个Q触发器。因此，如果比较器18的输出信号为高电平，则Q的输出为低电平，反相器36反转关断场效应管开关12的Q。
[0005]开关12输出的信 号由低通滤波器20在扩增前过滤，以过滤掉任何虚假的电流峰值，该峰值在来自负载24的二极管(图中未示出)是反向偏置时出现。该二极管不会在瞬间关闭，因此虚假电流峰值产生，就像是最初二极管运行成短路一样。如果峰值信号不被过滤，那么，比较器18可能输出不正确的比较结果。
[0006]因为电路图1的构造简单，所以它有几个缺点:RS上有大量的功率消耗；在内部完全限流的电路上，Rs的温度系数Tc需要加以说明，因为Rs的电阻随温度的变化而变化；一个低通滤波器20或同类设备是必要的，以防止虚假限制在外部钳位二极管的恢复时间内触发。
[0007]此外，由于传统的二极管的反向恢复时间通常覆盖一个超过一个数量级(例如，25纳秒至350纳秒)的范围内，在电流模式操作下，可达到的最小脉冲宽度是有限的，以适应二极管恢复时间差。(二极管)恢复的时间越长，开着的可控最小持续时间就越受限制。因此，电路10被减缓，因为脉冲宽度必须足够大以容纳二极管的恢复时间，因此，电路不能很好地适用于高速电路。
[0008]参照图如图2所示，传统感应场效应管或电流镜电路50具有平行的两个MOS场效应管52和53，如图所示。第一 MOS场效应管52叫做功率场效应管(电源开关)，因为它大于所述第二 MOS场效应管53，即感应场效应管。
[0009]场效应管52，53具有相同的特性，因为它们是在相同的硅晶片上制造的。由于开关电路在负载64下方，接地端66上方，则电流镜电路50是一个低侧电源开关。与经典电路10不同的是，电流镜电路50不测量通过电源开关52的电流。相反，负载电流在较低的水平被镜像通过感应场效应管53。感应场效应管53上的电流Is远小于感应场效应管52中的电流Ip。然而，由于两个场效应管52，53具有基本相同的特性，所以这些设备是彼此成比例的。如果感应场效应管中的电流Is已知，则在功率场效应管52中的电流Ip就可以确定了，因为这两个电流IP，Is是彼此相关的。使用感应场效应管53降低了 Rs消耗的功率量，因为,虽然感应场效应管53模拟功率场效应管的电流Ip,但是在电流的大小大幅度小于功率场效应管的电流Ip时(例如，Is是Ip的0.05%),它这样做。因此，Rs只承载大约负载64的总功率的1/10000至1/2000。这是因为在感应场效应管53明显小于功率场效应管52。
[0010]感应场效应管上的电流Is被感应，并在被放大之前由放大器56过滤。比较器58将该放大信号与一个限流电压信号Va进行比较。再次，当Rs两端的电压降大于Va时，比较器58输出一个信号，该信号触发了触发器72，触发器72的输出信号被反相器76反转，而且电源开关52被关闭。直到反相恢复电流流过功率场效应管52，比较器58才不打开。
[0011]电流镜电路50减轻了 Rs中的功耗问题，然而，电流镜电路50和经典电路10具有相同的缺点。电路50还具有非线性的缺点，这在某些应用中是不可取的。这样的设计很难在高侧开关使用，因为电位点通常被认为是地面，或是低侧开关的一个不变的电位点，在高侧开关上，它连接到负载，因此，电压连续地变化。
[0012]现在参考图3，其中，感应场效应管的限流电路80用在一个高侧开关。在这个高侧开关上，感应场效应管电路80是与电流镜电路50类似，不同的是检测电路80在负载94和地面的上方:功率场效应管82和感应场效应管83位于电源Vs之间。因此，Va是电源开关82输出端的参考电压，而不是作为在低侧开关50上的接地端。
[0013]在一个高侧开关中，电流放大器86和比较器88的共模输入电压84，被连接到电源开关82的输出端，因此，共模输入电压84相当于电源开关82的输出电压。这种设计的缺点是，在每次闭合和关断的周期期间，电源开关82的输出以约为500-1000伏/微秒的非常高的速度，在地和Vs之间移动。
[0014]该电路具有一个功率场效应管和一个感应场效应管，而且它用感应电阻器Rs两端的电压降来感测功率场效应管的电流源。该电路还具有两个比较器电路，一个在功率场效应管打开时使用，另一个在功率场效应管关闭时使用。
[0015]本发明涉及一种在开关稳压器电路中使用的电流控制电路。
[0016]该电流控制电路有一个功率器件，在超过一个周期的一段可控持续的时间内，其通过闭合和断开来给负载提供电流，该电路还响应功率器件两端的电压降。
[0017]当功率器件被电流导通时，它有一个内部电阻，以便当电流在限流所需要的水平上流过功率器件时，功率器件的两端有一个限流电压降。当电流限制电压达到时，电流控制电路有响应功率器件两端电压降的装置，来关掉功率器件。
[0018]限流电压可以被一个电路决定，该电路具有一个耦合到功率器件的参考装置，用于提供一个的电阻值，其跟踪或模拟功率器件中电阻的变化。该参考装置由参考电流源偏置，该电流源在参考装置上设置了一个限流电压。将参考装置和功率器件两端的电压降进行比较，来确定限流水平在什么时候已经达到。
[0019]该电路可能有偏置装置，当功率器件被关闭，以给参考电流提供电流路径时，该装置用于偏置电路。此外，该电路还具有监测功率器件两端的电压降的装置，如果功率器件两端的电压降在预选时间期间不低于一个预选的水平，则该装置关闭功率器件。

【发明内容】
:
[0020]本发明的一个主要目的是，在一个快速高侧电源开关上提供一个内部限流电路。
[0021]本发明的另一个目的是利用电路电源开关的导通电阻作为一个感应电阻。
[0022]本发明的再一个目的是提供一种电路，可以限制限流比较器的共模电压范围，并在功率开关元件的闭合和关断时间期间，保持其在有源线性工作模式，以提供尽可能快的限流操作。
[0023]本发明的另一个目的是提供一种电路，可以在短路情况下保护电源开关。
[0024]本发明的另一个目的是为快速高侧开关提供一个限流电路，可以使感应电阻器不消耗大量功率，或需要一个过滤式装置，以防止虚假的极限触发。
[0025]本发明的技术解决方案:
[0026]本发明的以上这些目的，和进一步的目的以及优点，将会在以下对本发明的优选实施例的描述中，变得更加清楚和显而易见。
[0027]对比专利文献:CN2181075Y具有双回路指示灯的电源开关94203675.1【专利附图】

【附图说明】:
[0028]图1是一个典 型的限流电路的电路图；
[0029]图2是在一个低侧开关的电流镜电路的电路图；
[0030]图3是在一个高侧开关的电流电路的电路图；
[0031]图4是本发明的一个电流镜电路的电路图；
[0032]图5是本发明的另一个电路的电路图；
[0033]图6a_6f是图5电路的时序图；
[0034]图7是本发明的另一种电路原理图；
[0035]图8a_8k是对应图7电路，在没有短路情况下的电路图；
[0036]图9a_91是对应图7电路，是短路情况下的电路中/[目号时域波形图。
【具体实施方式】:
[0037]参照图4和图5，限流电路200和300如图所示，它们用于瞬时地限制高侧开关的峰值电流。电路200包括:两个场效应管212，213:功率场效应管212和参考场效应管213 ；一个比较器218 ;—个电流源(Ia);控制电路209，包括触发器222和反相器236 ;还有钳位和去耦电路238。参考场效应管213基本上是小于功率场效应管212的，在优选的实施例中，所使用的场效应管是MOS场效应管。
[0038]功率MOS场效应管212由N个单元组成，而参考MOS场效应管213由η个单元组成，其中η > I且Ν?η。功率场效应管212具有三个端子，为202，203，204，第一端子202连接到电源电压Vs，第二端子203连接到可以控制功率场效应管212闭合和关断的控制电路209，第三端子204是输出端，该端子连接到负载224。
[0039]参考场效应管213也具有三个端子:第一端子205连接到\，第二端子206与功率场效应管212的第二端子203连接，第三端子207连接到电流源Ια。
[0040]功率MOS晶体管212的导通电阻，可以被看作是一个电流感应电阻。然而，因为这样的设备上的温度和处理的变化，第二场效应管(或参考场效应管)213被采用，以提供一个与之成比例的，可以跟踪功率场效应管212的导通电阻变化的导通电阻。因为参考场效应管213的导通电阻是与之成比例且跟踪功率场效应管212的导通电阻，所以1&可以被设置以给参考场效应管213提供一个参考电压，从而可以和功率场效应管212两端的电压降进行比较。因此，当通过功率场效应管212的电流达到限流所需的水平时，Ia被选出以在参考场效应管213两端产生一个电压降，该电压降与功率场效应管212两端的电压降相等。参考场效应管212的导通电阻取决于工艺参数和温度，Vth是在场效应管212的阈值电压，如果Ves?VTH，则该导通电阻也受第二端子206和第三端子207之间的电压的影响。
[0041]导通功率MOS场效应管212两端的电压降，远高于现有技术下，感应场效应管类型的限流电路50，80上，感应电阻器Rs两端允许的最大电压降，这需要一个放大器56，86，以增加比较器58，88上的感应电压。因此，无电流放大器(A1)是必要的，从而，该电路的物理布局小于感应场效应管的限流电路50，80中的物理布局。
[0042]参考场效应管213建立了限流设定点。负载224被连接到功率场效应管204的输出端。功率场效应管212的输出电压V1，输入到比较器218，用于和参考场效应管213的输出电压V2进行比较。比较器的输出C0MP0UT被输入到逻辑电路209，并且触发了逻辑电路209来输出一个信号，它用于控制功率场效应管212是闭合还是关断。
[0043]电流源的Ia建立了一个已知的，流过参考场效应管213的电流，而且参考电压V2是由场效应管213的导通电阻决定的。由于两个场效应管212，213具有相同的特性，则功率场效应管212的导通电阻与参考场效应管213的导通电阻相关。基于尺寸的不同，场效应管213的电阻和场效应管212的导通电阻是不同的，但是这两个设备212，213每单位面积上具有相同的导通电阻。
[0044]比较器的第一输入端INl通过钳位和去耦电路238连接到功率场效应管204的输出端。第二输入端IN2通过钳位和去耦电路238连接到参考场效应管输出端207。比较器218将参考场效应管213两端的电压降与功率场效应管212两端的电压降进行比较。负载电流流经功率场效应管212，导致功率场效应管212两端产生电压降，如果该电压降大于或等于由电流源Ia产生的参考场效应管两端的电压降，则218输出一个信号C0MP0UT，从而启动功率场效应管212的关断。
[0045]负载电流Ium被功率场效应管212打开，如果电源开关212被接通，则来自参考场效应管213的电压V2，将被参考场效应管的导通电阻R_F和Ia设置。其中，V2 =Vs-Vonref* I cl_Vd ⑴
[0046]Roneef=参考场效应管213的导通电阻
[0047]Icl=电流限制
[0048]Vd=钳位和去耦电路238上的电压降
[0049]比较器218 比较 V2 与 V1, V1 = V2-Vonpwe^Iload-Vd ⑵
[0050]其中，Ronpwe=功率场效应管212的导通电阻。
[0051]在逻辑电路209上，比较器218复位触发器222的输入端，并在V1 ( V2时关闭电源开关212 (功率场效应管)。因此，如果:RQNKEF*Ia ^ Ronpwe^Iload(S),电源开关212被关闭。
[0052]因为是在同一块硅上制作，在相同的加工条件下，所以两个设备212，213的每个单元的电阻是大致相等，从而Rcmw7Rotef约等于n/N。因此，负载电流1_被限制为:1_ =Ια*Ν/η(4)其中Ium是所述电流限制水平。因此，Iload可通过电流Ia编程，因为込〈〈1垂。当该场效应管212，213关闭时，钳位电路238钳位住比较器的输入端INI，ΙΝ2，以保持比较器218的输入在它们的有源线性共模的电压范围内，因此，比较器218不会发送电流信号到逻辑电路222。此外，当场效应管212，213都导通时，钳位电路238将其与比较器218连接，当它们都不导通时，钳位电路就将其断开。
[0053]参照图6a_6e，如图6a_6d所示，当电源开关212关断时(V2O1)，比较器的输出C0MP0UT为低电平，如图6e所示，直到功率场效应管212的输出电压V1上升到接近其最终电位，比较器218才复位触发器222。到那个时候，负载224上的一个阻塞二极管D的反向恢复时间所造成的电流峰值225 (图6b中示出)，几乎完全结束了。该阻塞二极管D的反向恢复电流225在h时出现，在此期间，比较器218保持关断状态。比较器218不受电流峰值225的影响，该电流可能导致比较器218的错误触发。该反向恢复电流225也产生了功率场效应管212的电压V3上的一个延迟的变化。
[0054]同时参照图6b和6c，在阻塞二极管的反向恢复时间&内，V3变为负。然后在峰值225过去后，它上升到其最终的电位Vs-Vdsipwk (电源电压-功率场效应管的漏极电压)。据认为，以这种方式，电流限制电路200本质上就没有“假”电流峰值225，从而省去了对理想低通滤波器的需要，减少了执行限流操作所需的时间。
[0055]参照图5，另一个限流控制电路300和图4所示的控制电路200类似。电路300有一个负载224和钳位电路238，该钳位电路具有一对二极管D1, D2，跟踪电流源I’ α，两个双极型晶体管仏和仏。相似的兀件用相同的参考标号/名称引用。负载224包括一个电感U，钳位二极管D，电容器Ctl和一个负载电阻限流电路300通过限制允许流过电感器L0的最大峰值电流，监控和限制负载224。因为EQU1,电感电压瞬间变化，而电感电流缓慢变化。 [0056]钳位和去耦电路238被插入到一个钳位偏置电压Vbias和比较器的输入端INI，ΙΝ2之间。Vbias相对于电源电压Vs产生，并被选定，当场效应管212和213导通时，Q1和Q2关闭，即使在负载电流略高于电流Iumd。该钳位偏置电压Vbias的功率场效应管212的导通电阻具有大致相同的温度系数。
[0057]当功率场效应管212和参考场效应管213都导通时，钳位电路238无效，而且也不影响电路300的运作。V2将不高于Vs-1a*RKEF，V1不会被Q1钳制。然而，场效应管212，213关断时,D1和D2变成反向偏置，钳位电路238钳制住比较器的输入端INI，IN2，从而使得IN2的电压始终比INl的电压更活跃。因此，比较器的输出C0MP0UT为低电平，218中没有电流信号。此外，当场效应管212和213都是关断时，比较器的输入端INI，IN2上的共模电压摆幅，被限制到一个比功率场效应管212上的输出端204的电压摆幅较小的值。以这种方式，可以确定的是，比较器218总是在其有源共模范围内，并在导通后有一个恢复时间。
[0058]此外，二极管D1和D2被插入在比较器的输入端INI，IN2和功率场效应管212和参考晶体管213的输出端204，207之间。D1的阳极连接到功率场效应管204的输出端，D1的阴极连接到比较器218的第一输入端IN1和跟踪电流源I’ CLO跟踪电流源I’ CL跟踪电流源Icl的电流。D2的阳极连接到参考场效应管213输出端207，D2的阴极连接到比较器218的第二输入端IN2和电流源Ια。
[0059]阻塞二极管D1和D2像开关一样操作。在场效应管212，213的关断期间内，D1和D2将场效应管212，213的源极204，207与比较器的输入端IN1, IN2断开。二极管D1, D2被反向偏置，从而占据了 Vbias与场效应管212，213的输出电压之间的约为O的电压差。因此，二极管D1, D2和钳位电路238限制了比较器的输入端INI，IN2的共模电压瞬间状态，从而确保了该比较器的输入端INI，IN2总是在它们的有源共模范围内工作，而且在没有任何恢复时间的情况下可以高速运作。
[0060]再次参照图6，图6a_6f为图5所示电路300的时序图。图6a是一个时序图，示出了当电源开关212闭合时的情况。(即当场效应管的栅极和源极之间存在电压电势时)。图6b是一个时序图,不出在功率场效应管213闭合时,负载电流Iujad的情况。二极管的反向恢复时间为h，反向恢复电流225看起来像一个“尖峰”;二极管D在t2时还未达到平衡，二极管电压开始反向，二极管电流开始下降。
[0061]和t2的比率取决于钳位二极管恢复特性的柔软度。然而，通常t2〈0.，其中t2<=20至50纳秒。在大多数情况下，比较器218的固有延迟在IumMumd时占用了 t2的一段时间。当非常柔和的恢复二极管和非常快的比较器被采用时，可能需要一些延迟(过滤)(图5中的LPF)。然而,该延迟需要的是小于经典电路10中所需要延迟的约一个数量级。因此，这种小的时间延迟，可以通过单片集成电路中的电阻和电容值实现。这种方法无需外部元件，可以大量的模拟在以前的方法内的时间延迟。如图所示，在二极管的反向恢复时间t1; t2过去之后，负载电流增大到I_PEAK，是允许流过负载的最大电流。当达到最大负载电流时，电源开关212将被关断，如图6e所示，比较器218输出一个信号C0MP0UT，以切断电源开关212。
[0062]图6e是比较器的输出C0MP0UT的时序图。当功率场效应管212导通时，二极管D断开，而在电感器中电流1_线性上升，斜率为EQU2。在二极管D恢复时间U1)期间，比较器218被钳位电路238禁止，从而避免假限制触发。功率场效应管212接通时，C0MP0UT大约为零。但是，当电感电流达到峰值I_PEAK时，在电源开关212导通的时间结尾，V1约等于V2, C0MP0UT变成高电平，电源开关212被关闭。
[0063]参照图6c，电压V3是从电源开关212的输出端测量出来的。V3最初在二极管D的反向恢复时间h内变为负，然后它上升到其最终电平，即Vs-Vdspwk,其中Vdspwe是场效应管212的漏极电压。当场效应管212被切断时，V3和Ium迅速减小。
[0064]参照图6d，当电源开关212闭合和关断时，电压VJP V2如图所示。在图中，最初，电源开关212关断时，V1M2t5当开关为闭合状态时,V1仍然大于V2，但随着闭合的时间增加，V1和V2之间的电压差减小，当V2基本上等于V1时，电源开关212被关断，V1恢复为大于V2的状态。因此，当电源开关212为闭合和关断状态时，V1大于V2，而当V1=V2时，开关212被关闭。
[0065]同时参照图6f和6b，当开关212为关断状态时，电感器电流Iuj由二极管D控制，电感电流Ιω线性减小，直到电源开关212闭合状态，在这一点电感Ltj开始储存能量，因此，电感电流Iw线性增加。现在参考图7，它示出另一种与图5电路类似的限流电路400，但修改了一些，以在电源开关204 (V3)和地面之间有短路时保护电源开关212。如果图5的电路中有短路，比较器218将仍然禁用，电源开关212不受保护。钳位电路238禁止比较器218，因为，不然的话，比较器218将指示在关断状态下的过电流，它不会允许开关213被打开。第二比较器250监视功率场效应管212的输出电压V3,以确定当功率场效应管212处于闭合状态时，电源开关212的输出电压V3是否会上升到高于偏置电压VBIAS。如果是的话，这意味着功率场效应管212运行正常，并保护着比较器218，以防止过电流流过它。正如前面所讨论的，Vbias被选择出来，以使Q1和Q2为关闭状态，即使当负载电流大于1_时也不例外。
[0066]如果开关213为闭合状态，且负载电流小于或等于可能的最大限流值，那么VbiasS该被选出来，使得在任何情况下，Vs-Vbias > Vs-V3。例如，在优选的实施例中，Vbias是限流值的2倍。
[0067]第二比较器250具有两个输入端IN21和IN22和一个输出端C0MP0UT2。C0MP0UT2的输出电压是V1Q，IN21经二极管Dl (V1),连接到功率场效应管212的输出端204。IN22连接到V4,略高于钳位电压的(最小)值Vp C0MP0UT2被连接到一个定时器逻辑电路254，该电路包括一个第二触发器FF2，延迟单元253，锁定电路256，和一个“或”门ORl。V1是第二比较器250的第一输入端IN21上的电压，V4是第二输入端IN22上的电压。
[0068]现在同时参考图7和图8a_8k，阐述的是没有短路的条件下。图8a示出的是接收来自FFl的时钟脉冲的电路图。图8b示出是当功率场效应管212为闭合或关断状态时，负载电流1_的情况，其中，峰值225的反向恢复的，电流Iumpeak是被关断的负载电流的峰值。图8c示出的是功率场效应管212的输出电压V3的情况，其中，最初在二极管反向恢复时间期间，V3保持负状态。随后当功率场效应管212接通时，电压上升到其最终水平，并在场效应管212被切断时迅速下降。参照图8d，当电源开关212为闭合状态时，Vi>V2。最初，电源开关212关断时，V1M2t5当开关为闭合状态时,V1仍然大于V2，但随着闭合的时间增加，V1和V2之间的电压差减小，当V2基本上等于V1时，电源开关212被关断，V1恢复为大于V2的状态。
[0069]参照图8，V4是被设置为高于在可预见的最大负载电流上，功率场效应管212的漏极和源极电压的钳位电压，(例如，是场效应管212最大漏源电压的2倍)。特别参见图8e-8k，无短路状态时，当功率场效应管212闭合，V1M4，第二比较器250输出一个逻辑高电平到ORl，FFl的Q端输出也输入到ORl。由第二比较器的输出端C0MP0UT2生成的ORl输出端的逻辑高电平，保持其在FF2的输入端逻辑清零，这反过来又使FF2上的Q端输出低电平。锁定电路256不会被触发，因为它要靠一个逻辑I才能被触发。锁定电路的输出V7被延迟。V7和C0MP0UT —起，是第二或门0R2的输入。如图8i所示，V1约等于V2时，C0MP0UT为高电平。当COMPOUt=I时，0R2输出一个逻辑高电平。0R2输出V9是FFl的清零输入，其中，Q居高不下，而如图8k所示，Q为逻辑低电平。Q是逆变器的输入端，其反转Q或V5从逻辑低电平到逻辑高电平，或V5对应FFl的输出Q。当Q为低电平时，功率场效应管212为闭合状态。Q被一个反相器反相后，被输入到延迟元件253，它具有延迟tdelay。
[0070]延迟时间tdelay要足够长，以适应最坏的情况下的二极管的反向恢复时间。在优选实施例中，延迟时间选择的是5-600纳秒。此外，钳位电压Vs-V4被设定为，高于在最大可预见的负载电流上场效应管212的漏源电压(例如，是Vds最大值的2倍)。V6对应延迟元件253的输出，即FF2的时钟输入。在功率场效应管212导通之后其正向跳变触发了 FF2的td，除非通过第二比较器250时它被清零，正如上面所讨论的正常工作期间的情况。
[0071]由于场效应管212的导通电阻Rdsm高度依赖于温度，如果Vb与其具有近似相同的温度系数，则选择的钳位电压V4将在很宽的温度范围内有效，其中，Vb = Vs-Vbiaso[0072]导通电阻Rdsqn的温度系数约为+6800ppm/°C，通过使用Tra为2000-3000ppm/°C的
扩散电阻，以及温度系数ταΒ = esoo-Tcd^电流源(iBIAS)，vB可以获得与导通电阻的1^大致相同的温度系数。
[0073]参照图8f_8h，Vltl是第二比较器250的输出电压信号。当电源开关212打开时，V3变高，Vltl也变高。Vltl变高是因为比较器250检测到V1是高于V4。因此，只要Vltl是高电平，FF2的Q端输出和锁定电路256的输出V7就无法变高。
[0074]参照图Sg，V6是延迟电路253的输出电压。当开关212打开，V6处于一个正向的边缘，预先设定的延迟时间tdelay过去后，该延迟电路253被触发。当V6的正向边缘到来时，V10仍然处于高电平，V6不能设置FF2，所以延迟不能启动关闭电路400。因此，只要V1大于V4,短路保护电路就是无效的。
[0075]参照图9a_9k的电路图，该图对应图7中所示电路的短路状态。如果V3上升到高于V4，那么电源开关212正常运行，而且通过场效应管212的电流受到比较器218限制。如果由于电源开关212的输出端短路或有过载，V3不能超越V4，则预先设定的延迟时间过去之后，延迟兀件253的输出信号触发了第二触发器252。第二触发器252反过来发送一个信号到第一触发器222，使之清零，从而使电源开关212被关闭。
[0076]当存在一个短路，该锁定电路256可能是单稳态，其保持在预定的时间内，第一触发器FFl的输入清零端处 于高电平，以确保在预定时间过去之前，电源开关212可以不被打开。当第二比较器250关断电源开关212时，锁定电路256禁用功率场效应管212，以限制短路的最大占空比。短路时的最大占空比被限制成tdelay/t1(X;k()Ut，因此，电源开关212的平均电流是有限的。图％中的负载电流Iuwd大于图9c中的限流水平。功率场效应管212的输出电压V3和负载电流1_相比是非常小的。因为钳位电路238，V1保持高于V2。(图9d)钳位电压V4是高于V1 (图9e中)，使得第二比较器250的输出Vltl是一个逻辑零(图9f中)，在相关联的延迟时间后，延迟元件253输出一个延迟时钟信号V6 (图9g中)。
[0077]V6的正向边缘设置了 V7 (图9h)。当V6是高电平，FF2被触发，V7通过锁定电路256被设置为正。V7在预定的时间保持为正:锁定时间的持续时间t1(X;k()Ut。所有其他输入的时钟脉冲被忽略，并且，以这种方式，FFl被禁用。FFl的输出端QV5为高电平，场效应管212被关断直到锁定时间已过，由于逆变器反转Q，从而保持功率场效应管212处于关断状态。在这种方式下的截止期间被扩展，以确保在短路状态期间，占空比很短。
【权利要求】
1.一种具有内部限流电路的电源开关，其特征是:该电路包括:在超过一个周期的一段可控持续的时间内，利用一个MOS器件的断开和闭合来给一个负载提供电流，其中，该MOS器件有一个内部电阻，这将导致在MOS器件上的电压降，基本上随着流经MOS器件的电流的线性增加而线性增加，并且，当流过MOS器件的电流到达限流所需要的水平时，该MOS器件的两端有一个限流电压降；装置响应MOS器件两端的电压降，当达到限流电压时，关掉MOS器件。
2.根据权利要求1所述的一种具有内部限流电路的电源开关，其特征是:所述的开关装置，具有一个与其相关的有源共模电压范围，还包括:当MOS器件关闭时，装置夹紧开关装置，从而使开关装置在该有源共模电压范围上工作；其中，所述钳位装置包括一个晶体管；所述开关装置包括:用于监视MOS器件两端电压降的装置，以及如果MOS器件两端的电压降在预选期间不低于一个预选水平，就关断的MOS器件的装置；所述电路还包括，当MOS器件关闭时，用于分离开关装置与MOS器件的装置。
3.根据权利要求2所述的一种具有内部限流电路的电源开关，其特征是:包括一个功率器件，其具有一个基本上呈线性的工作范围，在超过一个周期的一段可控持续的时间内，该器件通过自身的断开和闭合来为一个负载提供电流，其中，它具有一个内部电阻，以此来让一个特定的电流流过该功率器件，该特定电流电平在功率器件的基本线性工作区域内，功率器件两端有一个电压降，其基本上等于功率器件的内部电阻与流过器件的特定电流的乘积；当功率器件在指定的电流电平导通时，装置提供的参考电压的基本上等于器件两端的电压降；装置将参考电压与功率器件两端的电压进行比较，从而确定什么时候功率器件两端的电压降将超过参考器件两端的电压降；当达到指定电流水平时，比较装置响应关闭功率器件装置。
4.根据权利要求3所述的一种具有内部限流电路的电源开关，其特征是:比较装置有一个与其相关联的有源共模电压范围，并进一步包括:当功率器件处于关闭状态时，装置用于钳位电路，从而使比较装置在有源共模电压范围上工作；其中，该钳位装置包括一个晶体管；当功率器件处于关闭状态时，装置分离比较装置和功率器件。
5.根据权利要求4所述的一种具有内部限流电路的电源开关，其特征是:包括一个具有基本线性工作范围的功率器件，在超过一个周期的可控持续的时间内，其通过闭合和断开来给一个负载提供电流，其中，功率器件有一个内部电阻，以便让特定的电流电平通过该功率器件，另外，所述特定的电流电平在功率器件的基本线性工作范围之内，功率器件两端有一个电压降，基本上等于通过功率器件的特定电流与内部电阻乘积；参考装置耦合到功率器件，用于提供一个电阻值，该电阻值跟踪功率器件的内部电阻的变化，并与其成正比；用于给参考装置提供一个参考电流的装置，其特征在于，所述参考电流的量是这样选择的，当特定的限流流过功率器件时，参考装置两端的电压降基本上与功率器件两端的电压降相等；当功率器件两端的电压降超过参考电压器件两端的电压降时，用于比较功率器件和参考装置两端的电压降的装置，通过关闭功率器件来响应比较装置；所述比较装置有一个与其相关联的有源共模电压范围，并进一步包括:用于钳位电路的装置；当功率器件处于关闭状态时，其响应工作在有源共模电压范围内的电压降；其中，所述钳位装置包括一个晶体管；所述开关装置包括:用于监测功率器件两端电压降的装置，和在一个预选的时间内，功率器件两端的电压降不低于预选的水平时，关闭功率器件的设备。
6.根据权利要求5所述的一种具有内部限流电路的电源开关，其特征是:进一步包括:用于去耦的装置，当电源设备处于关闭状态时，用于分离比较装置和功率器件以及参考装置；其中，当功率器件处于关闭状态时，所述断开装置进一步断开从参考装置流出来的参考电流。
7.根据权利要求6所述的一种具有内部限流电路的电源开关，其特征是:一个第一MOS装置，它具有一个将负载连接到电源的内部电阻，第一 MOS装置的闭合和断开，并在第一电平上具有一个与其相关联的电流，其中，所述电流使第一 MOS装置两端的电压降，随着流过第一 MOS装置的电流的线性增加，而基本上呈线性增加；用于在比所述第一水平低的水平上，模拟流过第一 MOS装置的电流，和在较高的水平上，模拟第一 MOS装置的内部电阻的MOS装置，以至于一个电压被提供到模拟MOS装置的两端，该电压基本上等于第一 MOS装置两端的电压降，以便让第一水平的电流流过它；用于比较第一MOS装置与模拟MOS装置两端的电压，并产生一个信号来表示该比较结果的装置；当所述第一 MOS装置的电压基本上等于模拟MOS装置的电压时，该装置用于关断第一 MOS装置；所述的比较装置有一个与其相关联的有源共模电压范围，并且进一步包括:当第一 MOS装置被关断时，钳位电路装置在有源共模范围内工作；其中，所述钳位装置包括一个晶体管。
8.根据权利要求7所述的一种具有内部限流电路的电源开关，其特征是:所述的开关装置包括:用于 监视第一 MOS装置两端的电压降的装置，以及在一个预选的时间段内，当第一 MOS装置两端的电压降不低于一个预选的水平时，该装置关断第一 MOS装置；该电路进一步包括:去耦装置，在第一 MOS装置处于关闭状态时，用于分离比较装置和第一 MOS装置。
【文档编号】H03K17/082GK103944545SQ201310606963
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2013年11月26日 优先权日:2013年11月26日
【发明者】不公告发明人 申请人:苏州贝克微电子有限公司