专利名称：具有返送能力的过电流保护电路的制作方法
具有返送能力的过电流保护电路本申请要求于2009年6月16日提交的美国临时专利申请序列号No. 61/187，313 的优先权，该优先权申请具有相同的名称、发明人及所有权。上述临时申请通过引用合并于 此。
背景技术：
在通过计算机系统成者充电坞(charging docking)系统对设备进行供电的系统 中可能会发生电流过载。在通过将USB连接器(或者其它类型)插入到计算机或者充电坞站上的USB端口 从而将外围设备“热插拔”到计算机或者充电坞站的过程中，可能会发生一种类型的过载。 “热插拔”外围设备是指在不对任何设备断电的情况下将一个设备连接到另一个设备，或者 将设备彼此断开连接。通常用于连接设备的USB连接器具有电源电压、地以及数据。如果安装误差短路 任何连接器插针，那么可能会发生问题。例如，当将外围设备通过USB连接器连接于电源时，比方说计算机，短路可能会造 成过载情况，在这种情况下可能会损害外围设备、电源或者电缆芯线。本发明就针对这样的问题。
发明内容
下面的讨论最初并不区别用于比较器、运算放大器以及反馈路径的电流电路和/ 或电压电路，或其组合，因为两种类型都可以使用。虽然在这里的说明性示例中，更为详尽 地描述了电压形式，但是本发明所公开的内容并不仅仅局限于电压电路。本发明公开包括一种具有两种状态的过电流保护电路。在第一状态，电源电压 经过导通的第一 FET，该第一 FET将电源电压和负载电流传送到负载设备。通过调整镜像 (mirror) FET晶体管的尺寸，(例如，为第一 FET的1/10、1/20、1/50或者更小)，来产生负 载电流的成比例缩小的镜像电流。上述两个FET具有连接在一起的栅极(控制节点)，以及 连接在一起形成电流反射镜的源极。可以将上述成比例的镜像电流引导到比较器中，在该 比较器中将其与阈值参考进行比较。上述成比例的镜像电流随着负载电流的增加而增加， 并最终超过了上述阈值参考(作为过载被探测到)，并且上述保护电路进入第二状态。在第二状态建立反馈电路，该反馈电路在过载电流能够造成问题之前将其返送。作为例示，可以引导上述成比例的镜像电流流过感测电阻以形成反馈信号，在这 种情况下是反馈电压，并且上述阈值参考是电压。比较器比较这两个电压，并且当反馈信号 超过参考电压时，进入上述第二状态。比较器的输出可以导通将反馈电压连接至运算放大 器的一个输入端的开关。第一参考电压连接于上述运算放大器的另一个输入端。上述运算 放大器的输出驱使在第一状态导通的上述第一 FET进入到模拟(线性)状态，该模拟(线 性)状态减少了到设备的电压和过载电流。上述成比例的镜像电流相应地减小，从而减少 反馈电压直到其与上述第一参考电压相匹配为止。在此时，返送的负载电流是镜像电流、比例系数和第二参考的函数。本发明公开包括一种用于负载电流的过电流保护方法，其包括如下步骤成比例 缩放负载电流的镜像电流；根据上述镜像电流产生感测和反馈信号；比较上述感测信号与 阈值信号并从此输出比较信号。当感测信号没有达到阈值信号时，包括如下这些步骤用上 述比较信号激活第一开关并通过该开关把第一信号连接到控制电路的第一输入端；其中上 述控制电路输出用于导通第一和第二晶体管的控制输出；把第一电源电压连接到输出并通 过上述导通的第一晶体管获得负载电流；通过上述导通的第二晶体管获得上述负载电流的 成比例的镜像电流；并且其中当感测信号达到阈值信号时，输出表示过载状态的过电流信 号。当处于过载状态时(这里也称作状态2)，出现如下步骤通过下述步骤形成反馈回路 根据上述过电流信号激活第二开关并停用上述第一开关；通过上述第二开关把反馈信号连 接到上述控制电路的第一输入端；比较反馈信号和第一参考信号，其中上述控制电路的输 出驱使上述第一和第二晶体管进入模拟情况；以及减少负载和成比例的镜像电流直到反馈 信号与第一参考信号相匹配为止。
本发明下面的描述将参考下述附图，其中图1A、1B和IC例示了本申请公开的系统；以及图2是实现本发明的实施例的典型电路；以及图3是本发明的实施例的返送电压/电流操作的图。
具体实施例方式图IB例示了可以应用本发明的系统。这里坞站(充电系统)或者计算机1具有 电源(VCC)，其通过附加的匹配的USB连接器连接于USB端口。USB电缆5携带有用于为设 备11供电的电源VCC_IN、接地和双向数据传输线。保护电路CKT7允许设备11的热插拔。 CKT7通过电缆9把VBUS、接地和双向数据线输出到设备11。在一些例子中，如图1A，CKT7 可以容纳在坞站1中，并且CKT7以及设备11可以被容纳在一起，如图1C，并且无电缆地连 接在一起。作为例示，图2是CKT7的电路图(未示出数据线)。上述VCC_IN来自于USB电 缆5，并且通过电缆9将VBUS从CKT7供给到设备11。虽然下面是采用ρ型FETX、X/D以及 FET4对CKT7进行示意和讨论，但是，CKT7可以采用η型FET、双极型和/或混合型晶体管 来实现。Rum代表由设备11带来的负载，以及l·是相应的负载电流。CKT 7具有感测电路13、控制电路15、开关组件17、η型FET、代表由设备11带来 的负载的以及运算放大器02。VCC_IN连接到(“连接”在这里包括具有几乎不影响功能的介入部件)电流反射 镜连接的FET X和X/D的源极。FET X/D是FET X的按比例缩放尺寸的版本，并且在FET X/ D中的镜像电流大小也相应地被按比例缩放。比较器03的输出6驱动单刀开关Si，并且反 相器INV利用输出6的反相来驱动单刀开关S2。开关Sl和S2不能在同一时间都关或者都 开。CKT 7具有两种状态或者模式。在第一状态，常规情况，将VCC_IN传送到作为VBUS的负载第二状态是过载情况，在此情况下负载电流l·过高。在第二状态，CKT 7形成 反馈回路，该反馈回路将l·返送到受控制的水平。在第一状态，Rload通过导通的FETX获得来自VBUS的FETX完全导通以便VBUS 大致等于VCC_IN。在此状态下，Sl闭合，将地信号呈现给运算放大器01的非反相(+)输 入，并且S2断开。01的另一输入为正的电压参考Vkefi，从而使得01的低输出驱使FETX和 FETX/D完全导通。仍然参考图2，镜像电流Im流过形成Vfb和Vqcp的Rl和R2。Vkef2设置为高于VQCP， 并且比较器03的输出6为低。该低输出闭合Si，并且通过反相器INV断开S2。闭合的Sl将地呈现给运算放大器01的非反相(+)端。Vkefi*正的参考电压，并且 01的输出2为低，从而导通FETX和FET X/D。FET X和FET X/D为当Vgs比设备的阈值更 负(more negative)时导通的ρ沟道型器件。FET X和FET X/D形成电流反射镜，在其中Im 为Il的镜像电流。如上面所讨论的，1 小于IL(除以系数D)。02的操作将控制FET 4(也 为P型)以保持Vl等于VBUS，并且，在第一状态中，VBUS大致等于VCC_IN。当Rum变小并且Il增加，镜像电流Im将成比例地增加时，出现CKT7的第二状态 (过载情况)。在某一点，Vra将超过Vkef2并且03的输出6将变高，从而断开Si，并通过INV 闭合S2。在这种情况下，Vfb通过S2被呈现给01的非反相⑴输入。CKT7，在状态2，形成 经过电流反射镜FET X/D、Vfb, 01和02的负反馈路径。此反馈路径驱使Vfb与Vkefi相等。可以将反馈操作描述如下如果Vfb高于VKEF1，那么01的输出(标记2)变得更高， 以促使FET X来减小Iy并促使FET X/D来减小IM。减小Vfb以驱使其朝Vkefi移动。如果 Vfb低于Vkefi，那么01的输出(标记2)变得更低，以促使FET X来增加Il,并促使FET X/D 来增加IM。增加Vfb以驱使其朝Vkefi移动。最终结果是Vfb最后等于Vkefi。必须注意以确 保CKT 7是稳定的。因为、是乂順八附+!^)，并且Il = DIM，所以因此Il是Vkefi的函数。能够用Veefi 来设置减小的込。图3例示了 CKT7的上述操作，其中电流込达到大约+1. 2安培(标号10)，并且 VBUS达到+5V (标号20)。如此配置这些部件，使得这些电压和电流条件激活上面所述的返 送保护。参考标号12定义了上面所涉及的常规情况，并且参考标号14定义了返送操作。这 里最终状态16是VBUS位于+0. OV并且IlMd位于0. 5安培。在这种情况下，上述设备可以 具有下降到负电压电源的电流(未示出)。参考标号18描绘了具体实施例中使用的部件的实际的返送电流/电压的路径。在 其他实施例中，返送电流/电压路径14以及最终的返送电流L 16的形状可以是不同的。具体地说，在上面例子中的最终返送电流16可以通过控制D、Veefi, Rl和R2来设 置，如下最终返送电流(标号16)为Il = D (Veefi) / (R1+R2)。其中D为FET X和FETX/D之 间的比例系数。在图3中的返送点20能够通过Vkef2来设置，和其它部件Rl、R2、D等等相 呼应。
权利要求
一种具有第一状态和第二状态的过电流保护电路，所述过电流保护电路包括在第一状态中第一晶体管，具有第一控制节点，其中，当第一晶体管导通时，该第一晶体管将第一电源电压连接到输出端，该输出端使负载电流流过上述第一晶体管；第二晶体管，具有第二控制节点，其中，第二晶体管输出负载电流的成比例缩放的镜像电流；控制电路，具有第一和第二输入端；所述第一输入端连接于参考输入端，所述控制电路具有连接于上述第一和第二控制节点的控制输出；感测电路，其将所述成比例缩放的镜像电流和预定阈值进行比较，其中当未达到预定阈值时，所述感测电路的输出激活把第一信号连接到控制电路第二输入端的开关组件，其中所述控制输出驱使第一和第二晶体管导通；其中，当达到预定阈值时，所述过电流保护电路呈现第二状态，其中当处于第二状态时反馈回路出现，其中成比例缩放的镜像电流连接到感测电路，感测电路的输出现在激活所述开关组件以将反馈信号连接到控制电路第二输入信号，所述反馈信号产生自所述成比例缩放的镜像电流，其中所述控制输出驱使第一和第二开关进入到模拟情况，其中将负载电流和成比例缩放的镜像电流降低，直到所述反馈信号与参考输入相匹配为止。
2.如权利要求1所述的过电流保护电路，其中所述感测电路包括 电阻，上述成比例缩放的镜像电流流过该电阻以产生所述反馈信号； 比较器，具有连接于所述反馈信号的输入端，以及第二参考信号，该第二参考信号连接于另一个比较器输入端；其中第二参考定义了所 述预定阈值。
3.如权利要求2所述的过电流保护电路，其中所述电阻包括第一和第二电阻，其中将 所述反馈信号分开以形成中间信号，并且其中所述中间信号连接于所述比较器的输入端。
4.如权利要求1所述的过电流保护电路，其中所述开关组件包括第一单刀开关； 第二单刀开关；反相器，具有输入端和输出端，并且其中上述反相器的输出端被连接用以激活所述第二开关，并且其中所述感测电路的输 出被连接用以激活所述第一开关并连接于所述反相器的输入；从而使得所述第一和第二开 关之一被激活并且另一个未被激活。
5.如权利要求1所述的过电流保护电路，其中所述开关组件包括 第一单刀双掷开关；所述感测电路的输出被连接用以激活所述单刀双掷开关；其中当处于第一状态时，所 述第一信号连接于所述控制电路的第二输入端，并且当处于第二状态时，所述反馈信号连 接于所述控制电路的第二输入端。
6.如权利要求1所述的过电流保护电路，其中所述控制电路包括运算放大器；其中在第一状态，作为第二输入端的非反相输入端处于地，并且作为第一 输入端的反相输入端处于正参考电压；其中作为控制输出的运算放大器的输出端为低，而且低信号导通所述第一和第二晶体管。
7.如权利要求1所述的过电流保护电路，其中所述第一和第二晶体管是P型增强晶体 管，它们的源极连接于第一电源电压。
8.如权利要求1所述的过电流保护电路，其进一步包括运算放大器，该运算放大器的 非反相输入端连接于所述输出端，该运算放大器的反相输入端连接于FET X/D的漏极以及 第三FET的源极；运算放大器的输出端连接于第三FET的栅极，并且第三FET的漏极连接于 所述感测电路；其中所述成比例缩放的镜像电流流过所述第三FET。
9.一种具有第一状态和第二状态的过电流保护电路，所述过电流保护电路包括 在第一状态中第一 η型FET，具有第一栅极，其中，当导通时，该第一 η型FET把第一电源电压连接到 输出端，该输出端使负载电流流过所述第一 η型FET ；第二 η型FET，具有第二栅极，其中，该第二 η型FET输出负载电流的被成比例缩放了系 数D的镜像电流；运算放大器，具有非反相输入端和反相输入端；反相输入端连接于第一参考电压 VREF1，运算放大器具有连接于第一和第二栅极的控制输出端；串联的第一和第二电阻R1+R2，所述成比例缩放的镜像电流流过该串联的第一和第二 电阻以在R1+R2两端产生反馈电压和在R2两端产生比较电压； 比较器，具有输出端和连接于比较电压的输入端；第二参考电压，连接于另一个比较器输入端；其中第二参考电压定义了预定阈值； 第一单刀开关； 第二单刀开关；反相器，具有输入端和输出端，并且其中所述反相器的输出端被连接用以激活所述第二开关，并且其中所述比较器的输出 端连接于反相器的输入端，并能够激活第一开关；其中所述第一和第二开关之一被激活并 且另一个未被激活，并且在第一状态中，所述第一单刀开关被激活并且第二单刀开关未被 激活，并且其中当比较电压未达到所述预定阈值时，所述比较器的输出激活第一单刀开关，该第 一单刀开关把低于第一参考电压的第一电压连接到运算放大器的非反相输入端，其中所述 运算放大器的输出驱使所述第一和第二晶体管导通；其中，当比较电压达到预定阈值时，所 述过电流保护电路呈现第二状态，并且其中，反馈回路出现，其中通过所述第二单刀开关把反馈电压连接到非反相运算放大 器输入端，并且运算放大器的输出驱使所述第一和第二晶体管进入到模拟情况，所述反馈 电压产生自成比例缩放的镜像电流，其中将所述负载电流和所述成比例缩放的镜像电流降 低，直到所述反馈信号与所述参考输入相匹配为止，并且其中在第二状态中，最终负载电流 等于 D (VREFl)/(R1+R2)。
10.一种针对负载电流的过电流保护方法，该方法包括如下步骤 成比例缩放负载电流的镜像电流；根据所述镜像电流产生感测信号和反馈信号； 比较所述感测信号与阈值信号并由此输出比较信号；其中当感测信号没有达到阈值信号时，用所述比较信号激活第一开关并通过第一开关 把第一信号连接到控制电路的第一输入端；其中所述控制电路输出导通第一和第二晶体管 的控制输出；通过导通的第一晶体管把第一电源电压连接到输出端，并通过导通的第一晶体管获得 负载电流；通过导通的第二晶体管从第一电源电压获得所述负载电流的成比例缩放的镜像电流， 并在第二晶体管中存在成比例缩放的镜像电流的地方形成镜像电压；并且其中当感测信号 达到阈值信号时，输出表示过载状态的过电流信号； 其中当处于过载状态时； 通过以下方式形成反馈回路根据所述过电流信号停用所述第一开关并激活第二开关；通过所述第二开关把反馈信 号连接到所述控制电路的第一输入端；所述控制电路对所述反馈信号和第一参考信号实施操作，其中所述控制电路的输出驱 使所述第一和第二晶体管进入模拟情况；以及降低负载电流和成比例缩放的镜像电流，直到反馈信号与第一参考信号相匹配为止。
11.如权利要求10所述的过电流保护方法，其中根据镜像电流产生感测信号和反馈信 号的步骤包括如下步骤使成比例缩放的镜像电流流过第一和第二电阻的串联连接，并且 根据第一和第二电阻上的压降产生感测信号和反馈信号。
12.如权利要求10所述的过电流保护方法，其中比较感测信号和阈值信号的步骤包括 以下步骤把感测信号连接到比较器的一个输入端并且把比较器的另一个输入端连接到阈 值信号，其中当感测信号超越阈值信号时，比较器输出信号表示自第一状态到第二状态的 相应的转变，其中第二状态表示过电流情况。
13.如权利要求10所述的过电流保护方法，其中成比例缩放镜像电流的步骤包括以下 步骤以镜像布置方式连接两个晶体管并相对于一个晶体管来成比例缩放另一个晶体管的 尺寸的步骤。
14.如权利要求10所述的过电流保护方法，其中比较反馈信号和第一参考信号的步 骤包括以下步骤把反馈信号连接到运算放大器的非反相输入端，把第一参考信号连接到 运算放大器的反相输入端，并把运算放大器的输出端连接到第一及第二晶体管的控制输入端。
15.如权利要求10所述的过电流保护方法，进一步包括以下步骤 把输出端连接到第二运算放大器的非反相输入端；把镜像电压连接到第二运算放大器的非反相输入端； 把第二运算放大器的输出端连接到第三FET的栅极，以及把第三FET的源极连接到镜像电压，并把第三FET的漏极连接到感测电路；其中将镜像 电流自第三FET的漏极传送至感测电路。
16.如权利要求10所述的过电流保护方法，其中激活第一开关和激活第二开关的步骤 包括以下步骤分别地激活和停用单刀双掷开关，其中在第一状态中，第一信号连接于单刀 双掷开关的固定端(pole piece)，然后连接到控制电路的第一输入端，并且在第二状态，通过停用的单刀双掷开关的开关固定端，将反馈信号连接到控制电路的第一输入端。
全文摘要
本发明公开了一种过电流保护电路，该电路通过在负载电流的成比例缩放的镜像电流路径中使用电阻提供了电流限制阈值。该保护电路具有把电源传送至设备的第一状态，但是当达到阈值时，该电路变成只允许将设定的最终电流传送至设备的反馈电路。当负载电流达到阈值时，镜像电流达到相应的、触发比较器和电路的阈值，从而限制并返送所述负载电流。
文档编号H02H9/04GK101924362SQ201010241900
公开日2010年12月22日 申请日期2010年6月12日 优先权日2009年6月16日
发明者G·A·马赫, H·加萨 申请人:快捷半导体有限公司