专利名称：一种dc/dc转换器的电流限制电路的制作方法
技术领域：
本发明属于集成电路设计技术领域，具体涉及一种DC/DC转换器的电流限制电路。
背景技术：
在中小功率DC/DC转换器中，特别是应用于以太网供电PoE (Power overEthernet)系统中的DC/DC转换器，当负载发生过载、短路等异常情况时，流过DC/DC转换器的负载电流会远大于正常工作时的电流，长时间工作在这种大电流状态下会导致功率管等功率器件或者以太网电缆线产生过热而烧坏，甚至损坏整个系统。所以对DC/DC转换器，需 要电流限制电路对负载电流设定一个电流阈值，在系统出现负载过载、短路等异常情况时限制流过负载的电流在此限流点上不让其继续增大，从而对系统进行保护。电流限制电路的限流点通常是根据负载电流的变化范围和功率管等功率器件的安全工作区域而设定。在以太网供电系统中，传输的功率水平决定了限流点，在对应的IEEE802. 3af或者IEEE802. 3at等标准中通常有明确的指定，而以太网电缆线对发热的敏感性要求系统的限流点很精确。传统的电流限制电路是通过在电流通路中串联一个采样电阻来对DC/DC转换器的负载电流进行检测，检测得到的电压信号与晶体管的阈值电压进行比较，对负载电路中的功率管的导通程度进行控制，从而实现电流限制，具体电路原理如图I所示。在该电路中，虚线框内电路部分为电流限制电路，主要包括检测电阻Rl、功率管Ml和MOS管M2，图中的功率管Ml用于限制DC/DC转换器的负载电流Itl，采样电阻Rl用于对负载电流Itl进行检测，通过MOS管M2调节功率管Ml的栅端电压控制其导通程度来实现电流限制。正常工作时，负载电流I。比较小，采样电阻Rl两端的电压比较小，不足够打开M2，此时功率管Ml栅端保持高电平，电流正常地流通。当负载发生过载或者短路等异常情况时，负载电流I。变大，采样电阻Rl两端的电压也变大，当电压增大到M2管的阈值电压以上时，M2开启，拉低功率管Ml的栅端电压，从而控制功率管Ml的导通程度，把电流限制在设置的限流点上，不让其继续增大。以上所述的电流限制电路的限流点近似表达式为Ia=Vth/Rl ;其中，Vth为M2的阈值电压，且通常为0. 7V左右，比较大，电路工作在限流状态时Rl的功耗会很大。同时，Vth和电阻Rl的阻值随工艺角的变化很大，电阻Rl通常是用多晶硅电阻来实现，具有正的温度系数，而Vth为负的温度系数，从以上表达式可以看出，电流限制电路的限流点很不精确，会在不同工艺角和温度变化时出现很大的变化。为了减小电流限制电路的功耗，在相同的电流水平下，应该减小采样电阻的电压，也即减小被比较的基准电压。而为了实现高精度的电流限制，要求所用的采样电阻和被比较的基准电压很精确，同时需要使用高精度运放对很小的检测电压和基准电压进行差值放大。在温度变化时，根据采样电阻的温度系数，被比较的基准电压应该跟随电阻阻值的变化而变化，这样能实现高精度的电流限制。
发明内容
针对现有技术所存在的上述技术缺陷，本发明提供了ー种DC/DC转换器的电流限制电路，精度高，功耗小。ー种DC/DC转换器的电流限制电路，包括功率开关管，用于控制DC/DC转换器负载电流的大小；所述的功率开关管的输入端与DC/DC转换器相连，输出端连接有采样电阻，所述的采样电阻的另一端接地；參考电流产生电路，用于产生參考电流信号；电流电压转换电路，用于将所述的參考电流信号转换为基准电压信号，同时采集所述的采样电阻的电压，并将该电压转换为检测电压信号；运算放大电路，用于对所述的基准电压信号和检测电压信号进行差值放大，并输 出开关控制信号以控制所述的功率开关管。优选地，所述的采样电阻的阻值为O. 08Ω ;采样电阻阻值越小，电流限制电路的功耗就越低，对应的基准电压也需要越小，其精度也越难做到很高，同时所用的运放也越难对检测电压和基准电压进行精确的差值放大；故该阻值是根据对限流点、功耗要求、电阻实现的便利性等因素进行权衡折中后的最优值。优选地，所述的參考电流产生电路由三个MOS管、四个三极管和ー个电阻组成；其中，MOS管M1的源极与MOS管M2的源极和MOS管M3的源极相连并接电源电压，MOS管M1的栅极与MOS管M2的漏极、MOS管M2的栅极、MOS管M3的栅极和三极管Q4的集电极相连，MOS管M3的漏极为參考电流产生电路的输出端，MOS管M1的漏极与三极管Q3的集电极、三极管Q3的基极和三极管Q4的基极相连，三极管Q3的发射极与三极管Q1的集电极和三极管Q2的基极相连，三极管QX的发射极与三极管Q2的集电极和三极管Q1的基极相连，三极管Q2的发射极与电阻R1的一端相连，三极管Q1的发射极与电阻R1的另一端相连并接地。其中，MOS管M1I3均为PMOS管，三极管Q1M4均为NPN型三极管；三极管Q2与三极管Q1的发射极面积比等于三极管Q3与三极管Q4的发射极面积比且为m,M0S管M1与MOS管M2宽长比相同，且MOS管M3的宽长比是MOS管M1的宽长比的η倍，m和η均为大于I的自然数。该參考电流产生电路结构能够产生随温度变化而变化的PTAT电流，从而使基准电压随之变化，可以一定程度上补偿采样电阻的正温度系数，减小限流点与温度的相关性，提闻系统的精度。优选地，所述的电流电压转换电路由两个电阻组成；其中，电阻R2的一端与參考电流产生电路和运算放大电路的正相输入端相连，电阻R2的另一端接地，电阻R3的一端与采样电阻相连，电阻R3的另一端与运算放大电路的反相输入端。电阻R2和电阻R3阻值相同，且利用相同材质的电阻或电阻串实现，完全匹配。使采样电阻的电压通过电阻R3接入运算放大电路的反相输入端，可以消除运算放大电路输入三极管基极电流对系统的精度造成的影响。优选地，所述的运算放大电路由二十七个MOS管和四个三极管组成；其中，MOS管N9的漏极与MOS管N13的源极、MOS管N14的源极、MOS管N15的源极、MOS管N19的源极、MOS管N2tl的源扱、MOS管N23的源极和MOS管N24的源极相连并接电源电压，MOS管N13的栅极与MOS管N13的漏极、MOS管N16的源极、MOS管N14的栅极和MOS管N15的栅极相连，MOS管N14的漏极与MOS管N17的源极相连，MOS管N15的漏极与MOS管N18的源极相连，MOS管N16的栅极与MOS管N16的漏极、MOS管N1的漏极、MOS管N17的栅极和MOS管N18的栅极相连，MOS管N17的漏极与MOS管N9的栅极、三极管T3的集电极和MOS管Nltl的漏极相连，MOS管N18的漏极与三极管T4的集电极和MOS管N27的源极相连，三极管T3的基极与三极管T4的基极、MOS管N9的源极和MOS管N2的漏极相连，三极管T3的发射极与三极管T1的发射极相连，三极管T4的发射极与三极管T2的发射极相连，三极管T1的基极和三极管T2的基极分别为运算放大电路的正相输入端和反相输入端，MOS管N27的栅极与MOS管N27的漏极、MOS管N3的漏极和MOS管N12的栅极相连，MOS管Nltl的源极与MOS管N4的漏极相连，MOS管Nltl的栅极与MOS管N11的栅极、MOS管N11的漏极和MOS管N21的漏极相连，MOS管N12的源极与MOS管N7的漏极相连，MOS管N12的漏极与MOS管N25的漏极相连并为运算放大电路的输出端，MOS管N19的栅极与MOS管N22的源极、MOS管N2tl的栅极和MOS管N2tl的漏极相连，MOS管N19的漏极与MOS管N21的源极相连，MOS管N21的栅极与MOS管N5的漏极、MOS管N22的栅极和MOS管N22的漏极相连，MOS管N23的栅极与MOS管N26的源极、MOS管N24的栅极和MOS管N24的漏极相连，MOS管N23的漏极与MOS管N25的源极相连，MOS管N25的栅极与MOS管N8的漏极、MOS管N26的栅极和MOS管N26的漏极相连，MOS管N1的栅极与MOS管N2的栅极、MOS管N3 的栅极、MOS管N4的栅极、MOS管N5的栅极、MOS管N6的栅极、MOS管N6的漏极、MOS管N7的栅极和MOS管N8的栅极相连并接收给定的基准电流信号，MOS管N1的源极与MOS管N2的源极、MOS管N3的源极、MOS管N4的源极、MOS管N5的源极、MOS管N6的源极、MOS管N7的源极、MOS管N8的源极、MOS管N11的源极、三极管T1的集电极和三极管T2的集电极相连并接地。其中，MOS管N1I12均为NMOS管，MOS管N13 N27均为PMOS管，三极管T1飞均为PNP型三极管，三极管T3I4均为NPN型三极管。该运算放大电路采用三极管作为输入级，偏置电压很小，同时在电路处于限流状态时消除同相输入端与反向输入端基极电流的差别，可以实现对检测电压和基准电压高精度地差值放大。本发明电流限制电路的原理为通过在电流通路中串联阻值很小的金属采样电阻对DC/DC转换器的负载电流进行检测，得到的检测电压与精确且电压值很小的基准电压通过高精度运放电路进行差值放大，当负载电流超过预先设定的电流阈值时，通过环路负反馈作用控制功率管的导通程度从而实现电流限制。上述的基准电压是通过参考电流产生电路产生的PTAT电流作用在电阻上得到的，通过调整PTAT电流和电阻的大小，可以一定程度上消除金属采样电阻的正温度系数，减小限流点与温度的相关性；高精度运放电路采用三极管作为输入级，偏置电压很小，同时在电路处于限流状态时消除同相输入端与反向输入端基极电流的差别，可以实现对检测电压和基准电压高精度地差值放大；采样电阻的阻值和基准电压都很小，而且很精确，再加上基准电压可以一定程度上补偿金属采样电阻与温度的相关性，所以本发明的电流限制电路功耗小、精度高。
图I为传统电流限制电路的结构示意图。图2为本发明电流限制电路的结构示意图。
图3为參考电流产生电路的结构示意图。图4为电流电压转换电路的结构示意图。图5为运算放大电路的结构示意图。
具体实施例方式为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式
对本发明的技术方案及其相关原理进行详细说明。如图2所示，ー种DC/DC转换器的电流限制电路，包括功率开关管M、采样电阻R、參考电流产生电路、电流电压转换电路和运算放大电路。 功率开关管M用于控制DC/DC转换器负载电流Itl的大小；其输入端与DC/DC转换器相连，输出端与米样电阻R的一端相连，米样电阻R的另一端接地；本实施方式中，米样电阻R的阻值为O. 08Ω。參考电流产生电路用于产生參考电流信号Iptat，其与电流电压转换电路相连；本实施方式中，參考电流产生电路由三个MOS管M1I3,四个三极管Q1M4和一个电阻R1组成，如图3所示；其中，MOS管M1的源极与MOS管M2的源极和MOS管M3的源极相连并接电源电压VDD，M0S管M1的栅极与MOS管M2的漏极、MOS管M2的栅极、MOS管M3的栅极和三极管Q4的集电极相连，MOS管M3的漏极为參考电流产生电路的输出端，MOS管M1的漏极与三极管Q3的集电极、三极管Q3的基极和三极管Q4的基极相连，三极管Q3的发射极与三极管Q1的集电极和三极管Q2的基极相连，三极管Q4的发射极与三极管Q2的集电极和三极管Q1的基极相连，三极管Q2的发射极与电阻R1的一端相连，三极管Q1的发射极与电阻R1的另一端相连并接地。MOS管M1I3均为PMOS管，三极管Q^Q4均为NPN型三极管，M1与M2宽长比相同，Q2与Q1的发射极面积比等于Q3与Q4的发射极面积比且为m，M3的宽长比是M^M2的宽长比的η倍；本实施方式中，m=8, n=4。电流电压转换电路用于将參考电流信号Iptat转换为基准电压信号VP，同时采集采样电阻R的电压Vsense,并将Vsense转换为检测电压信号\，Vsense=I0R, I0为DC/DC转换器的负载电流；如图4所示，本实施方式中，电流电压转换电路由两个电阻R2I3组成；其中，电阻R2的一端与參考电流产生电路的输出端和运算放大电路的正相输入端相连，电阻R2的另ー端接地，电阻R3的一端与采样电阻R的一端相连，电阻R3的另一端与运算放大电路的反相输入端；电阻R2和电阻R3阻值相同，且利用相同材质的电阻或电阻串实现，完全匹配。运算放大电路用于对基准电压信号Vp和检测电压信号Vn进行差值放大，并输出开关控制信号GATE以控制功率开关管M，其输出端与功率开关管M的控制端相连；如图5所示，本实施方式中，运算放大电路由二十七个MOS管N广N27和四个三极管T广T4组成；其中，MOS管N9的漏极与MOS管N13的源极、MOS管N14的源极、MOS管N15的源极、MOS管N19的源极、MOS管N2tl的源极、MOS管N23的源极和MOS管N24的源极相连并接电源电压VDD，MOS管N13的栅极与MOS管N13的漏极、MOS管N16的源极、MOS管N14的栅极和MOS管N15的栅极相连，MOS管N14的漏极与MOS管N17的源极相连，MOS管N15的漏极与MOS管N18的源极相连，MOS管N16的栅极与MOS管N16的漏极、MOS管N1的漏极、MOS管N17的栅极和MOS管N18的栅极相连，MOS管N17的漏极与MOS管N9的栅极、三极管T3的集电极和MOS管Nltl的漏极相连，MOS管N18的漏极与三极管T4的集电极和MOS管N27的源极相连，三极管T3的基极与三极管T4的基极、MOS管N9的源极和MOS管N2的漏极相连，三极管T3的发射极与三极管T1的发射极相连，三极管T4的发射极与三极管T2的发射极相连，三极管T1的基极和三极管T2的基极分别为运算放大电路的正相输入端和反相输入端，MOS管N27的栅极与MOS管N27的漏极、MOS管N3的漏极和MOS管N12的栅极相连，MOS管Nltl的源极与MOS管N4的漏极相连，MOS管N10的栅极与MOS管N11的栅极、MOS管N11的漏极和MOS管N21的漏极相连，MOS管N12的源极与MOS管N7的漏极相连，MOS管N12的漏极与MOS管N25的漏极相连并为运算放大电路的输出端，MOS管N19的栅极与MOS管N22的源极、MOS管N2tl的栅极和MOS管N2tl的漏极相连，MOS管N19的漏极与MOS管N21的源极相连，MOS管N21的栅极与MOS管N5的漏极、MOS管N22的栅极和MOS管N22的漏极相连，MOS管N23的栅极与MOS管N26的源极、MOS管N24的栅极和MOS管N24的漏极相连，MOS管N23的漏极与MOS管N25的源极相连，MOS管N25的栅极与MOS管N8的漏极、MOS管N26的栅极和MOS管N26的漏极相连，MOS管N1的栅极与MOS管N2的栅极、MOS管N3的栅极、MOS管N4的栅极、MOS管N5的栅极、MOS管N6的栅极、MOS管N6的漏极、MOS管N7的栅极和MOS管N8的栅极相连并接收给定的基准电流信号IMf，MOS管N1的源极与MOS管N2的源极、MOS管N3的源极、MOS管N4的源极、MOS管N5的源极、MOS管N6的 源极、MOS管N7的源极、MOS管N8的源极、MOS管N11的源极、三极管T1的集电极和三极管T2的集电极相连并接地；其中，MOS管N广N12均为NMOS管，MOS管N13 N27均为PMOS管，三极管TrT2均为PNP型三极管，三极管TfT4均为NPN型三极管。参考电流产生电路中，根据三极管的连接关系，VbeJVbeJI2R1=VbeJVbei，M1与M2组成电流镜且宽长比相同，所以有Vbe4=Vbei、Vbe3=Vbe2，可以得出I2的表达式为
-)J/ ]- / 11 : I s 4j _Wbe4-vUEi) _ T h 11Si _2Frlnm
2 _ 瓦 _ Ti, _ ~R,~产生的参考电流Iptat为I2的拷贝，拷贝比例为I :n (本实施方式，n=4)，具体表达式为
. r InVr In/;/1 =nl2=^^——其中VBE1、VBE2, VBE3> Vbe4分别为Q1'的基极_发射极电压，Vt为热电压(常温下VT=26mV);IS3、Is4分别为Q3和Q4的反向饱和电流，两者的比例即为Q3与Q4的发射极面积比m (本实施方式，m=8)。电流电压转换电路中，参考电流Iptat作用在R2上产生基准电压Vp输入到运算放大器的正相输入端，采样电阻R上的电压Vsense被转换为检测电压Vn输入到运算放大器的反相输入端。为了减小运算放大器的偏置电压，实现电压信号Vi^PVn差值的精确放大，运算放大器输入级采用三极管作为输入管，电压转换时需要考虑运算放大器输入三极管的基极电流Ib+与Ib-;故电压信号Vp和Vn的表达式如下Vp=Iptat R2+Ib+ R2VN-VSENSE+IB_ R3运算放大器对电压信号Vp和Vn进行放大，当负载电流Itl比较小，低于限流点时，Vsense很小，此时VN〈VP且差值较大，运算放大器第一级输出电压OUTl很小，所以N27关断，此时运放输出的开关控制信号GATE为高电平，控制功率管M导通，负载电流Itl正常通过M ；当负载电流Itl逐渐增大时，电压Vsense (Vn)也逐渐变大，当电流Itl增大到某一阈值时,运放第一级输出电压OUTl增大到开启N27, N12的下拉作用使得开关控制信号GATE逐渐减小，功率管M导通程度降低，控制负载电流Itl减小而不让其继续増大，从而实现电流限制，上述的阈值即为限流点。通过电流电压转换电路、运算放大器和功率管组成的负反馈环路钳制运放两个输入端的电压Vp和Vn到近似相等，运放通过引入共源共栅等增益提升技术实现高増益，从而可以提升上述的钳制精度，可以得出限流点电流Ia满足以下表达式
权利要求
1.一种DC/DC转换器的电流限制电路，其特征在于，包括 功率开关管，用于控制DC/DC转换器负载电流的大小；所述的功率开关管的输入端与DC/DC转换器相连，输出端连接有采样电阻，所述的采样电阻的另一端接地； 参考电流产生电路，用于产生参考电流信号； 电流电压转换电路，用于将所述的参考电流信号转换为基准电压信号，同时采集所述的采样电阻的电压，并将该电压转换为检测电压信号； 运算放大电路，用于对所述的基准电压信号和检测电压信号进行差值放大，并输出开关控制信号以控制所述的功率开关管。
2.根据权利要求I所述的DC/DC转换器的电流限制电路，其特征在于所述的参考电流产生电路由三个MOS管、四个三极管和一个电阻组成；其中，MOS管M1的源极与MOS管M2的源极和MOS管M3的源极相连并接电源电压，MOS管M1的栅极与MOS管M2的漏极、MOS管M2的栅极、MOS管M3的栅极和三极管Q4的集电极相连，MOS管M3的漏极为参考电流产生电路的输出端，MOS管M1的漏极与三极管Q3的集电极、三极管Q3的基极和三极管Q4的基极相连，三极管Q3的发射极与三极管Q1的集电极和三极管Q2的基极相连，三极管Q4的发射极与三极管Q2的集电极和三极管Q1的基极相连，三极管92的发射极与电阻&的一端相连，三极管Q1的发射极与电阻R1的另一端相连并接地。
3.根据权利要求I所述的DC/DC转换器的电流限制电路，其特征在于所述的电流电压转换电路由两个电阻组成；其中，电阻R2的一端与参考电流产生电路和运算放大电路的正相输入端相连，电阻R2的另一端接地，电阻R3的一端与采样电阻相连，电阻R3的另一端与运算放大电路的反相输入端。
4.根据权利要求I所述的DC/DC转换器的电流限制电路，其特征在于所述的运算放大电路由二十七个MOS管和四个三极管组成；其中，MOS管N9的漏极与MOS管N13的源极、MOS管N14的源极、MOS管N15的源极、MOS管N19的源极、MOS管N2tl的源极、MOS管N23的源极和MOS管N24的源极相连并接电源电压，MOS管N13的栅极与MOS管N13的漏极、MOS管N16的源极、MOS管N14的栅极和MOS管N15的栅极相连，MOS管N14的漏极与MOS管N17的源极相连，MOS管N15的漏极与MOS管N18的源极相连，MOS管N16的栅极与MOS管N16的漏极、MOS管N1的漏极、MOS管N17的栅极和MOS管N18的栅极相连，MOS管N17的漏极与MOS管N9的栅极、三极管T3的集电极和MOS管Nltl的漏极相连，MOS管N18的漏极与三极管T4的集电极和MOS管N27的源极相连，三极管T3的基极与三极管T4的基极、MOS管N9的源极和MOS管N2的漏极相连，三极管T3的发射极与三极管T1的发射极相连,三极管T4的发射极与三极管T2的发射极相连，三极管T1的基极和三极管T2的基极分别为运算放大电路的正相输入端和反相输入端，MOS管N27的栅极与MOS管N27的漏极、MOS管N3的漏极和MOS管N12的栅极相连，MOS管Nltl的源极与MOS管N4的漏极相连，MOS管Nltl的栅极与MOS管N11的栅极、MOS管Nn的漏极和MOS管N21的漏极相连，MOS管N12的源极与MOS管N7的漏极相连，MOS管N12的漏极与MOS管N25的漏极相连并为运算放大电路的输出端，MOS管N19的栅极与MOS管N22的源极、MOS管N2tl的栅极和MOS管N2tl的漏极相连，MOS管N19的漏极与MOS管N21的源极相连，MOS管N21的栅极与MOS管N5的漏极、MOS管N22的栅极和MOS管N22的漏极相连，MOS管N23的栅极与MOS管N26的源极、MOS管N24的栅极和MOS管N24的漏极相连，MOS管N23的漏极与MOS管N25的源极相连，MOS管N25的栅极与MOS管N8的漏极、MOS管N26的栅极和MOS管N26的漏极相连，MOS管N1的栅极与MOS管N2的栅极、MOS管N3的栅极、MOS管N4的栅极、MOS管N5的栅极、MOS管N6的栅极、MOS管N6的漏极、MOS管N7的栅极和MOS管N8的栅极相连并接收给定的基准电流信号，MOS管N1的源极与MOS管N2的源极、MOS管N3的源极、MOS管N4的源极、MOS管N5的源极、MOS管N6的源极、MOS管N7的源极、MOS管N8的源极、MOS管Nn的源极、三极管T1的集电极和三极管T2的集电极相连并接地。
5.根据权利要求3所述的DC/DC转换器的电流限制电路，其特征在于所述的电阻R2和电阻R3阻值相同。
6.根据权利要求2所述的DC/DC转换器的电流限制电路，其特征在于所述的三极管Q2与三极管Q1的发射极面积比等于三极管Q3与三极管Q4的发射极面积比且为m，m为大于I的自然数。
7.根据权利要求I所述的DC/DC转换器的电流限制电路，其特征在于所述的采样电阻的阻值为0. 08Q。
8.根据权利要求2所述的DC/DC转换器的电流限制电路，其特征在于所述的MOS管M1与MOS管M2宽长比相同，且MOS管M3的宽长比是MOS管M1的宽长比的n倍，n为大于I的自然数。
全文摘要
本发明公开了一种DC/DC转换器的电流限制电路，包括与DC/DC转换器相连的功率开关管、与功率开关管相连的采样电阻、与采样电阻相连的电流电压转换电路、与电流电压转换电路相连的参考电流产生电路，与功率开关管和电流电压转换电路相连的运算放大器。本发明通过在电流通路中串联阻值很小的金属采样电阻对DC/DC转换器的负载电流进行检测，得到的检测电压与精确且电压值很小的基准电压通过高精度运放电路进行差值放大，当负载电流超过预先设定的电流阈值时，通过环路负反馈作用控制功率管的导通程度从而实现电流限制，且功耗小，精度高。
文档编号H02M1/32GK102710109SQ20121016958
公开日2012年10月3日 申请日期2012年5月24日 优先权日2012年5月24日
发明者何乐年, 姜俊敏, 宁志华, 胡志成 申请人:浙江大学