一种过流检测及限流保护电路的制作方法

1.本发明属于集成电路技术领域，具体涉及一种过流检测及限流保护电路。


背景技术：

2.随着电子系统的发展，对电源管理类集成电路的性能要求越来越高。电源管理类集成电路中有很大一部分具有较大的负载电流能力，但不允许过载，因为过载容易导致功率管发生雪崩击穿现象和烧坏器件。为了保护电源管理电路不会因为负载电流过大，造成芯片升温甚至烧毁，需要引入限流保护电路。
3.限流保护通常是根据对功率管的电流检测来判断系统是否发生过流。传统的集成电路过流检测及限流保护一般都是直接用一个采样电阻rs(也可以叫过流检测电阻)对输出功率管qn1输出电流进行采样得到电阻上的电压降；再利用该电压降控制另一个npn管qn2的be结，同时将qn2的集电极与qn1的基极连接，即可在功率管qn1的输出电流达到限流值时，打开qn2，qn2的集电极电流使得npn管qn1基极电流减小，从而限制npn管qn1的输出电流不超过限流值。这种检测方式的优点是精度较高，响应速度较快。然而这样的话全部的npn管qn1电流将流过采样电阻rs，过流检测电阻rs上产生的功率损耗，使系统效率降低。而且在某些低功耗的应用场合，由于过流检测电阻rs上会消耗过多压降，不能满足输出电压的预算要求。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提出一种过流检测及限流保护电路，既避免了传统电路中功耗大，又保持了设计简单的特点。
5.为达上述目的，本发明提出技术方案如下：
6.一种过流检测及限流保护电路，包括输入电源，驱动电流产生电路、负载、pnp管qp1、npn管qn1、npn管qp2、npn管qp3、npn管qp4、过流检测电阻rs、电阻r3和电阻r4；
7.驱动电流产生电路的输出端连接节点f；
8.过流检测电阻rs一端连接节点h，另一端连接节点c；
9.电阻r3一端连接节点d，另一端连接节点f；
10.电阻r4一端连接节点f，另一端连接节点g；
11.pnp管qp1发射极连接节点f，基级连接节点g，集电极连接地线；
12.npn管qn1集电极连接节点a，基级连接节点b，发射极连接节点c；
13.npn管qn2集电极连接节点a，基级连接节点f，发射极连接节点b；
14.npn管qn3集电极连接节点d，基级连接节点d，发射极连接节点c；
15.npn管qn4集电极连接节点g，基级连接节点d，发射极连接节点h；
16.输入电源连接节点a；
17.负载连接节点h。
18.优选的，节点b和节点c通过电阻r2连接。
19.优选的，电阻r3和电阻r4的阻值相等。
20.优选的，电阻r2阻值至少是v
be_qn1
/i0的十倍；
[0021]vbe_qn1
为npn管qn1的be结导通电压，i0为整个过流检测及限流保护电路的限流保护电流阈值。
[0022]
优选的，npn管qn2的发射区面积等于npn管qn4的发射区面积。
[0023]
优选的，npn管qn2的发射区面积设为s，npn管qn1的发射区面积大于10s小于50s。
[0024]
优选的，npn管qn3发射区面积为npn管qn4发射区面积的n倍，n≥1。
[0025]
本发明的有益之处在于：
[0026]
本电路利用晶体管和电阻组成简单的电压转换电路，能够将过流检测电阻上的10mv级电压转换为可开启一个be结的几百mv级电压，将过流检测电阻上的功耗减小几十倍，具有功耗小、设计灵活且线路简单的优点。
[0027]
该电路兼容于标准双极工艺，可广泛应用于开关电源类集成电路的设计，具有良好的应用前景和经济效益。
附图说明
[0028]
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
[0029]
图1为本发明设计的过流检测及限流保护电路图；
[0030]
图中，qp1为pnp管、qn1为npn管、qn2为npn管、qn3为npn管、qn4为npn管、rs为过流检测电阻、r2为电阻、r3为电阻、r4为电阻，vcc表示输入电源电压。
具体实施方式
[0031]
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0032]
以下详细说明均是示例性的说明，旨在对本发明提供进一步的详细说明。除非另有指明，本发明所采用的所有技术术语与本发明所属领域的一般技术人员的通常理解的含义相同。本发明所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而并非意图限制根据本发明的示例性实施方式。
[0033]
实施例1：
[0034]
请参阅图1所示，本发明提供一种过流检测及限流保护电路，具体包括输入电源、驱动电流产生电路、负载、pnp管qp1、npn管qn1、npn管qn2、npn管qn3、npn管qn4、过流检测电阻rs、电阻r2、电阻r3和电阻r4；
[0035]
驱动电流产生电路的输出端连接节点f；
[0036]
过流检测电阻rs一端连接节点h，另一端连接节点c；
[0037]
电阻r2一端连接节点b，另一端连接节点c；电阻r2阻值r2要求远大于v
be_qn1
/i0，v
be_qn1
为npn管qn1的be结导通电压，i0为整个过流检测及限流保护电路的限流保护电流阈值。
[0038]
电阻r3一端连接节点d，另一端连接节点f；电阻r4一端连接节点f，另一端连接节点g，电阻r3和电阻r4的阻值相等；
[0039]
pnp管qp1发射极连接节点f，基级连接节点g，集电极连接地线；
[0040]
npn管qn1集电极连接节点a，基级连接节点b，发射极连接节点c，npn管qn1是限流保护的功率管；npn管qn2集电极连接节点a，基级连接节点f，发射极连接节点b；npn管qn3集电极连接节点d，基级连接节点d，发射极连接节点c；npn管qn1与npn管qn2组成达林顿输出结构。
[0041]
npn管qn4集电极连接节点g，基级连接节点d，发射极连接节点h；
[0042]
npn管qn2的发射区面积等于npn管qn4的发射区面积。npn管qn1的发射区面积为npn管qn2的发射区面积的10到50倍。npn管qn3的发射区面积为npn管qn4的n倍，n值根据i0的具体大小及过流检测电阻rs的大小设定。
[0043]
输入电源连接节点a；
[0044]
负载连接节点h。
[0045]
过流检测电阻rs、电阻r3、电阻r4，npn管qn3、npn管qn4组成电压转换电路，将过流检测电阻rs上的压降转换为电阻r4上的压降，当该电压达到pnp管qp1的be结导通电压时，pnp管qp1导通，其发射极从驱动电流产生电路抽走部分电流，将npn管qn2的基极电流限制在一定范围内，起到限流保护的作用。
[0046]
h点为负载接入点，当接入负载使得负载电流达到电流保护点时(设电路限流保护电流阈值为i0，后面简称限流阈值)，过流检测电阻rs上的电压可以表示为i0*rs，几十mv的电压降足以导致qn3和qn4的be结电压出现明显差异，进而使得电阻r3和电阻r4上的电流不再是n：1，而是小于n：1的一个比值，甚至出现电阻r4上的电流i
r4
大于电阻r3上的电流＝i
r3
，npn管qn3上的电流i
qn3
和npn管qn4上的电流i
qn4
的电流比值为：i
r3
/i
r4
＝n/e
i0*rs/vt
；v
t
表示双极晶体管的等效热电压。
[0047]
即：
[0048]ir4
＝i
r3
*e
i0*rs/vt
/n；
[0049]
可得，电阻r4上的电压降即为：
[0050]vr4
＝r4*i
r3
*e
i0*rs/vt
/n(1)
[0051]
此时，i
r3
的电流大小由(v
be_qn1
+v
be_qn2-v
be_qn3
)/r3决定，由于npn管qn1的ic电流远大于npn管qn2、npn管qn3和npn管qn4的ic电流，因此忽略npn管qn2、npn管qn3和npn管qn4的ic电流，可近似认为此时npn管qn1、npn管qn2这两个be结的电压同样是限流阈值i0的函数，且为i0的单调增函数；v
be_qn3
本身又是i
r3
的单调增函数，而与限流阈值i0无关，因此i0越大，i
r3
越大，带入公式(1)，i0越大，v
r4
越大。
[0052]vbe_qn1
为npn管qn1的be结导通电压；v
be_qn2
为npn管qn2的be结导通电压；v
be_qn3
为npn管qn3的be结导通电压；rs为过流检测电阻阻值；r3为电阻r3阻值；r4为电阻r4阻值。
[0053]
因此即可实现对npn管qn1的限流保护。
[0054]
本发明提出的这种过流检测及限流保护电路，主要用于电源管理类集成电路设计，该电路巧妙利用简单的电压转换电路，可以将过流检测电阻上的10mv级电压转换为可开启一个be结的几百mv级电压，将过流检测电阻上的功耗减小几十倍。
[0055]
而且，通过灵活设计npn管qn3和qn4的发射区面积比例n，既可以达到既能够满足限流阈值参数的设置要求，又可以达到尽量小的低功耗性能要求。
[0056]
实施例2：
[0057]
npn管qn1的发射区面积设计为20倍的单元发射区面积，npn管qn2和npn管qn4的发射区面积均设计为1倍单元发射区面积，npn管qn3的发射区面积设计为3倍的单元发射区面积，电阻r3和电阻r4的阻值设计均为60kω，过流检测电阻rs的阻值设为300mω，。对应限流保护阈值约为60ma左右。(具体的计算还和具体的集成电路制造工艺下晶体管的电流密度对应be结的曲线变化有关。)
[0058]
采用该设计，当npn管qn1上的电流达到限流保护阈值时，过流检测电阻rs上的压降仅为18mv，功耗仅为约1mw，除过流检测电阻以外，因限流设计而增加的所有其他器件的功耗(包括电阻r3、电阻r4、npn管qn3、npn管qn4和pnp管qp1)低于100μw。对比传统过流检测及限流保护电路，同样60ma的过流保护限流阈值，其过流检测电阻上的功耗至少需要几十mw。
[0059]
由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。