TWI445273B - 過電流保護電路 - Google Patents

Description

過電流保護電路

本發明有關於一種保護電路，特別是有關於一種過電流保護電路。

電子裝置於啟動、或負載電路變動時所產生之過電流，不僅影響整個電子裝置之正常工作，甚至會導致整個系統的損害。因此，需於電子裝置中設計適當之過電流保護電路，利用限制電流以防止過電流損壞整個系統，且限制電流亦可有助於減少供電電源之大小。習知上，可利用誤差放大器於開關電源輸入端偵測負載電流是否過大，依據該偵測結果，產生系統所需之過電流控制訊號，來控制輸入至負載之電流。

第1圖繪示一習知過電流保護電路之概略圖示，其中此過電流保護電路100係耦接於一電源輸入端Vin和一負載101之間用以控制一開關104。過電流保護電路100包括一電流偵測電路103和一個控制單元106。開關以N型電晶體104實現。供電路徑105上之電流I大小會隨著負載101的不同而變動，當電流偵測電路103偵測到供電路徑105之電流I在一限定值下時，控制單元106會將N型電晶體104設定為完全導通的狀態，亦即控制N型電晶體104的閘極電壓為高位準狀態。N型電晶體104的電流大小與其閘極和源極之間的壓差有關。因此，一旦電流偵測電路103偵測到供電路徑105發生過電流狀況，控制單元 106會藉由降低N型電晶體104的閘極電壓來降低其閘極和源極之間的壓差，進而限制能透過N型電晶體104傳送至負載101的電流大小。

本發明之一目的在於提供一種有效而穩定的過電流保護電路。

根據本發明之一態樣係在提供一種過電流保護電路。此過電流保護電路係耦接在一開關之輸出端和一負載間之電流路徑上。此過電流保護電路包括一第一過電流偵測單元、一第二過電流偵測單元以及一控制單元。第一過電流偵測單元，耦接電流路徑與一第一電壓間，用以根據電流路徑上之電流輸出一第一控制信號。第二過電流偵測單元，耦接該電流路徑與一第二電壓間，用以根據電流路徑上之電流輸出一第二控制信號。控制單元，耦接第一過電流偵測單元和第二過電流偵測單元，根據第一控制信號或第二控制信號控制開關以減少電流路徑上之電流。

在一實施例中，此開關為一電晶體，此電晶體之汲極端耦接一電源輸入端，此電晶體之源極端耦接此電流路徑。

在一實施例中，控制單元更具有：一閘極電壓供應電路、一第一N型電晶體以及一第二N型電晶體，其中第一N型電晶體之汲極端耦接電晶體之閘極端，第一N型電晶體之閘極端接收第一控制信號，第二N型電晶體之汲極端耦接電晶體之閘極端，第二N型電晶體之閘極端接收第二控制信號。

在一實施例中，第一過電流偵測單元，更包括：一第一放大器、一第三N型電晶體、一第一電阻以及一第二電阻。其中，第一放大器具有一正端、一負端以及一輸出端；第一放大器之正端與負端根據該電流路徑上之電流方向依序耦接至該電流路徑，第三N型電晶體之閘極端耦接第一放大器之輸出端，第三N型電晶體之汲極端耦接第一放大器之正端；第一電阻將第一放大器之正端耦接至該電流路徑；第三N型電晶體之源極端透過該第二電阻耦接該第一電壓，其中當一電流流經第二電阻時會產生第一控制信號。

在一實施例中，第二過電流偵測單元，更包括：一第二放大器、一第一P型電晶體、一第二P型電晶體、一第三電阻以及一第四電阻。其中第二放大器具有一正端、一負端以及一輸出端，第二放大器之負端與正端根據該電流路徑上之電流方向依序耦接至該電流路徑；第一P型電晶體之閘極端耦接第二放大器之輸出端，第一P型電晶體之汲極端耦接第一放大器之該正端，第一P型電晶體之源極端耦接第二電壓；第二P型電晶體與第一P型電晶體形成一電流鏡電路，其中第二P型電晶體之閘極端耦接第二放大器之輸出端，第二P型電晶體之源極端耦接該第二電壓；第三電阻將該第二放大器之正端耦接至該電流路徑；第二P型電晶體之汲極端耦接該第四電阻，其中當一電流流經該第四電阻時會產生該第二控制信號。

在一實施例中，當電流路徑產生一過電流時，第三N型電晶體根據該過電流於該第三N型電晶體之源極端輸出一第一電流。當該第一電流流經該第二電阻時產生該第一 控制信號，以導通該第一N型電晶體改變該開關之閘極電壓，減少該電流路徑上之電流。

在一實施例中，當電流路徑產生一過電流時，根據該過電流，第一P型電晶體透過該電流鏡結構於第二P型電晶體之汲極輸出一第二電流。第二電流流經該第四電阻時產生該第二控制信號，以導通該第二N型電晶體改變該開關之閘極電壓，減少該電流路徑上之電流。

綜合上述所言，本發明於連接負載之電流路徑上耦接至少一第一過電流偵測單元以及一第二過電流偵測單元來提供過電流保護。藉由對第一過電流偵測單元以及第二過電流偵測單元操作電壓之設定，可決定此兩過電流偵測單元之啟動時機以及保護範圍，來提供更周延之保護。

以下為本發明較佳具體實施例以所附圖示加以詳細說明，下列之說明及圖示使用相同之參考數字以表示相同或類似元件，並且在重複描述相同或類似元件時則予省略。

第2圖所示係根據本發明一實施方式之過電流保護電路之概略圖示。其中本發明之過電流保護電路200係耦接於一開關204之輸出端和一負載端211之間。過電流保護電路200包括：一第一過電流偵測單元201、一第二過電流偵測單元202和一控制單元203。在下述實施例中，開關204是以N型電晶體來實現，藉以說明本發明之應用，然而，在其他之實施例中，開關亦可以P型電晶體來實現。開關204之汲極端耦接於電源輸入端210，用以接收一輸 入電壓Vin，源極端則耦接一電流路徑205用以提供一輸出電壓Vout至負載端211以供電給一負載212。第一過電流偵測單元201耦接於電流路徑205，用以輸出對應於流經該電流路徑205電流之一第一信號S1。第二過電流偵測單元202亦耦接於電流路徑205，用以輸出對應於流經該電流路徑205電流之一第二信號S2。控制單元203係耦接於該第一過電流偵測單元201以及第二過電流偵測單元202，當接收到該第一信號S1或第二信號S2時，會輸出一控制信號至開關204之閘極端，用以驅動開關204，以減少流經電流路徑205之電流，達到過電流保護之目的。

第3圖所示係根據本發明一實施方式之過電流保護電路之電路圖。根據本發明，控制單元303包括一第一N型電晶體3031、一第二N型電晶體3032和一閘極電壓供應電路3033，當電流路徑305未發生過電流時，開關304由閘極電壓供應電路3033提供電壓來控制開關304傳送至電流路徑305的電流大小。反之，當電流路徑305發生過電流時，則由第一過電流偵測單元301產生第一信號S1，或第二過電流偵測單元302產生第二信號S2，來分別控制第一N型電晶體3031或第二N型電晶體3032導通，藉以驅動開關304降低流經電流路徑305之電流，達到過電流保護之目的，其中第一過電流偵測單元301和第二過電流偵測單元302之操作方式如下所述。

第一過電流偵測單元301包括：一第一放大器3011、一第一電阻3012、一第三N型電晶體3013以及一第二電阻3014。其中，第一放大器3011、第一電阻3012、第三N 型電晶體3013以及第二電阻3014形成一負回授關係，第一過電流偵測單元301即係利用此整體負回授之特性，將第一放大器3011之正端及負端拉至等電位。其中，第一放大器3011之輸出端耦接第三N型電晶體3013之閘極，而第一放大器3011之正端與負端均耦接至電流路徑305，且，第一放大器3011是根據電流I1方向依序將正端與負端耦接至電流路徑305。而第三N型電晶體3013之源極透過電阻3014耦接至電壓Vss，第三N型電晶體3013之汲極耦接至第一放大器3011之正端。

在一實施例中，電流路徑305具有一路徑電阻Rs，且流經路徑電阻Rs和第一電阻3012之電流分別為電流I1及電流I2，則電流I1和電流I2之大小會與路徑電阻Rs和第一電阻3012之比例有關。當電流路徑305發生電流增加時，亦即流經路徑電阻Rs之電流I1提高，因為負回授之特性，電流I2亦相對地提高。且由於第一放大器3011之正端與負端是根據電流I1之流向依序耦接至電流路徑305，使得第一放大器3011之輸出端輸出一高位準電位而導通第三N型電晶體3013，此提高之電流I2會經由導通之第三N型電晶體3013傳送至第二電阻3014用以產生第一信號S1，亦即跨於第二電阻3014上之電壓準位，當此電壓準位大於控制單元303中之第一N型電晶體3031之起始電壓時，使得第一N型電晶體3031導通，拉低開關304之閘極電壓，達成過電流保護的目的。當開關304之閘極電壓被拉低至一特定值時，此時輸出電壓Vout亦會降至一特定電壓，使得第二過電流偵測單元302啟動。

第二過電流偵測單元302包括：一第二放大器3021、一第三電阻3022、一第四電阻3025以及一由第一P型電晶體3023和第二P型電晶體3024構成之電流鏡電路。其中，第二放大器3021、第三電阻3022、電流鏡電路以及第四電阻3025形成一負回授關係，第二過電流偵測單元302即係利用此整體負回授之特性，將第二放大器3021之正端及負端拉至等電位。其中，第二放大器3021之輸出端耦接第一P型電晶體3023和第二P型電晶體3024之閘極端，而第二放大器3012之正端與負端均耦接至電流路徑305，且第二放大器3011是根據電流路徑305上之電流I1流向依序將負端與正端耦接至電流路徑305。第一P型電晶體3023和第二P型電晶體3024之源極耦接至電壓Vdd，第一P型電晶體3023之汲極端耦接至第二放大器3021之正端，第二P型電晶體3024之汲極端耦接至第四電阻3025。

在一實施例中，電流路徑305具有一路徑電阻Rs，且流經電流路徑305和第三電阻3022之電流分別為電流I1及電流I3，則電流I1和電流I3之大小會與路徑電阻Rs和第三電阻3022之比例有關。當電流路徑305發生電流增加時，亦即流經路徑電阻Rs之電流為I1提高，因為負回授特性，電流I3亦相對地提高。且由於第二放大器3021是根據電流方向依序將負端與正端耦接至電流路徑305，使得第二放大器3012之輸出端輸出一低位準電位而導通第一P型電晶體3023和第二P型電晶體3024。且由於第一P型電晶體3023和第二P型電晶體3024形成一電流鏡電路，因此提高之電流I3亦同時等比例形成於第二P型電 晶體3024之汲極處用以產生第二信號S2，亦即跨於第四電阻3025上之電壓準位，當此電壓準位大於控制單元303中之第二N型電晶體3032起始電壓時，使得第二N型電晶體3032導通，拉低開關304之閘極電壓，達成過電流保護的目的。

雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧過電流保護電路

101‧‧‧負載電路

103‧‧‧電流偵測電路

104‧‧‧N型電晶體

105‧‧‧供電路徑

106‧‧‧控制單元

200‧‧‧過電流保護電路

201和301‧‧‧第一過電流偵測單元

202和302‧‧‧第二過電流偵測單元

203和303‧‧‧控制單元

204和304‧‧‧開關

205和305‧‧‧電流路徑

210‧‧‧電源輸入端

211‧‧‧負載端

212‧‧‧負載

3011‧‧‧第一放大器

3012‧‧‧第一電阻

3013‧‧‧第三N型電晶體

3014‧‧‧第二電阻

3021‧‧‧第二放大器

3022‧‧‧第三電阻

3023‧‧‧第一P型電晶體

3024‧‧‧第二P型電晶體

3025‧‧‧第四電阻

3031‧‧‧第一N型電晶體

3032‧‧‧第二N型電晶體

3033‧‧‧閘極電壓供應電路

Rs‧‧‧路徑電阻

I1,I2和I3‧‧‧電流

S1‧‧‧第一信號

S2‧‧‧第二信號

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：第1圖所示為一習知過電流保護電路之概略圖示。

第2圖所示為根據本發明一實施方式之過電流保護電路之概略圖示。

第3圖所示為根據本發明一實施方式之過電流保護電路之電路圖。

200‧‧‧過電流保護電路

201‧‧‧第一過電流偵測單元

202‧‧‧第二過電流偵測單元

203‧‧‧一控制單元

204‧‧‧開關

205‧‧‧電流路徑

210‧‧‧電源輸入端

211‧‧‧負載端

212‧‧‧負載

Claims (9)

1. 一種過電流保護電路，係耦接在一開關輸出端和一負載間之電流路徑上，至少包括：一第一過電流偵測單元，耦接該電流路徑與一第一電壓間，用以根據該電流路徑上之電流輸出一第一控制信號；一第二過電流偵測單元，耦接該電流路徑與一第二電壓間，用以根據該電流路徑上之電流輸出一第二控制信號；以及一控制單元，耦接該第一過電流偵測單元和該第二過電流偵測單元，根據該第一控制信號或該第二控制信號控制該開關以減少該電流路徑上之電流。
2. 如申請專利範圍第1項所述之過電流保護電路，其中該開關為一電晶體，其中該電晶體之汲極端耦接一電源輸入端，該電晶體之源極端耦接該電流路徑。
3. 如申請專利範圍第2項所述之過電流保護電路，其中該控制單元，更包括：一閘極電壓供應電路，耦接該電晶體之閘極端；一第一N型電晶體，該第一N型電晶體之汲極端耦接該電晶體之閘極端，該第一N型電晶體之閘極端接收該第一控制信號；以及一第二N型電晶體，該第二N型電晶體之汲極端耦接該電晶體之閘極端，該第二N型電晶體之閘極端接收該第 二控制信號。
4. 如申請專利範圍第3項所述之過電流保護電路，其中該第一過電流偵測單元，更包括：一第一放大器，具有一正端、一負端以及一輸出端，其中該第一放大器之正端與負端根據該電流路徑上之電流方向依序耦接至該電流路徑；一第三N型電晶體，該第三N型電晶體之閘極端耦接該第一放大器之該輸出端，該第三N型電晶體之汲極端耦接該第一放大器之該正端；一第一電阻，將該第一放大器之該正端耦接至該電流路徑；以及一第二電阻，該第三N型電晶體之源極端透過該第二電阻耦接該第一電壓，其中當一電流流經該第二電阻時會產生該第一控制信號。
5. 如申請專利範圍第4項所述之過電流保護電路，其中該第二過電流偵測單元，更包括：一第二放大器，具有一正端、一負端以及一輸出端，其中該第二放大器之負端與正端根據該電流路徑上之電流方向依序耦接至該電流路徑；一第一P型電晶體，該第一P型電晶體之閘極端耦接該第二放大器之該輸出端，該第一P型電晶體之汲極端耦接該第一放大器之該正端，該第一P型電晶體之源極端耦接該第二電壓； 一第二P型電晶體與該第一P型電晶體形成一電流鏡電路，其中該第二P型電晶體之閘極端耦接該第二放大器之該輸出端，該第二P型電晶體之源極端耦接該第二電壓；一第三電阻，將該第二放大器之正端耦接至該電流路徑；以及一第四電阻，該第二P型電晶體之汲極端耦接該第四電阻，其中當一電流流經該第四電阻時會產生該第二控制信號。
6. 如申請專利範圍第5項所述之過電流保護電路，其中當該電流路徑產生一過電流時，該第三N型電晶體根據該過電流於該第三N型電晶體之源極端輸出一第一電流。
7. 如申請專利範圍第6項所述之過電流保護電路，其中該第一電流流經該第二電阻時產生該第一控制信號，以導通該第一N型電晶體改變該開關之閘極電壓，減少該電流路徑上之電流。
8. 如申請專利範圍第5項所述之過電流保護電路，其中當該電流路徑產生一過電流時，根據該過電流，該第一P型電晶體透過該電流鏡結構於該第二P型電晶體之汲極輸出一第二電流。
9. 如申請專利範圍第8項所述之過電流保護電路，其 中該第二電流流經該第四電阻時產生該第二控制信號，以導通該第二N型電晶體改變該開關之閘極電壓，減少該電流路徑上之電流。