TWI658665B - 過電流保護電路、半導體裝置、及電壓調節器 - Google Patents

Abstract

提供防止長時間過大電流流通於輸出端子的 過電流保護電路，及具備過電流保護電路的半導體裝置及電壓調節器。

作為具備流通與流通於輸出電晶體的輸 出電流成比例的電流的第一電晶體、流通基準電流的定電流電路、比較流通於第一電晶體的電流與基準電流的比較電路、及藉由從比較電路輸出的訊號，控制輸出電晶體的閘極的控制電路的構造。

Description

過電流保護電路、半導體裝置、及電壓調節器

本發明係關於過電流保護電路、及具備該過電流保護電路的半導體裝置及電壓調節器。

針對先前之具備過電流保護電路的電壓調節器進行說明。圖4係揭示先前之具備過電流保護電路的電壓調節器的電路圖。先前的電壓調節器，係具備基準電壓電路401、NMOS電晶體403、404、405、PMOS電晶體402、406、110、電阻204、205、電源端子101、接地端子100、輸出端子102。

基準電壓電路401的基準電壓Vref比將輸出端子102的輸出電壓Vout以電阻204、205進行分壓的分壓電壓Vfb還大時，以NMOS電晶體403、404、405、PNOS電晶體402、406所構成之誤差放大電路的輸出的PMOS電晶體110之閘極的電位變低，使得PMOS電晶體110的導通電阻降低。然後，以使輸出電壓Vout上升， 分壓電壓Vfb與基準電壓Vref成為相等之方式動作。在基準電壓Vref比分壓電壓Vfb還小時，誤差放大電路的輸出之PMOS電晶體110的閘極的電位會變高，使得PMOS電晶體110的導通電阻升高。然後，以使輸出電壓Vout降低，分壓電壓Vfb與基準電壓Vref成為相等之方式動作。

電壓調節器係利用常將分壓電壓Vfb與基準電壓Vref保持成相等，發生一定的輸出電壓Vout(例如，參照專利文獻1圖2)。

[先前技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻1]日本特開平4-195613號公報

然而，在先前的電壓調節器中，有過大的電流持續流通於輸出端子的話，PMOS電晶體110會發熱而被破壞的課題。

本發明係有鑑於前述課題所發明者，提供防止長時間過大電流流通於輸出端子的過電流保護電路，及具備過電流保護電路的半導體裝置及電壓調節器。

為了解決先前的課題，本發明之過電流保護電路、及具備過電流保護電路的半導體裝置及電壓調節器如以下構成。

作為具備流通與流通於輸出電晶體的輸出電流成比例的電流的第一電晶體、流通基準電流的定電流電路、比較流通於第一電晶體的電流與基準電流的比較電路、及藉由從比較電路輸出的訊號，控制輸出電晶體的閘極的控制電路的構造。

不會影響驅動電路的控制，可防止在過電流流通於輸出端子時，輸出電晶體被破壞之狀況。

100‧‧‧接地端子

101‧‧‧電源端子

102‧‧‧輸出端子

103‧‧‧驅動電路

104‧‧‧定電流電路

105‧‧‧NMOS電晶體

106‧‧‧NMOS電晶體

107‧‧‧PMOS電晶體

108‧‧‧PMOS電晶體

109‧‧‧PMOS電晶體

110‧‧‧PMOS電晶體

201‧‧‧基準電壓電路

202‧‧‧誤差放大電路

204‧‧‧電阻

205‧‧‧電阻

401‧‧‧基準電壓電路

402‧‧‧PMOS電晶體

403‧‧‧NMOS電晶體

404‧‧‧NMOS電晶體

405‧‧‧NMOS電晶體

406‧‧‧PMOS電晶體

[圖1]本發明之具備過電流保護電路的半導體裝置的電路圖。

[圖2]本發明之具備過電流保護電路的電壓調節器的電路圖。

[圖3]揭示本發明之具備過電流保護電路的電壓調節器之其他例的電路圖。

[圖4]先前之電壓調節器的電路圖。

<第一實施形態>

圖1係本發明之具備過電流保護電路的半導體裝置的電路圖。

本發明之具備過電流保護電路的半導體裝置係具備驅動電路103、定電流電路104、NMOS電晶體105、106、PMOS電晶體107、108、109、110、電源端子101、接地端子100、輸出端子102。

針對本發明之具備過電流保護電路的半導體裝置的連接進行說明。驅動電路103的輸出係連接於PMOS電晶體108的汲極與PMOS電晶體109的閘極與PMOS電晶體110的閘極。PMOS電晶體108係閘極接於PMOS電晶體107的閘極及汲極，源極連接於電源端子101。PMOS電晶體107的源極連接於電源端子101。定電流電路104係一方的端子連接於電源端子101，另一方的端子連接於PMOS電晶體107的閘極及汲極。NMOS電晶體105係閘極連接於NMOS電晶體106的閘極及汲極，汲極連接於PMOS電晶體107的閘極及汲極，源極連接於接地端子100。NMOS電晶體106的源極連接於接地端子100。PMOS電晶體109係汲極連接於NMOS電晶體106的閘極及汲極，源極連接於電源端子101。PMOS電晶體110係汲極連接於輸出端子102，源極連接於電源端子101。

接著，針對本發明之具備過電流保護電路的 半導體裝置的動作進行說明。對電源端子101輸入電源電壓VDD的話，驅動電路103會動作，以驅動電路103的輸出來控制作為輸出電晶體而動作的PMOS電晶體110的動作。藉由驅動電路103的輸出，PMOS電晶體110動作時，於輸出端子102會發生輸出電壓Vout。

在PMOS電晶體110動作時，於輸出端子102連接負載的話，PMOS電晶體109係流通與流通於PMOS電晶體110的電流成比例的電流Imon。NMOS電晶體106與NMOS電晶體105係構成電流鏡，發生以任意的倍率複製電流Imon的電流Imon1。定電流電路104係流通基準電流Ia，與NMOS電晶體105的輸出電流Imon1進行比較。

在Imon1>Ia時，PMOS電晶體107係流通Imon1-Ia的電流。然後，該電流係以利用以PMOS電晶體107與108構成之電流鏡被放大成任意的倍率，於PMOS電晶體108流通電流，並使PMOS電晶體100成為OFF之方式動作。再者，Imon1與Ia的差越大則對PMOS電晶體110的閘極進行充電的電流越增加，故PMOS電晶體110會迅速被OFF，Imon1與Ia的差較小的話，則PMOS電晶體110緩慢地被OFF。在Imon1<Ia時，於PMOS電晶體107不會流通電流。因此，PMOS電晶體110不會OFF。

如此，於輸出端子102連接負載，並於PMOS電晶體110流通過電流時，使PMOS電晶體110成為 OFF，可防止PMOS電晶體110被破壞之狀況。使PMOS電晶體100成為OFF的速度係以流通於PMOS電晶體108的電流之大小決定，該電流不會急遽地增加，故即使藉由驅動電路103進行流通於PMOS電晶體110的電流瞬間增加的控制，也不會使PMOS電晶體110馬上OFF。因此，關於此點，不會對驅動電路103的控制造成影響。

再者，作為比較電流Imon1與基準電流Ia的電路，使用以NMOS電晶體106與NMOS電晶體105構成的電流鏡，但是，並不限定於該構造，只要是可以比較電流Imon1與基準電流Ia的電路，任何比較電路亦可。又，作為以任意的倍率複製流通於PMOS電晶體107之電流的電路，使用電流鏡，但是，並不限定於該構造，只要是可以任意的倍率複製電流的電路，任何電流放大電路亦可。例如，使用比較因為與流通於PMOS電晶體110的電流成比例的電流流通於電阻所發生的電壓，和因為基準電流流通於電阻所發生的基準電壓的電壓比較器，與藉由該輸出訊號來控制PMOS電晶體110的閘極的控制電路亦可。

如以上所記載般，本發明之具備過電流保護電路的半導體裝置，係不會影響驅動電路的控制，可防止在過電流流通於輸出端子時輸出電晶體被破壞之狀況。

<第二實施形態>

圖2係本發明之具備過電流保護電路的電壓調節器的 電路圖。與圖1的不同，是刪除驅動電路103，並追加基準電壓電路201、電阻204、205、誤差放大電路202之處。關於連接，誤差放大電路202係反轉輸入端子連接於基準電壓電路201的正極，非反轉輸入端子連接於電阻204與205的連接點，輸出連接於PMOS電晶體108的汲極與PMOS電晶體109的閘極與PMOS電晶體110的閘極。基準電壓電路201的負極連接於接地端子100，電阻204的另一方端子連接於輸出端子100，電阻205的另一方端子連接於接地端子100。其他與圖1相同。

針對本發明之具備過電流保護電路的電壓調節器的動作進行說明。對電源端子101輸入電源電壓VDD時，電壓調節器係從輸出端子102輸出輸出電壓Vout。電阻204與205係對輸出電壓Vout進行分壓，輸出分壓電壓Vfb。誤差放大電路202係比較基準電壓電路201的基準電壓Vref與分壓電壓Vfb，以輸出電壓Vout成為一定之方式控制作為輸出電晶體而動作之PMOS電晶體110的閘極電壓。

輸出電壓Vout比所定電壓還高時，分壓電壓Vfb也比基準電壓Vref還高。所以，誤差放大電路202的輸出訊號(PMOS電晶體110的閘極的電位)會變高，PMOS電晶體110逐漸成為OFF，所以，輸出電壓Vout變低。又，輸出電壓Vout比所定電壓還低的話，則進行與前述相反的動作，輸出電壓Vout變高。如此一來，電壓調節器係以輸出電壓Vout成為一定之方式動作。

考察於輸出端子102連接負載，流通過電流的狀況。PMOS電晶體109係流通與流通於PMOS電晶體110之電流成比例的電流Imon。NMOS電晶體106與NMOS電晶體105係構成電流鏡，發生以任意的倍率複製電流Imon的電流Imon1。定電流電路104係流通基準電流Ia，與NMOS電晶體105的輸出電流Imon1進行比較。

在Imon1>Ia時，PMOS電晶體107係流通Imon1-Ia的電流。然後，該電流係以利用以PMOS電晶體107與108構成之電流鏡被放大成任意的倍率，於PMOS電晶體108流通電流，並使PMOS電晶體100成為OFF之方式動作。再者，Imon1與Ia的差越大則對PMOS電晶體110的閘極進行充電的電流越增加，故PMOS電晶體110會迅速被OFF，Imon1與Ia的差較小的話，則PMOS電晶體110緩慢地被OFF。在Imon1<Ia時，於PMOS電晶體107不會流通電流。因此，PMOS電晶體110不會OFF。

如此，於輸出端子102連接負載，並於PMOS電晶體110流通過電流時，使PMOS電晶體110成為OFF，可防止PMOS電晶體110被破壞之狀況。使PMOS電晶體100成為OFF的速度係以流通於PMOS電晶體108的電流之大小決定，該電流不會急遽地增加，故即使藉由誤差放大電路202進行流通於PMOS電晶體110的電流瞬間增加的控制，也不會使PMOS電晶體110馬上OFF。例 如，輸出端子的負載從輕負載變化成重負載的話，以PMOS電晶體110流通較大電流之方式誤差放大電路202進行控制，但是，關於此點，並不會對該控制造成影響。

再者，作為比較電流Imon1與基準電流Ia的電路，使用以NMOS電晶體106與NMOS電晶體105構成的電流鏡，但是，並不限定於該構造，只要是可以比較電流Imon1與基準電流Ia的電路，任何比較電路亦可。又，作為以任意的倍率複製流通於PMOS電晶體107之電流的電路，使用電流鏡，但是，並不限定於該構造，只要是可以任意的倍率複製電流的電路，任何電流放大電路亦可。例如，使用比較因為與流通於PMOS電晶體110的電流成比例的電流流通於電阻所發生的電壓，和因為基準電流流通於電阻所發生的基準電壓的電壓比較器，與藉由該輸出訊號來控制PMOS電晶體110的閘極的控制電路亦可。

如以上所記載般，本發明之具備過電流保護電路的電壓調節器，係不會影響誤差放大電路的控制，可防止在過電流流通於輸出端子時輸出電晶體被破壞之狀況。

圖3係揭示本發明之具備過電流保護電路的電壓調節器之其他例的電路圖。與圖2的不同，是將PMOS電晶體108的汲極以可增加誤差放大電路202的偏壓電流之方式連接之處。

針對圖3的電壓調節器的動作進行說明。通 常的動作與圖2的電壓調節器相同。在於輸出端子102連接負載且流通過電流時，PMOS電晶體109係流通與流通於PMOS電晶體110的電流成比例的電流Imon。NMOS電晶體106與NMOS電晶體105係構成電流鏡，發生以任意的倍率複製電流Imon的電流Imon1。定電流電路104係流通基準電流Ia，與NMOS電晶體105的輸出電流Imon1進行比較。

在Imon1>Ia時，PMOS電晶體107係流通Imon1-Ia的電流。然後，該電流係利用以PMOS電晶體107與108構成之電流鏡被放大成任意的倍率，於PMOS電晶體108流通電流，並使誤差放大電路202的偏壓電流增加。然後，以提升誤差放大電路202的回應性，藉由誤差放大電路202的控制，使PMOS電晶體110成為OFF之方式動作。再者，Imon1與Ia的差越大，則誤差放大電路202的偏壓電流越增加，故誤差放大電路202的回應性更提升，使PMOS電晶體110成為OFF的控制變快。又，Imon1與Ia的差較小的話，誤差放大電路202的偏壓電流的增加則為些微，故誤差放大電路202的回應稍微增加，使PMOS電晶體110成為OFF的控制相較於誤差放大電路202的偏壓電流未增加時，稍微變快地進行。在Imon1<Ia時，於PMOS電晶體107不會流通電流。因此，誤差放大電路202的偏壓電流不會增加。

如此，於輸出端子102連接負載，並於PMOS電晶體110流通過電流時，使誤差放大電路202的偏壓電 流增加，藉由誤差放大電路202的控制，使PMOS電晶體110成為OFF，可防止PMOS電晶體110被破壞之狀況。使PMOS電晶體110成為OFF的速度係以流通於PMOS電晶體108的電流之大小決定，該電流不會急遽增加，而是階段性增加，故誤差放大電路202的偏壓電流也不會急遽增加而階段性增加，所以，不會馬上過度妨礙在誤差放大電路202的振盪餘裕度觀點上的穩定動作，而且可謀求偏壓電流增加所致之回應性的提升的兼顧，可達成本案的課題。更具體來說，謀求例如於PMOS電晶體110流通過電流時，依據PMOS電晶體110為了供給過大負載而上升的輸出電壓Vout，欲提升PMOS電晶體110的閘極的電位之誤差放大電路202的穩定動作，與回應速度的兼顧，可防止於輸出電晶體110長時間流通過大的電流之狀況。

再者，作為比較電流Imon1與基準電流Ia的電路，使用以NMOS電晶體106與NMOS電晶體105構成的電流鏡，但是，並不限定於該構造，只要是可以比較電流Imon1與基準電流Ia的電路，任何比較電路亦可。又，作為以任意的倍率複製流通於PMOS電晶體107之電流的電路，使用電流鏡，但是，並不限定於該構造，只要是可以任意的倍率複製電流的電路，任何電流放大電路亦可。例如，使用比較因為與流通於PMOS電晶體110的電流成比例的電流流通於電阻所發生的電壓，和因為基準電流流通於電阻所發生的基準電壓的電壓比較器，與藉由該輸出訊號來控制誤差放大電路202的偏壓電流的控制電路 亦可。

如以上所記載般，本發明之具備過電流保護電路的電壓調節器，係不會影響誤差放大電路的控制，可防止在過電流流通於輸出端子時輸出電晶體被破壞之狀況。

Claims (6)

1. 一種過電流保護電路，其特徵為具備：第一電晶體，係流通與流通於輸出電晶體的輸出電流成比例的電流；定電流電路，係流通基準電流；比較電路，係比較流通於前述第一電晶體的電流與前述基準電流；及控制電路，係藉由從前述比較電路輸出的訊號，控制前述輸出電晶體的閘極；前述控制電路，係具備閘極與汲極連接於前述定電流電路的第四電晶體，與閘極連接於前述第四電晶體的閘極，汲極連接於前述輸出電晶體的閘極的第五電晶體，且構成電流鏡的電流放大電路。
2. 如申請專利範圍第1項所記載之過電流保護電路，其中，前述比較電路，係具備閘極與汲極連接於前述第一電晶體的汲極的第二電晶體，與閘極連接於前述第二電晶體的閘極，汲極連接於前述定電流電路的第三電晶體，且構成電流鏡；比較前述基準電流與前述第三電晶體的電流。
3. 一種半導體裝置，其特徵為具備：輸出電晶體，係將輸入電壓輸出至輸出端子；驅動電路，係控制前述輸出電晶體的動作；及申請專利範圍第1項或第2項所記載之過電流保護電路。
4. 一種電壓調節器，其特徵為具備：輸出電晶體，係將所定輸出電壓輸出至輸出端子；誤差放大電路，係將對前述輸出電壓進行分壓的分壓電壓與基準電壓的差，予以放大並輸出，控制前述輸出電晶體的閘極；及申請專利範圍第1項或第2項所記載之過電流保護電路。
5. 一種電壓調節器，係具備：輸出電晶體，係將所定輸出電壓輸出至輸出端子；誤差放大電路，係將對前述輸出電壓進行分壓的分壓電壓與基準電壓的差，予以放大並輸出，控制前述輸出電晶體的閘極；及過電流保護電路；其特徵為：過電流保護電路係具備：第一電晶體，係流通與流通於前述輸出電晶體的輸出電流成比例的電流；定電流電路，係流通基準電流；比較電路，係比較流通於前述第一電晶體的電流與前述基準電流；及控制電路，係藉由從前述比較電路輸出的訊號，控制前述誤差放大電路的偏壓電流；前述控制電路，係具備閘極與汲極連接於前述定電流電路的第四電晶體，與閘極連接於前述第四電晶體的閘極，汲極連接於前述誤差放大電路的第五電晶體，且構成電流鏡的電流放大電路。
6. 如申請專利範圍第5項所記載之電壓調節器，其中，前述比較電路，係具備閘極與汲極連接於前述第一電晶體的汲極的第二電晶體，與閘極連接於前述第二電晶體的閘極，汲極連接於前述定電流電路的第三電晶體，且構成電流鏡；比較前述基準電流與前述第三電晶體的電流。