專利名稱：具過電流保護(hù)的功率集成電路及其過電流保護(hù)電路與方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種功率集成電路及其過電流保護(hù)電路與方法，特別是涉及一 種具有兩段限流保護(hù)機(jī)制的功率集成電路及其過電流保護(hù)電路與方法。
背景技術(shù)：
近幾年來，由于科技的發(fā)展，使得電子產(chǎn)品的產(chǎn)量大增，而在電子產(chǎn)品中， 除了產(chǎn)品本身的功能電路之外，最需要被重視的部分就在于電源電路的部分，
也就是所謂的電壓調(diào)節(jié)器、電壓穩(wěn)壓器等相同性質(zhì)的功率集成電路(PowerIC)， 這些都足以影響產(chǎn)品運(yùn)作的穩(wěn)定與否。
而以上述的電壓穩(wěn)壓器來講，電壓穩(wěn)壓器是一種可以提供固定電壓至負(fù)載 的電路，根據(jù)負(fù)載阻抗的變化，電壓穩(wěn)壓器的輸出電流也會(huì)隨之調(diào)節(jié)，因此使 輸出電壓維持在固定的電壓電平。而隨著電壓穩(wěn)壓器使用于消費(fèi)性電子產(chǎn)品、 可攜式電子產(chǎn)品等不同的產(chǎn)品，其中的設(shè)計(jì)也就會(huì)有不同的特色，例如低輸 入-輸出壓差、高(低)輸出功率、低靜態(tài)電流、低噪聲以及高電源拒斥等不同功 能，以符合各種電子產(chǎn)品的使用需求。然而，不管在何種功率集成電路中，為 了防止輸出的電流過大、或者是當(dāng)輸出端發(fā)生短路時(shí)所造成的內(nèi)部電路損毀， 因此都會(huì)內(nèi)建設(shè)計(jì)有過電流保護(hù)電路，以讓功率集成電路操作在安全穩(wěn)定的狀
而目前現(xiàn)有技術(shù)在具過電流保護(hù)的功率集成電路方面，大致可有以下幾種
設(shè)計(jì)方式
首先，請參考圖l，為現(xiàn)有技術(shù)具過電流保護(hù)的功率集成電路的第一電路
示意圖。如圖所示，其中的過電流保護(hù)電路9包含一限流開關(guān)晶體管Q,及一 感測電阻Rn其中由于輸出電流會(huì)流過感測電阻R,，因此便可根據(jù)感測電阻 R,的跨壓來設(shè)計(jì)電阻的阻值，而當(dāng)輸出電流到達(dá)不安全的值時(shí)，限流開關(guān)晶 體管(^便會(huì)導(dǎo)通以限制輸出電流的大小。換句話說，當(dāng)輸出電流增加，感測 電阻R,的跨壓壓降跟著增加，使得限流開關(guān)晶體管Q,開始傳導(dǎo)電流。而另一方面，參考電流源用于產(chǎn)生一偏壓電流L，并且連接到限流開關(guān)晶體管Q,的 集極端，如此一來讓原本流到功率晶體管Q2的基極端的驅(qū)動(dòng)電流12便會(huì)減少。 因此，當(dāng)發(fā)生輸出電流超過限制的條件時(shí)，即可以達(dá)到限制輸出電流的功效。 但是，此設(shè)計(jì)的過電流保護(hù)電路9有兩個(gè)缺點(diǎn)第一，由于輸出電流會(huì)流 過感測電阻Rp因此當(dāng)輸出電流很大時(shí)，會(huì)造成感測電阻R,的跨壓過大，導(dǎo) 致在感測電阻R,上有較大的功率損耗。于是輸入電壓VoD與輸出電壓V0UT
也就會(huì)有較大的電壓差。第二，此電路9對溫度的敏感度很高。由于限流開關(guān) 晶體管的基-射極電壓Vbe是負(fù)的溫度系數(shù)，而感測電阻R,是正的溫度系 數(shù)，因此會(huì)造成原先已設(shè)定調(diào)整好的限流臨界值容易因?yàn)闇囟鹊脑黾佣瓜蘖?臨界值下降。
于是，請?jiān)賲⒖紙D2，為現(xiàn)有技術(shù)具過電流保護(hù)的功率集成電路的第二電 路示意圖。如圖所示，其中功率集成電路由一過電流保護(hù)電路9'搭配一穩(wěn)壓電 路。其中，穩(wěn)壓電路包含一誤差放大器EA、 一功率晶體管M,、 一反饋電阻網(wǎng) 絡(luò)Rn、 RF2及一參考電壓源VreF。當(dāng)穩(wěn)壓電路的輸出端的負(fù)載電流增加(或減 少)時(shí)，輸出電壓Vout會(huì)下降(或上升)，此時(shí)反饋電阻網(wǎng)絡(luò)Rn、 Rf2會(huì)將感測 到的輸出電壓VouT變化量輸入到誤差放大器EA的輸入端，再與參考電壓源 VREF的參考值去作比較。于是誤差放大器EA會(huì)產(chǎn)生一個(gè)控制信號來控制功率 晶體管M,導(dǎo)通電流13的大小，進(jìn)而調(diào)節(jié)輸出電壓VouT到正常穩(wěn)壓值。
而過電流保護(hù)電路9'包含一感測晶體管M2、多個(gè)晶體管M3、 Q3、 Q4、 Q5、 Q6、 一參考電流U及一電容Q。其中，流過功率晶體管M,的電流會(huì)經(jīng)由 感測晶體管M2以成比例關(guān)系地產(chǎn)生感測電流，此電流迸一步流過晶體管Q4 再映射至晶體管Q3。而電流源提供的參考電流14通過晶體管q5映射至晶體管 Q6。并且電容C,用來當(dāng)作補(bǔ)償電容以避免q3和q6的集極端發(fā)生震蕩。如此
一來，當(dāng)負(fù)載電流過大而超過設(shè)定的限流臨界值時(shí)，映射至晶體管q3的電流
會(huì)增大，使輸入電壓Vdd與A點(diǎn)的跨壓變大到可以使晶體管M3導(dǎo)通，進(jìn)而驅(qū) 動(dòng)功率晶體管M,的柵極電壓至高電位，以限制流過功率晶體管M,的輸出電 流。
然而，此過電流保護(hù)電路9'的缺點(diǎn)為第一，無折返電流機(jī)制，當(dāng)輸出端 發(fā)生短路時(shí)會(huì)發(fā)生很高的熱損耗。也就是說除了浪費(fèi)功率之外，當(dāng)輸入輸出的 電壓差較大時(shí)，功率晶體管M,可能會(huì)發(fā)生損壞。第二則是在電路上需要設(shè)計(jì)使用補(bǔ)償電容，因而會(huì)增加功率集成電路的面積。
因此，要如何改善上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，便是目前在過電流保護(hù)電路方面 值得加以研究設(shè)計(jì)的地方。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于提供一種具過電流保護(hù)的功率集成電路 及其過電流保護(hù)電路與方法，用于在過電流保護(hù)電路中，同時(shí)設(shè)計(jì)有固定限流
(Constant Current Limit)及折返限流(Fold-back Current Limit)的兩段限流機(jī)制， 用于讓搭配此一過電流保護(hù)電路的功率集成電路(Power IC)得以將輸出電流箝 制于一固定值，以避免過電流的發(fā)生，并且降低在輸出端發(fā)生短路現(xiàn)象時(shí)，功 率晶體管所產(chǎn)生的功率散溢及熱耗損。藉此，以達(dá)到保護(hù)功率集成電路內(nèi)部電 路及輸出端所連接的負(fù)載的目的。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種具過電流保護(hù)的功率集成電路，其 特征在于，接收一輸入電壓，并轉(zhuǎn)換成一輸出電壓，以提供給一負(fù)載，其包括
一功率晶體管，用于提供一輸出電流給該負(fù)載；
一反饋電路，用于偵測該輸出電壓而產(chǎn)生一反饋信號；
一輸出控制單元，用于接收該反饋信號，并將該反饋信號與一參考電壓源 進(jìn)行運(yùn)算，以產(chǎn)生一電壓控制信號來控制該功率晶體管的運(yùn)作；及
一過電流保護(hù)電路，設(shè)有一固定限流臨界值及一折返限流臨界值，用于進(jìn) 一步控制該功率晶體管以調(diào)整該輸出電壓及該輸出電流；
其中，當(dāng)該輸出電流大于該固定限流臨界值時(shí)，該過電流保護(hù)電路將該輸 出電流箝制于一固定電流值，以降低該輸出電壓至一額定值；而當(dāng)該輸出電流 大于該折返限流臨界值時(shí)，則該過電流保護(hù)電路將該輸出電流限制于一低電流 值，使該輸出電壓降低至零電位。
所述的具過電流保護(hù)的功率集成電路，其中，所述功率晶體管為P通道金 屬氧化半導(dǎo)體場效晶體管。
所述的具過電流保護(hù)的功率集成電路，其中，所述反饋電路與該輸出控制 單元架構(gòu)成一負(fù)反饋控制的設(shè)置。
所述的具過電流保護(hù)的功率集成電路，其中，所述輸出控制單元為一誤差 放大器，該誤差放大器的一正向輸入端接收該反饋信號，而該誤差放大器的一反向輸入端則連接該參考電壓源，并在將該反饋信號與該參考電壓源進(jìn)行誤差 放大運(yùn)算后，產(chǎn)生該電壓控制信號。
所述的具過電流保護(hù)的功率集成電路，其中，所述折返限流臨界值依據(jù)一 預(yù)估短路電流來設(shè)置。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明還提供了一種過電流保護(hù)電路，其特征在于， 應(yīng)用于一功率集成電路，該功率集成電路接收一輸入電壓，并依據(jù)一反饋電路 的反饋信號，來控制一功率晶體管輸出一輸出電壓及一輸出電流，而該過電流 保護(hù)電路包括
一固定限流電路，設(shè)有一固定限流臨界值；及
一折返限流電路，設(shè)有一折返限流臨界值，且連接于該反饋電路，用于依 據(jù)該反饋電路所產(chǎn)生的分壓，而與該固定限流電路搭配進(jìn)行運(yùn)作； 該固定限流電路又包含
--感測晶體管，用于感測流過該功率晶體管的電流量，以形成一感測電流；
一開關(guān)晶體管，作為該過電流保護(hù)電路的啟動(dòng)開關(guān)；及
一電壓電平控制單元，用于依據(jù)該感測電流及一偏壓電流進(jìn)行電壓電平偏
移，以控制該開關(guān)晶體管的運(yùn)作；
其中，當(dāng)該輸出電流大于該固定限流臨界值時(shí)，該固定限流電路會(huì)將該輸
出電流箝制于一固定電流值，以降低該輸出電壓至一額定值；而當(dāng)該輸出電流
大于該折返限流臨界值時(shí)，該折返限流電路會(huì)搭配該固定限流電路以將該輸出
電流限制于一低電流值，使該輸出電壓降低至零電位。
所述的過電流保護(hù)電路，其中，所述率晶體管為P通道金屬氧化半導(dǎo)體場
效晶體管。
所述的過電流保護(hù)電路，其中，所述反饋電路用于形成一負(fù)反饋控制。 所述的過電流保護(hù)電路，其中，所述流過該功率晶體管的電流量約等于該 輸出電流。
所述的過電流保護(hù)電路，其中，在該電壓電平控制單元控制該開關(guān)晶體管 的一源-柵極電壓大于該開關(guān)晶體管的一臨界電壓規(guī)格時(shí)，該開關(guān)晶體管進(jìn)行 導(dǎo)通，以讓該固定限流電路及該折返限流電路進(jìn)一步控制該功率晶體管以調(diào)整 該輸出電壓及該輸出電流。
所述的過電流保護(hù)電路，其中，所述折返限流臨界值依據(jù)一預(yù)估短路電流來設(shè)置。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明還提供了一種過電流保護(hù)方法，其特征在于， 應(yīng)用于一功率集成電路，該功率集成電路接收一輸入電壓，并依據(jù)一反饋電路 的反饋信號，來控制一功率晶體管輸出一輸出電壓及一輸出電流，而該過電流 保護(hù)方法的步驟包括
穩(wěn)定輸出該輸出電壓，以固定該功率晶體管提供該輸出電流； 偵測該輸出電流大于一折返限流臨界值時(shí)，則控制該功率晶體管以限制該
輸出電流于一低電流值，使該輸出電壓降至零電位；及
偵測該輸出電流大于一 固定限流臨界值時(shí)，則控制該功率晶體管以箝制該 輸出電流于一固定電流值，進(jìn)而降低該輸出電壓至一額定值。
所述的過電流保護(hù)方法，其中，所述反饋電路用于形成一負(fù)反饋控制。 所述的過電流保護(hù)方法，其中，所述折返限流臨界值依據(jù)一預(yù)估短路電流 來設(shè)置。
所述的過電流保護(hù)方法，其中，進(jìn)一步包含提供一感測晶體管以偵測該輸 出電流。
藉此，在過電流或短路狀況產(chǎn)生時(shí)，得以針對功率集成電路的內(nèi)部電路及 輸出端的負(fù)載電路來進(jìn)行保護(hù)。并且，本發(fā)明不僅可以有效地達(dá)到過電流及短 路保護(hù)的作用，由于使用較少的組件，因而還可在標(biāo)準(zhǔn)互補(bǔ)金屬氧化半導(dǎo)體
(CMOS)制程中，縮小功率集成電路的面積。
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述，但不作為對本發(fā)明的 限定。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)具過電流保護(hù)的功率集成電路的第一電路示意圖2是現(xiàn)有技術(shù)具過電流保護(hù)的功率集成電路的第二電路示意圖3是本發(fā)明具過電流保護(hù)的功率集成電路的實(shí)施例方塊圖4是本發(fā)明具過電流保護(hù)的功率集成電路的實(shí)施例電路示意圖5是本發(fā)明過電流保護(hù)方法的實(shí)施例流程圖6是本發(fā)明固定限流機(jī)制運(yùn)作時(shí)的輸出狀態(tài)的瞬時(shí)分析圖；及
圖7是本發(fā)明折返限流機(jī)制運(yùn)作時(shí)的輸出狀態(tài)的瞬時(shí)分析圖。現(xiàn)有技術(shù)的附圖標(biāo)記 過電流保護(hù)電路9， 9' 電容G
誤差放大器EA 偏壓電流Ii 驅(qū)動(dòng)電流I2 導(dǎo)通電流I3 參考電流I4
感測晶體管M2 限流開關(guān)晶體管 功率晶體管Mp Q2 晶體管M3， Q3， Q4， Q5， Q6 感測電阻& 反饋電組網(wǎng)絡(luò)RF1， Rf2 輸入電壓VDD 輸出電壓VOUT
參考電壓源Vref
本發(fā)明的附圖標(biāo)記 功率集成電路1 功率晶體管11， MP0
反饋電路12 輸出控制單元13 過電流保護(hù)電路14 固定限流電路141 電壓電平控制單元1411 折返限流電路142 輸入電壓源2 負(fù)載3 偏壓電流IB 輸出電流I0UT誤差放大器EA
感測晶體管Mj
晶體管M2， M3， M4
開關(guān)晶體管M5
電阻R,， R2， R3， Rfi， RF2
輸入電壓VDD
輸出電壓V0UT
參考電壓源Vref
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步更詳細(xì)的描述。
本發(fā)明主要是在過電流保護(hù)電路中，同時(shí)設(shè)計(jì)有固定限流(Constant Current Limit)及折返限流(Fold-back Current Limit)的兩段限流機(jī)制，用于讓搭 配此一過電流保護(hù)電路的功率集成電路(Power IC)得以避免過電流的發(fā)生，并 且在輸出端發(fā)生短路現(xiàn)象時(shí)，得以降低功率晶體管所產(chǎn)生的功率散溢及熱耗 損。藉此，以達(dá)到保護(hù)功率集成電路內(nèi)部電路及輸出端所連接的負(fù)載的目的。
請同時(shí)參考圖3，為本發(fā)明具過電流保護(hù)的功率集成電路的實(shí)施例方塊 圖。如圖所示，本實(shí)施例提供一種功率集成電路l，是用于接收一輸入電壓源 2所產(chǎn)生的一輸入電壓VDD,并在正常的運(yùn)作狀態(tài)下得以轉(zhuǎn)換成一輸出電壓 V0UT，以提供給一負(fù)載3使用。而本實(shí)施例的功率集成電路1包括 一功率晶 體管ll、 一反饋電路12、 一輸出控制單元13及一過電流保護(hù)電路14。其中， 功率晶體管11是接收該輸入電壓VDD，并且通過輸出控制單元13的控制以提 供一輸出電流IouT給負(fù)載3。
反饋電路12主要是用來偵測該輸出電壓V0UT以產(chǎn)生一反饋信號。而輸出 控制單元13則是具有一參考電壓源(圖未示)，并且用于接收該反饋信號，以 將反饋信號與該參考電壓源進(jìn)行運(yùn)算，進(jìn)而產(chǎn)生一電壓控制信號來控制功率晶 體管11的運(yùn)作。
此外，過電流保護(hù)電路14中包含一固定限流電路141及一折返限流電路 142。其中，固定限流電路141利用電路匹配而設(shè)計(jì)有一固定限流臨界值；而折返限流電路142利用電路匹配而設(shè)計(jì)有一折返限流臨界值，以讓過電流保護(hù) 電路14能夠進(jìn)一步控制功率晶體管11以調(diào)整輸出電壓VouT及輸出電流IouT。 如此一來，當(dāng)輸出電流IoUT大于固定限流臨界值時(shí)，過電流保護(hù)電路14 就會(huì)將輸出電流IoUT箝制于一固定電流值，以降低輸出電壓VouT并維持在一 額定值。其中所箝制的固定電流值在實(shí)際設(shè)計(jì)上是依據(jù)功率集成電路1的不同 而來加以匹配設(shè)計(jì)，以避免過電流狀況的產(chǎn)生，在此并無加以限制其電流值大
??；而相對的，將輸出電壓VouT維持在該額定值則是依據(jù)該固定電流值，而
直接進(jìn)行換算所得。
另外，當(dāng)輸出電流I()UT大于折返限流臨界值時(shí)，過電流保護(hù)電路14則會(huì) 將輸出電流IOUT限制于一低電流值，使輸出電壓VouT能夠降低至零電位。其
中，折返限流臨界值的訂定是依據(jù)一預(yù)估短路電流來設(shè)計(jì)，也就是當(dāng)輸出電流
IouT超過折返限流臨界值時(shí)，表示在輸出端的負(fù)載3有產(chǎn)生短路的情形。
請?jiān)賲⒖紙D4，為本發(fā)明具過電流保護(hù)的功率集成電路的實(shí)施例電路示意 圖。本實(shí)施例是對應(yīng)圖3的實(shí)施例方塊圖，進(jìn)一歩揭示其實(shí)際實(shí)施的電路圖，
并且本實(shí)施例的電路主要是可用來實(shí)現(xiàn)電壓穩(wěn)壓器的功率集成電路。
如圖所示，其中的功率晶體管(Mpo)ll可為P通道金屬氧化半導(dǎo)體場效晶 體管(P—Channel MOSFET， PMOS)的設(shè)計(jì)。而在反饋電路12方面，則可利用 電阻RF1及RF2來組成一反饋電阻網(wǎng)絡(luò)，以用來進(jìn)行偵測輸出電壓V0UT。
再者，在本實(shí)施例中，輸出控制單元13的電路是例如包含了誤差放大器 EA及參考電壓源V虹F，并且輸出控制單元13、反饋電路12與功率晶體管 (Mpo)ll可如圖所示是架構(gòu)成一負(fù)反饋控制的設(shè)計(jì)，讓誤差放大器EA的一正 向輸入端(+)是接收反饋電路12所產(chǎn)生的反饋信號；而誤差放大器EA的一反
向輸入端(-)則是連接該參考電壓源VREF，進(jìn)而在將反饋信號與參考電壓源VREF
進(jìn)行誤差放大運(yùn)算后，產(chǎn)生該電壓控制信號。
換句話說，當(dāng)功率集成電路1的輸出電壓VouT產(chǎn)生變化時(shí)，反饋電路12 會(huì)偵測輸出電壓VouT的變化量，并將其變化量傳入誤差放大器EA的正向輸 入端，由誤差放大器EA將之與反向輸入端的參考電壓源VRBF進(jìn)行運(yùn)算，以 產(chǎn)生電壓控制信號來控制功率晶體管MPO的柵極端，亦即控制功率晶體管Mpo
所輸出的輸出電流IouT的大小，進(jìn)而讓電壓穩(wěn)壓器的輸出端可以穩(wěn)壓在固定的
電壓電平。而在過電流保護(hù)電路14方面，在實(shí)際電路圖中主要可分為固定限流電路 141及折返限流電路142。其中，固定限流電路141至少包含 一感測晶體管
M" —電壓電平控制單元1411、 一開關(guān)晶體管Ms及電阻R2， R3;而電壓電 平控制單元1411還進(jìn)一步包括一偏壓電流lB及晶體管M3， M4。另外，折返 限流電路142是包含晶體管M2及電阻Rp并且在實(shí)際運(yùn)用上則是會(huì)搭配固定 限流電路141來進(jìn)行運(yùn)作，以進(jìn)一步控制功率晶體管Mpo的操作。而針對圖4 的實(shí)施例電路圖的電路運(yùn)作及組件連接關(guān)系，請?jiān)倮^續(xù)參考接下來的描述說 明。
首先，以電路原理來看，電壓穩(wěn)壓器供應(yīng)至負(fù)載3的輸出電流IouT約等于
流過功率晶體管Mpo的電流量，僅有非常微小的電流會(huì)流過反饋電路12。因 此，其中的感測晶體管M,通過與功率晶體管Mpo共源極的連接，以及相同柵 極的控制，用來達(dá)到感測流過功率晶體管Mpo的電流量，以產(chǎn)生一感測電流。 而感測晶體管所產(chǎn)生的感測電流會(huì)流過晶體管M2與電阻R2。如此一
來，在電阻R2的兩端便會(huì)產(chǎn)生一電壓壓降，以形成晶體管M3的柵極端電壓電 平。而在本實(shí)施例中，實(shí)際電路會(huì)設(shè)計(jì)流過晶體管M2的電流量大于流過電阻 R2的電流量。
在電壓電平控制單元1411中，通過晶體管M3與偏壓電流Ie的設(shè)計(jì)，使 電壓電平控制單元1411得以依據(jù)感測電流及偏壓電流lB而進(jìn)行電壓電平偏移
(level shift)。也就是晶體管M3源極端的電壓電平會(huì)等于電阻R2的跨壓、晶體 管M3規(guī)格上的臨界電壓(threshold voltage)以及晶體管M3規(guī)格上的驅(qū)動(dòng)電壓 (overdrive voltage)的加總總和。于是，再利用晶體管M3源極端的電壓來控制
晶體管M4的柵極端。而在晶體管M4導(dǎo)通后，流過晶體管M4的電流會(huì)流過電 阻R3，而電阻R3兩端所產(chǎn)生電壓壓降也就足以形成開關(guān)晶體管M5的源-柵極 電壓，以控制開關(guān)晶體管M5的運(yùn)作。
而由于開關(guān)晶體管M5是用于作為過電流保護(hù)電路14的啟動(dòng)開關(guān)，因此 當(dāng)開關(guān)晶體管Ms的源-柵極電壓大到超過晶體管M5規(guī)格上的臨界電壓時(shí)，開 關(guān)晶體管Ms便會(huì)開始導(dǎo)通，進(jìn)而讓過電流保護(hù)電路14的限流機(jī)制可以開始 運(yùn)作。其中，在此固定限流電路141的部分，即可通過電路的匹配，而針對輸
出電流IOUT來設(shè)計(jì)出所需的固定限流臨界值。
如此一來，當(dāng)輸出電流IoUT增加，流過晶體管M2與流過電阻R2的電流也壓跟著增加。于是，流過晶體管M4與 電阻R3的電流增加，造成電阻R3兩端電壓壓降增加。進(jìn)而當(dāng)輸出電流IouT超
過固定限流臨界值時(shí)，使得開關(guān)晶體管M5的源-柵極電壓大于其規(guī)格上的臨界 電壓，以使開關(guān)晶體管Ms導(dǎo)通。于是，功率晶體管Mpo的柵極電壓就不會(huì)再
繼續(xù)減少而穩(wěn)定維持在一定值，致使輸出電流I(xjt會(huì)被箝制在一固定電流值， 進(jìn)而使輸出電壓VouT會(huì)開始下降至一額定值。而上述的動(dòng)作機(jī)制即是"固定限
流機(jī)制"正常運(yùn)作下所產(chǎn)生的限流保護(hù)。
此外，在折返限流電路142的部分，由于晶體管M2的柵極端是連接于反 饋電路12的反饋端點(diǎn)，而此端點(diǎn)是輸出電壓VouT的分壓端點(diǎn)，所以可以依據(jù) 輸出電壓VouT的大小而來進(jìn)一歩進(jìn)行短路保護(hù)。其中，在折返限流電路142 中，可以通過晶體管M2、電阻R,及R2的匹配設(shè)計(jì)而來決定出折返限流電路 142在多大的電流量(折返限流臨界衝下會(huì)開始折返電流，而此處所設(shè)計(jì)出的 折返限流臨界值即是依據(jù)實(shí)際電壓穩(wěn)壓器的預(yù)估短路電流來進(jìn)行設(shè)計(jì)，以表示 超過此折返限流臨界值時(shí)，就是輸出端發(fā)生短路的情形。
于是，當(dāng)輸出電壓VouT下降，使得晶體管M2的柵極端電壓電平在降到使 晶體管M2關(guān)閉時(shí)，當(dāng)初流向晶體管M2的電流會(huì)轉(zhuǎn)往流向電阻R2，造成晶體
管M3的柵極電位持續(xù)增加，進(jìn)而晶體管M4的柵極電位也會(huì)持續(xù)增加。于是， 流過晶體管M4與電阻R3的電流便持續(xù)增加，造成電阻R3兩端電壓壓降持續(xù) 增加，致使開關(guān)晶體管M5會(huì)將功率晶體管Mpo的柵極電壓電平持續(xù)拉高，因
此功率晶體管Mpo產(chǎn)生的輸出電流IoUT便會(huì)進(jìn)行折返而持續(xù)降低，并且被限 制在一低電流值，進(jìn)而輸出電壓VouT會(huì)降到零電位。而上述的動(dòng)作機(jī)制就是
"折返限流機(jī)制"正常運(yùn)作下所產(chǎn)生的限流保護(hù)，用于在產(chǎn)生短路電流時(shí)，可
以大幅地降低功率晶體管Mpo的功率散逸及熱損耗，并保護(hù)電壓穩(wěn)壓器內(nèi)部 電路及輸出端負(fù)載3的電路的安全。
而由于本發(fā)明是單純通過晶體管電路來達(dá)成，并且過電流保護(hù)電路14會(huì) 隔離控制信號。因此當(dāng)過電流或短路狀況排除后，整個(gè)功率集成電路1的輸出 具有快速的恢復(fù)時(shí)間(recovery time)，以將輸出電壓VOUT恢復(fù)在正常的穩(wěn)壓狀 態(tài)；此外，在正常的運(yùn)作狀態(tài)下，過電流保護(hù)電路14亦不會(huì)影響到功率集成 電路l的正常操作。
為了再進(jìn)一步說明本發(fā)明的功率集成電路1在設(shè)計(jì)有過電流保護(hù)電路14時(shí)的運(yùn)作流程，請?jiān)賲⒖紙D5，為本發(fā)明過電流保護(hù)方法的實(shí)施例流程圖。如 圖所示，本實(shí)施例提供一種過電流保護(hù)方法，其步驟包括首先，步驟S501，
啟動(dòng)功率集成電路1的運(yùn)作，歩驟S503，并在正常狀態(tài)下穩(wěn)定輸出該輸出電
壓V0UT，以固定功率晶體管11提供該輸出電流IoUT。
接著，步驟S505，偵測輸出電流IouT是否大于一折返限流臨界值，以判 斷功率集成電路1啟動(dòng)時(shí)輸出端的負(fù)載3電路是否有產(chǎn)生短路情形。步驟 S507，若步驟S505的偵測結(jié)果為否，則表示并無任何短路狀況產(chǎn)生，進(jìn)而便 繼續(xù)進(jìn)行偵測輸出電流IouT是否大于一固定限流臨界值。此時(shí)，步驟S509， 若步驟S507的偵測結(jié)果為是，則表示有過電流狀況產(chǎn)生，于是會(huì)啟動(dòng)過電流 保護(hù)機(jī)制，以進(jìn)一歩通過固定限流電路141來箝制輸出電流IouT于一固定電流 值，因而降低輸出電壓VouT至一額定值。步驟S511，并且隨后持續(xù)地進(jìn)行判 斷過電流狀況是否排除，若過電流狀況仍舊未排除，則繼續(xù)步驟S509進(jìn)行箝 制該輸出電流I(xjt于固定電流值的動(dòng)作，以降低輸出電壓VOUT;而若步驟S511 的判斷結(jié)果為是的話，則分別表示過電流狀況排除。于是，功率集成電路1
便可快速地恢復(fù)，以穩(wěn)定輸出該輸出電壓Vout，并固定輸出該輸出電流I0UT
給負(fù)載3。
步驟S513，此外，若步驟S505的判斷結(jié)果為是，則表示有短路狀況產(chǎn)生， 于是便進(jìn)一歩通過折返限流電路142來限制輸出電流IouT于一低電流值，使輸 出電壓V⑧t得以降至零電位。步驟S515，并且隨后亦持續(xù)地進(jìn)行判斷該短路 狀況是否排除，而相同的，若短路狀況仍未排除，則繼續(xù)步驟S513進(jìn)行限制
輸出電流I(xjt于低電流值的動(dòng)作，以將輸出電壓VouT降在零電位。
而由于折返限流電路142是用于保護(hù)避免短路電流產(chǎn)生時(shí)所會(huì)造成的損 壞。因此在設(shè)計(jì)上，折返限流臨界值會(huì)設(shè)計(jì)的比固定限流臨界值來得高。于是， 若輸出電流IouT已大于折返限流臨界值時(shí)，則會(huì)在判斷短路狀況排除之后，再 繼續(xù)進(jìn)行步驟S507以偵測固定限流臨界值，判斷是否有過電流的狀況產(chǎn)生。 最后，通過重復(fù)本實(shí)施例的步驟流程，以實(shí)現(xiàn)過電流保護(hù)方法的運(yùn)作。
接下來，利用輸出電壓VouT與輸出電流IouT的輸出關(guān)系，來進(jìn)一步說明
本發(fā)明的實(shí)際功效。
請參考圖6，為本發(fā)明固定限流機(jī)制運(yùn)作時(shí)的輸出狀態(tài)的瞬時(shí)分析圖。如
圖所示，當(dāng)輸出電流iout在原本正常狀態(tài)下產(chǎn)生過電流狀態(tài)時(shí)(超過固定限流臨界值)，此時(shí)會(huì)啟動(dòng)固定限流機(jī)制以將輸出電流IOUT箝制在固定電流值(其中 固定電流值在此是設(shè)計(jì)成與固定限流臨界值相同)；而輸出電壓VouT則會(huì)產(chǎn)生 電壓壓降并維持在額定值。如此一來，表示固定限流電路141正常發(fā)揮作用。 另外，當(dāng)過電流狀態(tài)排除后，輸出電流IouT從過電流狀態(tài)回至正常狀態(tài)時(shí)，固 定限流電路141會(huì)關(guān)閉，而功率集成電路1的輸出電壓VouT會(huì)快速的恢復(fù)到 正常電壓電平的穩(wěn)壓狀態(tài)。
請?jiān)賲⒖紙D7，為本發(fā)明折返限流機(jī)制運(yùn)作時(shí)的輸出狀態(tài)的瞬時(shí)分析圖。 如圖所示，當(dāng)輸出電流IouT在原本正常狀態(tài)下突然發(fā)生短路狀態(tài)時(shí)(超過折返
限流臨界值)，此時(shí)會(huì)啟動(dòng)折返限流機(jī)制以將輸出電流IouT折返到一低電流值； 而輸出電壓V(xn則是會(huì)降到零電壓電平。如此一來，表示折返限流電路142 正常發(fā)揮作用。另外，當(dāng)短路狀態(tài)排除后，折返限流電路142會(huì)關(guān)閉，而功率
集成電路1的輸出電壓VouT會(huì)快速地恢復(fù)到正常電壓電平的穩(wěn)壓狀態(tài)。
綜上所述，本發(fā)明通過兩段限流機(jī)制的設(shè)計(jì)，用于將過電流箝制于較低的 固定電流值，并且可折返電流以降至低電流值的功能，藉以用來防止過電流、 短路電流或電源啟動(dòng)峰值電流等異常狀態(tài)所造成的損壞。如此一來，可用來將 功率損耗降低，而不會(huì)有拴鎖現(xiàn)象(latch-up)的情況發(fā)生。而且，當(dāng)過電流或短 路狀況移除時(shí)，功率集成電路的輸出具有快速的恢復(fù)時(shí)間，使輸出電壓恢復(fù)在 正常狀態(tài)。
此外，本發(fā)明除了可有效地進(jìn)行過電流及短路保護(hù)的作用之外，由于使用 較少的組件，因而還可在標(biāo)準(zhǔn)互補(bǔ)金屬氧化半導(dǎo)體(CMOS)制程中，縮小功率 集成電路的面積。
當(dāng)然，本發(fā)明還可有其他多種實(shí)施例，在不背離本發(fā)明精神及其實(shí)質(zhì)的情 況下，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員當(dāng)可根據(jù)本發(fā)明作出各種相應(yīng)的改變和變形，但 這些相應(yīng)的改變和變形都應(yīng)屬于本發(fā)明所附的權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1、一種具過電流保護(hù)的功率集成電路，其特征在于，接收一輸入電壓，并轉(zhuǎn)換成一輸出電壓，以提供給一負(fù)載，其包括一功率晶體管，用于提供一輸出電流給該負(fù)載；一反饋電路，用于偵測該輸出電壓而產(chǎn)生一反饋信號；一輸出控制單元，用于接收該反饋信號，并將該反饋信號與一參考電壓源進(jìn)行運(yùn)算，以產(chǎn)生一電壓控制信號來控制該功率晶體管的運(yùn)作；及一過電流保護(hù)電路，設(shè)有一固定限流臨界值及一折返限流臨界值，用于進(jìn)一步控制該功率晶體管以調(diào)整該輸出電壓及該輸出電流；其中，當(dāng)該輸出電流大于該固定限流臨界值時(shí)，該過電流保護(hù)電路將該輸出電流箝制于一固定電流值，以降低該輸出電壓至一額定值；而當(dāng)該輸出電流大于該折返限流臨界值時(shí)，則該過電流保護(hù)電路將該輸出電流限制于一低電流值，使該輸出電壓降低至零電位。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具過電流保護(hù)的功率集成電路，其特征在于， 所述功率晶體管為P通道金屬氧化半導(dǎo)體場效晶體管。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具過電流保護(hù)的功率集成電路，其特征在于，所述反饋電路與該輸出控制單元架構(gòu)成一負(fù)反饋控制的設(shè)置。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的具過電流保護(hù)的功率集成電路，其特征在于，所述輸出控制單元為一誤差放大器，該誤差放大器的一正向輸入端接收該反饋 信號，而該誤差放大器的一反向輸入端則連接該參考電壓源，并在將該反饋信 號與該參考電壓源進(jìn)行誤差放大運(yùn)算后，產(chǎn)生該電壓控制信號。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具過電流保護(hù)的功率集成電路，其特征在于， 所述折返限流臨界值依據(jù)一預(yù)估短路電流來設(shè)置。
6、 一種過電流保護(hù)電路，其特征在于，應(yīng)用于一功率集成電路，該功率 集成電路接收一輸入電壓，并依據(jù)一反饋電路的反饋信號，來控制一功率晶體 管輸出一輸出電壓及一輸出電流，而該過電流保護(hù)電路包括一固定限流電路，設(shè)有一固定限流臨界值；及一折返限流電路，設(shè)有一折返限流臨界值，且連接于該反饋電路，用于依 據(jù)該反饋電路所產(chǎn)生的分壓，而與該固定限流電路搭配進(jìn)行運(yùn)作；該固定限流電路又包含一感測晶體管，用于感測流過該功率晶體管的電流量，以形成一感測電流;一開關(guān)晶體管，作為該過電流保護(hù)電路的啟動(dòng)開關(guān)；及一電壓電平控制單元，用于依據(jù)該感測電流及一偏壓電流進(jìn)行電壓電平偏移，以控制該開關(guān)晶體管的運(yùn)作；其中，當(dāng)該輸出電流大于該固定限流臨界值時(shí)，該固定限流電路會(huì)將該輸 出電流箝制于一固定電流值，以降低該輸出電壓至一額定值；而當(dāng)該輸出電流 大于該折返限流臨界值時(shí)，該折返限流電路會(huì)搭配該固定限流電路以將該輸出 電流限制于一低電流值，使該輸出電壓降低至零電位。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的過電流保護(hù)電路，其特征在于，所述率晶體管 為P通道金屬氧化半導(dǎo)體場效晶體管。
8、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的過電流保護(hù)電路，其特征在于，所述反饋電路用于形成一負(fù)反饋控制。
9、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的過電流保護(hù)電路，其特征在于，所述流過該功率晶體管的電流量約等于該輸出電流。
10、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的過電流保護(hù)電路，其特征在于，在該電壓電平 控制單元控制該開關(guān)晶體管的一源-柵極電壓大于該開關(guān)晶體管的一臨界電壓 規(guī)格時(shí)，該開關(guān)晶體管進(jìn)行導(dǎo)通，以讓該固定限流電路及該折返限流電路進(jìn)一 步控制該功率晶體管以調(diào)整該輸出電壓及該輸出電流。
11、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的過電流保護(hù)電路，其特征在于，所述折返限流 臨界值依據(jù)一預(yù)估短路電流來設(shè)置。
12、 一種過電流保護(hù)方法，其特征在于，應(yīng)用于一功率集成電路，該功率 集成電路接收一輸入電壓，并依據(jù)一反饋電路的反饋信號，來控制一功率晶體 管輸出一輸出電壓及一輸出電流，而該過電流保護(hù)方法的步驟包括穩(wěn)定輸出該輸出電壓，以固定該功率晶體管提供該輸出電流； 偵測該輸出電流大于一折返限流臨界值時(shí)，則控制該功率晶體管以限制該輸出電流于一低電流值，使該輸出電壓降至零電位；及偵測該輸出電流大于一固定限流臨界值時(shí)，則控制該功率晶體管以箝制該輸出電流于一固定電流值，進(jìn)而降低該輸出電壓至一額定值。
13、 根據(jù)權(quán)利要求12所述的過電流保護(hù)方法，其特征在于，所述反饋電路用于形成一負(fù)反饋控制。
14、 根據(jù)權(quán)利要求12所述的過電流保護(hù)方法，其特征在于，所述折返限流臨界值依據(jù)一預(yù)估短路電流來設(shè)置。
15、 根據(jù)權(quán)利要求12所述的過電流保護(hù)方法，其特征在于，進(jìn)一步包含 提供一感測晶體管以偵測該輸出電流。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具過電流保護(hù)的功率集成電路及其過電流保護(hù)電路與方法，該功率集成電路接收一輸入電壓，并轉(zhuǎn)換成一輸出電壓，以提供給一負(fù)載。其中，通過控制一功率晶體管以提供一輸出電流給負(fù)載，并通過一輸出控制單元來控制功率晶體管。進(jìn)而在一過電流保護(hù)電路中設(shè)計(jì)一固定限流臨界值及一折返限流臨界值，用來進(jìn)一步控制功率晶體管。當(dāng)輸出電流大于固定限流臨界值時(shí)，將輸出電流箝制于一固定電流值，以降低輸出電壓至一額定值；而當(dāng)輸出電流大于折返限流臨界值時(shí)，則將輸出電流限制于一低電流值，使輸出電壓降低至零電位。藉此，以達(dá)到保護(hù)功率集成電路內(nèi)部電路及輸出端負(fù)載的目的。
文檔編號H03K17/082GK101527558SQ20081000730
公開日2009年9月9日 申請日期2008年3月4日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月4日
發(fā)明者簡銘宏, 陳家敏 申請人:盛群半導(dǎo)體股份有限公司