带有动态生成追踪参考电压的限流负载开关

1.一种带有动态生成追踪参考电压VRdt的限流负载开关，该限流负载开关包括：
一对功率场效应管和感应场效应管，相互连接在带有共功率栅极和共低端端子的分裂电流结构上，桥接一个外部电源Vss和一个外部负载，产生负载电压Vload，而且当场效应管对饱和时，自动将产生的负载电流Iload限制在可预置的最大值Imax，选择场效应管对的尺寸使得它们各自流出的器件电流Ipower和Is保持电流比RATIOI＝Is/Ipower<<1，感应场效应管高端端子通过一个感应电阻器Rsense与Vss耦合，在电阻器两端产生感应电压Vs＝Is×Rsense；
一个限流放大器，其第一输入端与动态追踪参考电压VRdt相连，其第二输入端与Rsense的低端相连，其输出端与共功率栅极相连，因此通过感应场效应管形成一反馈回路,当Vs趋向超过VRdt时，将Vs限制在VRdt以下；以及
一个VRdt－产生器，以产生VRdt，VRdt－产生器还耦合到Vload上，因此，当Iload趋于超过Imax，导致感应场效应管从它的线性区域转换到饱和区时，所述的VRdt－产生器能够通过一并行发生电位转换，充分补偿由于感应场效应管的运行转换使RATIOI发生改变所带来的不良影响，自动动态调节VRdt；如果没有VRdt的自动动态调节，RATIOI的变化将导致Iload过度转换而超出Imax；
其中当Vs小于VRdt时，限流放大器的输出端进入高阻抗状态，断开反馈回路，因此确保限流负载开关免受来自于其他闭合反馈回路不良的无关干扰；
所述限流负载开关还包括一个软启动控制电路，其输出端与限流放大器的输出端并联，以便控制共功率栅极，因此达到在启动时控制负载电压Vload斜率的目的；
其中VRdt－产生器还包括：
一个追踪有源偏置网络，与高端追踪电阻器、追踪场效应管以及低端分支点串联，此网络桥接Vss和Vload，同时流通来自Vss的追踪偏置电流，并从Vload中获取追踪耦合电流；由于其低端与限流放大器的第一输入端相连，高端追踪电阻器上的电压降与所述的VRdt相等；
高端追踪电阻器的设计满足当追踪偏置电流等于一可预置的电流Iset且感应场效应管在饱和区工作时，所对应的VRdt*为：
VRdt*＝Iset×高端追踪电阻阻值
其在Iload与可预置的Imax相等时，通过Iload的反馈回路，将Vs局限在VRdt*以下，上述的低端分支点进一步流通第一偏置电流：
第一偏置电流＝追踪偏置电流+追踪耦合电流
以及一个固定电流有源偏置网络，与一个高端固定电流偏置电阻器和一个在饱和区接通的固定电流偏置场效应管串联，固定电流有源偏置网络与Vss相连接，以流通第二偏置电流：
第二偏置电流＝Iset
因此：
a)当感应场效应管在饱和区工作时，低端分支点的电势将追踪场效应管置于饱和区，与固定电流偏置场效应管形成电流镜，这就使得追踪偏置电流与Iset相等，VRdt与VRdt*相等，因此将对应的Iload限制在Imax；
b)当感应场效应管在线性区域工作时，低端分支点的电势将追踪场效应管置于线性区域，并且追踪偏置电流减小到Iset以下，使得VRdt小于VRdt*，因此避免Iload过度转换而超过Imax的情况。
2.根据权利要求1所述的限流负载开关，为了从Vload中引出追踪耦合电流，追踪有源偏置网络还包括一无源电阻耦合网络，拥有串联在低端分支点上的第一耦合电阻器和第二耦合电阻器,桥接追踪场效应管的低端和Vload的低端。
3.根据权利要求2所述的限流负载开关，为在选定追踪有源偏置网络的电路元件的尺寸以保证一VRdt电位转换能并行发生且充分补偿RATIOI的改变时有最大的选择范围，所述第一偏置电流设置在1.2×Iset到5×Iset的范围内。
4.根据权利要求1所述的限流负载开关，其中的VRdt－产生器还包括一个可预置的双电流源，桥接低端分支点和固定电流有源偏置网络低端接地，因此流通第一偏置电流和第二偏置电流接地。
5.根据权利要求4所述的限流负载开关，其中可预置的双电流源包括一个三支路电流镜：
配置产生可预置电流Iset的第一电流支路
配置流通镜电流水平在1.2×Iset到5×Iset范围内的第一偏置电流的第二电流支路，以及
配置流通镜电流水平为Iset第二偏置电流的第三电流支路。
6.根据权利要求1所述的限流负载开关，其中所述的功率场效应管和所述的感应场效应管均为P-沟道金属氧化物半导体(PMOS)器件，而且功率场效应管和感应场效应管的高端为源极，低端为漏极。
7.根据权利要求1所述的限流负载开关，其中所述的功率场效应管和所述的感应场效应管均为N-沟道金属氧化物半导体(NMOS)器件。
8.根据权利要求1所述的限流负载开关，其中所述的限流放大器的第一输入端为其正输入，所述的限流放大器的第二输入端为其负输入。
9.根据权利要求1所述的限流负载开关，其中所述的限流放大器的第一输入端为其负输入，所述的限流放大器的第二输入端为其正输入。

带有动态生成追踪参考电压的限流负载开关\n[0001] 本申请为申请号200910206033.0、申请日2009年10月9日、发明名称“带有动态生成追踪参考电压的限流负载开关”的分案申请。\n技术领域\n[0002] 本发明主要涉及电源领域，确切地说，本发明旨在设计一种保护电源及/或其负载的负载开关。\n背景技术\n[0003] 在电力电子学领域，负载开关一般是在负载上耦合一个电源，用于连接或断开电源与负载。只要设计得当，负载开关就能够保护电源和负载免受故障影响，其功能示例如下：\n[0004] 电源和负载间受控于外部信号的可控功率开关\n[0005] 欠电压锁死\n[0006] 通过斜率控制减小涌入负载电流来调节负载电压上升速率，以避免CMOS器件闩锁等故障影响；这在技术上也被称为软启动。\n[0007] 负载限流，以避免短路时对硬件造成损伤。\n[0008] 负载功率的热保护，以避免硬件过热。\n[0009] 如图1A所示，原有技术的限流负载开关(CLLS)1用于耦合外部电源Vss6和外部负载8。此时，外部负载8与电阻负载Rload和电容负载Cload并联。那么，原有技术的限流负载开关(CLLS)1保持在负载电压Vload下，将负载电流Iload传送给外部负载8。一个带有低导通电阻Rdson的功率场效应管(FET)M1 2，即一个P-沟道金属氧化物半导体(PMOS)场效应管(FET)，用作连接或断开外部电源Vss6与外部负载8的通路电晶体。因此，当需要从外部电源Vss6上断开外部负载8时，功率场效应管FET M1 2将被完全关闭。\n[0010] 原有技术的限流负载开关(CLLS)1以一个带有预置的固定参考电压VR的反馈回路\n12将负载电流Iload限制在一个可预设的最大值Imax内。这个固定的参考电压VR同一个可预设的电流反射镜16一同产生。正常运行时，功率场效应管(FET)M1 2完全开通，将负载电流Iload从外部电源Vss6传送至外部负载8上。与此同时，作为负载电流Iload一部分的感应电流Is，流经感应场效应管FET M2 4和感应电阻器Rsense，并在感应电阻器Rsense上产生感应电压Vs。反馈回路12中有一个输出端为10c的限流放大器10，带动功率场效应管FET M1 \n2和感应场效应管FET M2 4的共功率栅极3b，以此控制它们各自的导通电阻。限流放大器10的第一个输入端10a和第二个输入端10b，分别连接固定参考电压VR和感应电压Vs。正常运行时，感应电流Is很小，对应的感应电压Vs小于固定参考电压VR，因此反馈回路12保持开路(限流放大器输出端10c进入高阻抗状态)。但是，当外部负载8短接时，负载电流Iload随感应电流Is急剧上升，导致感应电压Vs上升。当感应电压Vs达到固定参考电压VR时，反馈回路\n12通过限流放大器10关闭，并连续控制功率场效应管FET M1 2和感应场效应管FET M2 4的共功率栅极3b，以使感应电压Vs与固定参考电压VR保持一致，而且对应的负载电流Iload限制在可预设的最大值Imax内。原有技术的限流负载开关(CLLS)1的另一特点就是，它包括输出端和限流放大器10输出端并联的一个软启动控制电路18，以控制功率场效应管FET M1 2和感应场效应管FET M2 4的共功率栅极3b在启动时控制负载电压Vload的斜率。软启动后，共功率栅极3b被拉低，以致于功率场效应管FET M1 2完全打开，并在带有低导通电压Rdson的线性区域内运行。对于本领域的技术人员，由于在开关电路的软启动时，限流放大器输出端10c仍保持在高阻抗状态，因此软启动控制电路18与反馈电路12之间没有功能串扰。为了避免过多的繁琐细节，软启动控制电路18的内部电路本文不再赘述。\n[0011] 接下来详细介绍一下原有技术的限流负载开关(CLLS)1的子系统层。功率场效应管FET M1 2是带有低导通电阻Rdson的连接或断开外部电源Vss6与外部负载8的主通路电晶体。功率场效应管源端2a(S1)与外部电源Vss6相连，共电源漏极3c(D)与外部负载8的负载电压Vload相连。感应场效应管FET M2 4，此例中即P通道金属氧化物半导体场效应管PMOS FET，是作为电流感应晶体管，它可以与功率场效应管FET M1 2制作于同一半导体芯片上,作为半导体芯片上的一小部分并按如下典型示例选择场效应管沟道宽度与沟道长度的比值(W/L)，：\n[0012] RATIOI＝Is/Ipower＝0.001…(A)\n[0013] 其中，RATIOI≈W/L(感应场效应管FET M2 4)/W/L(功率场效应管FET M12)[0014] 当通过感应场效应管FET M2 4的电压与功率场效应管FET M1 2相等时，RATIOI的值由方程(A)给出。当通过上述两个场效应管的电压不相等时，RATIOI会有变化，稍后给出。\n无论场效应管是处在饱和区还是处在线性区域，场效应管的导通电阻比RATIOR被修正为：\n[0015] RATIOR＝Ron(功率场效应管FET M1 2)/Ron(感应场效应管FET M2 4)＝常数[0016] 与方程(A)一致，RATIOR的值可设置为0.001。\n[0017] 为了在保持电源效率的同时感测电流，一般要遵循下式：\n[0018] RATIOI<<1\n[0019] 其中，Ipower≈Iload。因此RATIOI的值一般在下述范围中选取：\n[0020] RATIOI的取值范围一般从0.0001到0.1。\n[0021] 实际上，功率场效应管FET M1 2和感应场效应管FET M2 4是互相连接在一个分裂源中，这个分裂源中有共功率栅极3b和共功率漏极3c，以及一个独立的感应场效应管源极\n4a。由方程(A)可知，当感应电流Is流经连接感应场效应管源极4a和外部电源Vss6间的感应电阻器Rsense时，在感应电阻器Rsense上产生感应电压Vs，因此可以通过感应电流Is来间接获得负载电流Iload。\n[0022] 作为反馈回路12的一部分，感应电压Vs馈电至限流放大器10的第二输入端10b。作为反馈回路12的另一部分，预置的固定参考电压VR和VR－发生器14共同发电，并馈电至限流放大器10的第一输入端10a。在VR－发生器内部，固定参考电压VR是在参考电压电阻Rref上产生的，参考电压电阻Rref连接在外部电源Vss6和输出电流＝I6的预置的电流反射镜16的电流输出节点之间。输出电流I6为场效应管FET M6的漏电流，场效应管FET M6是对偶电流反射镜(FET M5和FET M6)的一部分，其中FET M5载有电源16a，提供恒定电流：\n[0023] I4＝Iset\n[0024] 其中Iset为可预置的电流，同一个外接电流设置电阻器Rset一同设置。最终，通过电流反射镜流经输出电流I6(I6＝I4＝Iset)，产生固定参考电压VR；当外部负载8短接，即Vs>VR时，Iset将使反馈回路12把负载电流Iload限制在可预置的最大值Imax之下。\n[0025] 图1B为感应电流Is、电源电流Ipower，以及一些与负载电阻Rload相对的原有技术的限流负载开关(CLLS)1的其他内部信号的示例图。另外，图中还标出了感应场效应管FET M2 4的输出电阻(Ro2)。由方程(A)可知，实际上Ipower与负载电流Iload相等，因此可以用来代表I load。本例中：\n[0026] Imax＝2.8Amp(安培)\n[0027] VR＝43mV(毫伏)\n[0028] 由此可知，当Rload很大(>4.2Ohm)时，Iload保持在Imax以下(A区右边)。其中功率场效应管FET M1 2接近完全开通，它的共功率栅极3b被拉低至低电位。当Rload持续降低时，Iload持续升高。当Iload最终被反馈回路12拉低，并控制在Imax以下，即Rload<2.7Ohm(B区)时，一直存在一个2.7Ohm