调节器的短路故障保护

技术领域

本公开涉及检测调节器的输出处的短路故障。本公开还涉及保护诸如低压差(LDO)调节器等调节器免受短路故障的影响。

背景技术

LDO调节器用于保持恒定的DC输出电压，并且被设计为使用小的输入输出电压差进行操作。LDO具有高效运行和低散热的特点，并且广泛用于工业和汽车应用。对便携式和电池供电产品的需求不断增加，导致电路在宽泛的电源电压和多电压平台之上运行。因此，考虑到这些调节器预期在较宽的温度范围(通常为-40℃至125℃)内运行，待机电流和静态电流是主要问题。

发明内容

本公开涉及当调节器的输出被短路(例如，短路到接地参考)时与调节器相关的设备和方法。通常，调节器包括误差放大器，误差放大器通过第一输入接收参考电压并且放大参考电压与反馈电压之间的差。误差放大器的输出驱动晶体管向调节器的输出提供电流。在一些示例中，分压器可以耦合到晶体管的输出，以检测调节器的输出中的任何变化并且提供要与参考电压进行比较的反馈电压。误差放大器和晶体管使用电源工作。在一些示例中，电源可以是电池。因此，增加由晶体管提供的电流会从电池中消耗更多的电力，这可能会缩短电池寿命。测量由晶体管提供的电流有利于减少电池的不希望的电流消耗。特别地，当调节器的输出被短路时，可能会导致来自晶体管的大电流流动，从而导致电池的大功率消耗。

在本公开的一些实施例中，修改级用于通过检测调节器的输出处的短路并且响应于短路检测而修改调节器操作来保护调节器。在一些示例中，修改级包括将调节器的输出与短路故障电压参考进行比较的电源监测级。电源监测级基于比较生成一个或多个控制信号。一个或多个控制信号用于修改调节器操作。当检测到短路故障时，一个或多个控制信号改变状态。改变开关的状态通过限制由晶体管提供的电流来修改调节器操作。

附图说明

图1A示出了根据一些实施例的低压差(LDO)调节器电路；

图1B示出了根据一个实施例的修改级；以及

图2示出了根据一个实施例的误差放大器。

具体实施方式

本公开涉及控制调节器，该调节器包括低压差(LDO)调节器。通常，LDO调节器用于集成电路(IC)中，以从电压源(例如，电池)向电路组件提供具有低噪声的预定电压。LDO调节器据说具有低压差，因为它能够提供接近电压源的电压。从诸如可充电电池等电压源消耗的电流是决定电池寿命的重要参数。当存在附加内部噪声(例如，来自开关组件)和/或外部噪声(例如，进入电路的电磁(EM)感应噪声)时，来自电池的电流消耗可以在电路中增加。此外，在某些故障情况下，耦合到调节器的输出的外部电路可能会从调节器消耗额外电流。特别地，故障情况可以是调节器输出处的短路，该短路从调节器和电池消耗大电流，从而可能导致电池劣化。例如，当外部电路是耦合到接地参考的开关时，可能会发生短路故障。在一些示例中，感应噪声可能导致调节器的输出处出现短路故障。因此，保护调节器免受短路故障的影响有利于通过限制来自调节器的电流供应来延长电池寿命。

保护电路可以包括监测调节器的输出电流的电流传感器。当大电流流过调节器的输出时，电流传感器可以检测到故障短路。响应于故障短路检测，保护级可以关闭调节器以保护调节器的电压供应。关闭调节器会导致输出处的电流减小，直到电流传感器检测到正常情况。通过检测正常情况，保护级打开调节器。如果调节器的输出处仍然存在短路，则保护级继续关闭调节器。在本公开中，当检测到故障短路时，保护级可以限制调节器的输出电流。保护级包括多个开关，该多个开关用于在短路故障期间和在调节器保持导通的同时控制调节器的输出电流。因此，保护级可以不引起内部噪声，从而提高了调节器的稳定性。

图1A示出了用于控制调节器102的系统100。调节器102(其可以是低压差(LDO)调节器)包括误差放大器110和功率晶体管130。系统100还包括修改级120、功率晶体管130、第一栅极126和第二栅极128、包括第一电阻器114和第二电阻器116的分压器电路115、以及电容器140。

误差放大器110具有反相输入(INV)，误差放大器110通过该INV接收参考电压VBG(例如，带隙参考电压)。误差放大器110具有非反相输入(非INV)和输出(out)。修改级120具有第一输入和第二输入，该第一输入耦合到误差放大器110的输出，该第二输入耦合到误差放大110的内部节点，并且修改级120通过该第二输入接收内部节点电压(INT)。修改级120具有被配置为接收故障参考电压(Vref)的第三输入以及耦合到调节器102的输出节点132的第四输入。修改级具有耦合到功率晶体管130的控制端子的第一输出、以及被配置为分别输出第一控制信号和第二控制信号(Cntr1、Cntr2)的第二输出和第三输出。

功率晶体管130具有被配置为接收电源电压(Vdd)的第一导通端子和耦合到调节器102的输出节点132的第二导通端子。电容具有耦合到输出节点132的第一侧以及耦合到参考电压节点133的第二侧。分压器电路115具有耦合到输出节点132的第一端子以及耦合到参考电压节点133的第二端子。分压器电路115具有反馈节点118。

第一栅极126具有耦合到误差放大器110的反相输入(INV)并且被配置为接收参考电压(VGB)的第一导通端子以及耦合到误差放大110的非反相输入(非INV)的第二导通端子。第一栅极126具有耦合到修改级的第二输出的控制输入。第二栅极128具有耦合到误差放大器110的非反相输入(非INV)的第一导通端子以及耦合到分压器电路115的反馈节点118的第二导通端子。第二栅极128具有耦合到修改级的第三输出的控制输入。

修改级120被配置为减轻短路故障对调节器100的影响。在误差放大器110的输出处放大的差分电压被施加到功率晶体管130的控制端子作为栅极电压Vg。栅极电压Vg驱动功率晶体管130向调节器100的输出提供电流。

调节器100的输出电压(Vout)被施加到分压器电路115。分压器115在反馈节点118之上提供反馈电压。反馈电压取决于通过电阻器114和116的电流。在调节器100的非故障(例如，正常)操作中，反馈电压和功率晶体管130通过补偿改变耦合到调节器102的输出的输出负载(未示出)的影响来保持基本恒定的输出电压Vout。

电容器140可以是调节器102的一部分或者在调节器102外部(以及外部电路的一部分)。电容器140减轻了不希望有的振荡。例如，通过改变耦合到调节器的输出负载，电容器140减轻了输出电压Vout的突然变化(其可能在功率晶体管130上产生振荡)。

如图1A所示，开关150示出了耦合到调节器102的等效负载。开关150可以将输出电压Vout短路到参考电压，这导致故障电压情况。修改级120通过测量输出节点132的输出电压Vout来检测故障短路信号。

误差放大器110可以是差分放大器，该差分放大器放大参考电压VBG与通过误差放大器110的非反相输入(非INV)接收的电压之间的差。当第二栅极128导通时，通过非反相输入接收的电压是来自调节器102的输出的反馈电压。调节器100检测参考电压VBG与反馈电压之间的差。如果反馈电压小于参考电压VBG，则误差放大器110放大该差以生成差分电压，该差分电压增加输出电压Vout以匹配参考电压VBG。

功率晶体管130使用栅极电压Vg控制输出电压Vout。功率晶体管130可以由提供电源电压Vdd的电池供电。电源电压Vdd也可以为误差放大器110供电。功率晶体管130可以是金属氧化物半导体(MOS)晶体管。当参考电压VBG被施加到反相输入时，功率晶体管130可以是p型沟道MOS(PMOS)，其中PMOS的源极耦合到电压源Vdd，并且PMOS的漏极耦合到输出节点132。因此，误差放大器110的负差分电压可以导通PMOS以为输出节点132供电。替代地，功率晶体管130可以是n型沟道MOS(NMOS)。此外，功率晶体管130可以是弹道晶体管(ballasttransistor)。弹道晶体管提供调节器的稳定性。

修改级120可以将输出电压Vout与故障参考电压Vref进行比较，以检测输出节点132处的短路故障(例如，其可能由于闭合开关150而发生)。响应于检测到短路故障，修改级120可以设置第一控制信号(Cntr1)和第二控制信号(Cntr2)的逻辑电平。第一控制信号和第二控制信号使本文中参考图1B描述的第一栅极126和第二栅极128以及第三栅极122和第四栅极124在导通状态与非导通状态之间转变。栅极122、124、126、128可以是开关，并且可以基于第一控制信号和第二控制信号(Cntr1、Cntr2)来改变状态，以在短路条件期间限制调节器102的输出电流。

如本文所述，误差放大器110在输出(out)之上提供差分放大信号。此外，误差放大器110包括用作内部电流源的内部节点。当误差放大器以共模操作时，内部节点提供基本恒定的电流。当第一栅极126断开(打开)并且第二栅极128导通(闭合)时，由于误差放大器110在其输入之上没有接收到相同的电压，误差放大器110以差分模式操作。当第一栅极126导通(闭合)并且第二栅极128断开时，反相和非反相输入具有相同的电压，并且误差放大器110以共模操作。在共模操作中，误差放大器110的输出(out)基本上为零伏。

相反，当第二栅极128导通(闭合)时，来自反馈节点118的反馈电压连接到误差放大器110的非反相输入。当第二栅极128断开(打开)时，来自反馈节点118的反馈电压与误差放大器110的非反相输入断开连接。修改级120通过断言第二控制信号(Cntr2)来导通第一栅极126。第二控制信号(Cntr2)可以通过根据约定将第二控制信号(Cntr2)设置为逻辑1或逻辑0来断言。第二栅极128可以通过断言第一控制信号(Cntr1)而导通。第一控制信号和第二控制信号(Cntr1、Cntr2)具有相反的状态。反相器可以接收第一控制信号(Cntr1)并且根据第一控制信号生成第二控制信号(Cntr2)，反之亦然。

图1B示出了参考图1A描述的修改级120。修改级120包括电源监测级112，电源监测级112用于监测调节器100的输出电压Vout并且检测短路故障。电源监测级112具有两个输入(对应于修改级120的第三输入和第四输入)，并且被配置为接收故障参考电压Vref和输出电压Vout。电源监测级112具有被配置为输出第一控制信号Cntr1和第二控制信号Cntr2的两个输出。此外，修改级120包括第三栅极122和第四开关124。第三栅极122具有分别耦合到误差放大器110的输出以及功率晶体管130的控制端子的两个导通端子。第四栅极124具有分别耦合到本文中描述的误差放大器110的内部节点与功率晶体管130的控制端子之间的两个导通端子。

监测级112将输出电压Vout与故障参考电压Vref进行比较。故障参考电压Vref可以是1.7V到1.9V，并且输出电压Vout可以是2V到2.4V。当输出电压Vout下降到低于约1.7V到约1.9V时，监测级112可以检测到短路故障。电压下降可以指示短路故障的发生。响应于将输出电压Vout与故障参考电压Vref进行比较，监测级112可以生成第一控制信号和第二控制信号。监测级112可以断言(或设置为高)第一控制信号Cntr1的逻辑电平，并且当Vout大于Vref时，解除断言(设置为低)第二控制信号Ctr2处于非故障模式操作。在短路故障操作中，当Vout小于Vref时，监测级112可以断言第二控制信号Cntr2并且解除断言第一控制信号Cntr1。

第三栅极122和第二栅极128响应于第一控制信号(Cntr1)被断言而导通。在非故障操作中，断言第一控制信号Cntr1使第三栅极122和第二栅极128保持导通状态。误差放大器110的输出通过第三栅极122耦合到功率晶体管130的控制端子，并且反馈节点118的反馈电压通过第二栅极128耦合到误差放大器110的非反相输入。

第二控制信号Cntr2控制第四栅极124和第一栅极126。在非故障操作中，第二控制信号Cntr2被解除断言以打开第四栅极124和第一栅极126。因此，在调节器100的非故障操作中，误差放大器110的内部输出通过第四栅极124与功率晶体管130的栅极断开连接，并且反相输入通过第一栅极126与误差放大器110的非反相输入断开连接。第一控制信号Cntr1的状态可以是第二控制信号Cntr2的反向逻辑电平。因此，在非故障操作中，第一控制信号Cntr1是逻辑1，而第二控制信号Cntr2是逻辑0。

当监测级112检测到短路故障时，误差放大器110的内部电压通过第四栅极124耦合到功率晶体管130的栅极，并且反相输入通过第一栅极126耦合到误差放大器110的非反相输入。以这种方式，误差放大器110的输出通过第三栅极122与功率晶体管130的栅极断开连接，并且反馈电压通过第二栅极128与误差放大器110的非反相输入断开连接。

本文中描述的故障操作防止调节器的输出处的短路故障降低输出电压Vout和反馈电压以及在误差放大器110的输入处产生大的差分电压。大的差分电压可能导致误差放大器110向功率晶体管130提供过多的电流以补偿输出电压Vout。因此，通过在短路故障期间打开第二栅极128，来自调节器的输出的反馈回路与非反相输入断开连接，以防止将大的差分电压耦合到误差放大器110的输入。此外，通过在短路故障期间闭合第一栅极126，反相输入端上的电压与误差放大器110的非反相输入上的电压相同。因此，耦合到差分电路的误差放大器的输出为零伏。

注意，将误差放大器110的输出(而不是误差放大器110的内部节点)耦合到功率晶体管130有在短路故障中向功率晶体管130提供过大电流的风险。此外，可能不希望截止功率晶体管130，因为这样做有在调节器102中引入内部噪声以及降低功率晶体管130的寿命的风险。因此，为了避免在保持功率晶体管130导通的同时将过大的电流供应到功率晶体管130中，第三栅极122将误差放大器110的输出与功率晶体管130的栅极断开连接，同时第四栅极124将误差放大器110的内部节点连接到功率晶体管130的栅极。误差放大器110的内部节点用作在功率晶体管130的栅极上感应恒定电流的内部电流源。恒定电流通常低于阈值电流。因此，在短路故障期间，提供给功率晶体管130的电流被限制在相对安全的值，并且在故障期间调节器102的输出可能不会从电压源消耗过多的电流和能量。

图2示出了参考图1A描述的误差放大器110。误差放大器110包括耦合到源极晶体管220的第一级210。第一级210包括交叉耦合的第一晶体管212和第二晶体管214、第一输入晶体管216和第二输入晶体管218、以及第一节点222和第二节点224。第二级230耦合到第一级210以放大误差放大器110的差分输入。第二级230包括第一输入晶体管232和第二输入晶体管234、以及第一电流镜晶体管236和第二电流镜晶体管238。第一输入晶体管232和第二输入晶体管234的栅极端子分别耦合到第一节点222和第二节点224。

源极晶体管220是提供通过第一级210的两个分支的电流的电流源。误差放大器110的反相输入和非反相输入分别耦合到第一级210的第一输入晶体管216和第二输入晶体管218的栅极端子。误差放大器110的输出在第二输入晶体管234与第二电流镜晶体管238之间耦合到第二级230。误差放大器110的内部节点电压(INT)在用作误差放大器110的内部节点的第二节点224处被分接。

当反相输入不同于非反相输入时，误差放大器110以差分模式操作，并且放大反相输入与非反相输入之间的差以提供输出。当反相输入与非反相输入相同时，误差放大器110以共模操作，并且误差放大器110的输出电压可以接近零伏。在共模操作期间，由源极晶体管220提供到第一级210中的恒定电流可以在第一级210的两个分支之间等分。因此，在第二节点224处提供有与源极晶体管220的电流成比例的恒定电流。

第二节点224耦合到电流镜电路中的晶体管214和234的栅极，这导致比通过电流镜电路的漏极-源极分支的电流更低的电流。通过在短路故障期间将误差放大器110的第二节点224耦合到功率晶体管130的栅极，功率晶体管130耦合到电流镜电路，诸如附加电流镜级，该电流镜电路复制第一级210的恒定电流。这种电路拓扑结构限制了在短路故障期间来自功率晶体管130的电流供应。限制电流防止了由于大电流消耗而导致的调节器102的过度加热，并且通过减少短路故障期间的功率消耗来增加电池寿命。此外，通过保持功率晶体管130在短路故障期间导通以及在功率晶体管130被最小化的情况下频繁切换来保护调节器102免受过大的内部噪声的影响。

上述各种实施例可以被组合以提供另外的实施例。根据以上详细描述，可以对实施例进行这些和其他改变。一般来说，在以下权利要求中，所使用的术语不应当被解释为将权利要求限制于说明书和权利要求中公开的特定实施例，而应当被理解为包括所有可能的实施例以及这些权利要求所享有的等同物的全部范围。因此，权利要求不受本公开的限制。