线性调整器的保护电路、线性调整模块及设备
技术领域
本申请涉及电路保护技术领域，特别是涉及一种线性调整器的保护电路、线性调整模块及设备。
背景技术
在线性调整器中，输出电流限制是芯片的一个重要保护功能，能够避免芯片因超过最大散热能力而烧毁。传统结构上多采用常限流结构来实现输出电流限制，即当线性调整器输出电流超过设定的限流值后，该输出电流将不再持续增大，而是保持相对恒定的状态。
常限流结构实现方式多样，电路结构相对简单，但在实现过程中，发明人发现传统技术中至少存在如下问题：常限流结构在限流状态中输出电压可能会被拉到地电位，易在输出短路情况下烧毁芯片。
实用新型内容
基于此，有必要针对传统的限流结构易在输出短路情况下烧毁芯片的问题，提供一种线性调整器的保护电路、线性调整模块及设备。
为了实现上述目的，一方面，本申请实施例提供了一种线性调整器的保护电路，包括：
电流采样模块，用于采集线性调整器的功率PMOS管的输出电流，并对输出电流进行比例缩放，得到采样电流；电流采样模块的第一采集端用于连接功率PMOS管的栅极，电流采样模块的第二采集端用于连接功率PMOS管的漏极；
输出电压检测模块，用于采集线性调整器的输出电压，并对输出电压进行电压比较，得到参考电流；输出电压检测模块的采集端用于连接线性调整器的输出反馈端；
负反馈控制回路，用于对采样电流和参考电流进行相减，并对相减的结果进行放大处理，得到负反馈电流，向功率PMOS管的栅极输出负反馈电流；负反馈控制回路的输入端分别连接电流采样模块的输出端和输出电压检测模块的输出端，负反馈控制回路的输出端用于连接功率PMOS管的栅极。
在其中一个实施例中，电流采样模块包括：
第一PMOS管；第一PMOS管的栅极连接电流采样模块的第一采集端，第一PMOS管的源极用于连接电压源；
第二PMOS管；第二PMOS管的源极连接第一PMOS管的漏极，第二PMOS管的漏极连接电流采样模块的输出端；
第三PMOS管；第三PMOS管的源极连接电流采样模块的第二采集端，第三PMOS管的栅极连接第二PMOS管的栅极；
偏置电流源；偏置电流源的第一端分别连接第二PMOS管的栅极、第三PMOS管的栅极和漏极，偏置电流源的第二端接地。
在其中一个实施例中，电流采样模块对输出电流进行比例缩放的倍数为M；
功率PMOS管的宽长比是M倍的第一PMOS管的宽长比。
在其中一个实施例中，输出电压检测模块包括：
第一NMOS管；第一NMOS管的栅极用于连接偏置电压，第一NMOS管的源极接地；
第二NMOS管；第二NMOS管的漏极连接输出电压检测模块的输出端，第二NMOS管的栅极用于连接输出电压检测模块的采集端，第二NMOS管的源极连接第一NMOS管的漏极。
在其中一个实施例中，负反馈控制回路包括：
第三NMOS管；第三NMOS管的漏极连接负反馈控制回路的输入端，第三NMOS管的栅极连接负反馈控制回路的输入端，第三NMOS管的源极接地；
第四NMOS管；第四NMOS管的栅极分别连接负反馈控制回路的输入端和第三NMOS管的栅极，第四NMOS管的源极接地；
第四PMOS管；第四PMOS管的源极用于连接电压源，第四PMOS管的栅极和漏极均连接第四NMOS管的漏极；
第五PMOS管；第五PMOS管的源极用于连接电压源，第五PMOS管的栅极分别连接第四NMOS管的漏极、第四PMOS管的栅极和漏极，第五PMOS管的漏极连接负反馈控制回路的输出端。
另一方面，本申请实施例还提供了一种线性调整模块，包括：
线性调整器，包括功率PMOS管和连接PMOS管的输出反馈端；
如上述的保护电路。
在其中一个实施例中，功率PMOS管的源极用于连接电压源；
线性调整器包括：
反馈网络；反馈网络的输入端通过输出反馈端连接功率PMOS管的漏极，反馈网络的输出端连接功率PMOS管的栅极。
在其中一个实施例中，反馈网络包括：
误差放大器；误差放大器的正相输入端连接反馈网络的输入端，误差放大器的反相输入端用于连接参考电源，误差放大器的输出端连接功率PMOS管的栅极。
在其中一个实施例中，线性调整器还包括：
第一电阻；第一电阻的第一端分别连接功率PMOS管的漏极，电流采样模块的第二采集端，第一电阻的第二端连接输出反馈端；
第二电阻；第二电阻的第一端分别连接第一电阻的第二端和输出反馈端，第二电阻的第二端接地。
在其中一个实施例中，还提供了一种设备，包括如上述的线性调整模块。
上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点和有益效果：
线性调整器的保护电路包括电流采样模块、输出电压检测模块和负反馈控制回路；电流采样模块的第一采集端用于连接功率PMOS管的栅极，电流采样模块的第二采集端用于连接功率PMOS管的漏极；输出电压检测模块的采集端用于连接线性调整器的输出反馈端；负反馈控制回路的输入端分别连接电流采样模块的输出端和输出电压检测模块的输出端，负反馈控制回路的输出端用于连接功率PMOS管的栅极。基于上述结构，通过采集功率PMOS管的输出电流和输出电压的变化，进而控制功率PMOS管，同时实现输出限流功能和输出短路保护功能；基于此，可保护线性调整器正常工作在允许的限流范围内，且在工作条件异常导致输出短路时，迅速切换到短路保护状态，避免因瞬间不可预期的超功率工作导致芯片烧毁。
附图说明
通过附图中所示的本申请的优选实施例的更具体说明，本申请的上述及其它目的、特征和优势将变得更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分，且并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本申请的主旨。
图1为一个实施例中保护电路的第一示意性结构图；
图2为一个实施例中保护电路的第二示意性结构图；
图3为一个实施例中保护电路的第三示意性结构图；
图4为一个实施例中线性调整模块的结构示意图。
具体实施方式
为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的首选实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本申请的公开内容更加透彻全面。
需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件并与之结合为一体，或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“输出端”、“输入端”、“采集端”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
线性调整器可通过晶体管调节流过负载的电流，负载所得的电压就是调整器的输出电压；线性调整器可通过输出反馈端获取输出电压，并比较输出电压与调整器内部的参考电压，所产生的差动信号用作控制晶体管，形成一个负反馈回路，加上适当的补赏，输出电压就能调整下降至目标电压，不受输入电压或负载变动影响，并保持合理地稳定。
在线性调整器的输出电流限制功能中，常限流结构易在输出短路情况下烧毁芯片，而折返式限流结构，可以在输出电流到达最大限流值后，通过内部调节使限流值跟随输出电压的降低而减小，把芯片的功率限制在可控范围内。但返式限流结构的实现方式相对复杂，增大电路的设计难度，不利于在低功耗产品中实现，而且需要消耗更多的静态电流，在低功耗应用中受到限制。为此，本申请实施例提供了一种适用于线性调整器的限流和短路保护电路，通过采集输出电流和输出电压的变化，同时实现输出限流功能和输出短路保护功能。
在一个实施例中，提供了一种线性调整器的保护电路，如图1所示，包括：
电流采样模块，用于采集线性调整器的功率PMOS(positive channel MetalOxide Semiconductor)管的输出电流，并对输出电流进行放大处理，得到采样电流；电流采样模块的第一采集端用于连接功率PMOS管的栅极，电流采样模块的第二采集端用于连接功率PMOS管的漏极。
输出电压检测模块，用于采集线性调整器的输出电压，并对输出电压进行电压比较，得到参考电流；输出电压检测模块的采集端用于连接线性调整器的输出反馈端。
负反馈控制回路，用于对采样电流和参考电流进行相减，并对相减的结果进行放大处理，得到负反馈电流，向功率PMOS管的栅极输出负反馈电流；负反馈控制回路的输入端分别连接电流采样模块的输出端和输出电压检测模块的输出端，负反馈控制回路的输出端用于连接功率PMOS管的栅极。
具体而言，线性调整器包括功率PMOS管和输出反馈端；具体地，功率PMOS管作为驱动器件，功率PMOS管的输出信号可通过输出反馈端反馈到线性调整器的反馈网络中。同时，功率PMOS管存在一个恒定的最大电流。保护电路至少包括电流采样模块、输出电压检测模块和负反馈控制回路三部分。电流采样模块的第一采集端用于连接功率PMOS管的栅极，电流采样模块的第二采集端用于连接功率PMOS管的漏极；输出电压检测模块的采集端用于连接线性调整器的输出反馈端；负反馈控制回路的输入端分别连接电流采样模块的输出端和输出电压检测模块的输出端，负反馈控制回路的输出端用于连接功率PMOS管的栅极。
其中，基于上述结构，电流采样模块可用于采集功率PMOS管的输出电流，即以精确的方式采集线性调整器的输出电流；同时，电流采样模块还根据输出电流进行一定比例的缩放，得到并输出采样电流。可选地，电流采样模块可主要由运算电路、晶体管等构成，此处不做具体限定；示例性地，电流采样模块可基于运算电路或晶体管电路，将输出电流缩小1千倍，得到采样电流。应该注意的是，电流采样模块的缩放比例可根据实际需求对电流结构或器件参数进行调整得到，能够满足不同线性调整器的需求，提高本申请实施例的适用性。
输出电压检测模块用于检测线性调整器的输出电压，并把输出电压作为输入信号进行电压比较，生成并输出参考电流，即，输出电压可控制参考电流的变化。可选地，输出电压检测模块可主要由比较电路或晶体管等构成，此处不做具体限定。应该注意的是，电压比较过程中的电压阈值可根据实际需求对电路结构或器件参数进行调整来实现，能够满足不同线性调整器的需求，提高本申请实施例的适用性。示例性地，输出电压大于预设的电压阈值时，输出大于0且稳定的参考电流，具体的参考电流大小可根据实际需求进行设定；输出电压小于预设的电压阈值时，输出的参考电流为0；例如，在线性调整器输出异常进入短路状态时，输出电压检测模块输出的参考电流可为0。
负反馈控制回路用于把电流采样模块输出的采样电流信号，与输出电压检测模块输出的参考电流相减，并对相减得到的电流进行放大，得到负反馈电流，并传输给功率PMOS管的栅极。基于此，负反馈控制回路的输出端可对功率PMOS栅极驱动产生一个与电流成正相关的上拉作用，继而限制功率PMOS电流，实现负反馈的控制效果。可选地，负反馈控制回路可主要由减法电流、放大电路或晶体管电路构成，此处不做具体限定。示例性地，负反馈控制回路的输出端传输的负反馈电流大于或等于功率PMOS管的最大驱动电流时，功率PMOS的驱动能力由保护电路控制。在一个示例中，当功率PMOS管的输出电流大于预设的限流值(即最大的输出电流)时，负反馈控制回路的输出端传输的负反馈电流大于功率PMOS管的最大驱动电流，此时，保护电路与功率PMOS管形成完整的负反馈环路，负反馈控制回路的输出端对功率PMOS管的栅极驱动产生一个上拉、限制功率PMOS管的电流。在另一个示例中，功率PMOS管的输出电流小于预设的限流值时，负反馈控制回路的输出端传输的负反馈电流小于功率PMOS管的最大驱动电流，此时由线性调整器内部决定功率PMOS管的栅极驱动能力，线性调整器正常输出电压。
应该注意的是，负反馈控制回路的输入端可为一个端口，分别连接电流采样模块的输出端和输出电压检测模块的输出端；此外，负反馈控制回路的输入端也可包括至少二个端口，其中一个用于连接电流采样模块的输出端，另一个用于连接输出电压检测模块的输出端。
需要说明的是，本申请实施例中提及的输入端、输出端、采集端可为模块的固定接口，也可由模块中的器件的端口或电极构成；不同器件可通过连接同一个端来实现电连接。
基于上述结构，功率PMOS管的输出电流缩小M倍后得到采样电流，负反馈电流是采样电流与参考电流的差的N倍，则最大的输出电流可由M、N和参考电流来设定，即，可基于本申请实施例设置线性调整器的限流和短路电流保护的大小。本申请实施例可通过采集功率PMOS管的输出电流和输出电压的变化，进而控制功率PMOS管，同时实现输出限流功能和输出短路保护功能；基于此，可保护线性调整器正常工作在允许的限流范围内，且在工作条件异常导致输出短路时，迅速切换到短路保护状态，避免因瞬间不可预期的超功率工作导致芯片烧毁。
在一个实施例中，电流采样模块的第一采集端用于连接功率PMOS管的栅极。
具体而言，电流采样模块的第一采集端还连接功率PMOS管的栅极，可基于功率PMOS管的驱动信号确认保护电路是否启动。
在一个实施例中，如图2所示，电流采样模块包括：
第一PMOS管P1；第一PMOS管P1的栅极连接电流采样模块的第一采集端，第一PMOS管P1的源极用于连接电压源VDD；
第二PMOS管P2；第二PMOS管P2的源极连接第一PMOS管P1的漏极，第二PMOS管P2的漏极连接电流采样模块的输出端；
第三PMOS管P3；第三PMOS管P3的源极连接电流采样模块的第二采集端，第三PMOS管P3的栅极连接第二PMOS管P2的栅极；
偏置电流源IB；偏置电流源IB的第一端分别连接第二PMOS管P2的栅极、第三PMOS管P3的栅极和漏极，偏置电流源IB的第二端接地。
具体而言，电流采样模块至少包括第一PMOS管P1、第二PMOS管P2、第三PMOS管P3和偏置电流源IB。其中，第一PMOS管P1的栅极通过电流采样模块的第一采集端连接功率PMOS晶体管的栅极，第一PMOS管P1的源极连接电压源VDD，第一PMOS管P1漏极接第二PMOS管P2的源极。第二PMOS管P2的栅极连接第三PMOS管P3的栅极，第二PMOS管P2的漏极通过电流采样模块的输出端连接负反馈控制回路的输入端。第三PMOS管P3的源极通过电流采样模块的第二采集端连接功率PMOS管P0的漏极，第三PMOS管P3漏极连接第三PMOS管P3的栅极和偏置电流源IB的第一端；偏置电流源IB另一端接地。基于上述电路结构，第二PMOS管P2的漏极也可认为是电流采样模块的输出端。
需要说明的是，电流采样模块中，第一PMOS管P1可用于确定比例缩放的倍数；第二PMOS管P2和第三PMOS管P3的作用在于保证第一PMOS管P1的漏极电压接近功率PMOS管P0的漏极电压VOUT，降低因衬底偏置效应导致的第一PMOS管P1电流失真情况，进一步提高本申请实施例的采样精度。应该注意的是，本申请实施例提供电流采样模块的结构简单，成本低；在此基础上，可通过增加器件或更改器件类型等方式进一步提高电流采样模块的性能，此处不一一列举。
在一个实施例中，电流采样模块对输出电流进行比例缩放的倍数为M；
功率PMOS管的宽长比是M倍的第一PMOS管的宽长比。
具体而言，可通过设置第一PMOS管和功率PMOS管的宽长比来设置比例缩放的比例，功率PMOS管的宽长比是第一PMOS管的宽长比的M倍。还可基于缩放比例和功率PMOS管的宽长比，选择对应宽长比的第一PMOS管。其中，本申请实施例提及的宽长比为MOS管的导电沟道的宽与长的比。
在一个实施例中，如图2所示，输出电压检测模块包括：
第一NMOS管N1；第一NMOS管N1的栅极用于连接偏置电压，第一NMOS管N1的源极接地；
第二NMOS管N2；第二NMOS管N2的漏极连接输出电压检测模块的输出端，第二NMOS管N2的栅极用于连接输出电压检测模块的采集端，第二NMOS管N2的源极连接第一NMOS管N1的漏极。
具体而言，输出电压检测模块至少包括第一NMOS管N1和第二NMOS管N2。其中，第一NMOS管N1的栅极连接偏置电压VB，第一NMOS管N1的源极接地，第一NMOS管N1的漏极接第二NMOS管N2的源极。第二NMOS管N2的栅极通过输出电压检测模块的采集端获取线性调整器的输出电压VFB，第二NMOS管N2的漏极通过输出电压检测模块的输出端连接负反馈控制回路的输入端。基于上述电路结构，第二NMOS管N2的栅极可认为是输出电压检测模块的采集端；第二NMOS管N2的漏极可认为是输出电压检测模块的输出端。即，在一个示例中，第二NMOS管N2的漏极与第二PMOS管P2的漏极电连接。
需要说明的是，输出电压检测模块可根据从线性调整器的输出反馈端得到的电压信号VFB(即输出电压)，控制输出的参考电流IREF的大小。示例性地，当VFB大于第二NMOS管N2的阈值电压时，工作在饱和区的第一NMOS管N1通过外部电流偏置、电压信号VB，产生一个稳定的参考电流IREF0，即该模块输出的参考电流为IREF0；当VFB明显小于第二NMOS管N2的阈值电压时，第二NMOS管N2截止，该模块输出的参考电流IREF为零。基于此，本申请实施例可通过晶体管电路快速获取输出电压，判断线性调整器是否处于短路状态，降低保护电路的复杂度和成本。应该注意的是，本申请实施例提供输出电压检测模块的结构简单，成本低；在此基础上，可通过增加器件或更改器件类型等方式进一步提高输出电压检测模块的性能，此处不一一列举。
在一个实施例中，如图2所示，负反馈控制回路包括：
第三NMOS管N3；第三NMOS管N3的漏极连接负反馈控制回路的输入端，第三NMOS管N3的栅极连接负反馈控制回路的输入端，第三NMOS管N3的源极接地；
第四NMOS管N4；第四NMOS管N4的栅极分别连接负反馈控制回路的输入端和第三NMOS管N3的栅极，第四NMOS管N4的源极接地；
第四PMOS管P4；第四PMOS管P4的源极用于连接电压源VDD，第四PMOS管P4的栅极和漏极均连接第四NMOS管N4的漏极；
第五PMOS管P5；第五PMOS管P5的源极用于连接电压源VDD，第五PMOS管P5的栅极分别连接第四NMOS管N4的漏极、第四PMOS管P4的栅极和漏极，第五PMOS管P5的漏极连接负反馈控制回路的输出端。
具体而言，负反馈控制回路至少包括第三NMOS管N3，第四NMOS管N4，第四PMOS管P4和第五PMOS管P5。其中，第三NMOS管N3的栅极连接第三NMOS管N3的漏极，第三NMOS管N3的漏极连接负反馈控制回路的输入端，第三NMOS管N3的源极接地。第四NMOS管N4的栅极接第三NMOS管N3的栅极，第四NMOS管N4的漏极接第四PMOS管P4的漏极，第三NMOS管N3的源极接地。第四PMOS管P4的栅极连接第四PMOS管P4的漏极，第四PMOS管P4的源极连接电源。第五PMOS管P5的栅极接第四PMOS管P4的栅极，第五PMOS管P5的漏极连接功率PMOS管P0的栅极，第五PMOS管P5的源极连接电源。基于上述电路结构，第三NMOS管N3的漏极可认为是负反馈控制回路的输入端；第五PMOS管P5的漏极可认为是负反馈控制回路的输出端。在一个示例中，第三NMOS管N3的漏极分别与第二PMOS管P2的漏极和第二NMOS管N2的漏极电连接。
需要说明的是，负反馈控制回路可用于综合判断采样电流IS和参考电流IREF的情况，进而决定影响功率PMOS管P0的驱动。其中，第三NMOS管N3和第四NMOS管N4的长度L远大于工艺最小尺寸，以减轻沟道长度调制效应，提高电流镜像精度。其中，长度L为导电沟道的长度。应该注意的是，本申请实施例提供负反馈控制回路的结构简单，成本低；在此基础上，可通过增加器件或更改器件类型等方式进一步提高负反馈控制回路的性能，此处不一一列举。
本申请实施例可基于晶体管来实现，电路结构简单，易于在常规限流电路基础上叠加实现，能够线性调整器进行限流和短路保护且所需额外的静态电流极小，适用于低功耗应用场合；此外，还可兼容CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体)工艺。
在一个实施例中，如图3所示，根据MOS管特性可知，线性调整器的输出电流IOUT与电流采样模块输出的采样电流IS关系表现为：
IOUT＝M×IS
在负反馈控制回路中，输入电流IFIN与采样电流IS、参考电流IREF的关系为：
IFIN＝IS-IREF
从负反馈控制回路的输入电流IFIN到负反馈电流IFOUT的增益为N，即：
IFOUT＝N×(IS-IREF)
误差放大器EA的最大驱动电流输出为IDRV，判断保护电路生效的临界条件为IFOUT等于IDRV，此时，功率PMOS管的驱动能力由保护电路控制。
在线性调整器处于工作状态时，联合上述模块的关系可知，最大输出电流，即限流为：
在线性调整器输出异常进入短路状态时，输出电压检测模块输出为零，则此时线性调整器的短路电流为：
从上述公式可知通过调节比例系数M、N和参考电流IREF0可以自由设置限流和短路电流保护的大小。
在一个实施例中，提供了一种线性调整模块，如图4所示，包括：
线性调整器，包括功率PMOS管和连接PMOS管的输出反馈端；
如上述的保护电路。
具体而言，线性调整模块包括线性调整器和连接线性调整器的保护电路。其中，保护电路的具体限定可参照前文的论述，此处不再重复赘述。线性调整器可包括作为驱动器件的PMOS管，以及用于获取线性调整器的输出反馈信号的输出反馈端。线性调整模块可用于连接芯片或设置在芯片上；基于保护电路，线性调整模块中线性调整器可正常工作在允许的限流范围内，且在工作条件异常导致输出短路时，迅速切换到短路保护状态，避免因瞬间不可预期的超功率工作导致芯片烧毁。
在一个实施例中，功率PMOS管的源极用于连接电压源；
线性调整器包括：
反馈网络；反馈网络的输入端通过输出反馈端连接功率PMOS管的漏极，反馈网络的输出端连接功率PMOS管的栅极。
具体而言，线性调整器还可包括反馈网络，反馈网络可主要由运算放大器和其他器件配合组成，本申请实施例可采用多种反馈电路来实现，此处不做具体限定；即，本申请实施例可灵活配置，适用性强。
在一个实施例中，反馈网络包括：
误差放大器；误差放大器的正相输入端连接反馈网络的输入端，误差放大器的反相输入端用于连接参考电源，误差放大器的输出端连接功率PMOS管的栅极。
具体而言，反馈网络可主要由误差放大器构成。通过简单的误差放大器实现线性调整器的输出反馈，降低本申请实施例的成本及复杂度。
在一个实施例中，线性调整器还包括：
第一电阻；第一电阻的第一端分别连接功率PMOS管的漏极，电流采样模块的第二采集端，第一电阻的第二端连接输出反馈端；
第二电阻；第二电阻的第一端分别连接第一电阻的第二端和输出反馈端，第二电阻的第二端接地。
具体而言，线性调整器还可包括用于分压的第一电阻，以及用于接地的第二电阻。
在一个实施例中，提供了一种设备，包括如上述的线性调整模块。
具体而言，线性调整模块可设于设备芯片中或设备基板上。
设备采用上述线性调整模块，既可实现限流，还可实现短路保护，提高设备的安全性。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请的保护范围应以所附权利要求为准。
