[发明专利]具有快速瞬态响应的限流开关

说明书

                      技术领域

本发明涉及功率MOSFET开关，尤其涉及当负载短路时，具有限制流经该开关的电流能力的功率MOSFET开关。

                      背景技术

功率MOSFET在包括膝上型计算机、蜂窝电话以及类似的各种应用中，被广泛用作开关。许多这样的产品具有对过流状态非常灵敏的内部电路元件。如果电路中的一个元件发生短路，其导致的流经该电路的电流的增加将损害或破坏电路中其余的元件。例如，在计算机通用串行总线(USB)应用中，如果用户将该USB端口短路，将有这样的风险，即该短路将传播回计算机并损害计算机内的其它系统。因此，期望提供具有限流能力的MOSFET开关，该开关感应过流状态并充分地关断该开关，使得电流达不到将损害产品的任何内部组成的水平。

理想地，MOSFET开关应具有非常低的接通电阻，并通过将短路电流限于一个预定的水平而非常快地响应过流状态。这样的开关将如电源般高效并将保护上游系统不受短路损害。响应时间是非常重要的，因为电路受到过流状态的时间越长，损害的可能性越大。要被保护的系统必须被一定程度地超安全标准设计，以抵挡在限流电路能够运行之前所发生的电流脉冲，而这将导致额外的成本和重量。快速响应时间有效地最小化超安全标准设计所需的总量。

在许多电流检测电路中，“引导”电路以并联方式与要被监视的电路连接，并检测流经引导电路的电流。图1中示出了这样的现有技术电路。流经功率MOSFET 10的电流(Iout)被流经引导MOSFET 18的电流所镜像。引导电阻26被连接在引导电路中。功率MOSFET 10的栅极宽度比引导MOSFET 18的栅极宽度要宽得多，栅极宽度的比率被定义为“m”或比例因子“SF”(m＝SF)。例如，如果m＝100，MOSFET 18的阻抗是MOSFET 10的阻抗的100倍，以及流经功率MOSFET 10的电流大小将是流经引导MOSFET 18的电流的100倍。理想地，在流经引导MOSFET 18的电流正确地镜像流经功率MOSFET 10的电流的情况下，这个比率保持相同而不管Iout的大小。

参考电流(Iref)通过实质上同电阻26相等的参考电阻30被提供。比较器32检测经过引导电阻26的压降和经过参考电阻30的压降之间的差值，并当这两个压降相等时，比较器32发送一个输出信号。

Iref2R30表示耗散的能量(R30表示电阻30的大小)，于是期望增加电阻30的大小而减小Iref的大小。例如，如果R30加倍，Iref可被减半而保持经过电阻30的压降相同。然而，这需要电阻26的大小也被加倍，因为R26≈R30。增加电阻26(R26)的大小增加了电路的非线性，这是因为当电阻26变大时，流经功率MOSFET 10和引导MOSFET 18的电流的比率变得不很恒定。流经引导MOSFET 18的电流因此变为流经MOSFET 10的电流的不很正确的“镜像”。

图1中所示的电路在Wrathall等人的美国专利5867014中更完整地讨论，这里并入它的全部。

如图2所示，可以通过连接大小与引导MOSFET 18相同、并与电阻30并联的参考MOSFET 34，并通过与功率MOSFET 10和引导MOSFET 18的栅极相同地驱动参考MOSFET 34的栅极而克服这个非线性。这个电路在没有电阻26的情况下提供与将流经引导电路的电流相等的Iref，并与流经功率MOSFET 10的电流成比例。因此，流经功率MOSFET 10的电流与Iref比率与比例因子(SF或m)相等，并保持恒定而不管流经功率MOSFET 10的电流的大小。这允许对于引导电阻26和参考电阻30使用大的电阻，而不有害地影响电路的线性。图2所示的电路在Wrathall等人的关国专利4820968中更完整地讨论，这里并入它的全部。

尽管如此，晶体管的有限的制造技术限制了比例因子(功率MOSFET 10和引导MOSFET 18的栅极宽度的比率)的大小，并因此，Iref的大小仍然大于最小化能量损耗所期望的。如从图2明显看出，Iref一直流动，而不管功率MOSFET 10的状态。