專利名稱：輸出晶體管的限流器的制作方法
技術領域：
本發明涉及功率半導體器件，并且具體涉及具有輸出晶體管的限流器的器件。
背景技術：
功率半導體器件包括輸入電路、輸出金屬氧化物半導體(MOS)晶體管、輸出MOS晶體管控制電路等等。如果大電流流動并且能量增加，則功率輸出MOS晶體管變熱。這樣，過載電流導致輸出MOS晶體管的熱損壞。
為了避免熱擊穿，一些輸出MOS晶體管控制電路具有限流器。限流器監控輸出MOS晶體管的電流，并且控制柵極電壓以限定輸出電流。因此，限流器防止由于高能量導致的輸出MOS晶體管自毀。
由于輸出MOS晶體管中較高的漏源極電壓導致較高的能量，因此當漏源極電壓增加時必需減少限流值。這樣，需要發展使電流控制能夠與漏源極電壓成比例的限流器。
圖6與圖7示出了限流器的例子。在圖7中，與圖6相同的參考標記表示相同的元件，并且省略了多余的說明。限流器包括Nch源極跟隨器，其中在第一電源61與第二電源62之間串聯連接輸出MOS晶體管64與負載68。輸出引腳69連接到輸出MOS晶體管64與負載68的連接節點。根據輸入到輸出MOS晶體管64柵極引腳的控制信號63，輸出MOS晶體管64導通或者截止。
限流器還具有電流檢測MOS晶體管65。電流檢測MOS晶體管65與輸出MOS晶體管64之間存在給定比率。采用此電流比率，電流檢測MOS晶體管65監控輸出MOS晶體管64的電流。在電流檢測MOS晶體管65的源極與輸出引腳69之間連接控制電阻67或者漏極與柵極短路的控制MOS晶體管611。
在節點A與輸出引腳69之間連接保護MOS晶體管66。保護MOS晶體管66的柵極連接到電流檢測MOS晶體管65的源極。
以下說明電路操作。當輸出MOS晶體管64導通時的操作如下。控制信號63通過升壓器設定為高于第一電源電壓，從而減少輸出MOS晶體管64的導通電阻。如果節點A的電壓高于第一電源61的電壓并且輸出MOS晶體管64的漏源極電壓為高，則輸出MOS晶體管64的漏極電流增加。此時，與漏極電流成比例的電流流入電流檢測MOS晶體管65。這樣，控制電阻67的電壓或者控制MOS晶體管611的漏源極電壓為保護MOS晶體管66的柵極電壓。因此，電流流過保護MOS晶體管66以減少輸出MOS晶體管64的柵極處或者節點A處的電壓。由于節點A的電壓減少，因此輸出MOS晶體管64的電流隨著減少。這樣，圖6與圖7的電路作為限流器工作。日本未決專利公開No.02-226808公開了此類技術。
如果功率輸出MOS晶體管的漏源極電壓增加，則輸出MOS晶體管的能量由此增加，其最終可導致輸出MOS晶體管的自毀。為了避免這種情況，需要減少輸出MOS晶體管的柵極電壓以限制輸出電流。然而，僅僅減少輸出電流導致得到的輸出電流的減少，阻礙了功率輸出MOS晶體管滿意地工作。
為了得到最大的輸出電流而不損壞輸出MOS晶體管，當輸出MOS晶體管的漏源極電壓為低時優選地增加限流值，并且當該電壓為高時減少限流值。這樣，得到依靠漏源極電壓控制電流的限流器。
流過輸出MOS晶體管64與電流檢測MOS晶體管65的電流的比率是恒定的。然而，精確地說，由于當輸出MOS晶體管64的電流增加時，電流檢測MOS晶體管65的源極電壓增加，因此電流檢測MOS晶體管65的漏源極電壓相對于輸出MOS晶體管64的漏源極電壓變小。這樣，當輸出MOS晶體管64的漏源極電壓增加時，流過電流檢測MOS晶體管65的電流由此減少，從而減少流入保護MOS晶體管66的電流。
這導致輸入引腳63電壓的增加，其減少了限流值。圖8中示出了關于第一電源61與輸出引腳69之間電壓的輸出MOS晶體管64的電流特性。當輸出MOS晶體管64漏極與源極之間的電壓增加時，輸出MOS晶體管64中的能量增加。這樣，高限流導致輸出MOS晶體管64的損壞。
因此，當輸出MOS晶體管64的漏源極電壓增加時，優選地減少限流值。圖9示出了在使用逐步控制等情況下的限流波形。然而，此技術需要大尺寸電路，并且無法得到限制電流的平滑波形。
發明內容
本發明的一個方面的輸出晶體管的限流器描述如下。一種輸出晶體管的限流器包括輸出晶體管；電流檢測晶體管，監控流過輸出晶體管的電流；電流鏡電路；保護晶體管，輸出已通過電流鏡電路的電流，該電流與監控的電流成比例，并且取決于輸出晶體管的漏極與源極之間或者集電極與發射極之間的電壓；以及連接到保護晶體管的輸出的輸入引腳。
另一方面，上述輸出晶體管的限流器可描述如下。輸出晶體管與負載串聯連接。輸出晶體管的柵極或者基極連接到輸入引腳。輸出晶體管與負載之間的連接節點連接到輸出引腳。電流檢測晶體管的柵極或者基極，以及漏極或者集電極各自連接到輸出晶體管。在電流檢測晶體管的源極或者發射極與輸出引腳之間連接控制元件。在控制元件中產生的電壓或者電流通過電流鏡電路，流入輸出晶體管輸入引腳與輸出引腳之間連接的保護晶體管。
另一方面，在上述限流器中，在第一電源與輸出引腳之間可連接電流鏡電路。輸出晶體管的漏極或者集電極可連接到第一電源，并且輸出晶體管的源極或者發射極可連接到輸出引腳。
另一方面，在上述限流器中，控制元件可為電阻。或者，該控制元件為漏極與柵極短路的金屬氧化物半導體晶體管，或者集電極與基極短路的雙極晶體管。
再一方面，輸出晶體管的上述限流器可描述如下。第一晶體管與第二晶體管組成電流鏡結構。在第二晶體管的漏極或者集電極與輸出引腳之間連接第四晶體管。第四晶體管與保護晶體管組成電流鏡結構。在第一晶體管的漏極或者集電極與輸出引腳之間連接第三晶體管。將控制元件的電壓提供到第三晶體管的柵極或者基極。
再一方面，輸出晶體管的上述限流器可描述如下。第一晶體管與第二晶體管組成電流鏡結構。在第二晶體管的漏極或者集電極與輸出引腳之間連接第四晶體管。第四晶體管與保護晶體管組成電流鏡結構。在第一晶體管的漏極或者集電極與輸出引腳之間連接第三晶體管。將控制元件的漏極與源極之間的電壓或者集電極與發射極之間的電壓提供到第三晶體管的柵極或者基極。第三晶體管與控制元件組成電流鏡結構。
本發明在電流檢測電路與保護晶體管之間放置電流鏡電路，從而得到最大輸出電流，同時防止了輸出MOS晶體管的熱損壞。
結合附圖，通過以下描述，本發明的上述與其它目的、優點與特征將更加明顯，其中圖1是根據本發明實施例的限流器的電路圖；圖2是根據本發明另一實施例的限流器的電路圖；圖3是根據本發明再一實施例的限流器的電路圖；圖4是示出了關于第一電源與輸出引腳之間電壓的輸出MOS晶體管的電流特性的曲線圖；圖5是示出了MOS晶體管的VDS-ID特性的曲線圖；圖6是根據現有技術的限流器的電路圖；圖7是根據另一現有技術的限流器的電路圖；圖8是示出了關于圖6與圖7的限流器中第一電源與輸出引腳之間電壓的輸出MOS晶體管的電流特性的曲線圖；以及圖9是現有技術的限流器中采用逐步控制的限制電流的波形圖。
具體實施例方式
現在，將參照示意性實施例在此描述本發明。本領域的普通技術人員知道參照本發明的講授，可完成許多可選實施例，并且本發明不限于用于示范目的示出的實施例。
在下文中，將參照附圖詳細說明本發明的實施例。首先參照附圖1與圖2，限流器包括Nch源極跟隨器，其中在第一電源1與第二電源2之間串聯連接輸出MOS晶體管4與負載8。輸出引腳9連接到輸出MOS晶體管4與負載8的連接節點。根據輸入到柵極引腳的第一控制信號3，輸出MOS晶體管4導通或者截止。限流器還具有電流檢測MOS晶體管5。電流檢測MOS晶體管5與輸出MOS晶體管4之間存在給定比率。采用此電流比率，電流檢測MOS晶體管5監控輸出MOS晶體管4的電流。圖1的限流器具有控制電阻7，位于電流檢測MOS晶體管5的源極與輸出引腳9之間。圖2的限流器用漏極與源極短路的MOS晶體管11取代控制電阻7。限流器還具有在節點A與輸出10之間連接的保護MOS晶體管6。
限流器包括多級電流鏡10。MOS晶體管P2與P1組成電流鏡結構。在MOS晶體管P2的漏極與輸出引腳9之間連接MOS晶體管N2。MOS晶體管N2與保護MOS晶體管6組成電流鏡結構。在MOS晶體管P1的漏極與輸出引腳9之間連接MOS晶體管N1。在圖1的限流器中，MOS晶體管N1的柵極接收控制電阻7的電壓。在圖2的限流器中，MOS晶體管N1的柵極接收控制MOS晶體管11的漏源極電壓。在這種情況下，MOS晶體管N1與控制MOS晶體管11組成電流鏡結構。
此實施例的電路結構說明如下。此實施例的電路與傳統電路的不同之處在于此實施例的電路包括多級電流鏡電路10。其它元件與傳統技術相同。
多級電流鏡電路10描述如下。MOS晶體管N1的柵極從控制電阻器7或者控制MOS晶體管11接收輸出信號。MOS晶體管P1與P2組成電流鏡結構。通過MOS晶體管P2的電流提供到MOS晶體管N2與保護MOS晶體管6，其也組成電流鏡結構。當第一電源1與輸出引腳9之間的電壓即輸出MOS晶體管4的漏源極電壓由于溝道長度調制影響而增加時，通過MOS晶體管P1、P2、N1與N2的電流增加。因此保護MOS晶體管6的電流增加，其減少了輸出MOS晶體管4的柵極電壓。這樣，能夠限制通過輸出MOS晶體管4的電流，從而該電流具有如圖4的波形“a”所示的特性。
這表示通過流經電流鏡電路，根據輸出MOS晶體管4的漏源極電壓，通過保護MOS晶體管6的漏極電流相對于通過電流檢測MOS晶體管5的漏極電流增加。當電流鏡電路沒有多級結構時，可得到相同的效果。
圖5的波形“d”為采用溝道長度調制的波形。圖5的波形“c”示出了MOS晶體管的理想的VD-ID特性。然而，實際上，通過波形“d”中示出的溝道長度調制，ID隨著VD增加而增加。
增加圖3中示出的電流鏡的數目使得第一電源1與輸出引腳9之間的相關性能夠進一步增加。這還降低了極限值(limit value)，以致其具有圖4的波形“b”中示出的特性。
盡管上述實施例說明了使用MOS晶體管的情況，也能夠使用雙極晶體管取代MOS晶體管形成類似電路。還可以既使用MOS晶體管又使用雙極晶體管。
顯而易見，本發明不限于上述實施例，本發明可進行修改與改變而不脫離本發明的范圍與精神。
權利要求
1.一種輸出晶體管的限流器，包括輸出晶體管；電流檢測晶體管，監控流過輸出晶體管的電流；電流鏡電路；保護晶體管，輸出已通過電流鏡電路的電流，所述電流與監控的電流成比例，并且取決于輸出晶體管的漏極與源極之間或者集電極與發射極之間的電壓；以及連接到保護晶體管的輸出的輸入引腳。
2.如權利要求1所述的輸出晶體管的限流器，還包括與輸出晶體管串聯連接的負載；連接到輸出晶體管與負載之間的連接節點的輸出引腳；以及控制元件，其連接在電流檢測晶體管的源極或者發射極與輸出引腳之間，并且產生電壓或者電流，所述電壓或者電流通過電流鏡電路流入輸出晶體管的輸入引腳與輸出引腳之間連接的保護晶體管，其中輸出晶體管的柵極或者基極連接到輸入引腳，并且電流檢測晶體管的柵極或者基極，和漏極或者集電極各自分別連接到輸出晶體管的柵極或者基極，和漏極或者集電極。
3.如權利要求2所述的輸出晶體管的限流器，其中控制元件為電阻。
4.如權利要求2所述的輸出晶體管的限流器，其中控制元件為漏極與柵極短路的金屬氧化物半導體晶體管，或者集電極與基極短路的雙極晶體管。
5.如權利要求1所述的輸出晶體管的限流器，其中在第一電源與輸出引腳之間連接電流鏡電路。
6.如權利要求2所述的輸出晶體管的限流器，其中在第一電源與輸出引腳之間連接電流鏡電路。
7.如權利要求2所述的輸出晶體管的限流器，包括組成電流鏡結構的第一晶體管與第二晶體管；在第二晶體管的漏極或者集電極與輸出引腳之間連接的第四晶體管，所述第四晶體管與保護晶體管組成電流鏡結構；以及在第一晶體管的漏極或者集電極與輸出引腳之間連接的第三晶體管，所述第三晶體管的柵極或者基極接收控制元件的電壓。
8.如權利要求2所述的輸出晶體管的限流器，包括組成電流鏡結構的第一晶體管與第二晶體管；在第二晶體管的漏極或者集電極與輸出引腳之間連接的第四晶體管，所述第四晶體管與保護晶體管組成電流鏡結構；以及在第一晶體管的漏極或者集電極與輸出引腳之間連接的第三晶體管，所述第三晶體管的柵極或者基極接收控制元件漏極與源極之間或者集電極與發射極之間的電壓，所述第三晶體管與控制元件組成電流鏡結構。
全文摘要
一種輸出晶體管的限流器包括輸出晶體管；電流檢測晶體管，監控流過輸出晶體管的電流；電流鏡電路；保護晶體管，輸出已通過電流鏡電路的電流，該電流與監控的電流成比例，并且取決于輸出晶體管的漏極與源極之間或者集電極與發射極之間的電壓；以及連接到保護晶體管的輸出的輸入引腳。
文檔編號H03K17/082GK1649266SQ20051000587
公開日2005年8月3日 申請日期2005年1月27日 優先權日2004年1月27日
發明者田邊剛 申請人:恩益禧電子股份有限公司