一种应用于PD的高限流保护调节电路

　　摘要：在POE（Power Over Ethernet）系统的终端受电设备中，限流保护调节电路保证了其稳定可靠工作。根据IEEE802.3af标准规定，受电设备开关电源启动到正常工作的过程中，电流要限制在1 00 mA以内，在正常工作情况下电流要限制在390 mA以下。本设计通过栅源比例电阻使采样功率管栅源电压与输出功率管的栅源电压保持一致，采样功率管采样输出功率管的电流值，采样电流经栅源比例电阻转换为电压后，调节输出功率管栅源电压，来完成PD（Power Device）限流保护。

　　1 引言

　　2003年6月颁布的IEEE802.3af标准，定义在以太网线上传输数据信息的同时可以传输直流电能，这项技术的开发为以太网开辟了全新的应用领域。以太网供电系统包括两部分供电设备（PSE）和受电设备（PD）。供电设备负责将电源注入以太网并负责对受电设备检测、功率分级、端口上电及断电检测，在分级结束到PD开关电源开始工作过程中，由于旁路微法级电容的接入，会导致浪涌电流的产生，无限制的大电流将会导致端口电压迅速下降，严重时会使PD关断，从而造成PD在接通与关断之间来回切换，影响工作的稳定性。为了保证上电过程中对充电电容的稳定充电，并确保启动电路稳定上升，IEEE802.3af规定此时电流限制在100 mA以内12131.当PD开关电源正常工作后，还需要保证稳定后的功率管电流限制在390 mA以下，否则在一定时间内PSE会自动断掉供电系统。目前国外常用的电流限制电路的结构是对输出功率管并联一个小的采样管，且源极接一低阻值的负载电阻来完成电流采样，由于并联功率管栅源电压未完全相等，使得采样电流准确度不高，限流不稳定。同时在两种限流转换时，需要两种逻辑判断，电路复杂。

　　2高限流电路设计

　　为了解决现有技术对功率管采样电路不高、限流逻辑控制双重调节复杂的缺陷，本设计提供一种具备电流采样高、电流可调节的限流保护电路。

　　本设计电路中包括电流镜模块、输出功率管、采样功率管、栅源比例电阻、两路偏置电流及逻辑开关。

　　本新型高功率管限流保护调节电路中，如下图1所示模块为电流镜模块，该模块的主要作用是使两电流支路在输出功率管稳定输出时电流相等且稳定。

　　

　　如下图2所示，采样功率管与输出功率管都采用P沟道增强型场效应管，组成共栅共源漏电流电路，作为由两个NPN三极管组成放大器的有源负载。两个三极管Ql、Q2基极连接在一起，且Ql基极与集电极连接在一起构成二极管形式。栅源比例电阻，其中低阻值电阻Rl一端接在Q1发射极，另一端接地，另一电阻R3分别接在采样管MI和输出功率管M2栅极之间，电阻R2接在Q2发射极与地之间。电阻R1、R2、R3采用掺杂的多晶硅电阻，这样电阻匹配性好，高。

　　

　　电路中的采样功率管与输m功率管参数成一定比例，采样电流经电阻Rl转换为采样电压，通过Ql基极镜像到Q2,调节Q2集电极电压，进而调节输出功率管的栅源电压达到控制输出电流大小的目的。通过比例电阻R2的电流会随着输出功率管栅压的变化而变化，保证采样功率管栅源电压与输出功率管栅源电压一致，从而达到采样电流。

　　偏置电流支路11、12即上面所述电流镜电路中逻辑开关控制的两电流支路，电流支路11偏置时，表示限流保护后输}H功率管稳定输出的电流为100 mA,电流支路Il、12同时偏置时，表示限流保护后输出功率管稳定输m的电流为390 mA,两路支路的控制由逻辑控制开关来完成。

　　3 电路分析

　　如图2所示，功率管M1、M2初始电压为零，由于PMOS共源共栅电流漏镜像，流过R3的电流为11.此电流对M2栅电容充电：powerG点充电后电位逐步上升。M2导通，电流逐步上升，分流管M1分流功率管电流13流向R1.设计时，取R2》R1,由于Q1、Q2完全匹配，所以流过Q2的电流几乎为零？随着powerG点电位上升，分流管M1的电流越来越大，A点电位逐渐抬高，Ql、Q2基极电位也跟随升高，于是流过R2电流逐步增加，功率管M2栅极充电电流减小。当V（A）=V（B）时，powerG电位不再上升，由于电阻R3=R2,M1管栅源电压等于功率管M2栅源电压，所以M1管采样功率管M2电流。若功率管电流继续增大，则V（B）同样增大，powerG点电压就会降低，限制功率管电流。所以为了保护功率管，防止浪涌损坏，IEEE802.3af规定充电时电流限制在100 mA,充电后正常T作时电流限制在390 mA.本电路的关键设计就在于确定R1、R2的关系值。因为V（A）=V（B）是电路的阈值翻转点，有：

　　

　　从上式可以看出，采样电流与共源共栅偏置电流成正比。可以利用此关系式得出，当把功率管M2电流限制在100 mA时，由于I1=10uA以得出R2/R1=500,终取R2约为500.

　　4 电路仿真

　　本设计电路仿真条件为外接一个40 kQ电阻，D点为后续电路的参考地，采用Hspice仿真工具进行仿真。电流镜电路在限流稳定输出时，电流支路1与电流支路2电流达到相等且稳定，如下图3所示。初始偏置电流为I1时，随电流的缓慢上升，当电流增大到标准规定的极，powerG点电压降低，V（A）=V（B）时，powerG点电压稳定，由M1、M2的比例关系得到输出功率管输出电流为106 mA,输出功率管以恒定电流输出，无浪涌电流产生，当输入电压继续增大时，D点电压增大，超过某一阀值，后续电路停止工作，如下图4所示；初始偏置电流为Il和I2时，随电流的缓慢上升，当电流增大到标准规定的极，powerG点电压降低，V（A）=V（B）时，powerG点电压稳定，由M1、M2的比例关系得到输出功率管输出电流为394 mA,输出功率管以恒定电流输出，当输入电压继续增大时，D点电压增大，超过某一阀值，后续电路停止工作，如下图5所示。

　　

　　5结束语

　　本文设计一种应用于PD的高限流保护调节电路，详细描述电路工作原理及各个器件的参数特性，并对电路进行仿真验证。本设计电路已用于流片生产的PD芯片中。该设计电路电流采样高，调节迅速，利用一个小功率管完成对整体电流的采样，采用负反馈技术限制功率管电流的大小，电路简单、适用，具有很高的实用价值。