摘要：在POE（Power Over Ethernet）系統(tǒng)的終端受電設(shè)備中，限流保護(hù)調(diào)節(jié)電路保證了其穩(wěn)定可靠工作。根據(jù)IEEE802.3af標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，受電設(shè)備開(kāi)關(guān)電源啟動(dòng)到正常工作的過(guò)程中，電流要限制在1 00 mA以內(nèi)，在正常工作情況下電流要限制在390 mA以下。本設(shè)計(jì)通過(guò)柵源比例電阻使采樣功率管柵源電壓與輸出功率管的柵源電壓保持一致，采樣功率管采樣輸出功率管的電流值，采樣電流經(jīng)柵源比例電阻轉(zhuǎn)換為電壓后，調(diào)節(jié)輸出功率管柵源電壓，來(lái)完成PD（Power Device）限流保護(hù)。

　　1 引言

　　2003年6月頒布的IEEE802.3af標(biāo)準(zhǔn)，定義在以太網(wǎng)線上傳輸數(shù)據(jù)信息的同時(shí)可以傳輸直流電能，這項(xiàng)技術(shù)的開(kāi)發(fā)為以太網(wǎng)開(kāi)辟了全新的應(yīng)用領(lǐng)域。以太網(wǎng)供電系統(tǒng)包括兩部分供電設(shè)備（PSE）和受電設(shè)備（PD）。供電設(shè)備負(fù)責(zé)將電源注入以太網(wǎng)并負(fù)責(zé)對(duì)受電設(shè)備檢測(cè)、功率分級(jí)、端口上電及斷電檢測(cè)，在分級(jí)結(jié)束到PD開(kāi)關(guān)電源開(kāi)始工作過(guò)程中，由于旁路微法級(jí)電容的接入，會(huì)導(dǎo)致浪涌電流的產(chǎn)生，無(wú)限制的大電流將會(huì)導(dǎo)致端口電壓迅速下降，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使PD關(guān)斷，從而造成PD在接通與關(guān)斷之間來(lái)回切換，影響工作的穩(wěn)定性。為了保證上電過(guò)程中對(duì)充電電容的穩(wěn)定充電，并確保啟動(dòng)電路穩(wěn)定上升，IEEE802.3af規(guī)定此時(shí)電流限制在100 mA以內(nèi)12131.當(dāng)PD開(kāi)關(guān)電源正常工作后，還需要保證穩(wěn)定后的功率管電流限制在390 mA以下，否則在一定時(shí)間內(nèi)PSE會(huì)自動(dòng)斷掉供電系統(tǒng)。目前國(guó)外常用的電流限制電路的結(jié)構(gòu)是對(duì)輸出功率管并聯(lián)一個(gè)小的采樣管，且源極接一低阻值的負(fù)載電阻來(lái)完成電流采樣，由于并聯(lián)功率管柵源電壓未完全相等，使得采樣電流準(zhǔn)確度不高，限流不穩(wěn)定。同時(shí)在兩種限流轉(zhuǎn)換時(shí)，需要兩種邏輯判斷，電路復(fù)雜。

　　2高限流電路設(shè)計(jì)

　　為了解決現(xiàn)有技術(shù)對(duì)功率管采樣電路不高、限流邏輯控制雙重調(diào)節(jié)復(fù)雜的缺陷，本設(shè)計(jì)提供一種具備電流采樣高、電流可調(diào)節(jié)的限流保護(hù)電路。

　　本設(shè)計(jì)電路中包括電流鏡模塊、輸出功率管、采樣功率管、柵源比例電阻、兩路偏置電流及邏輯開(kāi)關(guān)。

　　本新型高功率管限流保護(hù)調(diào)節(jié)電路中，如下圖1所示模塊為電流鏡模塊，該模塊的主要作用是使兩電流支路在輸出功率管穩(wěn)定輸出時(shí)電流相等且穩(wěn)定。

　　如下圖2所示，采樣功率管與輸出功率管都采用P溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管，組成共柵共源漏電流電路，作為由兩個(gè)NPN三極管組成放大器的有源負(fù)載。兩個(gè)三極管Ql、Q2基極連接在一起，且Ql基極與集電極連接在一起構(gòu)成二極管形式。柵源比例電阻，其中低阻值電阻Rl一端接在Q1發(fā)射極，另一端接地，另一電阻R3分別接在采樣管MI和輸出功率管M2柵極之間，電阻R2接在Q2發(fā)射極與地之間。電阻R1、R2、R3采用摻雜的多晶硅電阻，這樣電阻匹配性好，高。

　　電路中的采樣功率管與輸m功率管參數(shù)成一定比例，采樣電流經(jīng)電阻Rl轉(zhuǎn)換為采樣電壓，通過(guò)Ql基極鏡像到Q2,調(diào)節(jié)Q2集電極電壓，進(jìn)而調(diào)節(jié)輸出功率管的柵源電壓達(dá)到控制輸出電流大小的目的。通過(guò)比例電阻R2的電流會(huì)隨著輸出功率管柵壓的變化而變化，保證采樣功率管柵源電壓與輸出功率管柵源電壓一致，從而達(dá)到采樣電流。

　　偏置電流支路11、12即上面所述電流鏡電路中邏輯開(kāi)關(guān)控制的兩電流支路，電流支路11偏置時(shí)，表示限流保護(hù)后輸}H功率管穩(wěn)定輸出的電流為100 mA,電流支路Il、12同時(shí)偏置時(shí)，表示限流保護(hù)后輸出功率管穩(wěn)定輸m的電流為390 mA,兩路支路的控制由邏輯控制開(kāi)關(guān)來(lái)完成。

　　3 電路分析

　　如圖2所示，功率管M1、M2初始電壓為零，由于PMOS共源共柵電流漏鏡像，流過(guò)R3的電流為11.此電流對(duì)M2柵電容充電：powerG點(diǎn)充電后電位逐步上升。M2導(dǎo)通，電流逐步上升，分流管M1分流功率管電流13流向R1.設(shè)計(jì)時(shí)，取R2》R1,由于Q1、Q2完全匹配，所以流過(guò)Q2的電流幾乎為零？隨著powerG點(diǎn)電位上升，分流管M1的電流越來(lái)越大，A點(diǎn)電位逐漸抬高，Ql、Q2基極電位也跟隨升高，于是流過(guò)R2電流逐步增加，功率管M2柵極充電電流減小。當(dāng)V（A）=V（B）時(shí)，powerG電位不再上升，由于電阻R3=R2,M1管柵源電壓等于功率管M2柵源電壓，所以M1管采樣功率管M2電流。若功率管電流繼續(xù)增大，則V（B）同樣增大，powerG點(diǎn)電壓就會(huì)降低，限制功率管電流。所以為了保護(hù)功率管，防止浪涌損壞，IEEE802.3af規(guī)定充電時(shí)電流限制在100 mA,充電后正常T作時(shí)電流限制在390 mA.本電路的關(guān)鍵設(shè)計(jì)就在于確定R1、R2的關(guān)系值。因?yàn)閂（A）=V（B）是電路的閾值翻轉(zhuǎn)點(diǎn)，有：

　　從上式可以看出，采樣電流與共源共柵偏置電流成正比。可以利用此關(guān)系式得出，當(dāng)把功率管M2電流限制在100 mA時(shí)，由于I1=10uA以得出R2/R1=500,終取R2約為500.

　　4 電路仿真

　　本設(shè)計(jì)電路仿真條件為外接一個(gè)40 kQ電阻，D點(diǎn)為后續(xù)電路的參考地，采用Hspice仿真工具進(jìn)行仿真。電流鏡電路在限流穩(wěn)定輸出時(shí)，電流支路1與電流支路2電流達(dá)到相等且穩(wěn)定，如下圖3所示。初始偏置電流為I1時(shí)，隨電流的緩慢上升，當(dāng)電流增大到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的極，powerG點(diǎn)電壓降低，V（A）=V（B）時(shí)，powerG點(diǎn)電壓穩(wěn)定，由M1、M2的比例關(guān)系得到輸出功率管輸出電流為106 mA,輸出功率管以恒定電流輸出，無(wú)浪涌電流產(chǎn)生，當(dāng)輸入電壓繼續(xù)增大時(shí)，D點(diǎn)電壓增大，超過(guò)某一閥值，后續(xù)電路停止工作，如下圖4所示；初始偏置電流為Il和I2時(shí)，隨電流的緩慢上升，當(dāng)電流增大到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的極，powerG點(diǎn)電壓降低，V（A）=V（B）時(shí)，powerG點(diǎn)電壓穩(wěn)定，由M1、M2的比例關(guān)系得到輸出功率管輸出電流為394 mA,輸出功率管以恒定電流輸出，當(dāng)輸入電壓繼續(xù)增大時(shí)，D點(diǎn)電壓增大，超過(guò)某一閥值，后續(xù)電路停止工作，如下圖5所示。

　　5結(jié)束語(yǔ)

　　本文設(shè)計(jì)一種應(yīng)用于PD的高限流保護(hù)調(diào)節(jié)電路，詳細(xì)描述電路工作原理及各個(gè)器件的參數(shù)特性，并對(duì)電路進(jìn)行仿真驗(yàn)證。本設(shè)計(jì)電路已用于流片生產(chǎn)的PD芯片中。該設(shè)計(jì)電路電流采樣高，調(diào)節(jié)迅速，利用一個(gè)小功率管完成對(duì)整體電流的采樣，采用負(fù)反饋技術(shù)限制功率管電流的大小，電路簡(jiǎn)單、適用，具有很高的實(shí)用價(jià)值。