一種新型過流保護電路設計

王小龍，陳 暢，龔 敏

（四川大學物理科學與技術學院微電子技術四川省重點實驗室，成都 610064）

1 引言

低壓差線性穩(wěn)壓器（Low-Dropout Voltage Regulator，LDO）具有結構簡單、低噪聲、低功耗以及小封裝和較少的外圍應用器件等突出優(yōu)點，在便攜式電子產品（筆記本、數(shù)碼相機等）中得到廣泛應用[1]。

近年來，關于LDO的討論焦點幾乎都集中在提高LDO系統(tǒng)性能上，比如穩(wěn)定性、集成化設計和響應速度。文獻[2]使用動態(tài)頻率補償技術設計了一款任意負載范圍都穩(wěn)定的LDO；文獻[3]對誤差放大器通過內部零極點補償使得LDO在無需外接ESR電容情況下就能保持穩(wěn)定，實現(xiàn)SOC應用；文獻[4]在誤差放大器與功率管柵極之間通過連接一個單位增益緩沖器提高LDO的響應速度。在實際應用中，用來保護這些LDO不被過高電流損壞的高性能過流保護電路同樣是穩(wěn)壓器性能的主要指標之一[5]。

近年來關于LDO中過流保護電路的討論很少，有限的研究也只限于提高過流保護電路中感應電流的精度[6，7]以及對過流保護電路中輸出電路的改進以減小過流時的功耗[8]等。但它們都是以“中斷”的模式工作。文獻[9]從方便用戶的角度對過流保護電路進行改進，提出了可供用戶自己選擇關閉系統(tǒng)或者讓系統(tǒng)繼續(xù)工作的思路。該方案提供了一個過流檢測報警系統(tǒng)，由用戶決定系統(tǒng)是否繼續(xù)運行，但瞬時的大過流信號仍可能瞬間擊穿或燒毀功率管。

為了讓系統(tǒng)更高效地運行同時又能保證安全工作，我們提出了一種新型過流保護電路的設計方案，通過屏蔽電路屏蔽其過流幅值和持續(xù)作用時間在設定范圍內的過流信號，自動保障系統(tǒng)繼續(xù)工作；而僅當過流信號的幅值和持續(xù)作用時間超過設定范圍時，系統(tǒng)才處于“中斷”狀態(tài)，從而能使LDO更高效和安全地運行。

2 “屏蔽”模式工作原理

LDO由誤差放大器EA、電壓基準源、功率管、反饋環(huán)路、保護電路和負載電路構成?；倦娐啡与妷篤FB加在誤差放大器EA的同相輸入端，與加在反相輸入端的基準電壓Vref相比較，兩者的差值經EA放大后，控制串聯(lián)調整管的壓降，從而穩(wěn)定輸出電壓。如果負載電流超過限制電流，功率管將在持續(xù)大電流的作用下燒毀。電路在過流作用下的工作情況取決于功率管的承受能力，以及過流幅值和持續(xù)作用時間。

傳統(tǒng)的過流保護電路由電流感應電路、比較電路以及輸出級組成，分為恒流式過流保護和折返式過流保護。傳統(tǒng)的過流保護電路采用的是“中斷”模式，對于任何過流情況，只要負載電流大于限制電流，都將使LDO中斷運行。

當負載電流超過限制電流ILIMIT不太多且持續(xù)作用時間不太長時，我們希望過流保護電路能保持LDO不中斷工作，因此需要采用“屏蔽”模式屏蔽掉部分可以讓LDO不中斷運行的過流信號，對于過流幅值和持續(xù)作用時間超過范圍的過流信號，過流保護電路又能采取中斷LDO工作的模式。傳統(tǒng)的“中斷”模式電流保護電路工作狀態(tài)如圖1（a）所示，分為正常工作區(qū)Ⅰ和“中斷”區(qū)Ⅱ，當負載電流不超過ILIMIT時，LDO工作在正常工作區(qū)，當負載電流超過ILIMIT時LDO進入“中斷”區(qū)。加入“屏蔽”模式后的過流保護電路工作狀態(tài)如圖1（b），分為正常工作區(qū)Ⅲ、屏蔽區(qū)Ⅳ以及中斷區(qū)Ⅴ，當負載電流小于ILIMIT時，LDO處于正常工作區(qū)，當過流信號的幅值在ILIMIT和最大幅值電流IMAX之間，持續(xù)作用時間在t=tMAX之內即同時滿足ILIMIT≤ILOAD≤IMAX，t≤tMAX時，LDO進入屏蔽區(qū)，這個范圍之外的過流信號將進入中斷區(qū)。對比圖1（a）和（b）可以看出，改進過流保護電路后的LDO的正常工作區(qū)包括圖1（b）的正常工作區(qū)Ⅲ和“屏蔽”區(qū)Ⅳ，增大了工作區(qū)的范圍，提高了LDO的工作效率。

包含過流保護電路的LDO整體框圖如圖2所示，虛線左邊是LDO主體電路，包括誤差放大器、功率管、負載電阻以及分壓電阻。虛線右邊部分為電流保護電路，主要作用是感應并檢測負載電流是否超過限制電流，然后通過控制功率管來決定是否使LDO中斷運行，包括電流感應電路和控制電路。傳統(tǒng)的過流保護電路只采用圖2中實框Ⅱ所示的“中斷”模式（不包括虛框），對于任何負載過流情況，不論持續(xù)作用時間如何，都使LDO中斷工作；本文在傳統(tǒng)的“中斷”模式基礎上，增加了“屏蔽”模式（如圖2中虛框Ⅰ），能有效屏蔽希望LDO不中斷工作的過流信號，使LDO更高效運行，同時保留“中斷”模式，保證LDO安全工作。

3 “屏蔽”模式電路實現(xiàn)

圖3是改進前后的過流保護電路圖。不加虛框部分是傳統(tǒng)的“中斷”模式過流保護電路，由電流感應電路、比較電路以及輸出級電路組成。電流感應電路采樣功率管電流。采樣得到的電流和限制電流ILIMIT分別轉化為比較器的兩輸入端電壓VSENSE和VLIMIT并進行比較，得到VCO。VCO作用于輸出級電路以控制功率管柵極電壓。如果負載過流，過流保護電路使得功率管柵極電壓PG為高電平，強行使LDO中斷。

如果我們在電路中加入圖3虛框A區(qū)所示的電路結構，電路將變?yōu)椤捌帘巍蹦Ｊ诫娏鞅Ｗo。屏蔽電路由延時電路、或非門構成。比較器甲輸出的信號VB1經過延時后得到VB2，VB1和VB2進行或非運算再經過一次反向后得到屏蔽電路的輸出信號VBOUT。由于邏輯或運算只能使同時為1的兩個信號保持不變，因此，可以通過或非門和反相器消除掉延遲時間內的脈沖信號。在過流保護電路中增加屏蔽電路，則可屏蔽掉延遲時間內的過流信號，但如果負載電流太大，可能瞬間燒毀功率管，因此需要相應的關斷電路。當負載電流超過最大限制電流IMAX時，過流保護電路能不經過延遲直接關斷LDO。

圖3虛框B區(qū)電路能解決屏蔽時間內大電流可能導致功率管瞬間燒毀的問題，當延遲時間內出現(xiàn)很大過流信號時，能及時關斷功率管，保證系統(tǒng)安全。關斷電路由比較器乙和NMOS開關管M1組成。當過流信號超過最大限制電流IMAX（此時VSENSE＞VMAX）時，比較器乙輸出VCOUT為高電平導致開關管M1導通，使得VCO強行為低電平而不受屏蔽電路影響并同步關斷LDO，保證功率管安全。當過流電流不是太大時，比較器輸出電壓VCOUT為低，開關管M1不導通，不影響屏蔽電路工作。

圖3所示的改進電流保護電路能夠實現(xiàn)圖1（b）所期望的“屏蔽”區(qū)工作模式。負載電流過流最大持續(xù)作用時間tMAX和最大過流幅值IMAX即為“屏蔽”區(qū)的時間和幅值邊界。實際應用中，功率管能承受的熱功耗和擊穿電流是有限的。最大持續(xù)作用時間tMAX由功率管能承受的熱功耗和散熱性能決定，而功率管的最大擊穿電流確定了過流的最大幅值IMAX。對于特定的應用需要，通過設定合理的屏蔽時間與最大過流幅值，能使LDO更高效地運行。

“屏蔽”模式的邏輯關系如圖4所示，其中VB1和VCOUT分別為比較器甲和乙的輸出信號，VB1經過一個延遲時間后輸出信號為VB2，屏蔽電路輸出電壓為VBOUT，VCO為屏蔽電路的輸出端。VB1、VB2和VBOUT的波形反應了屏蔽電路的邏輯關系，只有當VB1和VB2同時為高電平，VBOUT才為低電平，否則VBOUT一直為高電平，因此屏蔽電路屏蔽了延遲時間內的脈沖信號，保持寬脈沖信號；VCOUT為使能端，只要VCOUT為高電平，VCO立即變?yōu)榈碗娖健?/p>

4 電路仿真結果

將上述設計原理應用于輸入電壓為5V、輸出電壓3.3V、最大輸出電流500mA、限制電流ILIMIT800mA的LDO，使用CSMC 0.5μm BiCMOS工藝Cadence spectre仿真工具，分別對改進前后的過流保護電路進行仿真。根據功率管特定的需要，設定延時電路延遲時間tMAX為20 μs，最大幅值電流IMAX為3A。

圖5中（a）曲線表示負載電流幅值和作用時間的關系，ILIMIT和IMAX分別為限制電流和最大幅值電流。圖5中（b）、（c）和（d）曲線分別為采用傳統(tǒng)“中斷”模式、“屏蔽”模式以及“屏蔽+中斷”模式過流保護電路后LDO的輸出電壓波形。

圖5（b）表示“中斷”模式在所有過流情況時都會關斷LDO。圖5（c）的“屏蔽”模式能屏蔽tMAX內的過流信號，但同時也屏蔽了過流幅值超過IMAX的電流信號，只有在過流持續(xù)作用時間大于tMAX時，LDO才被關斷。圖5（d）的“屏蔽+中斷”模式下，電路只在過流信號持續(xù)作用時間小于tMAX而且幅值不超過IMAX時屏蔽掉過流信號，對于其他超過ILIMIT的過流信號，都將中斷LDO運行。通過比較圖5的（b）、（c）和（d）曲線可以得到，相對于圖5（b）的“中斷”模式，圖5（d）的“屏蔽+中斷”模式擴大了工作區(qū)范圍，又比圖5（c）的“屏蔽”模式保護電路更安全。傳統(tǒng)屏蔽電路都會在過流之后關斷LDO，我們希望在某些短時且小幅度過流信號下LDO仍能正常運行。結果表明，設計后的過流保護電路能達到預期效果，保證系統(tǒng)更高效安全地運行。

5 結論

在傳統(tǒng)的只采取“中斷”模式的過流保護電路基礎上，本文提出了一種新型過流保護電路設計方案，通過增加“屏蔽”模式，能有效屏蔽在設定最大過流幅值IMAX和最大持續(xù)作用時間tMAX內的過流信號，而不影響其他過流情況的關斷。通過CSMC 0.5μm BiCMOS工藝、Cadence spectre仿真，結果表明，改進后的過流保護電路能有效屏蔽過流幅值和持續(xù)作用時間在設定范圍內的過流信號，增加了正常工作區(qū)的范圍，使LDO更高效運行，同時保留“中斷”模式，保證LDO安全工作。

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