一種新型過流保護電路設(shè)計

摘　要：與多數(shù)以“中斷”模式實現(xiàn)保護不同，文章提出了一種用于低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO）的過流保護電路設(shè)計新方案，通過“屏蔽電路”屏蔽過流信號，使LDO 不因過流信號干擾而中斷運行。為了防止屏蔽時間內(nèi)的過大電流燒毀功率管，提供過大電流關(guān)斷電路，當(dāng)屏蔽時間內(nèi)負載電流太大可能瞬間燒毀功率管時能及時關(guān)斷功率管，保證功率管的安全。該電路的屏蔽時間可以根據(jù)需要設(shè)定。CSMC 0.5 μm BiCMOS 工藝Cadence spectre 仿真結(jié)果表明，改進后的過流保護電路能有效屏蔽設(shè)定時間內(nèi)的過流信號，擴大了正常工作區(qū)的范圍，保證了LDO 更高效安全地運行。

　　1 引言

　　低壓差線性穩(wěn)壓器（Low-Dropout Vol t a geRegulator，LDO）具有結(jié)構(gòu)簡單、低噪聲、低功耗以及小封裝和較少的外圍應(yīng)用器件等突出優(yōu)點，在便攜式電子產(chǎn)品（筆記本、數(shù)碼相機等）中得到廣泛應(yīng)用。

　　近年來，關(guān)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(shè)計和響應(yīng)速度。文獻使用動態(tài)頻率補償技術(shù)設(shè)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(nèi)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(yīng)用；文獻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(yīng)速度。在實際應(yīng)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(biāo)之一。

　　近年來關(guān)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(yīng)電流的精度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(guān)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(shè)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(shè)定范圍內(nèi)的過流信號，自動保障系統(tǒng)繼續(xù)工作；而僅當(dāng)過流信號的幅值和持續(xù)作用時間超過設(shè)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(zhǔn)源、功率管、反饋環(huán)路、保護電路和負載電路構(gòu)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(zhǔn)電壓Vre f 相比較，兩者的差值經(jīng)EA 放大后，控制串聯(lián)調(diào)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(yīng)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(dāng)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(dāng)負載電流不超過ILIMIT 時，LDO 工作在正常工作區(qū)，當(dāng)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(dāng)負載電流小于ILIMIT 時，LDO 處于正常工作區(qū)，當(dāng)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(nèi)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。

圖1 過流保護原理圖