線性穩(wěn)壓器的短路保護電路解析

一個高可靠性的線性穩(wěn)壓器通常需要有限流保護電路，以防止因負載短路或者過載對穩(wěn)壓器造成永久性的損壞。限流保護通常有限流和折返式限流2種類型。前者是指將輸出電流限定在最大值，該方法最大缺點是穩(wěn)壓器內(nèi)部損失的功耗很大，而后者是指在降低輸出電壓的同時也降低了輸出電流，其最大優(yōu)點是當(dāng)過流情況發(fā)生時，消耗在功率管能量相對較小，但在負載短路時，大多數(shù)折返式限流型保護電路也沒有徹底關(guān)斷穩(wěn)壓器，依然有電流流過，進而使功率MOS管消耗能量，加快器件的老化。針對上述情況，在限流型保護電路的基礎(chǔ)上，設(shè)計改進了一個短路保護電路，確保短路情況下，關(guān)斷功率MOS管。本文分別定性和定量地分析了這種短路保護電路的工作過程和原理，同時給出基于TSMCO.18μm CMOS工藝的Spectra仿真結(jié)果。

1 短路保護電路的工作原理

高可靠性短路保護電路的實現(xiàn)電路如圖1所示，其中VMP是線性穩(wěn)壓器的功率MOS管，R1、R2為穩(wěn)壓器的反饋電阻;VMO和VMP管是電流鏡電路，VMO管以一定的比例復(fù)制功率管的電流，通過電阻R4轉(zhuǎn)化為檢測電壓;晶體管VM1完成電平移位功能，最后接入由VM8～VM12等MOS管組成的比較器的正輸入端(Vinp)，比較器的負輸入端(Vinm)與輸出端(0UT)相連;VM13、VM14組成二極管連接形式為負載的共源級放大電路;VM14和VMp1構(gòu)成電流鏡電路;晶體管VMp1完成對功率管VMP的開關(guān)控制，正常工作時，VMp1的柵級電位(Vcon)為高電平，不會影響系統(tǒng)的正常工作，短路發(fā)生時，Vcon將為低電平，使功率管關(guān)斷。

1.1 工作原理的定性分析

當(dāng)短路發(fā)生時，比較器的負輸入端電位(Vinm)為0 V;同時VM1管將導(dǎo)通，因此比較器的正輸入端電位大于0 V，最終比較器的輸出節(jié)點電位(Vcom)為高電平，在MOS管VM13、VM14作用下，控制信號Vcon將為低電平，最終VMP管的柵極電壓將升高，進而關(guān)斷P功率管，實現(xiàn)短路保護。

實現(xiàn)短路保護后，VM1管將關(guān)斷;VM3和VM4組成電流鏡，晶體管VM2的作用是保證電路在短路期間(VM1管關(guān)斷)，比較器正輸入端的電壓始終高于比較器的負輸入端電壓(即使系統(tǒng)存在地平面噪聲)，從而使Vcon電壓始終為低電平，確保電路在短路發(fā)生期間始終都能關(guān)斷P功率管，實現(xiàn)保護電路的高可靠性。

同時當(dāng)短路發(fā)生時(即Vcon信號為低電平)，VM7管正常工作，VM5管將導(dǎo)通，有一定的電流流向0UT端;因此一旦短路消除(即0UT端接有負載電阻)，VM5管將對負載電容和負載電阻組成的并聯(lián)RC網(wǎng)絡(luò)充電，0UT端電壓升高，Vcon信號將變?yōu)楦唠娖?，電路自動恢?fù)正常狀態(tài)。

1.2 工作原理的定量分析

由電路分析可知，比較器的正負輸入端關(guān)系為：

比較器輸入端的Vinp，因此比較器輸出信號Vcon為低電平，將關(guān)斷P功率管，實現(xiàn)短路保護。

當(dāng)P功率管關(guān)斷后，ID0=O，晶體管Vcon將截止，此時比較器Vinp輸入端電壓Vmin_OD取決于晶體管VM2、VM3、VM4組成的網(wǎng)絡(luò)，只要保證Vmin_OD大于Vinm電壓(Vinm=VOUT=O)，P功率管將一直處于關(guān)閉狀態(tài)。

接下來將分析VM2、VM3和VM4組成的網(wǎng)絡(luò)如何確保Vmin_OD大于0。分析電路可知，VM2、VM3工作在飽和區(qū)，VM4工作在線性區(qū)，因此ID3>ID4，ID4=ID2。

因此選取

，即可得到Vinp>0。本文VM3的寬長比為VM2的寬長比的10倍，Vmin_OD=2.6 mV。

當(dāng)短路排除后，流過VM5的電流將對RC網(wǎng)絡(luò)充電，過t秒后Vinm(0UT)端電壓將大于Vmin_OD，電路正常工作。其中充電時間為：

式中IDM5為VM5的漏電電流，RL=VOUT/Imax，CL為負載電容，其中Imax是系統(tǒng)規(guī)定的最大負載電流。要使系統(tǒng)能正常啟動，IDM5必須滿足IDM5>VOUT/RL，因此合理選取參數(shù)，就能正常啟動。

2 仿真結(jié)果與討論

基于TSMC O.18μm CMOS工藝，仿真結(jié)果如圖2～圖3所示。仿真結(jié)果表明輸出短路時，輸出電流為O，P功率管被關(guān)斷，實現(xiàn)短路保護。

圖3(a)所示曲線的仿真條件是輸出負載周期性地從0 Ω變化到5 Ω。仿真結(jié)果表明當(dāng)輸出發(fā)生短路時(即負載為0)，輸出電流被限制在最大電流值，這樣功率MOS管會消耗大量功耗，將加快器件的老化。

圖3(b)所示曲線的仿真條件與圖3(a)的條件一樣。仿真結(jié)果表明當(dāng)輸出發(fā)生短路時(即負載為0)，輸出電流被限制為O，即功率MOS管被完全關(guān)斷，同時表明系統(tǒng)具有自動恢復(fù)的特點，即負載短路消除后，系統(tǒng)恢復(fù)正常工作。

3 結(jié)論

在限流電路的基礎(chǔ)上，設(shè)計改進一個短路保護電路，確保在短路情況下，徹底關(guān)斷功率MOS管，減少短路發(fā)生時系統(tǒng)損失的功耗。同時該電路具有以下特點：高可靠性、自動恢復(fù)，即使地平面存在大量噪聲，當(dāng)短路發(fā)生時，穩(wěn)壓器的功率管截止，實現(xiàn)保護，而短路一旦消除，穩(wěn)壓器的輸出將自動恢復(fù)到正常狀態(tài)，有效地保護系統(tǒng)。在藍牙功率放大器電源管理電路中得到了很好應(yīng)用。