一個高可靠性的短路保護電路設計及其應用

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上，設計改進了一個短路保護電路，確保短路情況下，關斷功率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管以一定的比例復制功率管的電流，通過電阻R4轉化為檢測電壓；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構成電流鏡電路；晶體管VMp1完成對功率管VMP的開關控制，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，使功率管關斷。

1．1 工作原理的定性分析
當短路發(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，進而關斷P功率管，實現(xiàn)短路保護。
實現(xiàn)短路保護后，VM1管將關斷；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)生期間始終都能關斷P功率管，實現(xiàn)保護電路的高可靠性。
同時當短路發(fā)生時(即Vcon信號為低電平)，VM7管正常工作，VM5管將導通，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網絡充電，0UT端電壓升高，Vcon信號將變?yōu)楦唠娖?，電路自動恢復正常狀態(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系為：