一種新型過(guò)流保護(hù)電路設(shè)計(jì)

摘　要：與多數(shù)以“中斷”模式實(shí)現(xiàn)保護(hù)不同，文章提出了一種用于低壓差線(xiàn)性穩(wěn)壓器（LDO）的過(guò)流保護(hù)電路設(shè)計(jì)新方案，通過(guò)“屏蔽電路”屏蔽過(guò)流信號(hào)，使LDO 不因過(guò)流信號(hào)干擾而中斷運(yùn)行。為了防止屏蔽時(shí)間內(nèi)的過(guò)大電流燒毀功率管，提供過(guò)大電流關(guān)斷電路，當(dāng)屏蔽時(shí)間內(nèi)負(fù)載電流太大可能瞬間燒毀功率管時(shí)能及時(shí)關(guān)斷功率管，保證功率管的安全。該電路的屏蔽時(shí)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(jìn)后的過(guò)流保護(hù)電路能有效屏蔽設(shè)定時(shí)間內(nèi)的過(guò)流信號(hào)，擴(kuò)大了正常工作區(qū)的范圍，保證了LDO 更高效安全地運(yùn)行。

　　1 引言

　　低壓差線(xiàn)性穩(wěn)壓器（Low-Dropout Vol t a geRegulator，LDO）具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(diǎn)，在便攜式電子產(chǎn)品（筆記本、數(shù)碼相機(jī)等）中得到廣泛應(yīng)用。

　　近年來(lái)，關(guān)于LDO 的討論焦點(diǎn)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(jì)和響應(yīng)速度。文獻(xiàn)使用動(dòng)態(tài)頻率補(bǔ)償技術(shù)設(shè)計(jì)了一款任意負(fù)載范圍都穩(wěn)定的LDO；文獻(xiàn)[3]對(duì)誤差放大器通過(guò)內(nèi)部零極點(diǎn)補(bǔ)償使得LDO 在無(wú)需外接ESR 電容情況下就能保持穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)SOC 應(yīng)用；文獻(xiàn)在誤差放大器與功率管柵極之間通過(guò)連接一個(gè)單位增益緩沖器提高LDO 的響應(yīng)速度。在實(shí)際應(yīng)用中，用來(lái)保護(hù)這些LDO 不被過(guò)高電流損壞的高性能過(guò)流保護(hù)電路同樣是穩(wěn)壓器性能的主要指標(biāo)之一。

　　近年來(lái)關(guān)于LDO 中過(guò)流保護(hù)電路的討論很少，有限的研究也只限于提高過(guò)流保護(hù)電路中感應(yīng)電流的精度以及對(duì)過(guò)流保護(hù)電路中輸出電路的改進(jìn)以減小過(guò)流時(shí)的功耗等。但它們都是以“中斷”的模式工作。文獻(xiàn)[9]從方便用戶(hù)的角度對(duì)過(guò)流保護(hù)電路進(jìn)行改進(jìn)，提出了可供用戶(hù)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(gè)過(guò)流檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)，由用戶(hù)決定系統(tǒng)是否繼續(xù)運(yùn)行，但瞬時(shí)的大過(guò)流信號(hào)仍可能瞬間擊穿或燒毀功率管。

　　為了讓系統(tǒng)更高效地運(yùn)行同時(shí)又能保證安全工作，我們提出了一種新型過(guò)流保護(hù)電路的設(shè)計(jì)方案，通過(guò)屏蔽電路屏蔽其過(guò)流幅值和持續(xù)作用時(shí)間在設(shè)定范圍內(nèi)的過(guò)流信號(hào)，自動(dòng)保障系統(tǒng)繼續(xù)工作；而僅當(dāng)過(guò)流信號(hào)的幅值和持續(xù)作用時(shí)間超過(guò)設(shè)定范圍時(shí)，系統(tǒng)才處于“中斷”狀態(tài)，從而能使LDO 更高效和安全地運(yùn)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(hù)電路和負(fù)載電路構(gòu)成。基本電路取樣電壓VFB 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(fù)載電流超過(guò)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(guò)流作用下的工作情況取決于功率管的承受能力，以及過(guò)流幅值和持續(xù)作用時(shí)間。

　　傳統(tǒng)的過(guò)流保護(hù)電路由電流感應(yīng)電路、比較電路以及輸出級(jí)組成，分為恒流式過(guò)流保護(hù)和折返式過(guò)流保護(hù)。傳統(tǒng)的過(guò)流保護(hù)電路采用的是“中斷”模式，對(duì)于任何過(guò)流情況，只要負(fù)載電流大于限制電流，都將使LDO 中斷運(yùn)行。

　　當(dāng)負(fù)載電流超過(guò)限制電流ILIMIT 不太多且持續(xù)作用時(shí)間不太長(zhǎng)時(shí)，我們希望過(guò)流保護(hù)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(yùn)行的過(guò)流信號(hào)，對(duì)于過(guò)流幅值和持續(xù)作用時(shí)間超過(guò)范圍的過(guò)流信號(hào)，過(guò)流保護(hù)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(hù)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(fù)載電流不超過(guò)ILIMIT 時(shí)，LDO 工作在正常工作區(qū)，當(dāng)負(fù)載電流超過(guò)ILIMIT 時(shí)LDO 進(jìn)入“中斷”區(qū)。加入“屏蔽”模式后的過(guò)流保護(hù)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(fù)載電流小于ILIMIT 時(shí)，LDO 處于正常工作區(qū)，當(dāng)過(guò)流信號(hào)的幅值在ILIMIT 和最大幅值電流IMAX 之間，持續(xù)作用時(shí)間在t=tMAX 之內(nèi)即同時(shí)滿(mǎn)足ILIMIT ≤ ILOAD ≤ IMAX，t ≤tMAX 時(shí)，LDO 進(jìn)入屏蔽區(qū)，這個(gè)范圍之外的過(guò)流信號(hào)將進(jìn)入中斷區(qū)。對(duì)比圖1（a）和（b）可以看出，改進(jìn)過(guò)流保護(hù)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(guò)流保護(hù)原理圖