線(xiàn)性穩壓器的短路保護電路解析

一個(gè)高可靠性的線(xiàn)性穩壓器通常需要有限流保護電路，以防止因負載短路或者過(guò)載對穩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(lèi)型。前者是指將輸出電流限定在最大值，該方法最大缺點(diǎn)是穩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(shí)也降低了輸出電流，其最大優(yōu)點(diǎn)是當過(guò)流情況發(fā)生時(shí)，消耗在功率管能量相對較小，但在負載短路時(shí)，大多數折返式限流型保護電路也沒(méi)有徹底關(guān)斷穩壓器，依然有電流流過(guò)，進(jìn)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(jìn)了一個(gè)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(guò)程和原理，同時(shí)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(shí)現電路如圖1所示，其中VMP是線(xiàn)性穩壓器的功率MOS管，R1、R2為穩壓器的反饋電阻;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(guò)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(kāi)關(guān)控制，正常工作時(shí)，VMp1的柵級電位(Vcon)為高電平，不會(huì )影響系統的正常工作，短路發(fā)生時(shí)，Vcon將為低電平，使功率管關(guān)斷。

1.1 工作原理的定性分析

當短路發(fā)生時(shí)，比較器的負輸入端電位(Vinm)為0 V;同時(shí)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點(diǎn)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(jìn)而關(guān)斷P功率管，實(shí)現短路保護。

實(shí)現短路保護后，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(shí)現保護電路的高可靠性。

同時(shí)當短路發(fā)生時(shí)(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(wǎng)絡(luò )充電，0UT端電壓升高，Vcon信號將變?yōu)楦唠娖?，電路自?dòng)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(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(shí)現短路保護。

當P功率管關(guān)斷后，ID0=O，晶體管Vcon將截止，此時(shí)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(lái)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，VM4工作在線(xiàn)性區，因此ID3>ID4，ID4=ID2。

因此選取

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

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

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

2 仿真結果與討論

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

圖3(a)所示曲線(xiàn)的仿真條件是輸出負載周期性地從0 Ω變化到5 Ω。仿真結果表明當輸出發(fā)生短路時(shí)(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(huì )消耗大量功耗，將加快器件的老化。

圖3(b)所示曲線(xiàn)的仿真條件與圖3(a)的條件一樣。仿真結果表明當輸出發(fā)生短路時(shí)(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(shí)表明系統具有自動(dòng)恢復的特點(diǎn)，即負載短路消除后，系統恢復正常工作。

3 結論

在限流電路的基礎上，設計改進(jìn)一個(gè)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(shí)系統損失的功耗。同時(shí)該電路具有以下特點(diǎn)：高可靠性、自動(dòng)恢復，即使地平面存在大量噪聲，當短路發(fā)生時(shí)，穩壓器的功率管截止，實(shí)現保護，而短路一旦消除，穩壓器的輸出將自動(dòng)恢復到正常狀態(tài)，有效地保護系統。在藍牙功率放大器電源管理電路中得到了很好應用。