一種新型過(guò)流保護電路設計

摘　要：與多數以“中斷”模式實(shí)現保護不同，文章提出了一種用于低壓差線(xiàn)性穩壓器（LDO）的過(guò)流保護電路設計新方案，通過(guò)“屏蔽電路”屏蔽過(guò)流信號，使LDO 不因過(guò)流信號干擾而中斷運行。為了防止屏蔽時(shí)間內的過(guò)大電流燒毀功率管，提供過(guò)大電流關(guān)斷電路，當屏蔽時(shí)間內負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)間可以根據需要設定。CSMC 0.5 μm BiCMOS 工藝Cadence spectre 仿真結果表明，改進(jìn)后的過(guò)流保護電路能有效屏蔽設定時(shí)間內的過(guò)流信號，擴大了正常工作區的范圍，保證了LDO 更高效安全地運行。

　　1 引言

　　低壓差線(xiàn)性穩壓器（Low-Dropout Vol t a geRegulator，LDO）具有結構簡(jiǎn)單、低噪聲、低功耗以及小封裝和較少的外圍應用器件等突出優(yōu)點(diǎn)，在便攜式電子產(chǎn)品（筆記本、數碼相機等）中得到廣泛應用。

　　近年來(lái)，關(guān)于LDO 的討論焦點(diǎn)幾乎都集中在提高LDO 系統性能上，比如穩定性、集成化設計和響應速度。文獻使用動(dòng)態(tài)頻率補償技術(shù)設計了一款任意負載范圍都穩定的LDO；文獻[3]對誤差放大器通過(guò)內部零極點(diǎn)補償使得LDO 在無(wú)需外接ESR 電容情況下就能保持穩定，實(shí)現SOC 應用；文獻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 的響應速度。在實(shí)際應用中，用來(lái)保護這些LDO 不被過(guò)高電流損壞的高性能過(guò)流保護電路同樣是穩壓器性能的主要指標之一。

　　近年來(lái)關(guān)于LDO 中過(guò)流保護電路的討論很少，有限的研究也只限于提高過(guò)流保護電路中感應電流的精度以及對過(guò)流保護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[9]從方便用戶(hù)的角度對過(guò)流保護電路進(jìn)行改進(jìn)，提出了可供用戶(hù)自己選擇關(guān)閉系統或者讓系統繼續工作的思路。該方案提供了一個(gè)過(guò)流檢測報警系統，由用戶(hù)決定系統是否繼續運行，但瞬時(shí)的大過(guò)流信號仍可能瞬間擊穿或燒毀功率管。

　　為了讓系統更高效地運行同時(shí)又能保證安全工作，我們提出了一種新型過(guò)流保護電路的設計方案，通過(guò)屏蔽電路屏蔽其過(guò)流幅值和持續作用時(shí)間在設定范圍內的過(guò)流信號，自動(dòng)保障系統繼續工作；而僅當過(guò)流信號的幅值和持續作用時(shí)間超過(guò)設定范圍時(shí)，系統才處于“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、電壓基準源、功率管、反饋環(huán)路、保護電路和負載電路構成?；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電壓Vre f 相比較，兩者的差值經(jīng)EA 放大后，控制串聯(lián)調整管的壓降，從而穩定輸出電壓。如果負載電流超過(guò)限制電流，功率管將在持續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)流幅值和持續作用時(shí)間。

　　傳統的過(guò)流保護電路由電流感應電路、比較電路以及輸出級組成，分為恒流式過(guò)流保護和折返式過(guò)流保護。傳統的過(guò)流保護電路采用的是“中斷”模式，對于任何過(guò)流情況，只要負載電流大于限制電流，都將使LDO 中斷運行。

　　當負載電流超過(guò)限制電流ILIMIT 不太多且持續作用時(shí)間不太長(cháng)時(shí)，我們希望過(guò)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(guò)流信號，對于過(guò)流幅值和持續作用時(shí)間超過(guò)范圍的過(guò)流信號，過(guò)流保護電路又能采取中斷LDO 工作的模式。傳統的“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Ⅰ和“中斷”區Ⅱ，當負載電流不超過(guò)ILIMIT 時(shí)，LDO 工作在正常工作區，當負載電流超過(guò)ILIMIT 時(shí)LDO 進(jìn)入“中斷”區。加入“屏蔽”模式后的過(guò)流保護電路工作狀態(tài)如圖1（b），分為正常工作區Ⅲ、屏蔽區Ⅳ以及中斷區Ⅴ，當負載電流小于ILIMIT 時(shí)，LDO 處于正常工作區，當過(guò)流信號的幅值在ILIMIT 和最大幅值電流IMAX 之間，持續作用時(shí)間在t=tMAX 之內即同時(shí)滿(mǎn)足ILIMIT ≤ ILOAD ≤ IMAX，t ≤tMAX 時(shí)，LDO 進(jìn)入屏蔽區，這個(gè)范圍之外的過(guò)流信號將進(jìn)入中斷區。對比圖1（a）和（b）可以看出，改進(jìn)過(guò)流保護電路后的LDO 的正常工作區包括圖1（b）的正常工作區Ⅲ和“屏蔽”區Ⅳ，增大了工作區的范圍，提高了LDO 的工作效率。

圖1 過(guò)流保護原理圖