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一种新型过流保护电路设计摘 要：与多数以“中断”模式实现保护不同，文章提出了一种用于低压差线性稳压器(LDO)的过流保护电路设计新方案，通过'屏蔽电路”屏蔽过流信号，使LDO不因过流信 号干扰而中断运行为了防止屏蔽时间内的过大电流烧毁功率管，提供过大电流关断电路, 当屏蔽时间内负载电流太大可能瞬间烧毁功率管时能及时关断功率管，保证功率管的安全 该电路的屏蔽时间可以根据需要设定CSMC 0.5 pm BiCMOS工艺Cadence spectre仿真 结果表明，改进后的过流保护电路能有效屏蔽设定时间内的过流信号，扩大了正常工作区的 范围，保证了 LDO更高效安全地运行1引言低压差线性稳压器(Low-Dropout Vol t a geRegulator, LDO)具有结构简单、低 噪声、低功耗以及小封装和较少的外围应用器件等突出优点，在便携式电子产品(笔记本、 数码相机等)中得到广泛应用近年来，关于LDO的讨论焦点几乎都集中在提咼LDO系统性能上，比如稳定性、 集成化设计和响应速度文献使用动态频率补偿技术设计了一款任意负载范围都稳定的 LDO；文献［3］对误差放大器通过内部零极点补偿使得LDO在无需外接ESR电容情况下就 能保持稳定，实现SOC应用；文献在误差放大器与功率管栅极之间通过连接一个单位增益 缓冲器提高LDO的响应速度。

在实际应用中，用来保护这些LDO不被过高电流损坏的高 性能过流保护电路同样是稳压器性能的主要指标之一近年来关于LDO中过流保护电路的讨论很少，有限的研究也只限于提高过流保 护电路中感应电流的精度以及对过流保护电路中输出电路的改进以减小过流时的功耗等但 它们都是以“中断”的模式工作文献［9］从方便用户的角度对过流保护电路进行改进，提出 了可供用户自己选择关闭系统或者让系统继续工作的思路该方案提供了一个过流检测报警 系统，由用户决定系统是否继续运行，但瞬时的大过流信号仍可能瞬间击穿或烧毁功率管为了让系统更高效地运行同时又能保证安全工作，我们提出了一种新型过流保护 电路的设计方案，通过屏蔽电路屏蔽其过流幅值和持续作用时间在设定范围内的过流信号, 自动保障系统继续工作；而仅当过流信号的幅值和持续作用时间超过设定范围时，系统才处 于“中断”状态，从而能使LDO更高效和安全地运行2 “屏蔽”模式工作原理LDO由误差放大器EA、电压基准源、功率管、反馈环路、保护电路和负载电路 构成基本电路取样电压VFB加在误差放大器EA的同相输入端，与加在反相输入端的基 准电压Vre f相比较，两者的差值经EA放大后，控制串联调整管的压降，从而稳定输出电 压。

如果负载电流超过限制电流，功率管将在持续大电流的作用下烧毁电路在过流作用下 的工作情况取决于功率管的承受能力，以及过流幅值和持续作用时间传统的过流保护电路由电流感应电路、比较电路以及输出级组成，分为恒流式过 流保护和折返式过流保护传统的过流保护电路采用的是“中断”模式，对于任何过流情况， 只要负载电流大于限制电流，都将使LDO中断运行当负载电流超过限制电流ILIMIT不太多且持续作用时间不太长时，我们希望过 流保护电路能保持LDO不中断工作，因此需要采用“屏蔽”模式屏蔽掉部分可以让LDO不 中断运行的过流信号，对于过流幅值和持续作用时间超过范围的过流信号，过流保护电路又 能采取中断LDO工作的模式传统的“中断”模式电流保护电路工作状态如图1 (a)所示， 分为正常工作区I和“中断”区II,当负载电流不超过ILIMIT时,LDO工作在正常工作区， 当负载电流超过ILIMIT时LDO进入“中断”区加入“屏蔽”模式后的过流保护电路工作状 态如图1(b),分为正常工作区III、屏蔽区W以及中断区V,当负载电流小于ILIMIT时， LDO处于正常工作区，当过流信号的幅值在ILIMIT和最大幅值电流IMAX之间，持续 作用时间在t=tMAX 之内即同时满足ILIMIT < ILOAD < IMAX，t

对比图1 (a)和(b)可以看出，改进过 流保护电路后的LDO的正常工作区包括图1(b)的正常工作区III和“屏蔽”区W,增大了工 作区的范围，提高了 LDO的工作效率区£n(a)(b)UMITI正常工作区m正常工作区图i过流保护原理图包含过流保护电路的LDO整体框图如图2所示，虚线左边是LDO主体电路，包括 误差放大器、功率管、负载电阻以及分压电阻虚线右边部分为电流保护电路，主要作用是 感应并检测负载电流是否超过限制电流，然后通过控制功率管来决定是否使LDO中断运行， 包括电流感应电路和控制电路传统的过流保护电路只采用图2中实框II所示的“中断”模 式(不包括虚框),对于任何负载过流情况，不论持续作用时间如何，都使LDO中断工作； 本文在传统的“中断”模式基础上，增加了“屏蔽”模式(如图2中虚框I),能有效屏蔽希望 LDO不中断工作的过流信号，使LDO更高效运行，同时保留“中断”模式，保证LDO安全 工作电PG-|nFB瞬蔽”模式中断”欖站基罐 电压图2带过流保护电路的LDO框图3 “屏蔽”模式电路实现图3是改进前后的过流保护电路图不加虚框部分是传统的“中断”模式过流保护 电路，由电流感应电路、比较电路以及输出级电路组成。

电流感应电路采样功率管电流采 样得到的电流和限制电流ILIMIT分别转化为比较器的两输入端电压VSENSE和VLIMIT 并进行比较，得到VCOVCO作用于输出级电路以控制功率管栅极电压如果负载过流， 过流保护电路使得功率管栅极电压PG为高电平，强行使LDO中断PG^TMIT延时甘汇M1IPG一输出级电路图3改进后的电流保护电路图如果我们在电路中加入图3虚框A区所示的电路结构，电路将变为“屏蔽”模式电 流保护屏蔽电路由延时电路、或非门构成比较器甲输出的信号VB1经过延时后得到VB2, VB1和VB2进行或非运算再经过一次反向后得到屏蔽电路的输出信号VBOUT由于逻辑或运算只能使同时为1的两个信号保持不变，因此，可以通过或非门和 反相器消除掉延迟时间内的脉冲信号在过流保护电路中增加屏蔽电路，则可屏蔽掉延迟时 间内的过流信号，但如果负载电流太大，可能瞬间烧毁功率管，因此需要相应的关断电路 当负载电流超过最大限制电流IMAX时，过流保护电路能不经过延迟直接关断LDO图3虚框B区电路能解决屏蔽时间内大电流可能导致功率管瞬间烧毁的问题，当 延迟时间内出现很大过流信号时，能及时关断功率管，保证系统安全。

关断电路由比较器乙 和NMOS开关管Ml组成当过流信号超过最大限制电流I MAX (此时VSE NSE>VMAX)时，比较器乙输出VCOUT为高电平导致开关管Ml导通，使得VCO强 行为低电平而不受屏蔽电路影响并同步关断LDO,保证功率管安全当过流电流不是太大 时，比较器输出电压VCOUT为低，开关管M1不导通，不影响屏蔽电路工作图3所示的改进电流保护电路能够实现图1 (b)所期望的“屏蔽”区工作模式负 载电流过流最大持续作用时间tMAX和最大过流幅值IMAX即为“屏蔽”区的时间和幅值边 界实际应用中，功率管能承受的热功耗和击穿电流是有限的最大持续作用时间tMAX由 功率管能承受的热功耗和散热性能决定，而功率管的最大击穿电流确定了过流的最大幅值 IMAX对于特定的应用需要，通过设定合理的屏蔽时间与最大过流幅值，能使LDO更 高效地运行屏蔽”模式的逻辑关系如图4所示，其中VB1和VCOUT分别为比较器甲和乙的 输出信号，VB1经过一个延迟时间后输出信号为VB2,屏蔽电路输出电压为VBOUT，VCO 为屏蔽电路的输出端VB1、VB2和VBOUT的波形反应了屏蔽电路的逻辑关系，只有当 VB1和VB2同时为高电平，VBOUT才为低电平，否则VBOUT 一直为高电平，因此屏蔽电路屏蔽了延迟时间内的脉冲信号，保持宽脉冲信号；VCOUT为使能端，只要VCOUT为n-L0VHft8j0氐 0V「SLOVUz0.07.0V Al高电平，VCO立即变为低电平。

6.0Vr^WTi7.0V3.0 V -LOV祥态响应图4 “屏蔽”电路逻辑关系图4电路仿真结果将上述设计原理应用于输入电压为5V、输出电压3・3V、最大输出电流500mA、 限制电流 ILIMIT 8oomA 的 LDO,使用 CSMC 0.5 pm BiCMOS 工艺 Cadencespectre 仿 真工具，分别对改进前后的过流保护电路进行仿真根据功率管特定的需要，设定延时电路 延迟时间tMAX为20卩s,最大幅值电流IMAX为3A图5中（a）曲线表示负载电流幅值和作用时间的关系，ILIMIT和IMAX分别 为限制电流和最大幅值电流图5中（b）、（c）和（d）曲线分别为采用传统“中断”模式、 “屏蔽”模式以及“屏蔽+中断”模式过流保护电路后LDO的输出电压波形图5 （b）表示“中断”模式在所有过流情况时都会关断LDO图5 （c）的“屏蔽” 模式能屏蔽tMAX内的过流信号，但同时也屏蔽了过流幅值超过IMAX的电流信号，只有 在过流持续作用时间大于tMAX时，LDO才被关断图5 （d）的“屏蔽+中断”模式下， 电路只在过流信号持续作用时间小于tMAX而且幅值不超过IMAX时屏蔽掉过流信号，对于其他超过ILIMIT的过流信号，都将中断LDO运行。

通过比较图5的(b)、(c)和(d) 曲线可以得到，相对于图5 (b)的“中断”模式，图5 (d)的“屏蔽+中断”模式扩大了工作 区范围，又比图5(c)的“屏蔽”模式保护电路更安全传统屏蔽电路都会在过流之后关断 LDO,我们希望在某些短时且小幅度过流信号下LDO仍能正常运行结果表明，设计后的 过流保护电路能达到预期效果，保证系统更高效安全地运行瞬态响应g.ovr3』V o.ovll—7,0VrKOUT 何鸭計模式3.0V: I r ] QY 『 — (d) ^屏蔽+中tsr模式7.0VF Kxjt3.0V! I0V I ■ • ■ ■上斗■盒0-0 200图5 LDO整体电路的瞬态响应5结论在传统的只采取“中断”模式的过流保护电路基础上，本文提出了一种新型过流保 护电路设计方案，通过增加“屏蔽”模式，能有效屏蔽在设定最大过流幅值IMAX和最大持 续作用时间tMAX内的过流信号，而不影响其他过流情况的关断通过CSMCo.5^m BiCMOS工艺、Cadence spectre仿真，结果表明，改进后的过流保护电路能有效屏蔽过流 幅值和持续作用时间在设定范围内的过流信号，增加了正常工作区的范围，使LDO更高效 运行，同时保留“中断”模式，保证LDO安全工作。