一个高可靠性的短路保护电路设计及其应用

1、一个高可靠性的短路保护电路设计及其应用电子设计工程作者：罗志聪黄世震一个高可靠性的线性稳压器通常需要有限流保护电路，以防止因负载短路或者过载对稳压器造成永久性的损坏。限流保护通常有限流和折返式限流2种类型。前者是指将输出电流限定在最大值，该方法最大 缺点是稳压器内部损失的功耗很大，而后者是指在降低输出电压的同 时也降低了输出电流，其最大优点是当过流情况发生时，消耗在功率 管能量相对较小，但在负载短路时，大多数折返式限流型保护电路也 没有彻底关断稳压器，依然有电流流过，进而使功率MOST消耗能量， 加快器件的老化。针对上述情况，在限流型保护电路的基础上，设计 改进了一个短路保护电路，确保短路情况

2、下，关断功率MOST。本文分别定性和定量地分析了这种短路保护电路的工作过程和原理，同时给出基于TSMCO18v m CMO艺的Spectra仿真结果。1短路保护电路的工作原理高可靠性短路保护电路的实现电路如图1所示，其中VM理线性稳压 器的功率MO寤，R1、R2为稳压器的反馈电阻；VMO口VMPf是电流镜电路，VM第以一定的比例复制功率管的电流，通过电阻R4转化为检测电压；晶体管VM1完成电平移位功能，最后接入由VMVM12I? MO暗组成的比较器的正输入端(Vinp)，比较器的负输入端(Vinm)与 输出端(0UT)相连；VM13VM14组成二极管连接形式为负载的共源级 放大电路；VM1荷口

3、VMp1构成电流镜电路；晶体管VMp1完成对功率管VMP勺开关控制，正常工作时，VMp1的栅级电位(Vcon)为高电平，不 会影响系统的正常工作， 短路发生时，Vcon将为低电平，使功率管关 断。1. 1工作原理的定性分析当短路发生时，比较器的负输入端电位(Vinm)为0 V；同时VM1管将 导通，因此比较器的正输入端电位大于0 V,最终比较器的输出节点电位(Vcom)为高电平，在MOS VM13 VM14作用下，控制信号Vcon将为低电平，最终VM嗜的栅极电压将升局，进而关断P功率管，实现短路保护。实现短路保护后，VM1管将关断；VM刑VM4组成电流镜，晶体管VM2的作用是保证电路在短路期间

4、（VM1管关断），比较器正输入端的电压 始终高于比较器的负输入端电压（即使系统存在地平面噪声），从而使Vcon电压始终为低电平，确保电路在短路发生期间始终都能关断P功率管，实现保护电路的高可靠性。同时当短路发生时（即Vcon信号为低电平），VM7管正常工作，VM5管 将导通，有一定的电流流向0UT端；因此一旦短路消除（即0UT端接 有负载电阻） ，VM5管将对负载电容和负载电阻组成的并联RC网络充电，0UT端电压升高，Vcon信号将变为高电平，电路自动恢复正常状 态。1 . 2工作原理的定量分析由电路分析可知，比较器的正负输入端关系为：式3中基流过V*和乳的电流，匕对庖于K俄电 耳门颈是管的真

5、长比姑V.fT的拚潭电压.比较器输入端的Vinp，因此比较器输出信号Vcon为低电平，将关断P功率管，实现短路保护。当P功率管关断后，ID0=O,晶体管Vcon将截止，此时比较器Vinp输入端电压Vmin_O既决于晶体管VM2 VM3 VM4组成的网络，只要 保证Vmin_O水于Vinm电压(Vinm=VOUT=O,) P功率管将一直处于关 闭状态。接下来将分析VM2 VM驻口VM4组成的网络如何确保Vmin_O驮于0。分析电路可知，VM2 VM3工作在饱和区，VM4工作在线性区，因此ID3ID4 , ID4=ID2。%蓦KJ：微、-PJ因此选取，即可得到Vinp0。本文VM3的宽长比为VM2

6、的宽 长比的10倍，Vmin_OD=2 6 mV。当短路排除后，流过VM5的电流将对RC网络充电，过t秒后Vinm(0UT)端电压将大于Vmin_OD电路正常工作。其中充电时间为：EWf顽坦L)式中IDM5为VM5的漏电电流，RL=VOUTImax, CL为负载电容，其中Imax是系统规定的最大负载电流。要使系统能正常启动，IDM5必须满足IDM5VOUTRL,因此合理选取参数，就能正常启动。2仿真结果与讨论基于TSMGO. 18仕mCMOE艺，仿真结果如图2图3所示。仿真结果表 明输出短路时，输出电流为O, P功率管被关断，实现短路保护。图3(a)所示曲线的仿真条件是输出负载周期性地从0 Q变化到5 Q。仿真结果表明当输出发生短路时(即负载为0),输出电流被限制在最大电流值，这样功率MOSf会消耗大量功耗，将加快器件的老化。图3(b)所示曲线的仿真条件与图3(a)的条件一样。仿真结果表明当输出发生短路时(即负载为0),输出电流被限制为O,即功率MOSS被完全关 断，同时表明系统具有自动恢复的特点，即负载短路消除后，系统恢复正 常工作。3结论在限流电路的基础上，设计改进一个短路保护电路，确保在短路情况下， 彻底关断功率MOST,减少短路发生时系统损失的功耗。同时该电路具有 以下特点：高可靠性、自动恢复，即使地平面