一种新型过流保护电路设计

1、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。CSMC0.5pmBiCMOS工艺Cadencespectre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-Dropou

2、tVoltageRegulator,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

3、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

4、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Vref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

5、”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

6、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ILIMITILOADIMAX，tVMAX)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

7、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

8、迟时间内的脉冲信号，保持宽脉冲信号；VCOUT为使能端，只要VCOUT为高电平，VCO立即变为低电平。瞬态响应6.0VrWTTOC o 1-5 h z、|I-*0Vijiii匚石二】$n，肓二占亠l.OyVco3.0V；:1i0Vw丄*下.二匚匸占占a,由*60VBO（n-LOV/s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33V、最大输出电流500mA、限制电流ILIMIT8oomA的LDO,使用CSMC0.5pmBiCMOS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tM

9、AX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

10、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7.0VKxjt3.0V：=0-0200(d)“屏蔽+中断18模式6.0V3.0V0+0VOViFtxrr(c)谒蔽尸模式3.0V:rLOV*Q_JZZ亠”4丄亠-亠上V巴-!400u600m800gI,0rr/s图5LDO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