線性穩壓器的短路保護電路解析

一個高可靠性的線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種類型。前者是指將輸出電流限定在最大值，該方法最大缺點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也降低了輸出電流，其最大優點是當過流情況發生時，消耗在功率管能量相對較小，但在負載短路時，大多數折返式限流型保護電路也沒有徹底關斷穩壓器，依然有電流流過，進而使功率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，設計改進了一個短路保護電路，確保短路情況下，關斷功率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程和原理，同時給出基于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現電路如圖1所示，其中VMP是線性穩壓器的功率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的開關控制，正常工作時，VMp1的柵級電位(Vcon)為高電平，不會影響系統的正常工作，短路發生時，Vcon將為低電平，使功率管關斷。

1.1 工作原理的定性分析

當短路發生時，比較器的負輸入端電位(Vinm)為0 V;同時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，進而關斷P功率管，實現短路保護。

實現短路保護后，VM1管將關斷;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，確保電路在短路發生期間始終都能關斷P功率管，實現保護電路的高可靠性。

同時當短路發生時(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RC網絡充電，0UT端電壓升高，Vcon信號將變為高電平，電路自動恢復正常狀態。

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，將關斷P功率管，實現短路保護。

當P功率管關斷后，ID0=O，晶體管Vcon將截止，此時比較器Vinp輸入端電壓Vmin_OD取決于晶體管VM2、VM3、VM4組成的網絡，只要保證Vmin_OD大于Vinm電壓(Vinm=VOUT=O)，P功率管將一直處于關閉狀態。

接下來將分析VM2、VM3和VM4組成的網絡如何確保Vmin_OD大于0。分析電路可知，VM2、VM3工作在飽和區，VM4工作在線性區，因此ID3>ID4，ID4=ID2。

因此選取

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

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

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，IDM5必須滿足IDM5>VOUT/RL，因此合理選取參數，就能正常啟動。

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，輸出電流為O，P功率管被關斷，實現短路保護。

圖3(a)所示曲線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生短路時(即負載為0)，輸出電流被限制在最大電流值，這樣功率MOS管會消耗大量功耗，將加快器件的老化。

圖3(b)所示曲線的仿真條件與圖3(a)的條件一樣。仿真結果表明當輸出發生短路時(即負載為0)，輸出電流被限制為O，即功率MOS管被完全關斷，同時表明系統具有自動恢復的特點，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，設計改進一個短路保護電路，確保在短路情況下，徹底關斷功率MOS管，減少短路發生時系統損失的功耗。同時該電路具有以下特點：高可靠性、自動恢復，即使地平面存在大量噪聲，當短路發生時，穩壓器的功率管截止，實現保護，而短路一旦消除，穩壓器的輸出將自動恢復到正常狀態，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。