0 引言

    隨著便攜式電子產(chǎn)品的流行，低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)和開關(guān)型電壓調(diào)整器得到越來越廣泛的應(yīng)用,。開關(guān)型電壓調(diào)整器的效率很高,，通常可達(dá)到90%以上^[1],。但是,，由于開關(guān)型調(diào)整器需要用到電感,，導(dǎo)致它難以集成、成本增加,，還引入了電磁干擾(EMI),，而且開關(guān)型調(diào)整器的輸出紋波和噪聲比較大，不適用于對輸出電壓要求比較嚴(yán)格的場合,。與開關(guān)型電壓調(diào)整器相比,，LDO的優(yōu)點在于輸出電壓的紋波和噪聲小，而且占用的芯片面積也比開關(guān)型電壓調(diào)整器小^[2],。LDO的保護(hù)電路也是在設(shè)計中需要考慮的問題,。本文設(shè)計了可編程電流限保護(hù)電路，可編程電流限可以將過流時LDO的負(fù)載電流限制在一定范圍內(nèi),，避免過長時間的大電流對電路中的功率管造成損壞^[3],。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的限流保護(hù)電路會存在一些弊端，當(dāng)LDO工作在輸入輸出壓差較大的情況下,，若電流限值較大,，將直接導(dǎo)致功率管因長期工作在大負(fù)載條件下而燒毀芯片。在實際應(yīng)用中,，用來保護(hù)LDO不被過高電流損壞的高性能過流保護(hù)電路同樣是穩(wěn)壓器性能的主要指標(biāo)之一^[4],。

    本文針對寬范圍輸入－輸出的大功率LDO線性穩(wěn)壓器限流閾值無法可調(diào)的缺點，在傳統(tǒng)限流保護(hù)電路的基礎(chǔ)上進(jìn)一步改進(jìn),，提出了一種可編程電流限電路,，該電路采用TSMC 0.25 μm BCD工藝實現(xiàn)了可編程電流限值的調(diào)節(jié)，具有結(jié)構(gòu)簡單,、實用方便,、電流可精準(zhǔn)采樣的特點。

1 傳統(tǒng)限流保護(hù)電路分析

    LDO線性穩(wěn)壓器的傳統(tǒng)限流保護(hù)電路結(jié)構(gòu)如圖1所示^[5],。圖中,，功率管P1、誤差放大器EA和反饋電阻網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成LDO線性穩(wěn)壓器的反饋環(huán)路,，EA的反向端為帶隙基準(zhǔn)輸出的參考電壓V_REF,，同向端為經(jīng)過反饋網(wǎng)絡(luò)電阻的反饋電壓V_FB，輸出電壓根據(jù)電阻R₁和R₂進(jìn)行調(diào)節(jié)^[6],。

    其中,，A_EA為誤差放大器的閉環(huán)增益，A_PI為功率管P1的閉環(huán)增益,，β為

    限流保護(hù)的工作原理為：采樣管P2管按照比例鏡像功率管P1的電流,，如式(2)。

    鏡像電流I_P2經(jīng)過電阻R₃轉(zhuǎn)化為電壓比較器A1的反向端V1,，與固定電壓V2進(jìn)行比較來控制開關(guān)管P3的導(dǎo)通或者關(guān)斷,，從而控制功率管P1的柵端電壓,。當(dāng)流過功率管的電流I_P1較小時，V1<V2,，比較器A1輸出高電平,，P3管截止，LDO的輸出正常,；隨著流過功率管P1的電流逐漸增大,，使得V1>V2，導(dǎo)通開關(guān)管P3,，鉗位功率管P1的柵極電壓,，從而限制輸出電流。傳統(tǒng)的限流保護(hù)電路存在較多缺點,，該傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)需要將電流轉(zhuǎn)化為電壓再比較,，目前國內(nèi)工藝廠商的電阻精度較低且會占用較大的版圖面積，較低的電阻精度直接影響限流值大小,，從而導(dǎo)致電路工作在大功率下燒毀或者限制最大輸出電流而導(dǎo)致LDO無法正常工作,，且針對電流采樣并不精準(zhǔn)。

2 本文提出的可編程電流限保護(hù)電路

    針對傳統(tǒng)限流保護(hù)電路電流采樣不精準(zhǔn)和電流限閾值無法調(diào)節(jié)等缺點,，本文在傳統(tǒng)限流保護(hù)電路結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上設(shè)計了可編程電流限保護(hù)電路,。本設(shè)計的LDO最大帶載能力為3 A，該電流限電路可實現(xiàn)對功率管的精準(zhǔn)采樣,，并通過改變片外電阻的大小(8 kΩ~70 kΩ)來調(diào)整電流限值(0.2 A~4.5 A),，具體電路如圖2所示。

    采樣管P0管根據(jù)MOS管尺寸比例關(guān)系鏡像功率管P1管的輸出電流,，得到式(3)：

    P4~P6管和M1~M4管為串聯(lián)結(jié)構(gòu)電流鏡,，串聯(lián)PMOS管的作用是為了減小版圖制作過程中的復(fù)雜度和削弱管子的溝道長度調(diào)制效應(yīng)，通過增加MOS管的L值來減小溝道長度調(diào)制系數(shù)^[7],，從而實現(xiàn)了高PSRR,。同時，代替?zhèn)鹘y(tǒng)結(jié)構(gòu)的電壓比較器使兩個電流直接進(jìn)行比較,，實現(xiàn)對P2管的漏端即功率管柵端電壓的控制,。

    當(dāng)I_CS大于I_PCL時，M3和M4管工作在線性區(qū),，A點電壓小于V_THN,，導(dǎo)通P2管，使得功率管的柵極電壓鉗位為VCC,，功率管被強制關(guān)斷從而輸出電流變小,，起到了限流保護(hù)的作用^[8]；當(dāng)I_PCL大于I_CS,，P3和P4管工作在線性區(qū),，A點電壓大于VCC-｜V_THP｜，P2管處于截止?fàn)顟B(tài),，LDO正常工作,。

    其中，電阻R_PCL為可編程電流限的芯片外接電阻,，通過外設(shè)大小來改變電流限的值,，其范圍為8 kΩ～160 kΩ。V_REF為內(nèi)部基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生的0.6 V電壓,，V_OUT為LDO的輸出電壓,，V_FB為LDO的反饋電壓，P0為LDO的調(diào)整管,，P1為與P0管寬長比比例為1：54 000的采樣管,，此比例即式(3)中的CSR為5 400。

    運算放大器AMP1的同相端為采樣管P1的漏極,、反相端為LDO的輸出V_OUT,，根據(jù)運放的“虛短虛斷”原理，P1管的漏極電壓鉗位為V_OUT電壓,，使得P1管的三端電壓與功率管P0的三端電壓完全一致^[9],，以便得到精準(zhǔn)的鏡像采樣電流，實現(xiàn)調(diào)整管電流的1/54 000的采樣,。

    同樣的原理,，通過運算放大器AMP2使得端口PCL的電壓等于反饋電壓V_FB的值，在固定電壓下,，通過改變外接電阻R_PCL的大小實現(xiàn)電流限的可編程設(shè)置,，如式(4)：

    其中，本論文中V_REF=0.6 V,，CSR為電流采樣比例,，本文為56 000。

    在LDO工作在較大的輸入-輸出壓差下,，若電流限電流較大,，則容易因為功耗太大而損壞芯片，此時應(yīng)該增大電阻R_PCL來預(yù)防LDO工作在大功耗下燒毀芯片,；當(dāng)LDO工作在較小的輸入-輸出壓差下,，應(yīng)減小RPCL來增大電流限的閾值，從而避免大負(fù)載電流情況下的限流保護(hù)誤操作^[10],。通過對電流限的可編程設(shè)計,，可滿足電路在不同輸入-輸出配置下的正常工作。

3 仿真結(jié)果

    根據(jù)上述理論分析和設(shè)計過程描述，設(shè)計了一種應(yīng)用于LDO的可編程電流限電路,。以下是基于TSMC 0.25 μm BCD工藝,，對本文設(shè)計的電路進(jìn)行組合仿真，通過配置輸入電壓,、輸出電壓和片外電阻RPCL驗證本文的理論推斷,。

    在相同的輸入電壓(5.5 V)、相同的輸出電壓(1.8 V)情況下,，通過設(shè)置不同的R_PCL電阻值,，進(jìn)行負(fù)載變化的瞬態(tài)仿真，觀察可編程電流限值的變化,，仿真曲線如圖3所示,。

    仿真曲線圖3中，曲線1片外電阻R_PCL為10 kΩ,，可編程電流限為3.38 A,；曲線2片外電阻R_PCL為22.5 kΩ，可編程電流限為1.6 A,；曲線3片外電阻R_PCL為35 kΩ,，可編程電流限為1.06 A；曲線4片外電阻R_PCL為47.5 kΩ,，可編程電流限為758.6 mA,；曲線5片外電阻R_PCL為60 kΩ，可編程電流限為616.7 mA,。實現(xiàn)了在相同輸出下不同片外電阻R_PCL對電流限值可編程的設(shè)計,。

    在相同的輸入電壓(5.5 V)、相同的R_PCL電阻(10 kΩ)情況下,，通過設(shè)置不同的輸出電壓,，進(jìn)行負(fù)載變化的瞬態(tài)仿真，觀察可編程電流限值的變化,，仿真曲線如圖4所示,。

    仿真曲線圖4中，輸入電壓均為5.5 V,，片外電阻R_PCL為10 kΩ,，輸出分別在0.8 V、1.2 V,、1.8 V,、3.3 V和4.9 V情況下的電流限曲線，可以看出,，在不同輸出配置下,，電流限值均為3.4 A左右，符合本設(shè)計原理，在相同的R_PCL下可編程電流限值均相同,。

    在相同的輸出電壓(1.8 V),、相同的R_PCL電阻(10 kΩ)情況下，通過設(shè)置不同的輸入電壓,，進(jìn)行負(fù)載變化的瞬態(tài)仿真,，觀察可編程電流限值的變化，仿真曲線如圖5所示,。

    相同的R_PCL電阻值(10 kΩ)情況下，設(shè)置不同的輸入電壓,，曲線1的輸入電壓為5.0 V,、曲線2的輸入電壓為3.3 V、曲線3的輸入電壓為2.2 V,?？梢钥闯觯诓煌斎腚妷?、R_PCL保持固定值的情況下,，可編程電流限值均在3.4 A左右，符合設(shè)計原理,。

    在輸入電壓5.0 V,，輸出電壓配置為1.8 V情況下，通過調(diào)節(jié)可編程電流限電阻R_PCL的大小進(jìn)行仿真試驗,，得到可編程電流限和電阻R_PCL的對應(yīng)關(guān)系,，如圖6所示。

    將擬合曲線中的RPCL帶入式(5)中,，得到的理論結(jié)果與圖6中的仿真結(jié)果誤差范圍在10%以內(nèi),，可以較好地實現(xiàn)電流限的可編程。

    在輸入電壓2.5 V,、輸出電壓配置為1.8 V情況下,，輸出電壓隨負(fù)載的變化曲線如圖7所示。

    仿真曲線圖如圖7所示,，對本文所設(shè)計的LDO在TT工藝角下總體仿真,，仿真結(jié)果顯示負(fù)載電流在0~3 A范圍內(nèi)變化，LDO均可正常輸出,，且V_OUT的變化僅為70 μV左右,。

4 結(jié)論

    本文基于TSMC的0.25 μm BCD工藝，設(shè)計了一種應(yīng)用于LDO的可編程電流限電路,，有效地避免了傳統(tǒng)電流限保護(hù)電路限流值不可調(diào)的缺點,。本文的電流限值可以通過配置外部電阻R_PCL的大小來調(diào)整。在2 V~5.5 V的輸入電壓、1.2 V~5 V的輸出電壓范圍內(nèi),，實現(xiàn)了最大帶載能力3 A,，可編程電流限值可在0.2 A~4.5 A范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。仿真結(jié)果顯示,，本文設(shè)計的電流限電路實現(xiàn)了電流限閾值的可編程,，符合設(shè)計要求。

參考文獻(xiàn)

[1] 王佳,，魏廷存,，鄭然，等.應(yīng)用于PWM降壓DC-DC變換器的高性能誤差放大器[J].固體電子學(xué)研究與進(jìn)展,，2010,，30(1)：129-133.

[2] 劉明亮，明鑫,，歐春雪,，等.一種帶過溫保護(hù)和折返電流限的LDO設(shè)計[J].微電子學(xué)，2011,，41(3)：410-415.

[3] Socheat Heng,，TUNG W，PHAM C K.New design method of low power over current protection circuit for low dropout regulator[C].International Symposium on Vlsi Design,Automation and TEST,，2009：47-51.

[4] BERKHOUT M.Integrated overcurrent protection for class D power stages[C].IEEE 29th European Solid-State Circuits Conference,，2003：533-536.

[5] 楊利君，陳治明,，龔正,，等.一種帶保護(hù)電路的低功耗LDO[J].西安理工大學(xué)學(xué)報，2011,，27(3)：261-265.

[6] 王志杰,，施隆照，程凱.一種具有過溫與過流保護(hù)功能的LDO[J].微電子學(xué),，2015,，45(3)：311-314，319.

[7] Behzad Razavi.Design of analog CMOS integrated circuits[M].成都：西南交通大學(xué)出版社,，2008：22-23.

[8] 王憶,，何樂年.CMOS低壓差線性穩(wěn)壓器[M].北京：科學(xué)出版社，2012：219-220.

[9] 陳東坡,，何樂年,，嚴(yán)曉浪.高穩(wěn)定的LDO線性轉(zhuǎn)換器[J].中國集成電路，2011(6)：53-56.

[10] 田楠,，張國俊.一種帶過溫過流過壓保護(hù)的LDO設(shè)計[J].微電子學(xué)與計算機,，2013,，4(30)：139-142.

作者信息:

初  飛1，2,，宋奎鑫2,，趙元闖2，郭  威2,，馬  悅2,，孔  瀛2

（1.南京航空航天大學(xué) 經(jīng)濟與管理學(xué)院，江蘇 南京211106,；2.北京時代民芯科技有限公司,，北京100076）