一個高可靠性的線性穩(wěn)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(wěn)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(wěn)壓器內(nèi)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(yōu)點是當過流情況發(fā)生時,，消耗在功率管能量相對較小,，但在負載短路時,，大多數(shù)折返式限流型保護電路也沒有徹底關(guān)斷穩(wěn)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(chǔ)上,，設(shè)計改進了一個短路保護電路" title="短路保護電路">短路保護電路" title="短路保護電路">短路保護電路" title="短路保護電路">短路保護電路" title="短路保護電路">短路保護電路" title="短路保護電路">短路保護電路" title="短路保護電路">短路保護電路" title="短路保護電路">短路保護電路" title="短路保護電路">短路保護電路" title="短路保護電路">短路保護電路" title="短路保護電路">短路保護電路" title="短路保護電路">短路保護電路" title="短路保護電路">短路保護電路" title="短路保護電路">短路保護電路" title="短路保護電路">短路保護電路" title="短路保護電路">短路保護電路" title="短路保護電路">短路保護電路" title="短路保護電路">短路保護電路" title="短路保護電路">短路保護電路" title="短路保護電路">短路保護電路" title="短路保護電路">短路保護電路" title="短路保護電路">短路保護電路" title="短路保護電路">短路保護電路" title="短路保護電路">短路保護電路" title="短路保護電路">短路保護電路" title="短路保護電路">短路保護電路" title="短路保護電路">短路保護電路" title="短路保護電路">短路保護電路" title="短路保護電路">短路保護電路" title="短路保護電路">短路保護電路" 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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(xiàn)電路如圖1所示,，其中VMP是線性穩(wěn)壓器的功率MOS管，R1,、R2為穩(wěn)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(fù)制功率管的電流,，通過電阻R4轉(zhuǎn)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(gòu)成電流鏡電路,；晶體管VMp1完成對功率管VMP的開關(guān)控制,，正常工作時，VMp1的柵級電位(Vcon)為高電平,，不會影響系統(tǒng)的正常工作,，短路發(fā)生時，Vcon將為低電平,，使功率管關(guān)斷,。
1．1 工作原理的定性分析
當短路發(fā)生時，比較器的負輸入端電位(Vinm)為0 V,；同時VM1管將導(dǎo)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(jié)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(guān)斷P功率管，實現(xiàn)短路保護,。
實現(xiàn)短路保護后,，VM1管將關(guān)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(guān)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(tǒng)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(fā)生期間始終都能關(guān)斷P功率管,，實現(xiàn)保護電路的高可靠性。
同時當短路發(fā)生時(即Vcon信號為低電平),，VM7管正常工作,，VM5管將導(dǎo)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(lián)RC網(wǎng)絡(luò)充電，0UT端電壓升高,，Vcon信號將變?yōu)楦唠娖?，電路自動恢?fù)正常狀態(tài)。
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(guān)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(guān)斷P功率管，實現(xiàn)短路保護,。
當P功率管關(guān)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(wǎng)絡(luò),，只要保證Vmin_OD大于Vinm電壓(Vinm=VOUT=O),，P功率管將一直處于關(guān)閉狀態(tài)。
接下來將分析VM2,、VM3和VM4組成的網(wǎng)絡(luò)如何確保Vmin_OD大于0,。分析電路可知，VM2,、VM3工作在飽和區(qū),，VM4工作在線性區(qū)，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(wǎng)絡(luò)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(tǒng)規(guī)定的最大負載電流。要使系統(tǒng)能正常啟動,，IDM5必須滿足IDM5>VOUT／RL,，因此合理選取參數(shù)，就能正常啟動,。
2 仿真結(jié)果與討論
基于TSMC O．18μm CMOS工藝,，仿真結(jié)果如圖2～圖3所示。仿真結(jié)果表明輸出短路時，輸出電流為O,，P功率管被關(guān)斷,，實現(xiàn)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(jié)果表明當輸出發(fā)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(jié)果表明當輸出發(fā)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(guān)斷，同時表明系統(tǒng)具有自動恢復(fù)的特點,，即負載短路消除后,，系統(tǒng)恢復(fù)正常工作。
3 結(jié)論
在限流電路的基礎(chǔ)上,，設(shè)計改進一個短路保護電路,，確保在短路情況下，徹底關(guān)斷功率MOS管,，減少短路發(fā)生時系統(tǒng)損失的功耗,。同時該電路具有以下特點：高可靠性、自動恢復(fù),，即使地平面存在大量噪聲,，當短路發(fā)生時，穩(wěn)壓器的功率管截止,，實現(xiàn)保護,，而短路一旦消除，穩(wěn)壓器的輸出將自動恢復(fù)到正常狀態(tài),，有效地保護系統(tǒng),。在藍牙功率放大器電源管理電路中得到了很好應(yīng)用。