《電子技術(shù)應(yīng)用》
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一個(gè)高可靠性的短路保護(hù)電路設(shè)計(jì)及其應(yīng)用
羅志聰 黃世震
摘要: 針對(duì)負(fù)載短路或過(guò)載都會(huì)對(duì)線性穩(wěn)壓器造成性能不穩(wěn)定或損壞。在限流型保護(hù)電路的基礎(chǔ)上,,采用TSMC0.18μm,,設(shè)計(jì)并驗(yàn)證了一個(gè)高可靠性的短路保護(hù)電路,。該短路保護(hù)電路采用電流鏡電路按一定比例復(fù)制整流管電流,,再通過(guò)采樣電阻轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的電壓,最后通過(guò)反饋電路實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)功能,。ADS仿真結(jié)果表明,,即使地平面存在大量噪聲,只要發(fā)生負(fù)載短路,,就能有效地關(guān)斷線性穩(wěn)壓器,,并可靠地維持其關(guān)斷的狀態(tài)。當(dāng)負(fù)載短路消除后,,系統(tǒng)將自動(dòng)恢復(fù)到正常工作狀態(tài),。
Abstract:
Key words :

一個(gè)高可靠性的線性穩(wěn)壓器通常需要有限流保護(hù)電路,以防止因負(fù)載短路或者過(guò)載對(duì)穩(wěn)壓器造成永久性的損壞,。限流保護(hù)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(diǎn)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(shí)也降低了輸出電流,,其最大優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)過(guò)流情況發(fā)生時(shí),消耗在功率管能量相對(duì)較小,,但在負(fù)載短路時(shí),,大多數(shù)折返式限流型保護(hù)電路也沒(méi)有徹底關(guān)斷穩(wěn)壓器,依然有電流流過(guò),,進(jìn)而使功率MOS管消耗能量,,加快器件的老化。針對(duì)上述情況,,在限流型保護(hù)電路的基礎(chǔ)上,,設(shè)計(jì)改進(jìn)了一個(gè)短路保護(hù)電路" title="短路保護(hù)電路">短路保護(hù)電路" title="短路保護(hù)電路">短路保護(hù)電路" title="短路保護(hù)電路">短路保護(hù)電路" title="短路保護(hù)電路">短路保護(hù)電路" title="短路保護(hù)電路">短路保護(hù)電路" title="短路保護(hù)電路">短路保護(hù)電路" title="短路保護(hù)電路">短路保護(hù)電路" title="短路保護(hù)電路">短路保護(hù)電路" title="短路保護(hù)電路">短路保護(hù)電路" title="短路保護(hù)電路">短路保護(hù)電路" title="短路保護(hù)電路">短路保護(hù)電路" title="短路保護(hù)電路">短路保護(hù)電路" title="短路保護(hù)電路">短路保護(hù)電路" title="短路保護(hù)電路">短路保護(hù)電路" title="短路保護(hù)電路">短路保護(hù)電路" title="短路保護(hù)電路">短路保護(hù)電路" title="短路保護(hù)電路">短路保護(hù)電路" title="短路保護(hù)電路">短路保護(hù)電路" 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title="短路保護(hù)電路">短路保護(hù)電路" title="短路保護(hù)電路">短路保護(hù)電路" title="短路保護(hù)電路">短路保護(hù)電路" title="短路保護(hù)電路">短路保護(hù)電路" title="短路保護(hù)電路">短路保護(hù)電路" title="短路保護(hù)電路">短路保護(hù)電路" title="短路保護(hù)電路">短路保護(hù)電路" title="短路保護(hù)電路">短路保護(hù)電路" title="短路保護(hù)電路">短路保護(hù)電路" title="短路保護(hù)電路">短路保護(hù)電路" title="短路保護(hù)電路">短路保護(hù)電路" title="短路保護(hù)電路">短路保護(hù)電路" title="短路保護(hù)電路">短路保護(hù)電路" title="短路保護(hù)電路">短路保護(hù)電路" title="短路保護(hù)電路">短路保護(hù)電路" title="短路保護(hù)電路">短路保護(hù)電路" title="短路保護(hù)電路">短路保護(hù)電路" title="短路保護(hù)電路">短路保護(hù)電路" title="短路保護(hù)電路">短路保護(hù)電路" title="短路保護(hù)電路">短路保護(hù)電路" title="短路保護(hù)電路">短路保護(hù)電路" title="短路保護(hù)電路">短路保護(hù)電路" title="短路保護(hù)電路">短路保護(hù)電路" title="短路保護(hù)電路">短路保護(hù)電路" title="短路保護(hù)電路">短路保護(hù)電路" title="短路保護(hù)電路">短路保護(hù)電路" title="短路保護(hù)電路">短路保護(hù)電路" title="短路保護(hù)電路">短路保護(hù)電路" title="短路保護(hù)電路">短路保護(hù)電路" title="短路保護(hù)電路">短路保護(hù)電路" title="短路保護(hù)電路">短路保護(hù)電路" title="短路保護(hù)電路">短路保護(hù)電路" title="短路保護(hù)電路">短路保護(hù)電路" title="短路保護(hù)電路">短路保護(hù)電路" title="短路保護(hù)電路">短路保護(hù)電路" title="短路保護(hù)電路">短路保護(hù)電路" title="短路保護(hù)電路">短路保護(hù)電路" title="短路保護(hù)電路">短路保護(hù)電路" title="短路保護(hù)電路">短路保護(hù)電路">短路保護(hù)電路,確保短路情況下,,關(guān)斷功率MOS管,。本文分別定性和定量地分析了這種短路保護(hù)電路的工作過(guò)程和原理,同時(shí)給出基于TSMCO.18μm CMOS工藝的Spectra仿真結(jié)果,。

1 短路保護(hù)電路的工作原理
    高可靠性短路保護(hù)電路的實(shí)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(guò)電阻R4轉(zhuǎn)化為檢測(cè)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(fù)輸入端(Vinm)與輸出端(0UT)相連,;VM13,、VM14組成二極管連接形式為負(fù)載的共源級(jí)放大電路;VM14和VMp1構(gòu)成電流鏡電路,;晶體管VMp1完成對(duì)功率管VMP的開關(guān)控制,,正常工作時(shí),VMp1的柵級(jí)電位(Vcon)為高電平,,不會(huì)影響系統(tǒng)的正常工作,,短路發(fā)生時(shí),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(dāng)短路發(fā)生時(shí),比較器的負(fù)輸入端電位(Vinm)為0 V,;同時(shí)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(diǎn)電位(Vcom)為高電平,,在MOS管VM13,、VM14作用下,控制信號(hào)Vcon將為低電平,,最終VMP管的柵極電壓將升高,,進(jìn)而關(guān)斷P功率管,實(shí)現(xiàn)短路保護(hù),。
    實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)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(fù)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(shí)現(xiàn)保護(hù)電路的高可靠性,。
    同時(shí)當(dāng)短路發(fā)生時(shí)(即Vcon信號(hào)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(fù)載電阻),,VM5管將對(duì)負(fù)載電容和負(fù)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(hào)將變?yōu)楦唠娖?,電路自?dòng)恢復(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(fù)輸入端關(guān)系為:

比較器輸入端的Vinp,,因此比較器輸出信號(hào)Vcon為低電平,將關(guān)斷P功率管,,實(shí)現(xiàn)短路保護(hù),。
    當(dāng)P功率管關(guān)斷后,ID0=O,,晶體管Vcon將截止,,此時(shí)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(lái)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(zhǎng)比為VM2的寬長(zhǎng)比的10倍,Vmin_OD=2.6 mV,。
    當(dāng)短路排除后,,流過(guò)VM5的電流將對(duì)RC網(wǎng)絡(luò)充電,過(guò)t秒后Vinm(0UT)端電壓將大于Vmin_OD,,電路正常工作,。其中充電時(shí)間為:
   
    式中IDM5為VM5的漏電電流,RL=VOUT/Imax,,CL為負(fù)載電容,,其中Imax是系統(tǒng)規(guī)定的最大負(fù)載電流,。要使系統(tǒng)能正常啟動(dòng),IDM5必須滿足IDM5>VOUT/RL,,因此合理選取參數(shù),,就能正常啟動(dòng)。

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(shí),輸出電流為O,,P功率管被關(guān)斷,,實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)。
圖3(a)所示曲線的仿真條件是輸出負(fù)載周期性地從0 Ω變化到5 Ω,。仿真結(jié)果表明當(dāng)輸出發(fā)生短路時(shí)(即負(fù)載為0),,輸出電流被限制在最大電流值,這樣功率MOS管會(huì)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(dāng)輸出發(fā)生短路時(shí)(即負(fù)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(shí)表明系統(tǒng)具有自動(dòng)恢復(fù)的特點(diǎn),,即負(fù)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(jì)改進(jìn)一個(gè)短路保護(hù)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(shí)系統(tǒng)損失的功耗,。同時(shí)該電路具有以下特點(diǎn):高可靠性、自動(dòng)恢復(fù),,即使地平面存在大量噪聲,,當(dāng)短路發(fā)生時(shí),穩(wěn)壓器的功率管截止,,實(shí)現(xiàn)保護(hù),,而短路一旦消除,穩(wěn)壓器的輸出將自動(dòng)恢復(fù)到正常狀態(tài),,有效地保護(hù)系統(tǒng),。在藍(lán)牙功率放大器電源管理電路中得到了很好應(yīng)用。

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