一个高可靠性的短路保护电路设计及其应用
一个高可靠性的短路保护电路设计及其应用
电子设计工程 作 者：罗志聪 黄世震
一个高可靠性的线性稳压器通常需要有限流保护电路，以防止因负载短路或者过载对稳压器造成永久性的损坏。限流保护通常有限流和折返式限流2种类型。前者是指将输出电流限定在最大值，该方法最大缺点是稳压器内部损失的功耗很大，而后者是指在降低输出电压的同时也降低了输出电流，其最大优点是当过流情况发生时，消耗在功率管能量相对较小，但在负载短路时，大多数折返式限流型保护电路也没有彻底关断稳压器，依然有电流流过，进而使功率MOS 管消耗能量，加快器件的老化。针对上述情况，在限流型保护电路的基础上，设计改进了一个短路保护电路，确保短路情况下，关断功率MOS 管。本文分别定性和定量地分析了这种短路保护电路的工作过程和原理，同时给出基于TSMCO ．18μm CMOS工艺的Spectra 仿真结果。
1 短路保护电路的工作原理
高可靠性短路保护电路的实现电路如图1所示，其中VMP 是线性稳压器的功率MOS 管，R1、R2为稳压器的反馈电阻；VMO 和VMP 管是电流
镜电路，VMO 管以一定的比例复制功率管的电流，通过电阻R4转化为检测电压；晶体管VM1完成电平移位功能，最后接入由VM8～VM12等MOS 管组成的比较器的正输入端(Vinp)，比较器的负输入端(Vinm)与输出端(0UT)相连；VM13、VM14组成二极管连接形式为负载的共源级放大电路；VM14和VMp1构成电流镜电路；晶体管VMp1完成对功率管VMP 的开关控制，正常工作时，VMp1的栅级电位(Vcon)为高电平，不会影响系统的正常工作，短路发生时，Vcon 将为低电平，使功率管关断。
1．1 工作原理的定性分析
当短路发生时，比较器的负输入端电位(Vinm)为0 V；同时VM1管将导通，因此比较器的正输入端电位大于0 V，最终比较器的输出节点电位(Vcom)为高电平，在MOS 管VM13、VM14作用下，控制信号Vcon 将为低电平，最终VMP 管的栅极电压将升高，进而关断P 功率管，实
现短路保护。
实现短路保护后，VM1管将关断；VM3和VM4组成电流镜，晶体管VM2的作用是保证电路在短路期间(VM1管关断) ，比较器正输入端的电压始终高于比较器的负输入端电压(即使系统存在地平面噪声) ，从而使Vcon 电压始终为低电平，确保电路在短路发生期间始终都能关断P 功率管，实现保护电路的高可靠性。
同时当短路发生时(即Vcon 信号为低电平) ，VM7管正常工作，VM5管将导通，有一定的电流流向0UT 端；因此一旦短路消除(即0UT 端接有负载电阻) ，VM5管将对负载电容和负载电阻组成的并联RC 网络充电，0UT 端电压升高，Vcon 信号将变为高电平，电路自动恢复正常状态。
1．2 工作原理的定量分析
由电路分析可知，比较器的正负输入端关系为：
比较器输入端的Vinp ，因此比较器输出信号Vcon 为低电平，将关断P 功率管，实现短路保护。
当P 功率管关断后，ID0=O，晶体管Vcon 将截止，此时比较器Vinp 输入端电压Vmin_OD取决于晶体管VM2、VM3、VM4组成的网络，只要保证Vmin_OD大于Vinm 电压(Vinm=VOUT=O)，P 功率管将一直处于关闭状态。
接下来将分析VM2、VM3和VM4组成的网络如何确保Vmin_OD大于0。分析电路可知，VM2、VM3工作在饱和区，VM4工作在线性区，因此ID3>ID4，ID4=ID2。
因此选取，即可得到Vinp>0。本文VM3的宽长比为VM2的宽长比的10倍，Vmin_OD=2．6 mV。
当短路排除后，流过VM5的电流将对RC 网络充电，过t 秒后Vinm(0UT)端电压将大于Vmin_OD，电路正常工作。其中充电时间为：
式中IDM5为VM5的漏电电流，RL=VOUT／Imax ，CL 为负载电容，其中Imax 是系统规定的最大负载电流。要使系统能正常启动，IDM5必须满足IDM5>VOUT／RL ，因此合理选取参数，就能正常启动。
2 仿真结果与讨论
基于TSMC O ．18μm CMOS 工艺，仿真结果如图2～图3所示。仿真结果表明输出短路时，输出电流为O ，P 功率管被关断，实现短路保护。
图3(a)所示曲线的仿真条件是输出负载周期性地从0 Ω变化到5 Ω。仿真结果表明当输出发生短路时(即负载为0) ，输出电流被限制在最大电流值，这样功率MOS 管会消耗大量功耗，将加快器件的老化。
图3(b)所示曲线的仿真条件与图3(a)的条件一样。仿真结果表明当输出发生短路时(即负载为0) ，输出电流被限制为O ，即功率MOS 管被完全关断，同时表明系统具有自动恢复的特点，即负载短路消除后，系统恢复正常工作。
3 结论
在限流电路的基础上，设计改进一个短路保护电路，确保在短路情况下，彻底关断功率MOS 管，减少短路发生时系统损失的功耗。同时该电路具有以下特点：高可靠性、自动恢复，即使地平面存在大量噪声，当短路发生
时，稳压器的功率管截止，实现保护，而短路一旦消除，稳压器的输出将自动恢复到正常状态，有效地保护系统。在蓝牙功率放大器电源管理电路中得到了很好应用。