中心議題：

• 屏蔽模式工作原理
• 屏蔽模式電路實現(xiàn)和仿真結(jié)果

解決方案：

• 過流保護電路設(shè)計

低壓差線性穩(wěn)壓器（Low-Dropout Vol t a geRegulator，LDO）具有結(jié)構(gòu)簡單、低噪聲、低功耗以及小封裝和較少的外圍應(yīng)用器件等突出優(yōu)點，在便攜式電子產(chǎn)品（筆記本、數(shù)碼相機等）中得到廣泛應(yīng)用。

為了讓系統(tǒng)更高效地運行同時又能保證安全工作，我們提出了一種新型過流保護電路的設(shè)計方案，通過屏蔽電路屏蔽其過流幅值和持續(xù)作用時間在設(shè)定范圍內(nèi)的過流信號，自動保障系統(tǒng)繼續(xù)工作；而僅當過流信號的幅值和持續(xù)作用時間超過設(shè)定范圍時，系統(tǒng)才處于“中斷”狀態(tài)，從而能使LDO 更高效和安全地運行。

1 “屏蔽”模式工作原理

LDO 由誤差放大器EA、電壓基準源、功率管、反饋環(huán)路、保護電路和負載電路構(gòu)成?；倦娐啡与妷篤FB 加在誤差放大器EA 的同相輸入端，與加在反相輸入端的基準電壓Vre f 相比較，兩者的差值經(jīng)EA 放大后，控制串聯(lián)調(diào)整管的壓降，從而穩(wěn)定輸出電壓。如果負載電流超過限制電流，功率管將在持續(xù)大電流的作用下燒毀。電路在過流作用下的工作情況取決于功率管的承受能力，以及過流幅值和持續(xù)作用時間。

傳統(tǒng)的過流保護電路由電流感應(yīng)電路、比較電路以及輸出級組成，分為恒流式過流保護和折返式過流保護。傳統(tǒng)的過流保護電路采用的是“中斷”模式，對于任何過流情況，只要負載電流大于限制電流，都將使LDO 中斷運行。

當負載電流超過限制電流ILIMIT 不太多且持續(xù)作用時間不太長時，我們希望過流保護電路能保持LDO 不中斷工作，因此需要采用“屏蔽”模式屏蔽掉部分可以讓LDO 不中斷運行的過流信號，對于過流幅值和持續(xù)作用時間超過范圍的過流信號，過流保護電路又能采取中斷LDO 工作的模式。傳統(tǒng)的“中斷”模式電流保護電路工作狀態(tài)如圖1（a）所示，分為正常工作區(qū)Ⅰ和“中斷”區(qū)Ⅱ，當負載電流不超過ILIMIT 時，LDO 工作在正常工作區(qū)，當負載電流超過ILIMIT 時LDO 進入“中斷”區(qū)。加入“屏蔽”模式后的過流保護電路工作狀態(tài)如圖1（b），分為正常工作區(qū)Ⅲ、屏蔽區(qū)Ⅳ以及中斷區(qū)Ⅴ，當負載電流小于ILIMIT 時，LDO 處于正常工作區(qū)，當過流信號的幅值在ILIMIT 和最大幅值電流IMAX 之間，持續(xù)作用時間在t=tMAX 之內(nèi)即同時滿足ILIMIT ≤ ILOAD ≤ IMAX，t ≤tMAX 時，LDO 進入屏蔽區(qū)，這個范圍之外的過流信號將進入中斷區(qū)。對比圖1（a）和（b）可以看出，改進過流保護電路后的LDO 的正常工作區(qū)包括圖1（b）的正常工作區(qū)Ⅲ和“屏蔽”區(qū)Ⅳ，增大了工作區(qū)的范圍，提高了LDO 的工作效率。

圖1 過流保護原理圖

包含過流保護電路的LDO整體框圖如圖2所示，虛線左邊是LDO 主體電路，包括誤差放大器、功率管、負載電阻以及分壓電阻。虛線右邊部分為電流保護電路，主要作用是感應(yīng)并檢測負載電流是否超過限制電流，然后通過控制功率管來決定是否使LDO 中斷運行，包括電流感應(yīng)電路和控制電路。傳統(tǒng)的過流保護電路只采用圖2 中實框Ⅱ所示的“中斷”模式（不包括虛框），對于任何負載過流情況，不論持續(xù)作用時間如何，都使LDO 中斷工作；本文在傳統(tǒng)的“中斷”模式基礎(chǔ)上，增加了“屏蔽”模式（如圖2 中虛框Ⅰ），能有效屏蔽希望LDO不中斷工作的過流信號，使LDO更高效運行，同時保留“中斷”模式，保證LDO 安全工作。

圖2 帶過流保護電路的 LDO 框圖

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2 “屏蔽”模式電路實現(xiàn)

圖3 是改進前后的過流保護電路圖。不加虛框部分是傳統(tǒng)的“中斷”模式過流保護電路，由電流感應(yīng)電路、比較電路以及輸出級電路組成。電流感應(yīng)電路采樣功率管電流。采樣得到的電流和限制電流I_LIMIT 分別轉(zhuǎn)化為比較器的兩輸入端電壓V_SENSE 和V_LIMIT 并進行比較，得到VCO。VCO作用于輸出級電路以控制功率管柵極電壓。如果負載過流，過流保護電路使得功率管柵極電壓PG 為高電平，強行使LDO中斷。

圖3 改進后的電流保護電路圖

如果我們在電路中加入圖3 虛框A 區(qū)所示的電路結(jié)構(gòu)，電路將變?yōu)?ldquo;屏蔽”模式電流保護。屏蔽電路由延時電路、或非門構(gòu)成。比較器甲輸出的信號V_B1 經(jīng)過延時后得到V_B2，V_B1 和V_B2 進行或非運算再經(jīng)過一次反向后得到屏蔽電路的輸出信號V_BOUT。

由于邏輯或運算只能使同時為1 的兩個信號保持不變，因此，可以通過或非門和反相器消除掉延遲時間內(nèi)的脈沖信號。在過流保護電路中增加屏蔽電路，則可屏蔽掉延遲時間內(nèi)的過流信號，但如果負載電流太大，可能瞬間燒毀功率管，因此需要相應(yīng)的關(guān)斷電路。當負載電流超過最大限制電流I_MAX 時，過流保護電路能不經(jīng)過延遲直接關(guān)斷LDO。

圖3 虛框B 區(qū)電路能解決屏蔽時間內(nèi)大電流可能導(dǎo)致功率管瞬間燒毀的問題，當延遲時間內(nèi)出現(xiàn)很大過流信號時，能及時關(guān)斷功率管，保證系統(tǒng)安全。關(guān)斷電路由比較器乙和NMOS 開關(guān)管M1 組成。

當過流信號超過最大限制電流I_MAX（此時V_SENSE>V_MAX）時，比較器乙輸出V_COUT 為高電平導(dǎo)致開關(guān)管M1 導(dǎo)通，使得V_CO 強行為低電平而不受屏蔽電路影響并同步關(guān)斷LDO，保證功率管安全。當過流電流不是太大時，比較器輸出電壓V_COUT 為低，開關(guān)管M1 不導(dǎo)通，不影響屏蔽電路工作。

圖3 所示的改進電流保護電路能夠?qū)崿F(xiàn)圖1（b）所期望的“屏蔽”區(qū)工作模式。負載電流過流最大持續(xù)作用時間t_MAX 和最大過流幅值I_MAX 即為“屏蔽”區(qū)的時間和幅值邊界。實際應(yīng)用中，功率管能承受的熱功耗和擊穿電流是有限的。最大持續(xù)作用時間t_MAX 由功率管能承受的熱功耗和散熱性能決定，而功率管的最大擊穿電流確定了過流的最大幅值I_MAX。

對于特定的應(yīng)用需要，通過設(shè)定合理的屏蔽時間與最大過流幅值，能使LDO 更高效地運行。

“屏蔽”模式的邏輯關(guān)系如圖4 所示，其中VB1和V_COUT 分別為比較器甲和乙的輸出信號，VB1 經(jīng)過一個延遲時間后輸出信號為VB2，屏蔽電路輸出電壓為V_BOUT，V_CO為屏蔽電路的輸出端。V_B1、V_B2和V_BOUT的波形反應(yīng)了屏蔽電路的邏輯關(guān)系，只有當V_B1 和V_B2 同時為高電平，V_BOUT 才為低電平，否則V_BOUT 一直為高電平，因此屏蔽電路屏蔽了延遲時間內(nèi)的脈沖信號，保持寬脈沖信號；V_COUT為使能端，只要V_COUT為高電平，V_CO 立即變?yōu)榈碗娖健?/p>

圖4 “屏蔽”電路邏輯關(guān)系圖

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3 電路仿真結(jié)果

將上述設(shè)計原理應(yīng)用于輸入電壓為5V、輸出電壓3.3V、最大輸出電流500mA、限制電流I_LIMIT 800mA的LDO，使用CSMC 0.5 μm BiCMOS 工藝Cadencespectre 仿真工具，分別對改進前后的過流保護電路進行仿真。根據(jù)功率管特定的需要，設(shè)定延時電路延遲時間t_MAX 為20 μ s，最大幅值電流I_MAX 為3A。

圖5 中（a）曲線表示負載電流幅值和作用時間的關(guān)系，I_LIMIT 和I_MAX 分別為限制電流和最大幅值電流。圖5 中（b）、（c）和（d）曲線分別為采用傳統(tǒng)“中斷”模式、“屏蔽”模式以及“屏蔽+ 中斷”模式過流保護電路后LDO 的輸出電壓波形。

圖5（b）表示“中斷”模式在所有過流情況時都會關(guān)斷LDO。圖5（c）的“屏蔽”模式能屏蔽t_MAX內(nèi)的過流信號，但同時也屏蔽了過流幅值超過I_MAX的電流信號，只有在過流持續(xù)作用時間大于t_MAX 時，LDO 才被關(guān)斷。圖5（d）的“屏蔽+ 中斷”模式下，電路只在過流信號持續(xù)作用時間小于t_MAX 而且幅值不超過I_MAX 時屏蔽掉過流信號，對于其他超過I_LIMIT的過流信號，都將中斷LDO 運行。通過比較圖5 的（b）、（c）和（d）曲線可以得到，相對于圖5（b）的“中斷”模式，圖5（d）的“屏蔽+ 中斷”模式擴大了工作區(qū)范圍，又比圖5（c）的“屏蔽”模式保護電路更安全。傳統(tǒng)屏蔽電路都會在過流之后關(guān)斷LDO，我們希望在某些短時且小幅度過流信號下LDO 仍能正常運行。結(jié)果表明，設(shè)計后的過流保護電路能達到預(yù)期效果，保證系統(tǒng)更高效安全地運行。

圖5 LDO 整體電路的瞬態(tài)響應(yīng)

4 結(jié)論

在傳統(tǒng)的只采取“中斷”模式的過流保護電路基礎(chǔ)上，本文提出了一種新型過流保護電路設(shè)計方案，通過增加“屏蔽”模式，能有效屏蔽在設(shè)定最大過流幅值IMAX 和最大持續(xù)作用時間tMAX 內(nèi)的過流信號，而不影響其他過流情況的關(guān)斷。通過CSMC0.5μm BiCMOS工藝、Cadence spectre仿真，結(jié)果表明，改進后的過流保護電路能有效屏蔽過流幅值和持續(xù)作用時間在設(shè)定范圍內(nèi)的過流信號，增加了正常工作區(qū)的范圍，使LDO更高效運行，同時保留“中斷”模式，保證LDO 安全工作。