一个高可靠性的短路保护电路设计及其应用.docx

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TSMCO18m 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VM8VM12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。 11 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。 12 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=26 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=VOUTImax，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>VOUTRL，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 O18m 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 变化到5 。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。