短路保护电路设计及其应用

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。