中心議題：
- 屏蔽模式工作原理
- 屏蔽模式電路實(shí)現(xiàn)和仿真結(jié)果
解決方案：
- 過流保護(hù)電路設(shè)計(jì)
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(diǎn)，在便攜式電子產(chǎn)品（筆記本、數(shù)碼相機(jī)等）中得到廣泛應(yīng)用。
為了讓系統(tǒng)更高效地運(yùn)行同時(shí)又能保證安全工作，我們提出了一種新型過流保護(hù)電路的設(shè)計(jì)方案，通過屏蔽電路屏蔽其過流幅值和持續(xù)作用時(shí)間在設(shè)定范圍內(nèi)的過流信號，自動(dòng)保障系統(tǒng)繼續(xù)工作；而僅當(dāng)過流信號的幅值和持續(xù)作用時(shí)間超過設(shè)定范圍時(shí)，系統(tǒng)才處于“中斷”狀態(tài)，從而能使LDO 更高效和安全地運(yùn)行。
1 “屏蔽”模式工作原理
LDO 由誤差放大器EA、電壓基準(zhǔn)源、功率管、反饋環(huán)路、保護(hù)電路和負(fù)載電路構(gòu)成。基本電路取樣電壓VFB 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(zhǔn)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(fù)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(shí)間。
傳統(tǒng)的過流保護(hù)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(hù)和折返式過流保護(hù)。傳統(tǒng)的過流保護(hù)電路采用的是“中斷”模式，對于任何過流情況，只要負(fù)載電流大于限制電流，都將使LDO 中斷運(yùn)行。
當(dāng)負(fù)載電流超過限制電流ILIMIT 不太多且持續(xù)作用時(shí)間不太長時(shí)，我們希望過流保護(hù)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(yùn)行的過流信號，對于過流幅值和持續(xù)作用時(shí)間超過范圍的過流信號，過流保護(hù)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(hù)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(dāng)負(fù)載電流不超過ILIMIT 時(shí)，LDO 工作在正常工作區(qū)，當(dāng)負(fù)載電流超過ILIMIT 時(shí)LDO 進(jìn)入“中斷”區(qū)。加入“屏蔽”模式后的過流保護(hù)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(dāng)負(fù)載電流小于ILIMIT 時(shí)，LDO 處于正常工作區(qū)，當(dāng)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(shí)間在t=tMAX 之內(nèi)即同時(shí)滿足ILIMIT ≤ ILOAD ≤ IMAX，t ≤tMAX 時(shí)，LDO 進(jìn)入屏蔽區(qū)，這個(gè)范圍之外的過流信號將進(jìn)入中斷區(qū)。對比圖1（a）和（b）可以看出，改進(jìn)過流保護(hù)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(hù)原理圖
包含過流保護(hù)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(fù)載電阻以及分壓電阻。虛線右邊部分為電流保護(hù)電路，主要作用是感應(yīng)并檢測負(fù)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(yùn)行，包括電流感應(yīng)電路和控制電路。傳統(tǒng)的過流保護(hù)電路只采用圖2 中實(shí)框Ⅱ所示的“中斷”模式（不包括虛框），對于任何負(fù)載過流情況，不論持續(xù)作用時(shí)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(yùn)行，同時(shí)保留“中斷”模式，保證LDO 安全工作。
圖2 帶過流保護(hù)電路的 LDO 框圖
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2 “屏蔽”模式電路實(shí)現(xiàn)
圖3 是改進(jìn)前后的過流保護(hù)電路圖。不加虛框部分是傳統(tǒng)的“中斷”模式過流保護(hù)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ILIMIT 分別轉(zhuǎn)化為比較器的兩輸入端電壓VSENSE 和VLIMIT 并進(jìn)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(fù)載過流，過流保護(hù)電路使得功率管柵極電壓PG 為高電平，強(qiáng)行使LDO中斷。
圖3 改進(jìn)后的電流保護(hù)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(hù)。屏蔽電路由延時(shí)電路、或非門構(gòu)成。比較器甲輸出的信號VB1 經(jīng)過延時(shí)后得到VB2，VB1 和VB2 進(jìn)行或非運(yùn)算再經(jīng)過一次反向后得到屏蔽電路的輸出信號VBOUT。
由于邏輯或運(yùn)算只能使同時(shí)為1 的兩個(gè)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(shí)間內(nèi)的脈沖信號。在過流保護(hù)電路中增加屏蔽電路，則可屏蔽掉延遲時(shí)間內(nèi)的過流信號，但如果負(fù)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(dāng)負(fù)載電流超過最大限制電流IMAX 時(shí)，過流保護(hù)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(shí)間內(nèi)大電流可能導(dǎo)致功率管瞬間燒毀的問題，當(dāng)延遲時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)很大過流信號時(shí)，能及時(shí)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(dāng)過流信號超過最大限制電流IMAX（此時(shí)VSENSE>VMAX）時(shí)，比較器乙輸出VCOUT 為高電平導(dǎo)致開關(guān)管M1 導(dǎo)通，使得VCO 強(qiáng)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(dāng)過流電流不是太大時(shí)，比較器輸出電壓VCOUT 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(jìn)電流保護(hù)電路能夠?qū)崿F(xiàn)圖1（b）所期望的“屏蔽”區(qū)工作模式。負(fù)載電流過流最大持續(xù)作用時(shí)間tMAX 和最大過流幅值IMAX 即為“屏蔽”區(qū)的時(shí)間和幅值邊界。實(shí)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(shí)間tMAX 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IMAX。
對于特定的應(yīng)用需要，通過設(shè)定合理的屏蔽時(shí)間與最大過流幅值，能使LDO 更高效地運(yùn)行。
“屏蔽”模式的邏輯關(guān)系如圖4 所示，其中VB1和VCOUT 分別為比較器甲和乙的輸出信號，VB1 經(jīng)過一個(gè)延遲時(shí)間后輸出信號為VB2，屏蔽電路輸出電壓為VBOUT，VCO為屏蔽電路的輸出端。VB1、VB2和VBOUT的波形反應(yīng)了屏蔽電路的邏輯關(guān)系，只有當(dāng)VB1 和VB2 同時(shí)為高電平，VBOUT 才為低電平，否則VBOUT 一直為高電平，因此屏蔽電路屏蔽了延遲時(shí)間內(nèi)的脈沖信號，保持寬脈沖信號；VCOUT為使能端，只要VCOUT為高電平，VCO 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(jì)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ILIMIT 800mA的LDO，使用CSMC 0.5 μm BiCMOS 工藝Cadencespectre 仿真工具，分別對改進(jìn)前后的過流保護(hù)電路進(jìn)行仿真。根據(jù)功率管特定的需要，設(shè)定延時(shí)電路延遲時(shí)間tMAX 為20 μ s，最大幅值電流IMAX 為3A。
圖5 中（a）曲線表示負(fù)載電流幅值和作用時(shí)間的關(guān)系，ILIMIT 和IMAX 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(hù)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(shí)都會(huì)關(guān)斷LDO。圖5（c）的“屏蔽”模式能屏蔽tMAX內(nèi)的過流信號，但同時(shí)也屏蔽了過流幅值超過IMAX的電流信號，只有在過流持續(xù)作用時(shí)間大于tMAX 時(shí)，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(shí)間小于tMAX 而且幅值不超過IMAX 時(shí)屏蔽掉過流信號，對于其他超過ILIMIT的過流信號，都將中斷LDO 運(yùn)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(kuò)大了工作區(qū)范圍，又比圖5（c）的“屏蔽”模式保護(hù)電路更安全。傳統(tǒng)屏蔽電路都會(huì)在過流之后關(guān)斷LDO，我們希望在某些短時(shí)且小幅度過流信號下LDO 仍能正常運(yùn)行。結(jié)果表明，設(shè)計(jì)后的過流保護(hù)電路能達(dá)到預(yù)期效果，保證系統(tǒng)更高效安全地運(yùn)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(hù)電路基礎(chǔ)上，本文提出了一種新型過流保護(hù)電路設(shè)計(jì)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(shí)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(jìn)后的過流保護(hù)電路能有效屏蔽過流幅值和持續(xù)作用時(shí)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(yùn)行，同時(shí)保留“中斷”模式，保證LDO 安全工作。
