一個高可靠性的短路保護電路設計及其應用

2021-01-10 電子產品世界

一個高可靠性的線性穩壓器通常需要有限流保護電路，以防止因負載短路或者過載對穩壓器造成永久性的損壞。限流保護通常有限流和折返式限流2種類型。前者是指將輸出電流限定在最大值，該方法最大缺點是穩壓器內部損失的功耗很大，而後者是指在降低輸出電壓的同時也降低了輸出電流，其最大優點是當過流情況發生時，消耗在功率管能量相對較小，但在負載短路時，大多數折返式限流型保護電路也沒有徹底關斷穩壓器，依然有電流流過，進而使功率MOS管消耗能量，加快器件的老化。針對上述情況，在限流型保護電路的基礎上，設計改進了一個短路保護電路，確保短路情況下，關斷功率MOS管。本文分別定性和定量地分析了這種短路保護電路的工作過程和原理，同時給出基於TSMCO．18μm CMOS工藝的Spectra仿真結果。

1 短路保護電路的工作原理
高可靠性短路保護電路的實現電路如圖1所示，其中VMP是線性穩壓器的功率MOS管，R1、R2為穩壓器的反饋電阻；VMO和VMP管是電流鏡電路，VMO管以一定的比例複製功率管的電流，通過電阻R4轉化為檢測電壓；電晶體VM1完成電平移位功能，最後接入由VM8～VM12等MOS管組成的比較器的正輸入端(Vinp)，比較器的負輸入端(Vinm)與輸出端(0UT)相連；VM13、VM14組成二極體連接形式為負載的共源級放大電路；VM14和VMp1構成電流鏡電路；電晶體VMp1完成對功率管VMP的開關控制，正常工作時，VMp1的柵級電位(Vcon)為高電平，不會影響系統的正常工作，短路發生時，Vcon將為低電平，使功率管關斷。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/180077.htm



1．1 工作原理的定性分析
當短路發生時，比較器的負輸入端電位(Vinm)為0 V；同時VM1管將導通，因此比較器的正輸入端電位大於0 V，最終比較器的輸出節點電位(Vcom)為高電平，在MOS管VM13、VM14作用下，控制信號Vcon將為低電平，最終VMP管的柵極電壓將升高，進而關斷P功率管，實現短路保護。
實現短路保護後，VM1管將關斷；VM3和VM4組成電流鏡，電晶體VM2的作用是保證電路在短路期間(VM1管關斷)，比較器正輸入端的電壓始終高於比較器的負輸入端電壓(即使系統存在地平面噪聲)，從而使Vcon電壓始終為低電平，確保電路在短路發生期間始終都能關斷P功率管，實現保護電路的高可靠性。
同時當短路發生時(即Vcon信號為低電平)，VM7管正常工作，VM5管將導通，有一定的電流流向0UT端；因此一旦短路消除(即0UT端接有負載電阻)，VM5管將對負載電容和負載電阻組成的並聯RC網絡充電，0UT端電壓升高，Vcon信號將變為高電平，電路自動恢復正常狀態。
1．2 工作原理的定量分析
由電路分析可知，比較器的正負輸入端關係為：


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