1 引言

　　低壓差線性穩(wěn)壓器（Low-Dropout Vol t a geRegulator，LDO）具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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。

　　近年來(lái)，關(guān)于LDO 的討論焦點(diǎn)幾乎都集中在提高LDO 系統(tǒng)性能上，比如穩(wěn)定性、集成化設(shè)計(jì)和響應(yīng)速度。文獻(xiàn)使用動(dòng)態(tài)頻率補(bǔ)償技術(shù)設(shè)計(jì)了一款任意負(fù)載范圍都穩(wěn)定的LDO；文獻(xiàn)[3]對(duì)誤差放大器通過(guò)內(nèi)部零極點(diǎn)補(bǔ)償使得LDO 在無(wú)需外接ESR 電容情況下就能保持穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)SOC 應(yīng)用；文獻(xiàn)在誤差放大器與功率管柵極之間通過(guò)連接一個(gè)單位增益緩沖器提高LDO 的響應(yīng)速度。在實(shí)際應(yīng)用中，用來(lái)保護(hù)這些LDO 不被過(guò)高電流損壞的高性能過(guò)流保護(hù)電路同樣是穩(wěn)壓器性能的主要指標(biāo)之一。

　　近年來(lái)關(guān)于LDO 中過(guò)流保護(hù)電路的討論很少，有限的研究也只限于提高過(guò)流保護(hù)電路中感應(yīng)電流的精度以及對(duì)過(guò)流保護(hù)電路中輸出電路的改進(jìn)以減小過(guò)流時(shí)的功耗等。但它們都是以“中斷”的模式工作。文獻(xiàn)[9]從方便用戶的角度對(duì)過(guò)流保護(hù)電路進(jìn)行改進(jìn)，提出了可供用戶自己選擇關(guān)閉系統(tǒng)或者讓系統(tǒng)繼續(xù)工作的思路。該方案提供了一個(gè)過(guò)流檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)，由用戶決定系統(tǒng)是否繼續(xù)運(yùn)行，但瞬時(shí)的大過(guò)流信號(hào)仍可能瞬間擊穿或燒毀功率管。

　　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(guò)流保護(hù)電路的設(shè)計(jì)方案，通過(guò)屏蔽電路屏蔽其過(guò)流幅值和持續(xù)作用時(shí)間在設(shè)定范圍內(nèi)的過(guò)流信號(hào)，自動(dòng)保障系統(tǒng)繼續(xù)工作；而僅當(dāng)過(guò)流信號(hào)的幅值和持續(xù)作用時(shí)間超過(guò)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。

　　2 “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(guò)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(guò)流作用下的工作情況取決于功率管的承受能力，以及過(guò)流幅值和持續(xù)作用時(shí)間。

　　傳統(tǒng)的過(guò)流保護(hù)電路由電流感應(yīng)電路、比較電路以及輸出級(jí)組成，分為恒流式過(guò)流保護(hù)和折返式過(guò)流保護(hù)。傳統(tǒng)的過(guò)流保護(hù)電路采用的是“中斷”模式，對(duì)于任何過(guò)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(guò)限制電流ILIMIT 不太多且持續(xù)作用時(shí)間不太長(zhǎng)時(shí)，我們希望過(guò)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(guò)流信號(hào)，對(duì)于過(guò)流幅值和持續(xù)作用時(shí)間超過(guò)范圍的過(guò)流信號(hào)，過(guò)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(guò)ILIMIT 時(shí)，LDO 工作在正常工作區(qū)，當(dāng)負(fù)載電流超過(guò)ILIMIT 時(shí)LDO 進(jìn)入“中斷”區(qū)。加入“屏蔽”模式后的過(guò)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(guò)流信號(hào)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(guò)流信號(hào)將進(jìn)入中斷區(qū)。對(duì)比圖1（a）和（b）可以看出，改進(jìn)過(guò)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(guò)流保護(hù)原理圖

　　包含過(guò)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(cè)負(fù)載電流是否超過(guò)限制電流，然后通過(guò)控制功率管來(lái)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(guò)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(duì)于任何負(fù)載過(guò)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(guò)流信號(hào)，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(guò)流保護(hù)電路的 LDO 框圖

　　3 “屏蔽”模式電路實(shí)現(xiàn)

　　圖3 是改進(jìn)前后的過(guò)流保護(hù)電路圖。不加虛框部分是傳統(tǒng)的“中斷”模式過(guò)流保護(hù)電路，由電流感應(yīng)電路、比較電路以及輸出級(jí)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(jí)電路以控制功率管柵極電壓。如果負(fù)載過(guò)流，過(guò)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?cè)陔娐分屑尤雸D3 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(hào)VB1 經(jīng)過(guò)延時(shí)后得到VB2，VB1 和VB2 進(jìn)行或非運(yùn)算再經(jīng)過(guò)一次反向后得到屏蔽電路的輸出信號(hào)VBOUT。

　　由于邏輯或運(yùn)算只能使同時(shí)為1 的兩個(gè)信號(hào)保持不變，因此，可以通過(guò)或非門和反相器消除掉延遲時(shí)間內(nèi)的脈沖信號(hào)。在過(guò)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(guò)流信號(hào)，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(guò)最大限制電流IMAX 時(shí)，過(guò)流保護(hù)電路能不經(jīng)過(guò)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(wèn)題，當(dāng)延遲時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)很大過(guò)流信號(hào)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(kāi)關(guān)管M1 組成。

　　當(dāng)過(guò)流信號(hào)超過(guò)最大限制電流I MAX（此時(shí)VSE NSE>

　　VMAX）時(shí)，比較器乙輸出VCOUT 為高電平導(dǎo)致開(kāi)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(guò)流電流不是太大時(shí)，比較器輸出電壓VCOUT 為低，開(kāi)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(guò)流最大持續(xù)作用時(shí)間tMAX 和最大過(guò)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(guò)流的最大幅值IMAX。

　　對(duì)于特定的應(yīng)用需要，通過(guò)設(shè)定合理的屏蔽時(shí)間與最大過(guò)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(hào)，VB1 經(jīng)過(guò)一個(gè)延遲時(shí)間后輸出信號(hào)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(hào)，保持寬脈沖信號(hào)；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

　　4 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(duì)改進(jìn)前后的過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)流信號(hào)，但同時(shí)也屏蔽了過(guò)流幅值超過(guò)IMAX的電流信號(hào)，只有在過(guò)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(guò)流信號(hào)持續(xù)作用時(shí)間小于tMAX 而且幅值不超過(guò)IMAX 時(shí)屏蔽掉過(guò)流信號(hào)，對(duì)于其他超過(guò)ILIMIT的過(guò)流信號(hào)，都將中斷LDO 運(yùn)行。通過(guò)比較圖5 的（b）、（c）和（d）曲線可以得到，相對(duì)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(guò)流之后關(guān)斷LDO，我們希望在某些短時(shí)且小幅度過(guò)流信號(hào)下LDO 仍能正常運(yùn)行。結(jié)果表明，設(shè)計(jì)后的過(guò)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)

　　5 結(jié)論

　　在傳統(tǒng)的只采取“中斷”模式的過(guò)流保護(hù)電路基礎(chǔ)上，本文提出了一種新型過(guò)流保護(hù)電路設(shè)計(jì)方案，通過(guò)增加“屏蔽”模式，能有效屏蔽在設(shè)定最大過(guò)流幅值IMAX 和最大持續(xù)作用時(shí)間tMAX 內(nèi)的過(guò)流信號(hào)，而不影響其他過(guò)流情況的關(guān)斷。通過(guò)CSMC0.5μm BiCMOS工藝、Cadence spectre仿真，結(jié)果表明，改進(jìn)后的過(guò)流保護(hù)電路能有效屏蔽過(guò)流幅值和持續(xù)作用時(shí)間在設(shè)定范圍內(nèi)的過(guò)流信號(hào)，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。