一种新型过流保护电路设计

 1 引言

低压差线性稳压器（Low-Dropout Vol t a geRegulator，LDO）具有结构简单、低噪声、低功耗以及小封装和较少的外围应用器件等突出优点，在便携式电子产品（笔记本、数码相机等）中得到广泛应用。

近年来，关于LDO 的讨论焦点几乎都集中在提高LDO 系统性能上，比如稳定性、集成化设计和响应速度。文献使用动态频率补偿技术设计了一款任意负载范围都稳定的LDO；文献[3]对误差放大器通过内部零极点补偿使得LDO 在无需外接ESR 电容情况下就能保持稳定，实现SOC 应用；文献在误差放大器与功率管栅极之间通过连接一个单位增益缓冲器提高LDO 的响应速度。在实际应用中，用来保护这些LDO 不被过高电流损坏的高性能过流保护电路同样是稳压器性能的主要指标之一。

近年来关于LDO 中过流保护电路的讨论很少，有限的研究也只限于提高过流保护电路中感应电流的精度以及对过流保护电路中输出电路的改进以减小过流时的功耗等。但它们都是以"中断"的模式工作。文献[9]从方便用户的角度对过流保护电路进行改进，提出了可供用户自己选择关闭系统或者让系统继续工作的思路。该方案提供了一个过流检测报警系统，由用户决定系统是否继续运行，但瞬时的大过流信号仍可能瞬间击穿或烧毁功率管。

为了让系统更高效地运行同时又能保证安全工作，我们提出了一种新型过流保护电路的设计方案，通过屏蔽电路屏蔽其过流幅值和持续作用时间在设定范围内的过流信号，自动保障系统继续工作；而仅当过流信号的幅值和持续作用时间超过设定范围时，系统才处于"中断"状态，从而能使LDO 更高效和安全地运行。

　　2 "屏蔽"模式工作原理

LDO 由误差放大器EA、电压基准源、功率管、反馈环路、保护电路和负载电路构成。基本电路取样电压VFB 加在误差放大器EA 的同相输入端，与加在反相输入端的基准电压Vre f 相比较，两者的差值经EA 放大后，控制串联调整管的压降，从而稳定输出电压。如果负载电流超过限制电流，功率管将在持续大电流的作用下烧毁。电路在过流作用下的工作情况取决于功率管的承受能力，以及过流幅值和持续作用时间。

传统的过流保护电路由电流感应电路、比较电路以及输出级组成，分为恒流式过流保护和折返式过流保护。传统的过流保护电路采用的是"中断"模式，对于任何过流情况，只要负载电流大于限制电流，都将使LDO 中断运行。

当负载电流超过限制电流ILIMIT 不太多且持续作用时间不太长时，我们希望过流保护电路能保持LDO 不中断工作，因此需要采用"屏蔽"模式屏蔽掉部分可以让LDO 不中断运行的过流信号，对于过流幅值和持续作用时间超过范围的过流信号，过流保护电路又能采取中断LDO 工作的模式。传统的"中断"模式电流保护电路工作状态如图1（a）所示，分为正常工作区Ⅰ和"中断"区Ⅱ，当负载电流不超过ILIMIT 时，LDO 工作在正常工作区，当负载电流超过ILIMIT 时LDO 进入"中断"区。加入"屏蔽"模式后的过流保护电路工作状态如图1（b），分为正常工作区Ⅲ、屏蔽区Ⅳ以及中断区Ⅴ，当负载电流小于ILIMIT 时，LDO 处于正常工作区，当过流信号的幅值在ILIMIT 和最大幅值电流IMAX 之间，持续作用时间在t=tMAX 之内即同时满足ILIMIT ≤ ILOAD ≤ IMAX，t ≤tMAX 时，LDO 进入屏蔽区，这个范围之外的过流信号将进入中断区。对比图1（a）和（b）可以看出，改进过流保护电路后的LDO 的正常工作区包括图1（b）的正常工作区Ⅲ和"屏蔽"区Ⅳ，增大了工作区的范围，提高了LDO 的工作效率。

图1 过流保护原理图

包含过流保护电路的LDO整体框图如图2所示，虚线左边是LDO 主体电路，包括误差放大器、功率管、负载电阻以及分压电阻。虚线右边部分为电流保护电路，主要作用是感应并检测负载电流是否超过限制电流，然后通过控制功率管来决定是否使LDO 中断运行，包括电流感应电路和控制电路。传统的过流保护电路只采用图2 中实框Ⅱ所示的"中断"模式（不包括虚框），对于任何负载过流情况，不论持续作用时间如何，都使LDO 中断工作；本文在传统的"中断"模式基础上，增加了"屏蔽"模式（如图2 中虚框Ⅰ），能有效屏蔽希望LDO不中断工作的过流信号，使LDO更高效运行，同时保留"中断"模式，保证LDO 安全工作。

图2 带过流保护电路的 LDO 框图

　　3 "屏蔽"模式电路实现

图3 是改进前后的过流保护电路图。不加虚框部分是传统的"中断"模式过流保护电路，由电流感应电路、比较电路以及输出级电路组成。电流感应电路采样功率管电流。采样得到的电流和限制电流ILIMIT 分别转化为比较器的两输入端电压VSENSE 和VLIMIT 并进行比较，得到VCO。VCO作用于输出级电路以控制功率管栅极电压。如果负载过流，过流保护电路使得功率管栅极电压PG 为高电平，强行使LDO中断。