一种新型过流保护电路设计

图3 改进后的电流保护电路图

如果我们在电路中加入图3 虚框A 区所示的电路结构，电路将变为"屏蔽"模式电流保护。屏蔽电路由延时电路、或非门构成。比较器甲输出的信号VB1 经过延时后得到VB2，VB1 和VB2 进行或非运算再经过一次反向后得到屏蔽电路的输出信号VBOUT。

由于逻辑或运算只能使同时为1 的两个信号保持不变，因此，可以通过或非门和反相器消除掉延迟时间内的脉冲信号。在过流保护电路中增加屏蔽电路，则可屏蔽掉延迟时间内的过流信号，但如果负载电流太大，可能瞬间烧毁功率管，因此需要相应的关断电路。当负载电流超过最大限制电流IMAX 时，过流保护电路能不经过延迟直接关断LDO。

图3 虚框B 区电路能解决屏蔽时间内大电流可能导致功率管瞬间烧毁的问题，当延迟时间内出现很大过流信号时，能及时关断功率管，保证系统安全。关断电路由比较器乙和NMOS 开关管M1 组成。

当过流信号超过最大限制电流I MAX（此时VSE NSE>VMAX）时，比较器乙输出VCOUT 为高电平导致开关管M1 导通，使得VCO 强行为低电平而不受屏蔽电路影响并同步关断LDO，保证功率管安全。当过流电流不是太大时，比较器输出电压VCOUT 为低，开关管M1 不导通，不影响屏蔽电路工作。

图3 所示的改进电流保护电路能够实现图1（b）所期望的"屏蔽"区工作模式。负载电流过流最大持续作用时间tMAX 和最大过流幅值IMAX 即为"屏蔽"区的时间和幅值边界。实际应用中，功率管能承受的热功耗和击穿电流是有限的。最大持续作用时间tMAX 由功率管能承受的热功耗和散热性能决定，而功率管的最大击穿电流确定了过流的最大幅值IMAX。

对于特定的应用需要，通过设定合理的屏蔽时间与最大过流幅值，能使LDO 更高效地运行。

"屏蔽"模式的逻辑关系如图4 所示，其中VB1和VCOUT 分别为比较器甲和乙的输出信号，VB1 经过一个延迟时间后输出信号为VB2，屏蔽电路输出电压为VBOUT，VCO为屏蔽电路的输出端。VB1、VB2和VBOUT的波形反应了屏蔽电路的逻辑关系，只有当VB1 和VB2 同时为高电平，VBOUT 才为低电平，否则VBOUT 一直为高电平，因此屏蔽电路屏蔽了延迟时间内的脉冲信号，保持宽脉冲信号；VCOUT为使能端，只要VCOUT为高电平，VCO 立即变为低电平。

图4 "屏蔽"电路逻辑关系图

　　4 电路仿真结果

将上述设计原理应用于输入电压为5V、输出电压3.3V、最大输出电流500mA、限制电流ILIMIT 800mA的LDO，使用CSMC 0.5 μm BiCMOS 工艺Cadencespectre 仿真工具，分别对改进前后的过流保护电路进行仿真。根据功率管特定的需要，设定延时电路延迟时间tMAX 为20 μ s，最大幅值电流IMAX 为3A。

图5 中（a）曲线表示负载电流幅值和作用时间的关系，ILIMIT 和IMAX 分别为限制电流和最大幅值电流。图5 中（b）、（c）和（d）曲线分别为采用传统"中断"模式、"屏蔽"模式以及"屏蔽+ 中断"模式过流保护电路后LDO 的输出电压波形。

图5（b）表示"中断"模式在所有过流情况时都会关断LDO。图5（c）的"屏蔽"模式能屏蔽tMAX内的过流信号，但同时也屏蔽了过流幅值超过IMAX的电流信号，只有在过流持续作用时间大于tMAX 时，LDO 才被关断。图5（d）的"屏蔽+ 中断"模式下，电路只在过流信号持续作用时间小于tMAX 而且幅值不超过IMAX 时屏蔽掉过流信号，对于其他超过ILIMIT的过流信号，都将中断LDO 运行。通过比较图5 的（b）、（c）和（d）曲线可以得到，相对于图5（b）的"中断"模式，图5（d）的"屏蔽+ 中断"模式扩大了工作区范围，又比图5（c）的"屏蔽"模式保护电路更安全。传统屏蔽电路都会在过流之后关断LDO，我们希望在某些短时且小幅度过流信号下LDO 仍能正常运行。结果表明，设计后的过流保护电路能达到预期效果，保证系统更高效安全地运行。

图5 LDO 整体电路的瞬态响应

　　5 结论

在传统的只采取"中断"模式的过流保护电路基础上，本文提出了一种新型过流保护电路设计方案，通过增加"屏蔽"模式，能有效屏蔽在设定最大过流幅值IMAX 和最大持续作用时间tMAX 内的过流信号，而不影响其他过流情况的关断。通过CSMC0.5μm BiCMOS工艺、Cadence spectre仿真，结果表明，改进后的过流保护电路能有效屏蔽过流幅值和持续作用时间在设定范围内的过流信号，增加了正常工作区的范围，使LDO更高效运行，同时保留"中断"模式，保证LDO 安全工作。