限流保護(hù)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(diǎn)是穩(wěn)壓器內(nèi)部損失的功耗很大,而后者是指在降低輸出電壓的同時(shí)也降低了輸出電流,其最大優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)過(guò)流情況發(fā)生時(shí),消耗在功率管能量相對(duì)較小,但在負(fù)載短路時(shí),大多數(shù)折返式限流型保護(hù)電路也沒(méi)有徹底關(guān)斷穩(wěn)壓器,依然有電流流過(guò),進(jìn)而使功率MOS管消耗能量,加快器件的老化。針對(duì)上述情況,在限流型保護(hù)電路的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)改進(jìn)了一個(gè)短路保護(hù)電路,確保短路情況下,關(guān)斷功率MOS管。本文分別定性和定量地分析了這種短路保護(hù)電路的工作過(guò)程和原理,同時(shí)給出基于TSMCO.18μm CMOS工藝的Spectra仿真結(jié)果。
短路保護(hù)電路的工作原理
高可靠性短路保護(hù)電路的實(shí)現(xiàn)電路如圖1所示,其中VMP是線性穩(wěn)壓器的功率MOS管,R1、R2為穩(wěn)壓器的反饋電阻;VMO和VMP管是電流鏡電路,VMO管以一定的比例復(fù)制功率管的電流,通過(guò)電阻R4轉(zhuǎn)化為檢測(cè)電壓;晶體管VM1完成電平移位功能,最后接入由VM8~VM12等MOS管組成的比較器的正輸入端(Vinp),比較器的負(fù)輸入端(Vinm)與輸出端(0UT)相連;VM13、VM14組成二極管連接形式為負(fù)載的共源級(jí)放大電路;VM14和VMp1構(gòu)成電流鏡電路;晶體管VMp1完成對(duì)功率管VMP的開(kāi)關(guān)控制,正常工作時(shí),VMp1的柵級(jí)電位(Vcon)為高電平,不會(huì)影響系統(tǒng)的正常工作,短路發(fā)生時(shí),Vcon將為低電平,使功率管關(guān)斷。
工作原理的定性分析
當(dāng)短路發(fā)生時(shí),比較器的負(fù)輸入端電位(Vinm)為0 V;同時(shí)VM1管將導(dǎo)通,因此比較器的正輸入端電位大于0 V,最終比較器的輸出節(jié)點(diǎn)電位(Vcom)為高電平,在MOS管VM13、VM14作用下,控制信號(hào)Vcon將為低電平,最終VMP管的柵極電壓將升高,進(jìn)而關(guān)斷P功率管,實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)。
實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)后,VM1管將關(guān)斷;VM3和VM4組成電流鏡,晶體管VM2的作用是保證電路在短路期間(VM1管關(guān)斷),比較器正輸入端的電壓始終高于比較器的負(fù)輸入端電壓(即使系統(tǒng)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(fā)生期間始終都能關(guān)斷P功率管,實(shí)現(xiàn)保護(hù)電路的高可靠性。
同時(shí)當(dāng)短路發(fā)生時(shí)(即Vcon信號(hào)為低電平),VM7管正常工作,VM5管將導(dǎo)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(fù)載電阻),VM5管將對(duì)負(fù)載電容和負(fù)載電阻組成的并聯(lián)RC網(wǎng)絡(luò)充電,0UT端電壓升高,Vcon信號(hào)將變?yōu)楦唠娖?,電路自?dòng)恢復(fù)正常狀態(tài)。
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