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转 一种新型过流保护电路的设计研究  

2010-06-17 11:40:22|  分类: 接口技术 |  标签: |举报 |字号 订阅

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一种新型过流保护电路的设计研究
(合肥工业大学, 安徽合肥230009)张娜娜 梁齐

  摘要:本文提出的过流保护电路利用运算放大器虚短虚断的原理大大提高了对输出电流的采样精度,从而提高了电路的可靠性;并通过增加的折回电路,有效降低了LDO(Low Drop-Out)系统的过流关断功耗。本电路基于TSMC 0.6μ m CMOS 工艺设计,进行了应用于LDO 的Spectra 仿真,结果表明该过流保护电路可靠性高、过流关断功耗低。
  关键字:过流保护,LDO,可靠性,折回电路
  Design of a Novel Over-Current Protection Circuit
  Zhang Nana , Liang Qi
  (Hefei University Of Technology , Hefei , Anhui 230009, China)
  Abstract : The over-current protection circuit described in this paper greatly improves the sampling precision of output current and heightens the reliability of the circuit by using the virtual-short and virtual-cutoff principle of operation amplifier . And more , It greatly reduces the over-current cutoff power dissipation of LDO(Low Drop-Out)by using a fold-back circuit . Based on TSMC 0.6μ m CMOS process , the Spectra simulation result applied in LDO verifies that this over-current protection circuit has good reliability and low power dissipation .
  Key words : over-current , LDO(Low Drop-Out), reliability, fold-back circuit.
1、引言
  随着电子技术的飞速发展,DC/DC 变换器已广泛应用于各种移动电子系统中,如移动通信终端、便携式电脑、PDA 等等。而LDO 线性稳压器作为DC/DC 变换器的一种,由于其结构简单、成本低廉、噪声低、功耗低及封装尺寸较小等优点,在便携式电子产品中得到广泛应用。
  LDO中的过流保护技术一直是影响LDO 系统稳定运行的关键。过流保护的目的是为了把输出电流限制在一个固定的范围内,在输出短路或过载时对整个系统或负载进行保护。然而,目前比较常用的过流保护电路都存在一些诸如可靠性、过流关断功耗等问题,限制了这些过流保护电路的应用范围。本文提出的过流保护电路,不仅具有可靠的过流保护功能,而且成功地解决了传统过流保护电路中存在的可靠性、过流关断功耗等问题。本文分析了这种新型过流保护电路的工作过程和原理,同时给出基于TSMC 0.6μ m CMOS 工艺的该电路设计的Spectra 仿真结果。
2、常用的过流保护电路

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图1 传统的过流保护电路

  图 1 中所示的过流保护电路是一种比较早出现的CMOS 过流保护电路。
  如图1 所示,Mp 为调整管,R0 为采样电阻,R0 和M1 一起构成过流保护电路。因为流过R0的电流近似等于输出电流Iout ,所以R0 上的压降与输出电流Iout 成正比。M1 的栅源电压:
  VGS1 = ?VR0 = ?R0 ? Iout (1)
  正常工作情况下,M1 的栅源电压VGS1>VTH1 ,M1 处于截止状态,调整管Mp的栅极电位由系统的放大电路输出决定。当输出电流Iout 增大到一定值时VGS1<VTH1,M1 导通,把Mp 的栅极电位拉高,把输出电流限制在一定值,从而达到过流保护的目的。
  但是这种过流保护电路存在两个问题:
  第一,由于采样电阻R0 上的压降损失,降低了系统的转换效率,特别是在大负载的情况下,这种损失更为严重;第二,因为过流发生时,电路只是把通过调整管的电流限制在一定值,所以电路仍然有很大的功耗。

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图2 CMOS 过流保护电路

  图 2 所示的是另外一种比较常用的过流保护电路。如图2 所示,Mp 为调整管,过流保护电路的主体由比较器(比较器的正端接基准电压Vref),PMOS 管M1、M2,采样电阻R0 和晶体管Q0 组成。取样管M2 对流过调整管Mp 的输出电流Iout 进行取样,因此,M2 的漏电流I2 反映了Iout 的变化。A点电压:
  VA = R0 ? I 2 + VEB
  正常工作情况下,A 点电压VA < Vref ,比较器输出为高电平,M1 管截至,调整管Mp 的栅极电位由LDO 系统的放大电路决定。当输出电流达到一定值时,A 点电压VA > Vref ,比较器输出变为低电平,M1 管导通,调整管Mp 的栅极电位被拉高,输出电流被钳制在一定值,从而达到过流保护的目的。
  区别于图 1 中所示的传统过流保护电路,图2 中所示过流保护电路的采样电阻R0 不和调整管Mp 串联,没有损失压降,因此,大大提高了转换效率。但是此电路仍然存在一些不足:第一,虽然Mp 和M2 的栅源电压都相等,但是此电路并不能保证Mp 和M2 的漏电压相等,因此,M2 对输出电流的采样不精确,从而导致系统的可靠性不高;第二,过流发生时,流过调整管的电流被限制在一个比较大的定值,因此,系统仍然存在比较大的功耗。

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图3 新型过流保护电路

  图 3 新型过流保护电路为了解决过流保护电路中的可靠性和过流关断功耗问题,本文提出了一种新的过流保护电路。如图3所示,Mp 为调整管,过流保护电路的主体由比较器(比较器的正端接基准电压源Vref),PMOS 管M1、M2,NMOS 管M3、电阻R0 构成。取样管M2对通过调整管Mp 的电流进行取样,因此,M2 的漏电流I2 反映了输出电流Iout 的变化。为了保证过流保护电路对输出电流精确取样,提高过流保护的可靠性,本设计利用运算放大器的虚短虚断特性在M2 的漏极构成一个负反馈电路,负反馈电路由M3 和运算放大器构成。当Vout 降低时,M3 管栅极电位升高,A 点电位下降,反之亦然。此负反馈电路使得A 点电位随输出电压的变化而变化,保证了M2 对流过Mp 电流的精确取样,提高了过流保护的可靠性。
  R0 上的压降为:VR0 = I 2 ? R0
  正常工作情况下,R0 上的压降VR0 < Vref ,比较器输出高电平,M1 截止,调整管Mp 的栅极电位由系统的放大电路输出决定;当输出电流达到一定值时,R0 上的压降VR0 > Vref ,比较器输出低电平,M1导通,把调整管的栅极电位拉高,把输出电流限制在一个定值,从而达到过流保护的目的。
  但是,把输出电流限制在一个定值,电路仍然会有很大的功耗。为了降低功耗,必须在过流发生时使得输出电流随输出电压的降低而降低。本设计增加了由M4、M5、M6、M7、M8、R3、R4 组成的折回电路。其中,M5 为取样管,对流过调整管Mp 的电流进行取样。为了保证取样的精确性,尽量把M6 做大。M8 的栅极电压为:

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  正常工作情况下,M8 的栅源电压VGS8 < VTH8 ,M8 管截止,该支路电流为零,所以M4 也截止;当过流发生时,过流保护主体电路先工作,当Vout 降到一定值时,VGS8 > VTH8 ,M8 导通,此时,R4 上的压降使得M4 导通,把调整管Mp 的栅极电位进一步拉高,从而使流过Mp 的电流进一步减小。
  与目前常用的过流保护电路比较,本设计有以下优点:
  第一,在采样管的漏端增加了一个负反馈回路,保证了对输出电流的精确采样,大大提高了过流保护的可靠性;第二,当过流发生时,使得输出电流随着输出电压的降低而降低,大大降低了系统的过流关断功耗;第三,因为采样电阻R0 没有和调整管串联,没有损失压降,提高了系统的转换效率。
3、仿真结果
  在 TSMC 0.6μ m CMOS 工艺下,利用Spectra 仿真工具对图2 和图3 所示电路的功能进行了仿真,仿真结果如图4、图5 所示。

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  在图 4 中,横坐标表示输出电流,纵坐标表示输出电压。由图4 仿真结果可得,图2 所示的过流保护电路对输出电流的采样不精确,不能在所要求的负载点快速地把电路关断,从而大大降低了系统的可靠性;另外,在过流发生时,随着输出电压的下降,负载电流被限定在一个很大的固定值,导致系统关断后,仍然存在很大的功耗。

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  在图5 中,横坐标表示输出电流,总坐标表示输出电压。由图5 的仿真结果可以看出,图3 所示的过流保护电路在限制过流的同时把输出电流降到了原来的三十分之一,相应地也把过流保护发生后的电路功耗降到了原来的三十分之一。
4、总结
  传统的过流保护电路存在可靠性差,过流关断功耗高等不足之处。本文提出的过流保护电路利用运算放大器虚短虚断原理大大提高了对输出电流的采样精度,从而提高了电路的可靠性;并通过增加的折回电路,大大降低了LDO 系统的过流关断功耗。最后,通过Spectra 仿真,验证了上述结论。
参考文献:
  [1] S K Lau, K N Leung P K Mok. Analysis of Low-Dropout Regulator Topologies for Low-Voltage Regulation. IEEE International Conference on Electron Devices and Solid-State Circuits, 2003:379 382
  [2] Gabriel Alfonso Rincon-Mora, Current Efficient, Low Voltage, Low Drop-Out Regulators, Ph.D. Thesis, Geogia Institute of Technology, November 1996.
  [3] Texes Instruments application notes, “Technical Review of Low Dropout Voltage Regulator Operation and Performance”, SLVA072, August 1999.
  [4] 闫良海,吴金,庞坚,姚建楠,LDO 过流与温度保护电路的分析与设计,电子器件,第29 卷第1 期。
  作者简介:张娜娜,
  合肥工业大学微电子学与固体电子学硕士研究生,
  研究方向:超大规模集成电路设计

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