一个高可靠性的短路保护电路设计及其应用

一个高可靠性的线性稳压器通常需要有限流保护电路，以防止因负载短路或者过载对稳压器造成永久性的损坏。限流保护通常有限流和折返式限流2种类型。前者是指将输出电流限定在最大值，该方法最大缺点是稳压器内部损失的功耗很大，而后者是指在降低输出电压的同时也降低了输出电流，其最大优点是当过流情况发生时，消耗在功率管能量相对较小，但在负载短路时，大多数折返式限流型保护电路也没有彻底关断稳压器，依然有电流流过，进而使功率MOS管消耗能量，加快器件的老化。针对上述情况，在限流型保护电路的基础上，设计改进了一个短路保护电路，确保短路情况下，关断功率MOS管。本文分别定性和定量地分析了这种短路保护电路的工作过程和原理，同时给出基于TSMCO．18μm CMOS工艺的Spectra仿真结果。

1 短路保护电路的工作原理
高可靠性短路保护电路的实现电路如图1所示，其中VMP是线性稳压器的功率MOS管，R1、R2为稳压器的反馈电阻；VMO和VMP管是电流镜电路，VMO管以一定的比例复制功率管的电流，通过电阻R4转化为检测电压；晶体管VM1完成电平移位功能，最后接入由VM8～VM12等MOS管组成的比较器的正输入端(Vinp)，比较器的负输入端(Vinm)与输出端(0UT)相连；VM13、VM14组成二极管连接形式为负载的共源级放大电路；VM14和VMp1构成电流镜电路；晶体管VMp1完成对功率管VMP的开关控制，正常工作时，VMp1的栅级电位(Vcon)为高电平，不会影响系统的正常工作，短路发生时，Vcon将为低电平，使功率管关断。

1．1 工作原理的定性分析
当短路发生时，比较器的负输入端电位(Vinm)为0 V；同时VM1管将导通，因此比较器的正输入端电位大于0 V，最终比较器的输出节点电位(Vcom)为高电平，在MOS管VM13、VM14作用下，控制信号Vcon将为低电平，最终VMP管的栅极电压将升高，进而关断P功率管，实现短路保护。
实现短路保护后，VM1管将关断；VM3和VM4组成电流镜，晶体管VM2的作用是保证电路在短路期间(VM1管关断)，比较器正输入端的电压始终高于比较器的负输入端电压(即使系统存在地平面噪声)，从而使Vcon电压始终为低电平，确保电路在短路发生期间始终都能关断P功率管，实现保护电路的高可靠性。
同时当短路发生时(即Vcon信号为低电平)，VM7管正常工作，VM5管将导通，有一定的电流流向0UT端；因此一旦短路消除(即0UT端接有负载电阻)，VM5管将对负载电容和负载电阻组成的并联RC网络充电，0UT端电压升高，Vcon信号将变为高电平，电路自动恢复正常状态。
1．2 工作原理的定量分析
由电路分析可知，比较器的正负输入端关系为：