一種高可靠性的短路保護電路設(shè)計及其應(yīng)用實例

限流保護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也降低了輸出電流，其最大優(yōu)點是當過流情況發(fā)生時，消耗在功率管能量相對較小，但在負載短路時，大多數(shù)折返式限流型保護電路也沒有徹底關(guān)斷穩(wěn)壓器，依然有電流流過，進而使功率MOS管消耗能量，加快器件的老化。針對上述情況，在限流型保護電路的基礎(chǔ)上，設(shè)計改進了一個短路保護電路，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電路的工作過程和原理，同時給出基于TSMCO.18μm CMOS工藝的Spectra仿真結(jié)果。

短路保護電路的工作原理

　　高可靠性短路保護電路的實現(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，通過電阻R4轉(zhuǎn)化為檢測電壓；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），比較器的負輸入端（Vinm）與輸出端（0UT）相連；VM13、VM14組成二極管連接形式為負載的共源級放大電路；VM14和VMp1構(gòu)成電流鏡電路；晶體管VMp1完成對功率管VMP的開關(guān)控制，正常工作時，VMp1的柵級電位（Vcon）為高電平，不會影響系統(tǒng)的正常工作，短路發(fā)生時，Vcon將為低電平，使功率管關(guān)斷。

　　工作原理的定性分析

　　當短路發(fā)生時，比較器的負輸入端電位（Vinm）為0 V；同時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)點電位（Vcom）為高電平，在MOS管VM13、VM14作用下，控制信號Vcon將為低電平，最終VMP管的柵極電壓將升高，進而關(guān)斷P功率管，實現(xiàn)短路保護。

　　實現(xiàn)短路保護后，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，實現(xiàn)保護電路的高可靠性。

　　同時當短路發(fā)生時（即Vcon信號為低電平），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端接有負載電阻），VM5管將對負載電容和負載電阻組成的并聯(lián)RC網(wǎng)絡(luò)充電，0UT端電壓升高，Vcon信號將變?yōu)楦唠娖?，電路自動恢?fù)正常狀態(tài)。