短路保護電路設計及其應用

　　1 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管以一定的比例復制功率管的電流，通過電阻R4轉化為檢測電壓;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構成電流鏡電路;晶體管VMp1完成對功率管VMP的開關控制，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，使功率管關斷。

　　1.1 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，進而關斷P功率管，實現(xiàn)短路保護。

　　實現(xiàn)短路保護后，VM1管將關斷;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)絡充電，0UT端電壓升高，Vcon信號將變?yōu)楦唠娖?，電路自動恢復正常狀態(tài)。

　　1.2 工作原理的定量分析

　　由電路分析可知，比較器的正負輸入端關系為：

　　比較器輸入端的Vinp，因此比較器輸出信號Vcon為低電平，將關斷P功率管，實現(xiàn)短路保護。

　　當P功率管關斷后，ID0=O，晶體管Vcon將截止，此時比較器Vinp輸入端電壓Vmin_OD取決于晶體管VM2、VM3、VM4組成的網(wǎng)絡，只要保證Vmin_OD大于Vinm電壓(Vinm=VOUT=O)，P功率管將一直處于關閉狀態(tài)。

　　接下來將分析VM2、VM3和VM4組成的網(wǎng)絡如何確保Vmin_OD大于0。分析電路可知，VM2、VM3工作在飽和區(qū)，VM4工作在線性區(qū)，因此ID3>ID4，ID4=ID2。

　　因此選取

　　當短路排除后，流過VM5的電流將對RC網(wǎng)絡充電，過t秒后Vinm(0UT)端電壓將大于Vmin_OD，電路正常工作。其中充電時間為：

　　式中IDM5為VM5的漏電電流，RL=VOUT/Imax，CL為負載電容，其中Imax是系統(tǒng)規(guī)定的最大負載電流。要使系統(tǒng)能正常啟動，IDM5必須滿足IDM5>VOUT/RL，因此合理選取參數(shù)，就能正常啟動。

　　2 仿真結果與討論

　　基于TSMC O.18μm CMOS工藝，仿真結果如圖2～圖3所示。仿真結果表明輸出短路時，輸出電流為O，P功率管被關斷，實現(xiàn)短路保護。

　　圖3(a)所示曲線的仿真條件是輸出負載周期性地從0 Ω變化到5 Ω。仿真結果表明當輸出發(fā)生短路時(即負載為0)，輸出電流被限制在最大電流值，這樣功率MOS管會消耗大量功耗，將加快器件的老化。

　　圖3(b)所示曲線的仿真條件與圖3(a)的條件一樣。仿真結果表明當輸出發(fā)生短路時(即負載為0)，輸出電流被限制為O，即功率MOS管被完全關斷，同時表明系統(tǒng)具有自動恢復的特點，即負載短路消除后，系統(tǒng)恢復正常工作。

　　3 結論

　　在限流電路的基礎上，設計改進一個短路保護電路，確保在短路情況下，徹底關斷功率MOS管，減少短路發(fā)生時系統(tǒng)損失的功耗。同時該電路具有以下特點：高可靠性、自動恢復，即使地平面存在大量噪聲，當短路發(fā)生時，穩(wěn)壓器的功率管截止，實現(xiàn)保護，而短路一旦消除，穩(wěn)壓器的輸出將自動恢復到正常狀態(tài)，有效地保護系統(tǒng)。在藍牙功率放大器電源管理電路中得到了很好應用。