一款新型的过流保护电源电路设计

当负载电流超过限制电流ILIMIT 不太多且持续作用时间不太长时，我们希望过流保护电路能保持LDO 不中断工作，因此需要采用“屏蔽”模式屏蔽掉部分可以让LDO 不中断运行的过流信号，对于过流幅值和持续作用时间超过范围的过流信号，过流保护电路又能采取中断LDO 工作的模式。传统的“中断”模式电流保护电路工作状态如图1(a)所示，分为正常工作区Ⅰ和“中断”区Ⅱ，当负载电流不超过ILIMIT 时，LDO 工作在正常工作区，当负载电流超过ILIMIT 时LDO 进入“中断”区。加入“屏蔽”模式后的过流保护电路工作状态如图1(b)，分为正常工作区Ⅲ、屏蔽区Ⅳ以及中断区Ⅴ，当负载电流小于ILIMIT 时，LDO 处于正常工作区，当过流信号的幅值在ILIMIT 和最大幅值电流IMAX 之间，持续作用时间在t=tMAX 之内即同时满足ILIMIT ≤ ILOAD ≤ IMAX，t ≤tMAX 时，LDO 进入屏蔽区，这个范围之外的过流信号将进入中断区。对比图1(a)和(b)可以看出，改进过流保护电路后的LDO 的正常工作区包括图1(b)的正常工作区Ⅲ和“屏蔽”区Ⅳ，增大了工作区的范围，提高了LDO 的工作效率。

包含过流保护电路的LDO整体框图如图2所示，虚线左边是LDO主体电路，包括误差放大器、功率管、负载电阻以及分压电阻。虚线右边部分为电流保护电路，主要作用是感应并检测负载电流是否超过限制电流，然后通过控制功率管来决定是否使LDO 中断运行，包括电流感应电路和控制电路。传统的过流保护电路只采用图2中实框Ⅱ所示的“中断”模式(不包括虚框)，对于任何负载过流情况，不论持续作用时间如何，都使LDO 中断工作；本文在传统的“中断”模式基础上，增加了“屏蔽”模式(如图2中虚框Ⅰ)，能有效屏蔽希望LDO不中断工作的过流信号，使LDO更高效运行，同时保留“中断”模式，保证LDO安全工作。

图3是改进前后的过流保护电路图。不加虚框部分是传统的“中断”模式过流保护电路，由电流感应电路、比较电路以及输出级电路组成。电流感应电路采样功率管电流。采样得到的电流和限制电流ILIMIT 分别转化为比较器的两输入端电压VSENSE 和VLIMIT 并进行比较，得到VCO。VCO作用于输出级电路以控制功率管栅极电压。如果负载过流，过流保护电路使得功率管栅极电压PG 为高电平，强行使LDO中断。

如果我们在电路中加入图3虚框A 区所示的电路结构，电路将变为“屏蔽”模式电流保护。屏蔽电路由延时电路、或非门构成。比较器甲输出的信号VB1 经过延时后得到VB2，VB1 和VB2 进行或非运算再经过一次反向后得到屏蔽电路的输出信号VBOUT。

由于逻辑或运算只能使同时为1 的两个信号保持不变，因此，可以通过或非门和反相器消除掉延迟时间内的脉冲信号。在过流保护电路中增加屏蔽电路，则可屏蔽掉延迟时间内的过流信号，但如果负载电流太大，可能瞬间烧毁功率管，因此需要相应的关断电路。当负载电流超过最大限制电流IMAX 时，过流保护电路能不经过延迟直接关断LDO。

图3虚框B 区电路能解决屏蔽时间内大电流可能导致功率管瞬间烧毁的问题，当延迟时间内出现很大过流信号时，能及时关断功率管，保证系统安全。关断电路由比较器乙和NMOS 开关管M1 组成。

当过流信号超过最大限制电流I MAX(此时VSE NSE>VMAX)时，比较器乙输出VCOUT 为高电平导致开关管M1 导通，使得VCO 强行为低电平而不受屏蔽电路影响并同步关断LDO，保证功率管安全。当过流电流不是太大时，比较器输出电压VCOUT 为低，开关管M1 不导通，不影响屏蔽电路工作。

图3所示的改进电流保护电路能够实现图1(b)所期望的“屏蔽”区工作模式。负载电流过流最大持续作用时间tMAX 和最大过流幅值IMAX 即为“屏蔽”区的时间和幅值边界。实际应用中，功率管能承受的热功耗和击穿电流是有限的。最大持续作用时间tMAX 由功率管能承受的热功耗和散热性能决定，而功率管的最大击穿电流确定了过流的最大幅值IMAX。

对于特定的应用需要，通过设定合理的屏蔽时间与最大过流幅值，能使LDO 更高效地运行。

“屏蔽”模式的逻辑关系如图4所示，其中VB1和VCOUT 分别为比较器甲和乙的输出信号，VB1 经过一个延迟时间后输出信号为VB2，屏蔽电路输出电压为VBOUT，VCO为屏蔽电路的输出端。VB1、VB2和VBOUT的波形反应了屏蔽电路的逻辑关系，只有当VB1 和VB2 同时为高电平，VBOUT 才为低电平，否则VBOUT 一直为高电平，因此屏蔽电路屏蔽了延迟时间内的脉冲信号，保持宽脉冲信号；VCOUT为使能端，只要VCOUT为高电平，VCO 立即变为低电平。

电路仿真结果

将上述设计原理应用于输入电压为5V、输出电压3.3V、最大输出电流500mA、限制电流ILIMIT 800mA的LDO，使用CSMC 0.5 μm BiCMOS 工艺Cadencespectre 仿真工具，分别对改进前后的过流保护电路进行仿真。根据功率管特定的需要，设定延时电路延迟时间tMAX 为20 μ s，最大幅值电流IMAX 为3A。

图5中(a)曲线表示负载电流幅值和作用时间的关系，ILIMIT 和IMAX 分别为限制电流和最大幅值电流。图5 中(b)、(c)和(d)曲线分别为采用传统“中断”模式、“屏蔽”模式以及“屏蔽+ 中断”模式过流保护电路后LDO 的输出电压波形。