王小龍，陳 暢，龔 敏

（四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院微電子技術(shù)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610064）

1 引言

低壓差線性穩(wěn)壓器（Low-Dropout Voltage Regulator，LDO）具有結(jié)構(gòu)簡單、低噪聲、低功耗以及小封裝和較少的外圍應(yīng)用器件等突出優(yōu)點(diǎn)，在便攜式電子產(chǎn)品（筆記本、數(shù)碼相機(jī)等）中得到廣泛應(yīng)用[1]。

近年來，關(guān)于LDO的討論焦點(diǎn)幾乎都集中在提高LDO系統(tǒng)性能上，比如穩(wěn)定性、集成化設(shè)計(jì)和響應(yīng)速度。文獻(xiàn)[2]使用動(dòng)態(tài)頻率補(bǔ)償技術(shù)設(shè)計(jì)了一款任意負(fù)載范圍都穩(wěn)定的LDO；文獻(xiàn)[3]對(duì)誤差放大器通過內(nèi)部零極點(diǎn)補(bǔ)償使得LDO在無需外接ESR電容情況下就能保持穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)SOC應(yīng)用；文獻(xiàn)[4]在誤差放大器與功率管柵極之間通過連接一個(gè)單位增益緩沖器提高LDO的響應(yīng)速度。在實(shí)際應(yīng)用中，用來保護(hù)這些LDO不被過高電流損壞的高性能過流保護(hù)電路同樣是穩(wěn)壓器性能的主要指標(biāo)之一[5]。

近年來關(guān)于LDO中過流保護(hù)電路的討論很少，有限的研究也只限于提高過流保護(hù)電路中感應(yīng)電流的精度[6，7]以及對(duì)過流保護(hù)電路中輸出電路的改進(jìn)以減小過流時(shí)的功耗[8]等。但它們都是以“中斷”的模式工作。文獻(xiàn)[9]從方便用戶的角度對(duì)過流保護(hù)電路進(jìn)行改進(jìn)，提出了可供用戶自己選擇關(guān)閉系統(tǒng)或者讓系統(tǒng)繼續(xù)工作的思路。該方案提供了一個(gè)過流檢測報(bào)警系統(tǒng)，由用戶決定系統(tǒng)是否繼續(xù)運(yùn)行，但瞬時(shí)的大過流信號(hào)仍可能瞬間擊穿或燒毀功率管。

為了讓系統(tǒng)更高效地運(yùn)行同時(shí)又能保證安全工作，我們提出了一種新型過流保護(hù)電路的設(shè)計(jì)方案，通過屏蔽電路屏蔽其過流幅值和持續(xù)作用時(shí)間在設(shè)定范圍內(nèi)的過流信號(hào)，自動(dòng)保障系統(tǒng)繼續(xù)工作；而僅當(dāng)過流信號(hào)的幅值和持續(xù)作用時(shí)間超過設(shè)定范圍時(shí)，系統(tǒng)才處于“中斷”狀態(tài)，從而能使LDO更高效和安全地運(yùn)行。

2 “屏蔽”模式工作原理

LDO由誤差放大器EA、電壓基準(zhǔn)源、功率管、反饋環(huán)路、保護(hù)電路和負(fù)載電路構(gòu)成?；倦娐啡与妷篤FB加在誤差放大器EA的同相輸入端，與加在反相輸入端的基準(zhǔn)電壓Vref相比較，兩者的差值經(jīng)EA放大后，控制串聯(lián)調(diào)整管的壓降，從而穩(wěn)定輸出電壓。如果負(fù)載電流超過限制電流，功率管將在持續(xù)大電流的作用下燒毀。電路在過流作用下的工作情況取決于功率管的承受能力，以及過流幅值和持續(xù)作用時(shí)間。

傳統(tǒng)的過流保護(hù)電路由電流感應(yīng)電路、比較電路以及輸出級(jí)組成，分為恒流式過流保護(hù)和折返式過流保護(hù)。傳統(tǒng)的過流保護(hù)電路采用的是“中斷”模式，對(duì)于任何過流情況，只要負(fù)載電流大于限制電流，都將使LDO中斷運(yùn)行。

當(dāng)負(fù)載電流超過限制電流ILIMIT不太多且持續(xù)作用時(shí)間不太長時(shí)，我們希望過流保護(hù)電路能保持LDO不中斷工作，因此需要采用“屏蔽”模式屏蔽掉部分可以讓LDO不中斷運(yùn)行的過流信號(hào)，對(duì)于過流幅值和持續(xù)作用時(shí)間超過范圍的過流信號(hào)，過流保護(hù)電路又能采取中斷LDO工作的模式。傳統(tǒng)的“中斷”模式電流保護(hù)電路工作狀態(tài)如圖1（a）所示，分為正常工作區(qū)Ⅰ和“中斷”區(qū)Ⅱ，當(dāng)負(fù)載電流不超過ILIMIT時(shí)，LDO工作在正常工作區(qū)，當(dāng)負(fù)載電流超過ILIMIT時(shí)LDO進(jìn)入“中斷”區(qū)。加入“屏蔽”模式后的過流保護(hù)電路工作狀態(tài)如圖1（b），分為正常工作區(qū)Ⅲ、屏蔽區(qū)Ⅳ以及中斷區(qū)Ⅴ，當(dāng)負(fù)載電流小于ILIMIT時(shí)，LDO處于正常工作區(qū)，當(dāng)過流信號(hào)的幅值在ILIMIT和最大幅值電流IMAX之間，持續(xù)作用時(shí)間在t=tMAX之內(nèi)即同時(shí)滿足ILIMIT≤ILOAD≤IMAX，t≤tMAX時(shí)，LDO進(jìn)入屏蔽區(qū)，這個(gè)范圍之外的過流信號(hào)將進(jìn)入中斷區(qū)。對(duì)比圖1（a）和（b）可以看出，改進(jìn)過流保護(hù)電路后的LDO的正常工作區(qū)包括圖1（b）的正常工作區(qū)Ⅲ和“屏蔽”區(qū)Ⅳ，增大了工作區(qū)的范圍，提高了LDO的工作效率。

包含過流保護(hù)電路的LDO整體框圖如圖2所示，虛線左邊是LDO主體電路，包括誤差放大器、功率管、負(fù)載電阻以及分壓電阻。虛線右邊部分為電流保護(hù)電路，主要作用是感應(yīng)并檢測負(fù)載電流是否超過限制電流，然后通過控制功率管來決定是否使LDO中斷運(yùn)行，包括電流感應(yīng)電路和控制電路。傳統(tǒng)的過流保護(hù)電路只采用圖2中實(shí)框Ⅱ所示的“中斷”模式（不包括虛框），對(duì)于任何負(fù)載過流情況，不論持續(xù)作用時(shí)間如何，都使LDO中斷工作；本文在傳統(tǒng)的“中斷”模式基礎(chǔ)上，增加了“屏蔽”模式（如圖2中虛框Ⅰ），能有效屏蔽希望LDO不中斷工作的過流信號(hào)，使LDO更高效運(yùn)行，同時(shí)保留“中斷”模式，保證LDO安全工作。

3 “屏蔽”模式電路實(shí)現(xiàn)

圖3是改進(jìn)前后的過流保護(hù)電路圖。不加虛框部分是傳統(tǒng)的“中斷”模式過流保護(hù)電路，由電流感應(yīng)電路、比較電路以及輸出級(jí)電路組成。電流感應(yīng)電路采樣功率管電流。采樣得到的電流和限制電流ILIMIT分別轉(zhuǎn)化為比較器的兩輸入端電壓VSENSE和VLIMIT并進(jìn)行比較，得到VCO。VCO作用于輸出級(jí)電路以控制功率管柵極電壓。如果負(fù)載過流，過流保護(hù)電路使得功率管柵極電壓PG為高電平，強(qiáng)行使LDO中斷。

如果我們?cè)陔娐分屑尤雸D3虛框A區(qū)所示的電路結(jié)構(gòu)，電路將變?yōu)椤捌帘巍蹦Ｊ诫娏鞅Ｗo(hù)。屏蔽電路由延時(shí)電路、或非門構(gòu)成。比較器甲輸出的信號(hào)VB1經(jīng)過延時(shí)后得到VB2，VB1和VB2進(jìn)行或非運(yùn)算再經(jīng)過一次反向后得到屏蔽電路的輸出信號(hào)VBOUT。由于邏輯或運(yùn)算只能使同時(shí)為1的兩個(gè)信號(hào)保持不變，因此，可以通過或非門和反相器消除掉延遲時(shí)間內(nèi)的脈沖信號(hào)。在過流保護(hù)電路中增加屏蔽電路，則可屏蔽掉延遲時(shí)間內(nèi)的過流信號(hào)，但如果負(fù)載電流太大，可能瞬間燒毀功率管，因此需要相應(yīng)的關(guān)斷電路。當(dāng)負(fù)載電流超過最大限制電流IMAX時(shí)，過流保護(hù)電路能不經(jīng)過延遲直接關(guān)斷LDO。

圖3虛框B區(qū)電路能解決屏蔽時(shí)間內(nèi)大電流可能導(dǎo)致功率管瞬間燒毀的問題，當(dāng)延遲時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)很大過流信號(hào)時(shí)，能及時(shí)關(guān)斷功率管，保證系統(tǒng)安全。關(guān)斷電路由比較器乙和NMOS開關(guān)管M1組成。當(dāng)過流信號(hào)超過最大限制電流IMAX（此時(shí)VSENSE＞VMAX）時(shí)，比較器乙輸出VCOUT為高電平導(dǎo)致開關(guān)管M1導(dǎo)通，使得VCO強(qiáng)行為低電平而不受屏蔽電路影響并同步關(guān)斷LDO，保證功率管安全。當(dāng)過流電流不是太大時(shí)，比較器輸出電壓VCOUT為低，開關(guān)管M1不導(dǎo)通，不影響屏蔽電路工作。

圖3所示的改進(jìn)電流保護(hù)電路能夠?qū)崿F(xiàn)圖1（b）所期望的“屏蔽”區(qū)工作模式。負(fù)載電流過流最大持續(xù)作用時(shí)間tMAX和最大過流幅值IMAX即為“屏蔽”區(qū)的時(shí)間和幅值邊界。實(shí)際應(yīng)用中，功率管能承受的熱功耗和擊穿電流是有限的。最大持續(xù)作用時(shí)間tMAX由功率管能承受的熱功耗和散熱性能決定，而功率管的最大擊穿電流確定了過流的最大幅值IMAX。對(duì)于特定的應(yīng)用需要，通過設(shè)定合理的屏蔽時(shí)間與最大過流幅值，能使LDO更高效地運(yùn)行。

“屏蔽”模式的邏輯關(guān)系如圖4所示，其中VB1和VCOUT分別為比較器甲和乙的輸出信號(hào)，VB1經(jīng)過一個(gè)延遲時(shí)間后輸出信號(hào)為VB2，屏蔽電路輸出電壓為VBOUT，VCO為屏蔽電路的輸出端。VB1、VB2和VBOUT的波形反應(yīng)了屏蔽電路的邏輯關(guān)系，只有當(dāng)VB1和VB2同時(shí)為高電平，VBOUT才為低電平，否則VBOUT一直為高電平，因此屏蔽電路屏蔽了延遲時(shí)間內(nèi)的脈沖信號(hào)，保持寬脈沖信號(hào)；VCOUT為使能端，只要VCOUT為高電平，VCO立即變?yōu)榈碗娖健?/p>

4 電路仿真結(jié)果

將上述設(shè)計(jì)原理應(yīng)用于輸入電壓為5V、輸出電壓3.3V、最大輸出電流500mA、限制電流ILIMIT800mA的LDO，使用CSMC 0.5μm BiCMOS工藝Cadence spectre仿真工具，分別對(duì)改進(jìn)前后的過流保護(hù)電路進(jìn)行仿真。根據(jù)功率管特定的需要，設(shè)定延時(shí)電路延遲時(shí)間tMAX為20 μs，最大幅值電流IMAX為3A。

圖5中（a）曲線表示負(fù)載電流幅值和作用時(shí)間的關(guān)系，ILIMIT和IMAX分別為限制電流和最大幅值電流。圖5中（b）、（c）和（d）曲線分別為采用傳統(tǒng)“中斷”模式、“屏蔽”模式以及“屏蔽+中斷”模式過流保護(hù)電路后LDO的輸出電壓波形。

圖5（b）表示“中斷”模式在所有過流情況時(shí)都會(huì)關(guān)斷LDO。圖5（c）的“屏蔽”模式能屏蔽tMAX內(nèi)的過流信號(hào)，但同時(shí)也屏蔽了過流幅值超過IMAX的電流信號(hào)，只有在過流持續(xù)作用時(shí)間大于tMAX時(shí)，LDO才被關(guān)斷。圖5（d）的“屏蔽+中斷”模式下，電路只在過流信號(hào)持續(xù)作用時(shí)間小于tMAX而且幅值不超過IMAX時(shí)屏蔽掉過流信號(hào)，對(duì)于其他超過ILIMIT的過流信號(hào)，都將中斷LDO運(yùn)行。通過比較圖5的（b）、（c）和（d）曲線可以得到，相對(duì)于圖5（b）的“中斷”模式，圖5（d）的“屏蔽+中斷”模式擴(kuò)大了工作區(qū)范圍，又比圖5（c）的“屏蔽”模式保護(hù)電路更安全。傳統(tǒng)屏蔽電路都會(huì)在過流之后關(guān)斷LDO，我們希望在某些短時(shí)且小幅度過流信號(hào)下LDO仍能正常運(yùn)行。結(jié)果表明，設(shè)計(jì)后的過流保護(hù)電路能達(dá)到預(yù)期效果，保證系統(tǒng)更高效安全地運(yùn)行。

5 結(jié)論

在傳統(tǒng)的只采取“中斷”模式的過流保護(hù)電路基礎(chǔ)上，本文提出了一種新型過流保護(hù)電路設(shè)計(jì)方案，通過增加“屏蔽”模式，能有效屏蔽在設(shè)定最大過流幅值IMAX和最大持續(xù)作用時(shí)間tMAX內(nèi)的過流信號(hào)，而不影響其他過流情況的關(guān)斷。通過CSMC 0.5μm BiCMOS工藝、Cadence spectre仿真，結(jié)果表明，改進(jìn)后的過流保護(hù)電路能有效屏蔽過流幅值和持續(xù)作用時(shí)間在設(shè)定范圍內(nèi)的過流信號(hào)，增加了正常工作區(qū)的范圍，使LDO更高效運(yùn)行，同時(shí)保留“中斷”模式，保證LDO安全工作。

［1］G.A Rincon-Mora, P.E Allen. A Low-voltage, Low Quiescent Current, Low Drop-out Regulator[J]. IEEE Journal of Solid-State Circuits, 1998, 33(1): 36-44.

［2］Dongpo Chen, Lenian He, Xiaolang Yan. A Low-dropout Regulator with Unconditional Stability and Low Quiescent Current[C]. Communications, Circuits and Systems Proceedings, 2006 International Conference.2215-2218.

［3］R.J Milliken, J Silva-Martinez, E Sanchez-Sinencio. Full On-Chip CMOS Low-Dropout Voltage Regulator[J]. Circuits and Systems I: Regular Papers, IEEE Transactions,2007, 54(9): 1879-1890.

［4］Socheat Heng, Weichun Tung, Cong-Kha Pham. Low Power LDO with Fast Load Transient Response Based on Quick Response Circuit[C]. Circuits and Systems, ISCAS 2009. IEEE International Symposium, 2009: 2529-2532.

［5］M Berkhout. Integrated Overcurrent Protection for Class D Power Stages[C].IEEE 29th European Solid-State Circuits Conference , 2003: 533-536.

［6］J.A De Lima, W.A Pimenta. A Current Limiter for LDO Regulators with Internal Compensation for Process and Temperature Variations[C]. Circuits and Systems, ISCAS 2008. IEEE International Symposium, 2008: 2238-2241.

［7］J.A De Lima, W.A Pimenta. A Differential-Mode Current Sensor and Its Application to A LDO Regulator[C].Circuits and Systems, 2009. ISCAS 2009. IEEE International Symposium, 2009: 804-807.

［8］ S Heng, Weichun Tung, Cong-Kha Pham. New Design Method of Low Power Over Current Protection Circuit for Low Dropout Regulator[C]. VLSI Design, Automation and Test, 2009. International Symposium, 2009:47-51.

［9］Wang Yong-sheng, Li Rui-xuan, Yu Ming-yan, et al. A Low Dropout Regulator with Over Current Reminder Circuits[C]. ASIC, 2009. ASICON ’09. IEEE 8th International Conference, 2009: 1089-1092.