一種高精度雙環(huán)反饋的新型過流保護電路

楊園格,李凡陽,黃繼偉

(福州大學(xué)物理與信息工程學(xué)院,福建 福州 350116)

0 引言

低壓差線性穩(wěn)壓器(low-dropout voltage regulator,LDO)是恒壓源電路的一種,它具有低噪聲、 高集成度、 靜態(tài)電流小、 低功耗和外接器件少等優(yōu)點,已經(jīng)成為機頂盒、 視頻或音頻等產(chǎn)品廣泛使用的電源電路.

在LDO電源系統(tǒng)中,過流保護模塊的作用是把輸出電流限制在固定范圍內(nèi),在輸出短路或過載時對整個系統(tǒng)或負載進行保護. 該保護電路通過控制誤差放大器的工作狀態(tài)來控制調(diào)整管的電流,以達到過流保護的目的. 傳統(tǒng)過流保護電路技術(shù)過于簡單,采樣管和功率管的漏源電壓會出現(xiàn)較大失配,不能精確采樣,同時電路采用的高低電平控制方式精度較低,使控制管無法精確調(diào)控,這些缺點導(dǎo)致LDO電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性較差. 為保證過流保護電路對輸出電流精確采樣,提高過流保護的可靠性[1],本研究設(shè)計了一種新型過流保護電路. 該電路有兩個突出點： 首先,它使基準電流和功率管的輸出電流達到高度匹配,能夠降低PVT特性的影響,具有魯棒性,克服了傳統(tǒng)過流保護電路由于溫度引起的偏置電流誤差過大的問題,從而提高了控制精度； 其次,它利用三極管動態(tài)輸出阻抗決定開關(guān)閉合與開啟,在電路進行輕重負載切換時,過流保護電路的輸出電壓具有自恢復(fù)功能.

1 傳統(tǒng)過流保護電路分析

傳統(tǒng)過流保護電路[2](見圖1)中采樣管Ms用于跟蹤大負載電流的變化,M5作為恒定電流源,經(jīng)過一對有源電流鏡M3和M4后,與M2中的采樣電流作比較,來確定A點的高低電平. 當功率管正常工作時,M2中的漏電流小于M3中的漏電流,A點為高電平,限流控制管M6關(guān)斷； 當M2中的漏電流大于M3中的漏電流,A點判定為低電平,限流管M6導(dǎo)通,把功率管的柵電位拉高,從而達到限流的目的[3].

圖1 傳統(tǒng)過流保護電路Fig.1 Traditional over-current protection circuit

這種控制方法有一定的局限性. 首先,采用基準電壓控制柵源電壓使其恒定,溫度變化會導(dǎo)致M5的遷移率成倍減小,偏置電流誤差加大,進而影響過流保護電路的電流閾值,造成電路精度不高. 其次,電路中只有恒定限流部分,當輸出短路時,功率管會繼續(xù)供應(yīng)大電流,過流保護部分失效,無法實現(xiàn)在輕重負載切換時輸出電壓的自恢復(fù).

針對以上問題,本研究對電路進行改進設(shè)計： 1)利用基準電流源通過柵漏短接的MOS管產(chǎn)生參考基準電壓來替代基準電壓源,使輸入?yún)⒖蓟鶞孰妷翰皇芡饨缫蛩赜绊?并且采用短溝道晶體管堆疊來代替長溝道晶體管[4],避免溝道調(diào)制效應(yīng),使參考基準電壓電路具有魯棒性,不受PVT的影響,達到提高精度的目的； 2)利用三極管動態(tài)輸出阻抗的變化,決定過流保護反饋環(huán)路開關(guān)的開啟與關(guān)斷,從而實現(xiàn)電路的自恢復(fù)功能.

2 新型過流保護電路工作原理

雙環(huán)反饋過流保護電路(見圖2)是由誤差反饋電路和過流保護反饋電路構(gòu)成. 其中,誤差反饋電路由誤差放大器A1、 調(diào)整管P1,電阻反饋環(huán)路R1、 R2和負載電流源Iload構(gòu)成[5]； 過流保護反饋環(huán)路由誤差放大器A2,三極管動態(tài)阻抗控制的開關(guān)K構(gòu)成.

圖2 雙環(huán)反饋過流保護電路工作原理Fig.2 Schematic of over-current protection circuit with double feedback loop

1) 電路正常工作狀態(tài). 輸出的反饋電壓Vfb1

2) 電路由正常工作狀態(tài)轉(zhuǎn)入保護狀態(tài),即重負載的情況. 此時,Iload增大,R2兩端電壓VR2降低,導(dǎo)致Vclamp降低,此時三極管集電極電壓低至可以導(dǎo)通,則相當于三極管輸出阻抗減小,即開關(guān)K閉合,此時過流保護電路處于閉環(huán)狀態(tài),過流保護反饋電路使Vclamp保持穩(wěn)定,即誤差反饋電路中的調(diào)整管P1的柵源電壓Vgs維持不變,相當于P1接了一個恒流源,從而起到過流保護作用.

3) 電路由保護狀態(tài)轉(zhuǎn)入正常工作狀態(tài),即由重負載切換到輕負載的情況. 此時,Iload減小,VR2升高,導(dǎo)致Vclamp升高,所以三極管輸出阻抗逐漸增大,直到開關(guān)K斷開,此時過流保護反饋電路由閉環(huán)變?yōu)殚_環(huán)狀態(tài),電路轉(zhuǎn)變?yōu)檎９ぷ鳡顟B(tài).

根據(jù)以上分析,此過流保護電路處于保護狀態(tài)或正常工作狀態(tài),主要由三極管動態(tài)阻抗形成的過流保護反饋環(huán)路進行控制,當電路進入過流保護狀態(tài)時,Vclamp固定不變,從而起到保護電路的作用. 該電路不但在輕重負載切換時具有自恢復(fù)功能,而且具有良好的魯棒性.

3 新型過流保護電路實現(xiàn)

3.1 魯棒性

本研究所提出的過流保護電路的主體由基準電壓源、 二級誤差運算放大器和三極管動態(tài)阻抗開關(guān)三部分構(gòu)成. 如圖3所示,由M0,M3,M12,M7,M15,M16組成MP,此處采用堆疊晶體管代替一個長溝道晶體管,這使得我們可以用單位尺寸的晶體管來組成所需要的PMOS晶體管[6]. 此電路要求MP與調(diào)整管P1的尺寸匹配,使MP與P1呈鏡像狀態(tài),這樣能夠防止溝道效應(yīng),減小靜態(tài)電流,無論電流電壓如何變化,電壓和溫度等變量都具有跟隨特性,能很好地遵循PMOS特性[7]. 又因遷移率會隨溫度變化而變化,進而導(dǎo)致電流的變化,因此,為避免基準電壓源產(chǎn)生的電流隨溫度變化,影響采樣精度,本研究采用可控電流源來產(chǎn)生一個基準電壓源,提高采樣精度. 由上可知,可控電流源和柵漏短接的MOS管組成的基準電壓源具有魯棒性,并且能保證高采樣精度[8],使所提供的參考基準電壓不受PVT影響,從而提供一個穩(wěn)定的基準電壓給誤差放大器.

圖3 過流保護電路Fig.3 Over-current protection circuit

3.2 自恢復(fù)性

動態(tài)阻抗部分是指晶體三極管的集電極與發(fā)射極之間的阻抗,等效為一個受集電極電壓控制的阻抗rce. 圖3中Vclamp電壓的變化會得到不同的rce,使三極管Q0處于不同的工作狀態(tài),進一步控制過流保護反饋模塊的工作,所以此電路是一個過流保護反饋環(huán)路與誤差反饋環(huán)路相互影響的具有自恢復(fù)功能的雙環(huán)反饋電路. 當電路正常工作時,只有誤差反饋環(huán)路進行工作； 當電路進入過流保護狀態(tài)時,過流保護反饋環(huán)路開始工作,此時,M6和M8的柵源電壓相等,相當于把固定的Vclamp輸入給誤差反饋電路的調(diào)整管P1,即圖2中Clamp點的電壓Vclamp為定值,并且控制P1的柵源電壓,使P1相當于接了一個恒流源. 在輕重負載切換時,能夠具備自恢復(fù)特性.

由圖3可以看到,采用二極管對Q0的基極和集電極的電壓進行鉗位,改變集電極電壓就可以有效改變Q0的內(nèi)阻rce,達到控制過流保護環(huán)路是否導(dǎo)通的作用.

開環(huán)狀態(tài)： 當Vclamp> 5×Vd-0.7時,Q0處于截止狀態(tài),即集電極與發(fā)射極之間的動態(tài)阻抗rce近似為∞,三極管相當于一個斷開的開關(guān),此時電路處于正常工作狀態(tài).

閉環(huán)狀態(tài)： 當Vclamp< 5×Vd-0.7時,Q0從放大狀態(tài)進入飽和狀態(tài),這時集電極電流Ic會繼續(xù)增大,導(dǎo)致rce繼續(xù)減小,說明三極管的導(dǎo)通逐漸加深,當飽和程度達到一定值時,rce趨向于0,即集電極與發(fā)射極之間的動態(tài)阻抗接近為0,相當于開關(guān)K接通,此時電路處于過流保護狀態(tài).

4 仿真結(jié)果

電路基于華虹BCD 0.35 μm工藝,在室溫為27 ℃時進行仿真驗證.

4.1 傳統(tǒng)過流保護電路(圖1)的仿真圖

4.1.1 溫度變化的影響

在不同溫度(-40～80 ℃)下,閾值電流變化為42.3 mA,最大誤差達到31%,詳見圖4所示.

4.1.2 工藝角變化的影響

在不同工藝角下,閾值電流誤差為86.51 mA,變化范圍較大,閾值電流誤差范圍達到49%,說明傳統(tǒng)型過流保護電路受工藝角影響較大,詳見圖5所示.

圖4 溫度變化下的閾值電流變化曲線Fig.4 Wave of current as a function of temperature

圖5 工藝角變化下的閾值電流變化Fig.5 Threshold current as a function of different process corner

4.2 新型過流保護電路(圖3)的魯棒性驗證

在室溫為27 ℃時,對負載電阻Rload從80 Ω到250 Ω進行直流掃描,測試結(jié)果為： 當電阻R=100 Ω,輸出負載電流Iload=177.41 mA時,電路由正常工作狀態(tài)進入過流保護狀態(tài). 這也表明,啟動過流保護電路的電流閾值為177.41 mA,當電流大于177.41 mA時,電路的過流保護功能啟動.

4.2.1 溫度變化的影響

在不同溫度(-40～80 ℃)下,閾值電流變化為0.04 mA,說明閾值電流隨溫度變化很小,誤差范圍在0.02%以內(nèi),詳見圖6所示.

4.2.2 工藝角變化的影響

在不同工藝角下,閾值電流變化為19.74 mA,閾值電流誤差范圍控制在10%以內(nèi),說明過流保護電路受工藝角影響較小,詳見圖7所示.

圖6 溫度變化下的閾值電流變化曲線Fig.6 Wave of current as a function of temperature

圖7 工藝角變化下的閾值電流變化Fig.7 Threshold current as a function of different process corner

圖8 輕重負載切換下的輸出電壓自恢復(fù)曲線 Fig.8 Self recovery curve as a function of light and heavy load

根據(jù)以上仿真,將傳統(tǒng)型過流保護電路與新型過流保護電路進行對比,由圖4和圖6可得到溫度的影響情況,由圖5和圖7可得到工藝角的影響情況. 說明新型過流保護電路在溫度及工藝角變化時,閾值電流誤差控制在10%以內(nèi),比傳統(tǒng)型過流保護電路49%的誤差小2倍以上,說明所提出的由可控電流源控制的過流保護電路具有良好的魯棒性,既能有效消除PVT的影響,又具有較高的采樣精度.

4.3 新型過流保護電路(圖3)自恢復(fù)性驗證

在重負載為115 mA切換到輕負載為60 mA時,輸出電壓從17.74 V經(jīng)過9.32 μs的時間恢復(fù)至17.74 V,說明此過流保護電路在輕重負載切換時,具有很好的自恢復(fù)特性,仿真結(jié)果見圖8.

5 結(jié)語

使用開關(guān)控制雙環(huán)反饋電路,本質(zhì)是采用可控電流源和三極管動態(tài)輸出阻抗組成的結(jié)構(gòu)去實現(xiàn)過流保護電路的高精度和自恢復(fù)功能. 仿真結(jié)果表明,本文提出的新型過流保護電路在溫度及工藝角變化時,閾值電流誤差控制在10%以內(nèi),與傳統(tǒng)型過流保護電路的誤差49%相比較,遠小于傳統(tǒng)型過流保護電路誤差,保證了LDO可以安全高效的工作.

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