一种用于LDO稳压器的折返式限流电路

摘要：本文介绍了一种用于LDO稳压器的折返式限流电路，并针对实际应用中可能出现的问题进行了优化设计。仿真结果表明，对于一款最大带载能力为150mA的LDO稳压器，与常规的恒定电流限制相比，该电路能使系统在限流状态下将功耗减小2/3。

引言

在低漏失(Low Drop-Out，简称LDO)线性稳压器电路中，如果发生输出短路或负载电流过大的情况，则稳压器可能会损坏。特别是在短路情况下，不仅有过大的电流从调整管流过，而且加在调整管源漏两端的电压也处于最大值(因为V_OUT接地，所以加在调整管源漏端的电压为V_IN)，很可能烧坏调整管而使芯片无法工作。因此，一般的LDO稳压器都要加入限流保护电路。本文介绍了一种用于LDO稳压器的折返式限流电路，能够使系统在过载或短路情况下的功耗大大减小。

折返式限流电路原理

LDO稳压器通常采用的限流保护电路为恒定电流限制电路。在恒定电流限制电路中，LDO稳压器能够提供的最大负载电流被限制在一个设置好的常数I_MAX，当产生过载或短路情况时，输出电流会维持在I_MAX，而输出电压将会减小至I_MAXR_LOAD。

然而，如果外部过载或短路情况持续时间较长，则持续的大电流会使芯片温度升高，并且增加了整个系统的功耗。为了改善这种情况，可也采用折返式电流限制电路。在折返式限流电路中，当输出电流达到设置好的最大电流I_MAX时，输出电压和输出电流都逐渐减小。其中，输出电流逐渐减小为另外一个设置好的电流阈值I_FB，输出电压则减小为I_FBR_LOAD。显然，由于系统在过载或短路情况下的输出电流被钳位在一个较小值(小于芯片能够提供的最大输出电流)，系统功耗得以减小，芯片温度也不会明显升高。

图1折返式限流保护电路图

电路设计

折返式限流电路实质上就是在恒定限流电路的基础上增加一个输出电压的反馈回路，从而在过载或短路情况下，由于输出电压的降低而使输出电流逐渐减小，并最终被钳位在一个较小的值上。本文设计的折返式限流电路如图1所示。图中V_REF为基准电压；V_OUT为输出电压；V_FB为输出电压的反馈信号； I_BIAS为由基准电路产生的电流偏置信号，它是一个与绝对温度成正比(PTAT)的量；START为基准启动信号，基准电路启动没有完成时为高电平，启动结束后为低电平。电路的右边部分实际上是一个恒定限流电路， 中间部分为输出电压反馈回路，用于和恒定限流电路一同组成折返式限流电路。

如图1所示，M_S、M₁₈、M₁₉构成输出电流采样电路，设计时， M₁₉的偏置电流很小，而M₁₈的宽长比很大，使得M₁₈和M₁₉都工作在亚阈值区附近，从而使，采样管M_S的漏端电压约等于输出电压V_OUT。因为M_S和调整管M_P的源、栅、漏三端电压均相等，所以电流采样精度很高，基本上满足。当负载电流在额定输出范围以内时，采样电流很小， M₁₆微导通而M₅工作于线性区，上拉管M₁₇截止；当输出电流达到限流值时，采样电流的增大使M₁₆进入线性区而M5微导通，上拉管M₁₇导通将调整管M_P的栅极进行钳位，电路形成了一个电流负反馈回路，从而输出电流被限制在一个固定值。这就完成了恒定电流限制的功能。

在恒定限流电路的基础上，加上包含输出电压反馈的回路(如图1中间部分所示)，就构成了折返式限流电路。电路正常工作时，由于MOS管M₇的宽长比远大于M8的宽长比，M₈处于截止状态，M₁₂中没有电流流过，M₁₃截止，折返式限流电路不起作用。当系统达到限流状态时，由于图2右边恒定限流电路的作用，V_OUT将减小， V_FB也跟随V_OUT减小。随着V_FB的减小，M₈逐渐导通，流过M₁₂的电流逐渐增大，M₁₃源漏压差逐渐减小，因此，M₁₇的栅极电位不再固定，而是逐渐减小，使调整管M_P栅极电位逐渐升高，因而输出电流和电压均减小。由于M₈漏极电流最大只能等于I₆，因此，当V_OUT减到足够小而使得M₈进入饱和区后，流过M₁₂的电流便会保持为I₆，通过对M₅、M₆尺寸的合理设置，就可以使M₁₇的栅极电位被钳位在一个较小的电压值上，从而使调整管栅极被钳位在一个更高的电平上，此时输出电流为I_FB，输出电压为I_FBR_LOAD，电路完成了折返式限流的功能。在本文的设计中，M₅、M₆尺寸比为3:1，折返式电流阈值IFB约是最大限流值I_MAX的1/3。

在限流状态时，电路实际上形成了输出电压反馈和输出电流反馈两个回路，在大电流情况下可能产生振荡，因此，在M₁₇栅、漏两端连接了一个用作密勒补偿的电容C₂，用于消除可能引起的振荡。
　　
电路设计中应注意的问题及其优化

闩锁问题

在使用折返式电流限制电路的系统中，有一个问题不能不考虑，那就是稳压器有可能会进入“闩锁”状态而不能正常工作。例如，电源上电时电路即处于过载或短路状态，则输出电压和电流将沿着如图1(b)所示的折返曲线达到另外一个稳态值(负载电流为I_FB，输出电压为I_FBR_LOAD)，当过载或短路情况消失后，输出电压再也不能恢复到标称值。

在本文的设计中，闩锁问题由于M₂₃、M₁₁、C₃的引入而得以解决。电路上电启动时，在基准电路启动没有完成的过程中，START信号为高电平，M₁₂的栅极被拉低至地。而只有在基准电压上升到某一阈值后，M₁₁导通且START信号变为低电平时，折返式限流电路才起作用。而在基准电压上升至稳态值后，由于V_OUT启动较慢，V_FB较低，因此，在M₁₂的栅极加上一个到地的大电容C3进行延时，并设置这个时间高于电路的启动时间，便可以避免启动时的闩锁问题。设计中可以使流过M8的电流较小，因此，设置这样一个较大的时间常数是很容易的。

图2 折返式电流限制仿真波形 不同限流电路下调整管功耗仿真波形

温度系数问题

由于为该电路提供的偏置电流是PTAT电流，其温度系数可能较大。而当输出电流上升时，芯片内部温度会升高，导致偏置电流增大，也就使得最大输出电流限制值I_MAX变大，可能对芯片造成损害。因此，必须对偏置电流的温度系数进行补偿，以使I_MAX对温度的灵敏度较小，才能对芯片进行更为有效的保护。为此，本文采用了三极管BE结电压的负温度系数来补偿PTAT电流的正温度系数。当温度升高时，偏置电流增大，即M₁₀的源漏电流增大，但此时Q₁的BE结电压V_EB减小，使M₂的栅极电位减小，M₁的源漏电流随之增大。合理设置这两个电流的温度系数，可以使M₄的源漏电流温度系数很小，作为电流比较阈值的M₅、M₆的源漏I₅、I₆电流温度系数也很小。这样，最大输出电流限制值I_MAX和折返式最大输出电流阈值I_FB便会同样有很小的温度系数，使得电路的限流功能得以加强。
　　
仿真验证

本文设计的折返式限流电路已用于一款毫微功耗LDO稳压器，该芯片采用0.5μm标准CMOS工艺，其输出标称电压为2.3V，带载能力为150mA。限流保护仿真波形如图2所示，最大输出电流I_MAX约为290mA，折返式电流阈值I_FB约为90mA。在限流状态下，本文设计的折返式限流保护电路与常规的恒定限流电路相比，系统功耗减少了70%。限流状态下调整管功耗与输出电压的关系如图3所示，从图中可以看出，在限流状态，特别是负载很大的(其极限情况是输出短路，负载无穷大)情况下，折返式电流限制能使调整管功耗明显减小，在输出短路情况下，使用折返式电流限制的调整管功耗只相当于恒定电流限制调整管功耗的25%左右，因此，稳压器无需过温关断电路便可防止因调整管功耗过大、芯片温度过高而导致的芯片损伤。■