0 引言

    隨著便攜式電子產(chǎn)品的流行，低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)和開關(guān)型電壓調(diào)整器得到越來越廣泛的應(yīng)用。開關(guān)型電壓調(diào)整器的效率很高，通?？蛇_(dá)到90%以上^[1]。但是，由于開關(guān)型調(diào)整器需要用到電感，導(dǎo)致它難以集成、成本增加，還引入了電磁干擾(EMI)，而且開關(guān)型調(diào)整器的輸出紋波和噪聲比較大，不適用于對輸出電壓要求比較嚴(yán)格的場合。與開關(guān)型電壓調(diào)整器相比，LDO的優(yōu)點(diǎn)在于輸出電壓的紋波和噪聲小，而且占用的芯片面積也比開關(guān)型電壓調(diào)整器小^[2]。LDO的保護(hù)電路也是在設(shè)計(jì)中需要考慮的問題。本文設(shè)計(jì)了可編程電流限保護(hù)電路，可編程電流限可以將過流時(shí)LDO的負(fù)載電流限制在一定范圍內(nèi)，避免過長時(shí)間的大電流對電路中的功率管造成損壞^[3]。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的限流保護(hù)電路會存在一些弊端，當(dāng)LDO工作在輸入輸出壓差較大的情況下，若電流限值較大，將直接導(dǎo)致功率管因長期工作在大負(fù)載條件下而燒毀芯片。在實(shí)際應(yīng)用中，用來保護(hù)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^[4]。

    本文針對寬范圍輸入－輸出的大功率LDO線性穩(wěn)壓器限流閾值無法可調(diào)的缺點(diǎn)，在傳統(tǒng)限流保護(hù)電路的基礎(chǔ)上進(jìn)一步改進(jìn)，提出了一種可編程電流限電路，該電路采用TSMC 0.25 μm BCD工藝實(shí)現(xiàn)了可編程電流限值的調(diào)節(jié)，具有結(jié)構(gòu)簡單、實(shí)用方便、電流可精準(zhǔn)采樣的特點(diǎn)。

1 傳統(tǒng)限流保護(hù)電路分析

    LDO線性穩(wěn)壓器的傳統(tǒng)限流保護(hù)電路結(jié)構(gòu)如圖1所示^[5]。圖中，功率管P1、誤差放大器EA和反饋電阻網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成LDO線性穩(wěn)壓器的反饋環(huán)路，EA的反向端為帶隙基準(zhǔn)輸出的參考電壓V_REF，同向端為經(jīng)過反饋網(wǎng)絡(luò)電阻的反饋電壓V_FB，輸出電壓根據(jù)電阻R₁和R₂進(jìn)行調(diào)節(jié)^[6]。

    其中，A_EA為誤差放大器的閉環(huán)增益，A_PI為功率管P1的閉環(huán)增益，β為

    限流保護(hù)的工作原理為：采樣管P2管按照比例鏡像功率管P1的電流，如式(2)。

    鏡像電流I_P2經(jīng)過電阻R₃轉(zhuǎn)化為電壓比較器A1的反向端V1，與固定電壓V2進(jìn)行比較來控制開關(guān)管P3的導(dǎo)通或者關(guān)斷，從而控制功率管P1的柵端電壓。當(dāng)流過功率管的電流I_P1較小時(shí)，V1<V2，比較器A1輸出高電平，P3管截止，LDO的輸出正常；隨著流過功率管P1的電流逐漸增大，使得V1>V2，導(dǎo)通開關(guān)管P3，鉗位功率管P1的柵極電壓，從而限制輸出電流。傳統(tǒng)的限流保護(hù)電路存在較多缺點(diǎn)，該傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)需要將電流轉(zhuǎn)化為電壓再比較，目前國內(nèi)工藝廠商的電阻精度較低且會占用較大的版圖面積，較低的電阻精度直接影響限流值大小，從而導(dǎo)致電路工作在大功率下燒毀或者限制最大輸出電流而導(dǎo)致LDO無法正常工作，且針對電流采樣并不精準(zhǔn)。

2 本文提出的可編程電流限保護(hù)電路

    針對傳統(tǒng)限流保護(hù)電路電流采樣不精準(zhǔn)和電流限閾值無法調(diào)節(jié)等缺點(diǎn)，本文在傳統(tǒng)限流保護(hù)電路結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了可編程電流限保護(hù)電路。本設(shè)計(jì)的LDO最大帶載能力為3 A，該電流限電路可實(shí)現(xiàn)對功率管的精準(zhǔn)采樣，并通過改變片外電阻的大小(8 kΩ~70 kΩ)來調(diào)整電流限值(0.2 A~4.5 A)，具體電路如圖2所示。

    采樣管P0管根據(jù)MOS管尺寸比例關(guān)系鏡像功率管P1管的輸出電流，得到式(3)：

    P4~P6管和M1~M4管為串聯(lián)結(jié)構(gòu)電流鏡，串聯(lián)PMOS管的作用是為了減小版圖制作過程中的復(fù)雜度和削弱管子的溝道長度調(diào)制效應(yīng)，通過增加MOS管的L值來減小溝道長度調(diào)制系數(shù)^[7]，從而實(shí)現(xiàn)了高PSRR。同時(shí)，代替?zhèn)鹘y(tǒng)結(jié)構(gòu)的電壓比較器使兩個(gè)電流直接進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)對P2管的漏端即功率管柵端電壓的控制。

    當(dāng)I_CS大于I_PCL時(shí)，M3和M4管工作在線性區(qū)，A點(diǎn)電壓小于V_THN，導(dǎo)通P2管，使得功率管的柵極電壓鉗位為VCC，功率管被強(qiáng)制關(guān)斷從而輸出電流變小，起到了限流保護(hù)的作用^[8]；當(dāng)I_PCL大于I_CS，P3和P4管工作在線性區(qū)，A點(diǎn)電壓大于VCC-｜V_THP｜，P2管處于截止?fàn)顟B(tài)，LDO正常工作。

    其中，電阻R_PCL為可編程電流限的芯片外接電阻，通過外設(shè)大小來改變電流限的值，其范圍為8 kΩ～160 kΩ。V_REF為內(nèi)部基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生的0.6 V電壓，V_OUT為LDO的輸出電壓，V_FB為LDO的反饋電壓，P0為LDO的調(diào)整管，P1為與P0管寬長比比例為1：54 000的采樣管，此比例即式(3)中的CSR為5 400。

    運(yùn)算放大器AMP1的同相端為采樣管P1的漏極、反相端為LDO的輸出V_OUT，根據(jù)運(yùn)放的“虛短虛斷”原理，P1管的漏極電壓鉗位為V_OUT電壓，使得P1管的三端電壓與功率管P0的三端電壓完全一致^[9]，以便得到精準(zhǔn)的鏡像采樣電流，實(shí)現(xiàn)調(diào)整管電流的1/54 000的采樣。

    同樣的原理，通過運(yùn)算放大器AMP2使得端口PCL的電壓等于反饋電壓V_FB的值，在固定電壓下，通過改變外接電阻R_PCL的大小實(shí)現(xiàn)電流限的可編程設(shè)置，如式(4)：

    其中，本論文中V_REF=0.6 V，CSR為電流采樣比例，本文為56 000。

    在LDO工作在較大的輸入-輸出壓差下，若電流限電流較大，則容易因?yàn)楣奶蠖鴵p壞芯片，此時(shí)應(yīng)該增大電阻R_PCL來預(yù)防LDO工作在大功耗下燒毀芯片；當(dāng)LDO工作在較小的輸入-輸出壓差下，應(yīng)減小RPCL來增大電流限的閾值，從而避免大負(fù)載電流情況下的限流保護(hù)誤操作^[10]。通過對電流限的可編程設(shè)計(jì)，可滿足電路在不同輸入-輸出配置下的正常工作。

3 仿真結(jié)果

    根據(jù)上述理論分析和設(shè)計(jì)過程描述，設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于LDO的可編程電流限電路。以下是基于TSMC 0.25 μm BCD工藝，對本文設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行組合仿真，通過配置輸入電壓、輸出電壓和片外電阻RPCL驗(yàn)證本文的理論推斷。

    在相同的輸入電壓(5.5 V)、相同的輸出電壓(1.8 V)情況下，通過設(shè)置不同的R_PCL電阻值，進(jìn)行負(fù)載變化的瞬態(tài)仿真，觀察可編程電流限值的變化，仿真曲線如圖3所示。

    仿真曲線圖3中，曲線1片外電阻R_PCL為10 kΩ，可編程電流限為3.38 A；曲線2片外電阻R_PCL為22.5 kΩ，可編程電流限為1.6 A；曲線3片外電阻R_PCL為35 kΩ，可編程電流限為1.06 A；曲線4片外電阻R_PCL為47.5 kΩ，可編程電流限為758.6 mA；曲線5片外電阻R_PCL為60 kΩ，可編程電流限為616.7 mA。實(shí)現(xiàn)了在相同輸出下不同片外電阻R_PCL對電流限值可編程的設(shè)計(jì)。

    在相同的輸入電壓(5.5 V)、相同的R_PCL電阻(10 kΩ)情況下，通過設(shè)置不同的輸出電壓，進(jìn)行負(fù)載變化的瞬態(tài)仿真，觀察可編程電流限值的變化，仿真曲線如圖4所示。

    仿真曲線圖4中，輸入電壓均為5.5 V，片外電阻R_PCL為10 kΩ，輸出分別在0.8 V、1.2 V、1.8 V、3.3 V和4.9 V情況下的電流限曲線，可以看出，在不同輸出配置下，電流限值均為3.4 A左右，符合本設(shè)計(jì)原理，在相同的R_PCL下可編程電流限值均相同。

    在相同的輸出電壓(1.8 V)、相同的R_PCL電阻(10 kΩ)情況下，通過設(shè)置不同的輸入電壓，進(jìn)行負(fù)載變化的瞬態(tài)仿真，觀察可編程電流限值的變化，仿真曲線如圖5所示。

    相同的R_PCL電阻值(10 kΩ)情況下，設(shè)置不同的輸入電壓，曲線1的輸入電壓為5.0 V、曲線2的輸入電壓為3.3 V、曲線3的輸入電壓為2.2 V?？梢钥闯?，在不同輸入電壓、R_PCL保持固定值的情況下，可編程電流限值均在3.4 A左右，符合設(shè)計(jì)原理。

    在輸入電壓5.0 V，輸出電壓配置為1.8 V情況下，通過調(diào)節(jié)可編程電流限電阻R_PCL的大小進(jìn)行仿真試驗(yàn)，得到可編程電流限和電阻R_PCL的對應(yīng)關(guān)系，如圖6所示。

    將擬合曲線中的RPCL帶入式(5)中，得到的理論結(jié)果與圖6中的仿真結(jié)果誤差范圍在10%以內(nèi)，可以較好地實(shí)現(xiàn)電流限的可編程。

    在輸入電壓2.5 V、輸出電壓配置為1.8 V情況下，輸出電壓隨負(fù)載的變化曲線如圖7所示。

    仿真曲線圖如圖7所示，對本文所設(shè)計(jì)的LDO在TT工藝角下總體仿真，仿真結(jié)果顯示負(fù)載電流在0~3 A范圍內(nèi)變化，LDO均可正常輸出，且V_OUT的變化僅為70 μV左右。

4 結(jié)論

    本文基于TSMC的0.25 μm BCD工藝，設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于LDO的可編程電流限電路，有效地避免了傳統(tǒng)電流限保護(hù)電路限流值不可調(diào)的缺點(diǎn)。本文的電流限值可以通過配置外部電阻R_PCL的大小來調(diào)整。在2 V~5.5 V的輸入電壓、1.2 V~5 V的輸出電壓范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了最大帶載能力3 A，可編程電流限值可在0.2 A~4.5 A范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。仿真結(jié)果顯示，本文設(shè)計(jì)的電流限電路實(shí)現(xiàn)了電流限閾值的可編程，符合設(shè)計(jì)要求。

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作者信息:

初  飛1，2，宋奎鑫2，趙元闖2，郭  威2，馬  悅2，孔  瀛2

（1.南京航空航天大學(xué) 經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，江蘇 南京211106；2.北京時(shí)代民芯科技有限公司，北京100076）