线性稳压器的短路保护电路
一个高可靠性的线性稳压器通常需要有限流保护电路，以防止因负载短路或者过载对稳压器造成永久性的损坏。限流保护通常有限流和折返式限流2种类型。前者是指将输出电流限定在最大值，该方法最大缺点是稳压器内部损失的功耗很大，而后者是指在降低输出电压的同时也降低了输出电流，其最大优点是当过流情况发生时，消耗在功率管能量相对较小，但在负载短路时，大多数折返式限流型保护电路也没有彻底关断稳压器，依然有电流流过，进而使功率mos管消耗能量，加快器件的老化。针对上述情况，在限流型保护电路的基础上，设计改进了一个短路保护电路，确保短路情况下，关断功率mos管。本文分别定性和定量地分析了这种短路保护电路的工作过程和原理，同时给出基于tsmco.18μm cmos工艺的spectra仿真结果。
1 短路保护电路的工作原理
高可靠性短路保护电路的实现电路如图1所示，其中vmp是线性稳压器的功率mos管，r1、r2为稳压器的反馈电阻;vmo和vmp管是电流镜电路，vmo管以一定的比例复制功率管的电流，通过电阻r4转化为检测电压;晶体管vm1完成电平移位功能，最后接入由vm8～vm12等mos管组成的比较器的正输入端(vinp)，比较器的负输入端(vinm)与输出端(0ut)相连;vm13、vm14组成二极管连接形式为负载的共源级放大电路;vm14和vmp1构成电流镜电路;晶体管vmp1完成对功率管vmp的开关控制，正常工作时，vmp1的栅级电位(vcon)为高电平，不会影响系统的正常工作，短路发生时，vcon将为低电平，使功率管关断。
1.1 工作原理的定性分析
当短路发生时，比较器的负输入端电位(vinm)为0 v;同时vm1管将导通，因此比较器的正输入端电位大于0 v，最终比较器的输出节点电位(vcom)为高电平，在mos管vm13、vm14作用下，控制信号vcon将为低电平，最终vmp管的栅极电压将升高，进而关断p功率管，实现短路保护。
实现短路保护后，vm1管将关断;vm3和vm4组成电流镜，晶体管vm2的作用是保证电路在短路期间(vm1管关断)，比较器正输入端的电压始终高于比较器的负输入端电压(即使系统存在地平面噪声)，从而使vcon电压始终为低电平，确保电路在短路发生期间始终都能关断p功率管，实现保护电路的高可靠性。
同时当短路发生时(即vcon信号为低电平)，vm7管正常工作，vm5管将导通，有一定的电流流向0ut端;因此一旦短路消除(即0ut端接有负载电阻)，vm5管将对负载电容和负载电阻组成的并联rc网络充电，0ut端电压升高，vcon信号将变为高电平，电路自动恢复正常状态。
1.2 工作原理的定量分析
由电路分析可知，比较器的正负输入端关系为：
比较器输入端的vinp，因此比较器输出信号vcon为低电平，将关断p功率管，实现短路保护。
当p功率管关断后，id0=o，晶体管vcon将截止，此时比较器vinp输入端电压vmin_od取决于晶体管vm2、vm3、vm4组成的网络，只要保证vmin_od大于vinm电压(vinm=vout=o)，p功率管将一直处于关闭状态。
接下来将分析vm2、vm3和vm4组成的网络如何确保vmin_od大于0。分析电路可知，vm2、vm3工作在饱和区，vm4工作在线性区，因此id3>id4，id4=id2。
因此选取
，即可得到vinp>0。本文vm3的宽长比为vm2的宽长比的10倍，vmin_od=2.6 mv。
当短路排除后，流过vm5的电流将对rc网络充电，过t秒后vinm(0ut)端电压将大于vmin_od，电路正常工作。其中充电时间为：
式中idm5为vm5的漏电电流，rl=vout/imax，cl为负载电容，其中imax是系统规定的最大负载电流。要使系统能正常启动，idm5必须满足idm5>vout/rl，因此合理选取参数，就能正常启动。
2 仿真结果与讨论
基于tsmc o.18μm cmos工艺，仿真结果如图2～图3所示。仿真结果表明输出短路时，输出电流为o，p功率管被关断，实现短路保护。
图3(a)所示曲线的仿真条件是输出负载周期性地从0 ω变化到5 ω。仿真结果表明当输出发生短路时(即负载为0)，输出电流被限制在最大电流值，这样功率mos管会消耗大量功耗，将加快器件的老化。
图3(b)所示曲线的仿真条件与图3(a)的条件一样。仿真结果表明当输出发生短路时(即负载为0)，输出电流被限制为o，即功率mos管被完全关断，同时表明系统具有自动恢复的特点，即负载短路消除后，系统恢复正常工作。
3 结论
在限流电路的基础上，设计改进一个短路保护电路，确保在短路情况下，彻底关断功率mos管，减少短路发生时系统损失的功耗。同时该电路具有以下特点：高可靠性、自动恢复，即使地平面存在大量噪声，当短路发生时，稳压器的功率管截止，实现保护，而短路一旦消除，稳压器的输出将自动恢复到正常状态，有效地保护系统。在蓝牙功率放大器电源管理电路中得到了很好应用。
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1 短路保护电路的工作原理
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1.1 工作原理的定性分析
当短路发生时，比较器的负输入端电位(vinm)为0 v;同时vm1管将导通，因此比较器的正输入端电位大于0 v，最终比较器的输出节点电位(vcom)为高电平，在mos管vm13、vm14作用下，控制信号vcon将为低电平，最终vmp管的栅极电压将升高，进而关断p功率管，实现短路保护。
实现短路保护后，vm1管将关断;vm3和vm4组成电流镜，晶体管vm2的作用是保证电路在短路期间(vm1管关断)，比较器正输入端的电压始终高于比较器的负输入端电压(即使系统存在地平面噪声)，从而使vcon电压始终为低电平，确保电路在短路发生期间始终都能关断p功率管，实现保护电路的高可靠性。
同时当短路发生时(即vcon信号为低电平)，vm7管正常工作，vm5管将导通，有一定的电流流向0ut端;因此一旦短路消除(即0ut端接有负载电阻)，vm5管将对负载电容和负载电阻组成的并联rc网络充电，0ut端电压升高，vcon信号将变为高电平，电路自动恢复正常状态。
1.2 工作原理的定量分析
由电路分析可知，比较器的正负输入端关系为：
比较器输入端的vinp，因此比较器输出信号vcon为低电平，将关断p功率管，实现短路保护。
当p功率管关断后，id0=o，晶体管vcon将截止，此时比较器vinp输入端电压vmin_od取决于晶体管vm2、vm3、vm4组成的网络，只要保证vmin_od大于vinm电压(vinm=vout=o)，p功率管将一直处于关闭状态。
接下来将分析vm2、vm3和vm4组成的网络如何确保vmin_od大于0。分析电路可知，vm2、vm3工作在饱和区，vm4工作在线性区，因此id3>id4，id4=id2。
因此选取
，即可得到vinp>0。本文vm3的宽长比为vm2的宽长比的10倍，vmin_od=2.6 mv。
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图3(a)所示曲线的仿真条件是输出负载周期性地从0 ω变化到5 ω。仿真结果表明当输出发生短路时(即负载为0)，输出电流被限制在最大电流值，这样功率mos管会消耗大量功耗，将加快器件的老化。
图3(b)所示曲线的仿真条件与图3(a)的条件一样。仿真结果表明当输出发生短路时(即负载为0)，输出电流被限制为o，即功率mos管被完全关断，同时表明系统具有自动恢复的特点，即负载短路消除后，系统恢复正常工作。
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