1引言

目前伴隨著便攜移動(dòng)設(shè)備的快速發(fā)展，電源芯片得到更廣泛的應(yīng)用，LDO芯片即是一種重要的電源芯片。但在發(fā)生輸出短路或負(fù)載電流過(guò)大的情況，LDO穩(wěn)壓器可能會(huì)損壞，特別是在短路情況下，LDO存在過(guò)大的電流從調(diào)整管通過(guò)，進(jìn)而可能燒壞調(diào)整管致使芯片無(wú)法工作。因此需要設(shè)計(jì)一種用于LDO穩(wěn)壓器的限流電路，能在過(guò)載或短路情況下及時(shí)關(guān)閉電源系統(tǒng)。

2電路結(jié)構(gòu)

這種限流電路的主要結(jié)構(gòu)包括:電流采樣電路、電流比較電路和基準(zhǔn)源電路。如圖1所示，它將從LDO輸出電路得到的采樣電流，與基準(zhǔn)電流(鏡像于基準(zhǔn)源)作比較。根據(jù)實(shí)際需要，設(shè)定當(dāng)輸出驅(qū)動(dòng)電流大于100mA時(shí)，采樣電流大于基準(zhǔn)電流，比較器翻轉(zhuǎn)輸出低電平，經(jīng)反相器整形后得到邏輯0，由此LDO被關(guān)閉，從而實(shí)現(xiàn)限流功能。

2.1電流采樣電路

如圖1所示，電流采樣電路包括Mp5、Mp4、Mp3、MN2和MN1。因?yàn)镸p5和Mp6均工作在飽和區(qū)，為了使Mp5更好地等比例鏡像LDO的調(diào)整管(pMOS驅(qū)動(dòng)管)Mp6的電流，特使用MN1、MN2、Mp3和Mp4組成自偏置的鏡像陣列，以保證VX=VY，Vds_p5=Vds_p6。所以根據(jù)飽和區(qū)電流公式得到，N1I_p5=N1Is=N1Is1=I_p6。為使M3電流與Is更好的匹配，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值并考慮功耗因素，特意將MN1、MN2和M3的過(guò)飽和電壓提高到0.3V。

圖1電流采樣電路與電流比較電路

2.2電流比較電路

電流比較電路由電壓比較器A1，若干電阻和MOS管構(gòu)成。參考圖2可知，電流比較電路的左半部分將電流轉(zhuǎn)化為電壓，而A1比較兩者電壓差給出判斷電壓Vc。

圖2比較器A1電路

因?yàn)镸1，M2和M3均工作在飽和區(qū)，有

Is=N2×Is2=N2×I1=N2×IR1。

VA=VDD-Vsg1-IR1×R1;

VB=VDD-Vsg2-IR2×R2

由此可得：

為了簡(jiǎn)便計(jì)算，設(shè)當(dāng)Vd=0時(shí)，公式(1)中前一個(gè)括號(hào)和后一個(gè)括號(hào)分別為零，那么整理后得到，代入輸出電流Io和基準(zhǔn)電流Ir后得到：

當(dāng)Io=100mA時(shí)，Vd=0，比較器A1翻轉(zhuǎn)，LDO關(guān)閉。設(shè)定N1=200，N2=4，M=4，Ir=10uA，得到M1和M2的寬長(zhǎng)比之比和R1與R2的電阻之比。

那么利用pMOS的飽和區(qū)電流公式可得M1與M2的具體尺寸。為使此時(shí)電壓比較器A1性能更佳，設(shè)定VB為VDD的一半，可求出R2阻值，再根據(jù)公式(2)得到的電阻比例，便可得到R1阻值。

另外，為使限流電路能應(yīng)用在較復(fù)雜的電源條件下，當(dāng)電荷泵充當(dāng)電源時(shí)，該電路設(shè)計(jì)一方面提高A1的pSRR，另一方面如上所述，利用M1、M2管和電阻R1、R2，降低電源VDD的抖動(dòng)對(duì)A1輸入端的影響。

在輸出端加入退耦電容Cde，以防止高頻干擾產(chǎn)生誤判斷。

為提高pSRR參數(shù)，A1選擇跨導(dǎo)放大電路，并且增大pMOS的溝道長(zhǎng)度。同時(shí)為抑制噪聲干擾，在尾電流一定的條件下，增大輸入差分對(duì)的寬長(zhǎng)比。

利用Hspice仿真得到比較器A1的幅頻曲線和pSRR，如圖3所示。

圖3比較器A1的幅頻曲線和pSRR曲線

由此可知，這種比較器低頻增益為60db，pSRR約為160db，當(dāng)頻率為1M時(shí)增益大于40db，而pSRR大于80db，所以比較器能夠滿足限流性能要求。

2.3基準(zhǔn)源

基準(zhǔn)源電路采用倍乘基準(zhǔn)自偏置電路。

圖4中NMOS采用共源共柵結(jié)構(gòu)，用以降低電源波動(dòng)對(duì)基準(zhǔn)電流的影響。

圖4基準(zhǔn)源電路。

由圖可推得基準(zhǔn)電流：

因?yàn)闇系勒{(diào)制效應(yīng)對(duì)長(zhǎng)溝道器件影響比對(duì)短溝道器件影響小，因而在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)源及其相關(guān)電流鏡時(shí)，MOS管的溝道長(zhǎng)度為最小尺寸的15倍。同時(shí)利用dummy管和差指MOS管等版圖技術(shù)，來(lái)進(jìn)一步保證鏡像過(guò)程中的電流匹配。

3性能參數(shù)和結(jié)果

將以上設(shè)計(jì)的限流電路嵌入某穩(wěn)壓芯片(內(nèi)含電荷泵電路)中，實(shí)現(xiàn)流片量產(chǎn)(CMOS工藝)。當(dāng)VDD=3V時(shí)，通過(guò)測(cè)量量產(chǎn)芯片得到輸出電流極限數(shù)據(jù)。統(tǒng)計(jì)如圖5所示，可知當(dāng)輸出電流處于100~120mA范圍內(nèi)時(shí)，限流電路開始工作，關(guān)閉系統(tǒng)即保護(hù)LDO安全。由此可見，本設(shè)計(jì)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功能可靠,可廣泛應(yīng)用于電源芯片中。

圖5統(tǒng)計(jì)圖