徐佳豪，汪西虎，董振斌，張金洋

(1.西安郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院，西安 710121；2.上海電子線路智能保護(hù)工程技術(shù)研究中心，上海 201202；3.上海維安電子有限公司，上海 201202)

0 引 言

近年來，負(fù)載開關(guān)在電源管理中發(fā)揮著越來越重要的作用[1]。限流保護(hù)電路作為負(fù)載芯片的核心，影響著后續(xù)系統(tǒng)的工作狀態(tài)，因此，電源管理芯片對內(nèi)部限流保護(hù)電路提出了很高的設(shè)計(jì)要求[2-3]。

當(dāng)負(fù)載出現(xiàn)短路的時(shí)候，電源管理芯片會流過很大的電流，瞬間電流可能達(dá)到10A以上，會嚴(yán)重影響芯片的正常工作，將芯片的輸出電流限制在一個(gè)較低的水平顯得尤為重要[4]。隨著現(xiàn)代電子產(chǎn)品種類的急劇增加，電源管理芯片的應(yīng)用場合也隨之增加，傳統(tǒng)限流電路的限流范圍較窄，已經(jīng)不能滿足客戶的需求[5-6]。文獻(xiàn)[7]盡管加入了短路保護(hù)電路，但是短路輸出波形是振蕩的，適用范圍窄。文獻(xiàn)[8]雖然可通過外接電阻調(diào)節(jié)限流值，但其應(yīng)用范圍也不大。鑒于此，本文提出一種限流值可調(diào)的雙門限限流保護(hù)方法，通過增加限流值設(shè)置短路保護(hù)電路，既實(shí)現(xiàn)了限流值的寬范圍調(diào)節(jié)，又可以保證短路情況下對芯片的保護(hù)，適應(yīng)范圍更廣。

1 限流基本原理

傳統(tǒng)限流電路利用電阻進(jìn)行輸出電流的采樣，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1中，R1與R2阻值相同，M2、M5、M8的尺寸相同，流過M3與M6的電流相同,M3與M6尺寸相同。電路處于過流保護(hù)狀態(tài)時(shí)，根據(jù)飽和區(qū)電流公式可知：當(dāng)M3與M6的柵壓相同、流過M3與M6的電流相同時(shí)，M3與M6的源極電壓也相同；因?yàn)镽1與R2的阻值相同，流過的電流也相同，所以A點(diǎn)電壓等于B點(diǎn)電壓[9]?？傻孟蘖髦礗OUT(LIM)表達(dá)式為

圖1 傳統(tǒng)限流電路結(jié)構(gòu)Fig.1 Traditional current limiting circuit structure

(1)

(1)式中：IM3為流過M3的電流；Rsense為采樣電阻。

當(dāng)電路有過流出現(xiàn)時(shí)，流過FET的電流增大，導(dǎo)致A點(diǎn)電壓降低。因?yàn)榱鬟^M6的電流不變，流過R2的電流也不變，所以R2上的壓差也不變。當(dāng)A點(diǎn)電壓降低時(shí)，M6的源極電壓會減小。M6處于飽和區(qū)，根據(jù)飽和區(qū)電流公式可推得：當(dāng)M6的電流不變，M6源極電壓減小時(shí)，M6柵極電壓也減小。因?yàn)榱鬟^M3與R3的電流不變，B點(diǎn)電壓不變，M3的源極電壓也不變，M3的柵極電壓也減小，所以導(dǎo)致M3的漏極電壓增大，M9的漏極電壓降低，F(xiàn)ET的柵極電壓減小，IOUT減小，實(shí)現(xiàn)限流的目的。然而利用采樣電阻進(jìn)行采樣，采樣電阻上會有電壓損耗，會降低芯片的效率，增大導(dǎo)通電阻。傳統(tǒng)限流電路限流值單一，不能應(yīng)用于多種場合[10-11]。因此，為了有效提高限流保護(hù)電路的效率，本文設(shè)計(jì)了一款新型限流保護(hù)電路。

2 雙門限限流方案

基于BCD工藝，本文設(shè)計(jì)了一種雙門限新型限流保護(hù)電路，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 新型限流電路結(jié)構(gòu)Fig.2 Diagram of new current limiting circuit structure

本文設(shè)計(jì)的限流電路結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)和短路保護(hù)兩種功能，電路由功率器件、VOUT判斷電路、短路保護(hù)采樣電路、過流保護(hù)采樣電路、限流值設(shè)置電路、電流比較器電路組成。圖2中，RLIM為外接電阻，限流值設(shè)置電路的輸出電流可以根據(jù)不同的RLIM進(jìn)行調(diào)整，由此可以產(chǎn)生不同的參考電流。VOUT判斷模塊進(jìn)行判斷，當(dāng)VOUT大于2 V時(shí)，過流保護(hù)電流采樣電路工作；當(dāng)VOUT小于等于2 V時(shí)，短路保護(hù)電流采樣電路工作。這兩種電路都通過采樣管進(jìn)行采樣，采樣管將功率管電流按一定比例縮小，比較采樣的電流與參考電流的大小，通過電流比較器輸出的微小電流拉低功率管的柵極電壓，從而起到限流的作用?；诨鶢柣舴螂娏鞫稍O(shè)計(jì)的電流比較電路，只需用簡單的結(jié)構(gòu)就可實(shí)現(xiàn)電流的比較，省去了設(shè)計(jì)電壓比較器這一步驟，可節(jié)省面積。與傳統(tǒng)的限流保護(hù)電路相比，本文電路具有以下特點(diǎn)：①限流值可調(diào)，可通過改變RLIM阻值適應(yīng)不同的應(yīng)用場合；②通過功率管中一定比例的采樣管對電流值進(jìn)行采樣，這樣不增加導(dǎo)通電阻，可以提高電源的效率；③通過電流比較電路，簡化了電路結(jié)構(gòu)。

3 電路的實(shí)現(xiàn)

3.1 限流值設(shè)置電路

基于文獻(xiàn)[12]中的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了限流值設(shè)置電路，添加可調(diào)電阻RLIM來調(diào)整限流環(huán)路的參考電流。限流值設(shè)置電路如圖3所示。圖3中，VDD為外部電源電壓，VP34信號是來自帶隙基準(zhǔn)源的參考電壓，VBIAS為偏置模塊產(chǎn)生的偏置，ISET為限流值設(shè)置電路的輸出電流。M6、M8、M9為開關(guān)管，正常工作時(shí)柵極均為高電平。

圖3 限流值設(shè)置電路Fig.3 Current limiting setting circuit

M1為運(yùn)放提供穩(wěn)定的尾電流，尾電流為零溫度系數(shù)電流，確保該電路靜態(tài)工作點(diǎn)幾乎不隨溫度變化，從而保證了限流值的溫漂系數(shù)。正常工作時(shí)，M6、M8、M9柵極為高電平，M6、M8打開；R1、R2、R3、M6、M7、M8組成運(yùn)放的負(fù)反饋環(huán)路，起到一個(gè)鉗位的作用，可將A端口處電壓鉗位在0.34 V；R3、M7、M8、RLIM構(gòu)成通路。限流值設(shè)置電路輸出電流ISET的表達(dá)式為

(2)

通過調(diào)節(jié)RLIM阻值大小可調(diào)節(jié)該通路電流，從而實(shí)現(xiàn)功率管電流的寬范圍輸出。

3.2 過流限流保護(hù)電路

過流限流保護(hù)電路如圖4所示。圖4中，VDD為外部電源電壓，VBIAS1與VBIAS2為偏置模塊產(chǎn)生的偏置，PUMP為電荷泵的輸出信號，F(xiàn)ET為功率管。過流保護(hù)電路包括過流保護(hù)采樣與電流比較兩部分。

圖4 過流限流保護(hù)電路Fig.4 Over-current limiting protection circuit

圖4中，M3與M5為共源共柵結(jié)構(gòu)，M4與M6也為共源共柵結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)保證了電流鏡像的精度。M10與M8為由VOUT檢測電路控制的開關(guān)管，F(xiàn)ET為功率管，M21為過流保護(hù)電路采樣管。M1、M2、M3、M4、M5、M6一起組成鉗位結(jié)構(gòu)。由于M5、M6的漏電流相同，所以M1與M2的漏電流也相同。M1與M2處在飽和區(qū)，由飽和區(qū)電流公式可知M1與M2的源端電壓相同，起到鉗位的作用。M7與M11、M13與M16、M14與M17組成電流鏡結(jié)構(gòu)，M7與M11的尺寸之比為3∶56、M13與M16的尺寸之比為32∶1、M14與M17的尺寸之比為1∶1。假設(shè)流過M14的電流為ID，則通過鏡像關(guān)系得到的流過M17的電流值也為ID。由基爾霍夫電流定律可知，如果ID大于ISET，功率管柵極會有一個(gè)下拉電流，功率管柵極電壓將會減小，最終電流穩(wěn)定在一個(gè)恒定值。

在過流限流狀態(tài)下，流過M17的電流近似等于ISET，則ID與ISET的關(guān)系式為

ID=ISET

(3)

由M7與M11的鏡像關(guān)系可知流過M7的電流IM7與ISET的關(guān)系式為

(4)

M1的電流IM1由偏置模塊決定。流過M21的電流為M1、M7、M11的電流之和，則采樣管電流ISAM與ISET的關(guān)系式為

(5)

FET與采樣管M21的尺寸之比為N2∶1，在過流保護(hù)狀態(tài)下，M21與FET都處于飽和區(qū)，又由于M21與FET的柵極、源極、漏極均相等，所以它們尺寸之比等于電流之比。將(2)式代入(5)式，再將N2=591.5，VP34=0.34V代入(5)式，則過流限流值公式可簡化為

(6)

由(6)式可得：RLIM與過流限流值成反比。

3.3 短路保護(hù)電路

短路保護(hù)電路如圖5所示，短路保護(hù)電路中VDD為外部電源電壓，VBIAS為偏置模塊產(chǎn)生的偏置，PUMP為電荷泵的輸出信號。

圖5 短路保護(hù)電路Fig.5 Short-current protection circuit

圖5中，M1、M8給由M2、M3、M4、M5、M7組成的比較器提供尾電流，M9組成比較器的負(fù)反饋通路，該負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)可將M2與M3的柵極電壓鉗位在一個(gè)相同的電壓值。M6為短路保護(hù)電路采樣管，M12為開關(guān)管，當(dāng)VOUT小于2V時(shí)，M12的柵極電平為高電平。因?yàn)镸2與M3的柵極電壓相同，所以流過R1與R2的電流的關(guān)系表達(dá)式為

(7)

(7)式中：IR1為流過R1的電流值；IR2為流過R2的電流值。

假設(shè)流過M6的電流為IS，流過M6的電流等于IR1，則IR2與IS的關(guān)系式為

(8)

流過R2、M10、M11的電流相同，M10與M11構(gòu)成鏡像電流鏡，其尺寸之比為1∶1。M13與M14也構(gòu)成鏡像電流鏡，其尺寸之比也為1∶1。M14的電流IM14為

(9)

經(jīng)過電流比較電路，IM14只要大于ISET，M15就會有電流，拉低功率管電壓，從而使輸出電流保持穩(wěn)定。

在短路保護(hù)狀態(tài)，IM14近似等于ISET，假設(shè)FET與M6的尺寸之比為N1∶1，則短路限流值ISHORT與ISET的關(guān)系式為

(10)

將(2)式帶入(10)式，再將N1=591.5，R2/R1=24，VP34=0.34 V代入(1)式與(10)式，則短路限流值公式可簡化為

(11)

將(6)式與(11)式比較可得：短路限流值約為過流限流值的3/4。

4 仿真分析

本文基于0.18 μm BCD工藝，利用Cadence Virtuoso進(jìn)行仿真，設(shè)定負(fù)載電容為1 μF。雙門限限流電路在RLIM電阻為6.8 KΩ，電源電壓為5 V，溫度25 ℃時(shí)，經(jīng)過計(jì)算得到過流限流值為997 mA，短路保護(hù)限流值為720 mA。圖6所示為限流值隨負(fù)載變化的曲線。圖6中，過流保護(hù)限流值為1 009 mA，短路保護(hù)限流值為730 mA，與理論值近似相等。

圖6 輸出限流值隨負(fù)載變化曲線(RLIM=6.8 KΩ)Fig.6 Output current varies with the load resistance(RLIM=6.8 KΩ)

當(dāng)RLIM=6.8 KΩ時(shí)，過流保護(hù)限流值隨電源電壓變化曲線如圖7所示，可看出最大限流值為1 020 mA，最小限流值為1 007 mA，限流值偏移率約為2%。

圖7 過流保護(hù)限流值隨電源電壓變化曲線(RLIM=6.8 KΩ)Fig.7 Overload current limiting value varies with the supply voltage(RLIM=6.8 KΩ)

表1列出溫度在-40～125 ℃時(shí)，RLIM=6.8 KΩ的輸出電流仿真結(jié)果，ILIM表示過流時(shí)的限流值，ISHORT表示短路時(shí)的限流值。

表1 -40～125 ℃溫度下的限流值仿真結(jié)果(RLIM=6.8 KΩ) Tab.1 Simulation results of current limiting value at-40～125 ℃(RLIM=6.8 KΩ)

過流保護(hù)狀態(tài)下，通過調(diào)節(jié)RLIM的阻值，可實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)在400～2 500 mA內(nèi)的限流值調(diào)節(jié)。過流保護(hù)限流值隨RLIM變化的曲線如圖8所示。

圖8 過流保護(hù)限流值隨RLIM變化曲線Fig.8 Current limiting value of over-current protection varies with RLIM

由圖8可知，過流情況下，當(dāng)RLIM=17 KΩ時(shí)，系統(tǒng)輸出限流值可達(dá)到最小限流值400 mA；當(dāng)RLIM=2.7 KΩ時(shí)，可達(dá)到最大限流值2 500 mA。通過對過流保護(hù)電路全范圍內(nèi)進(jìn)行工藝角仿真表明，本文電路各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

短路保護(hù)限流值隨RLIM變化的曲線如圖9所示。從圖9可以看出，RLIM=17 KΩ時(shí)，電路進(jìn)入到短路保護(hù)狀態(tài)下，系統(tǒng)輸出限流值可達(dá)到最小限流值267 mA；RLIM=2.7 KΩ時(shí)，可達(dá)到最大限流值1 758 mA。通過對短路保護(hù)電路全范圍內(nèi)進(jìn)行工藝角仿真表明，本文電路各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

圖9 短路保護(hù)限流值隨RLIM變化的曲線Fig.9 Current limiting value of short-current protection varies with RLIM

本文所設(shè)計(jì)的雙門限限流保護(hù)電路版圖采用0.18 μm BCD工藝完成，電路版圖如圖10所示，尺寸約為635 μm×1 300 μm。

圖11為過流保護(hù)限流值隨RLIM變化的后仿真圖，圖12為短路保護(hù)限流值隨RLIM變化的后仿真圖。由圖11—圖12可以看出：后仿真過流和短路時(shí)，分別能實(shí)現(xiàn)411～2 509 mA與273～1 762 mA的可調(diào)限流輸出，此結(jié)果比前仿真偏大了一點(diǎn)，其原因是版圖中鋁線上的電阻會產(chǎn)生壓降，會使后仿真采樣管源端電壓低于前仿值，從而導(dǎo)致后仿限流值大于前仿限流值。

圖11 過流保護(hù)限流值隨RLIM變化曲線(后仿真)Fig.11 Current limiting value of over-current protection varies with RLIM(post simulation)

圖12 短路保護(hù)限流值隨RLIM變化的曲線(后仿真)Fig.12 Current limiting value of short-current protection varies with RLIM(post simulation)

5 結(jié) 論

傳統(tǒng)限流電路限流范圍較窄，只能產(chǎn)生固定限流值，且無法在短路情況下對電路進(jìn)行保護(hù)。本文設(shè)計(jì)的雙門限限流保護(hù)電路，可改變外接電阻對限流值進(jìn)行調(diào)節(jié)，在系統(tǒng)過流和短路時(shí)，分別能實(shí)現(xiàn)411～2 509 mA，273～1 762 mA的恒流輸出，達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)指標(biāo)，可滿足限流開關(guān)芯片的實(shí)際需求。