一种用于线性稳压器LDO的限流电路

1引言

目前伴随着便携移动设备的快速发展，电源芯片得到更广泛的应用，LDO芯片即是一种重要的电源芯片。但在发生输出短路或负载电流过大的情况，LDO稳压器可能会损坏，特别是在短路情况下，LDO存在过大的电流从调整管通过，进而可能烧坏调整管致使芯片无法工作。因此需要设计一种用于LDO稳压器的限流电路，能在过载或短路情况下及时关闭电源系统。

2电路结构

这种限流电路的主要结构包括:电流采样电路、电流比较电路和基准源电路。如图1所示，它将从LDO输出电路得到的采样电流，与基准电流(镜像于基准源)作比较。根据实际需要，设定当输出驱动电流大于100mA时，采样电流大于基准电流，比较器翻转输出低电平，经反相器整形后得到逻辑0，由此LDO被关闭，从而实现限流功能。

2.1电流采样电路

如图1所示，电流采样电路包括Mp5、Mp4、Mp3、MN2和MN1。因为Mp5和Mp6均工作在饱和区，为了使Mp5更好地等比例镜像LDO的调整管(pMOS驱动管)Mp6的电流，特使用MN1、MN2、Mp3和Mp4组成自偏置的镜像阵列，以保证VX=VY，Vds_p5=Vds_p6。所以根据饱和区电流公式得到，N1I_p5=N1Is=N1Is1=I_p6。为使M3电流与Is更好的匹配，根据经验值并考虑功耗因素，特意将MN1、MN2和M3的过饱和电压提高到0.3V。

图1电流采样电路与电流比较电路

2.2电流比较电路

电流比较电路由电压比较器A1，若干电阻和MOS管构成。参考图2可知，电流比较电路的左半部分将电流转化为电压，而A1比较两者电压差给出判断电压Vc。

图2比较器A1电路

因为M1，M2和M3均工作在饱和区，有

Is=N2×Is2=N2×I1=N2×IR1。

VA=VDD-Vsg1-IR1×R1;

VB=VDD-Vsg2-IR2×R2

由此可得：

为了简便计算，设当Vd=0时，公式(1)中前一个括号和后一个括号分别为零，那么整理后得到，代入输出电流Io和基准电流Ir后得到：

当Io=100mA时，Vd=0，比较器A1翻转，LDO关闭。设定N1=200，N2=4，M=4，Ir=10uA，得到M1和M2的宽长比之比和R1与R2的电阻之比。

那么利用pMOS的饱和区电流公式可得M1与M2的具体尺寸。为使此时电压比较器A1性能更佳，设定VB为VDD的一半，可求出R2阻值，再根据公式(2)得到的电阻比例，便可得到R1阻值。

另外，为使限流电路能应用在较复杂的电源条件下，当电荷泵充当电源时，该电路设计一方面提高A1的pSRR，另一方面如上所述，利用M1、M2管和电阻R1、R2，降低电源VDD的抖动对A1输入端的影响。

在输出端加入退耦电容Cde，以防止高频干扰产生误判断。

为提高pSRR参数，A1选择跨导放大电路，并且增大pMOS的沟道长度。同时为抑制噪声干扰，在尾电流一定的条件下，增大输入差分对的宽长比。

利用Hspice仿真得到比较器A1的幅频曲线和pSRR，如图3所示。

图3比较器A1的幅频曲线和pSRR曲线

由此可知，这种比较器低频增益为60db，pSRR约为160db，当频率为1M时增益大于40db，而pSRR大于80db，所以比较器能够满足限流性能要求。

2.3基准源

基准源电路采用倍乘基准自偏置电路。

图4中NMOS采用共源共栅结构，用以降低电源波动对基准电流的影响。

图4基准源电路。

由图可推得基准电流：

因为沟道调制效应对长沟道器件影响比对短沟道器件影响小，因而在设计基准源及其相关电流镜时，MOS管的沟道长度为最小尺寸的15倍。同时利用dummy管和差指MOS管等版图技术，来进一步保证镜像过程中的电流匹配。

3性能参数和结果

将以上设计的限流电路嵌入某稳压芯片(内含电荷泵电路)中，实现流片量产(CMOS工艺)。当VDD=3V时，通过测量量产芯片得到输出电流极限数据。统计如图5所示，可知当输出电流处于100~120mA范围内时，限流电路开始工作，关闭系统即保护LDO安全。由此可见，本设计电路结构简单，功能可靠,可广泛应用于电源芯片中。

图5统计图