過流保護(hù)電路工作原理

當(dāng)電路處于正常狀態(tài)時，通過過流保護(hù)用PTC熱敏電阻的電流小于額定電流，過流保護(hù)用PTC熱敏電阻處于常態(tài)，阻值很小，不會影響被保護(hù)電路的正常工作。當(dāng)電路出現(xiàn)故障，電流大大超過額定電流時，過流保護(hù)用PTC熱敏電阻陡然發(fā)熱，呈高阻態(tài)，使電路處于相對“斷開”狀態(tài)，從而保護(hù)電路不受破壞。當(dāng)故障排除后，過流保護(hù)用PTC熱敏電阻亦自動回復(fù)至低阻態(tài)，電路恢復(fù)正常工作。

簡單過流保護(hù)電路設(shè)計(jì)方案（一）

傳統(tǒng)的過流保護(hù)電路由電流感應(yīng)電路、比較電路以及輸出級組成，分為恒流式過流保護(hù)和折返式過流保護(hù)。傳統(tǒng)的過流保護(hù)電路采用的是“中斷”模式，對于任何過流情況，只要負(fù)載電流大于限制電流，都將使LDO中斷運(yùn)行。

當(dāng)負(fù)載電流超過限制電流ILIMIT不太多且持續(xù)作用時間不太長時，我們希望過流保護(hù)電路能保持LDO不中斷工作，因此需要采用“屏蔽”模式屏蔽掉部分可以讓LDO不中斷運(yùn)行的過流信號，對于過流幅值和持續(xù)作用時間超過范圍的過流信號，過流保護(hù)電路又能采取中斷LDO工作的模式。傳統(tǒng)的“中斷”模式電流保護(hù)電路工作狀態(tài)如圖1（a）所示，分為正常工作區(qū)Ⅰ和“中斷”區(qū)Ⅱ，當(dāng)負(fù)載電流不超過ILIMIT時，LDO工作在正常工作區(qū)，當(dāng)負(fù)載電流超過ILIMIT時LDO進(jìn)入“中斷”區(qū)。加入“屏蔽”模式后的過流保護(hù)電路工作狀態(tài)如圖1（b），分為正常工作區(qū)Ⅲ、屏蔽區(qū)Ⅳ以及中斷區(qū)Ⅴ，當(dāng)負(fù)載電流小于ILIMIT時，LDO處于正常工作區(qū)，當(dāng)過流信號的幅值在ILIMIT和最大幅值電流IMAX之間，持續(xù)作用時間在t=tMAX之內(nèi)即同時滿足ILIMIT≤ILOAD≤IMAX，t≤tMAX時，LDO進(jìn)入屏蔽區(qū)，這個范圍之外的過流信號將進(jìn)入中斷區(qū)。對比圖1（a）和（b）可以看出，改進(jìn)過流保護(hù)電路后的LDO的正常工作區(qū)包括圖1（b）的正常工作區(qū)Ⅲ和“屏蔽”區(qū)Ⅳ，增大了工作區(qū)的范圍，提高了LDO的工作效率。

包含過流保護(hù)電路的LDO整體框圖如圖2所示，虛線左邊是LDO主體電路，包括誤差放大器、功率管、負(fù)載電阻以及分壓電阻。虛線右邊部分為電流保護(hù)電路，主要作用是感應(yīng)并檢測負(fù)載電流是否超過限制電流，然后通過控制功率管來決定是否使LDO中斷運(yùn)行，包括電流感應(yīng)電路和控制電路。傳統(tǒng)的過流保護(hù)電路只采用圖2中實(shí)框Ⅱ所示的“中斷”模式（不包括虛框），對于任何負(fù)載過流情況，不論持續(xù)作用時間如何，都使LDO中斷工作；本文在傳統(tǒng)的“中斷”模式基礎(chǔ)上，增加了“屏蔽”模式（如圖2中虛框Ⅰ），能有效屏蔽希望LDO不中斷工作的過流信號，使LDO更高效運(yùn)行，同時保留“中斷”模式，保證LDO安全工作。

圖2 ?帶過流保護(hù)電路的LDO框圖

“屏蔽”模式電路實(shí)現(xiàn)

圖3是改進(jìn)前后的過流保護(hù)電路圖。不加虛框部分是傳統(tǒng)的“中斷”模式過流保護(hù)電路，由電流感應(yīng)電路、比較電路以及輸出級電路組成。電流感應(yīng)電路采樣功率管電流。采樣得到的電流和限制電流ILIMIT分別轉(zhuǎn)化為比較器的兩輸入端電壓VSENSE和VLIMIT并進(jìn)行比較，得到VCO。VCO作用于輸出級電路以控制功率管柵極電壓。如果負(fù)載過流，過流保護(hù)電路使得功率管柵極電壓PG為高電平，強(qiáng)行使LDO中斷。

圖3 ?改進(jìn)后的電流保護(hù)電路圖

如果我們在電路中加入圖3虛框A區(qū)所示的電路結(jié)構(gòu)，電路將變?yōu)椤捌帘巍蹦Ｊ诫娏鞅Ｗo(hù)。屏蔽電路由延時電路、或非門構(gòu)成。比較器甲輸出的信號VB1經(jīng)過延時后得到VB2，VB1和VB2進(jìn)行或非運(yùn)算再經(jīng)過一次反向后得到屏蔽電路的輸出信號VBOUT。

由于邏輯或運(yùn)算只能使同時為1的兩個信號保持不變，因此，可以通過或非門和反相器消除掉延遲時間內(nèi)的脈沖信號。在過流保護(hù)電路中增加屏蔽電路，則可屏蔽掉延遲時間內(nèi)的過流信號，但如果負(fù)載電流太大，可能瞬間燒毀功率管，因此需要相應(yīng)的關(guān)斷電路。當(dāng)負(fù)載電流超過最大限制電流IMAX時，過流保護(hù)電路能不經(jīng)過延遲直接關(guān)斷LDO。

圖3虛框B區(qū)電路能解決屏蔽時間內(nèi)大電流可能導(dǎo)致功率管瞬間燒毀的問題，當(dāng)延遲時間內(nèi)出現(xiàn)很大過流信號時，能及時關(guān)斷功率管，保證系統(tǒng)安全。關(guān)斷電路由比較器乙和NMOS開關(guān)管M1組成。

當(dāng)過流信號超過最大限制電流IMAX（此時VSENSE》VMAX）時，比較器乙輸出VCOUT為高電平導(dǎo)致開關(guān)管M1導(dǎo)通，使得VCO強(qiáng)行為低電平而不受屏蔽電路影響并同步關(guān)斷LDO，保證功率管安全。當(dāng)過流電流不是太大時，比較器輸出電壓VCOUT為低，開關(guān)管M1不導(dǎo)通，不影響屏蔽電路工作。

圖3所示的改進(jìn)電流保護(hù)電路能夠?qū)崿F(xiàn)圖1（b）所期望的“屏蔽”區(qū)工作模式。負(fù)載電流過流最大持續(xù)作用時間tMAX和最大過流幅值IMAX即為“屏蔽”區(qū)的時間和幅值邊界。實(shí)際應(yīng)用中，功率管能承受的熱功耗和擊穿電流是有限的。最大持續(xù)作用時間tMAX由功率管能承受的熱功耗和散熱性能決定，而功率管的最大擊穿電流確定了過流的最大幅值IMAX。

對于特定的應(yīng)用需要，通過設(shè)定合理的屏蔽時間與最大過流幅值，能使LDO更高效地運(yùn)行。

“屏蔽”模式的邏輯關(guān)系如圖4所示，其中VB1和VCOUT分別為比較器甲和乙的輸出信號，VB1經(jīng)過一個延遲時間后輸出信號為VB2，屏蔽電路輸出電壓為VBOUT，VCO為屏蔽電路的輸出端。VB1、VB2和VBOUT的波形反應(yīng)了屏蔽電路的邏輯關(guān)系，只有當(dāng)VB1和VB2同時為高電平，VBOUT才為低電平，否則VBOUT一直為高電平，因此屏蔽電路屏蔽了延遲時間內(nèi)的脈沖信號，保持寬脈沖信號；VCOUT為使能端，只要VCOUT為高電平，VCO立即變?yōu)榈碗娖健?/p>

圖4“屏蔽”電路邏輯關(guān)系圖