一种新型过流保护电路的设计研究.doc

一种新型过流保护电路的设计研究本文由bulletzzy贡献 pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 设计 中国集成电路 一种新型过流保护电路的设计研究 合肥工业大学 张娜娜 梁齐 摘要： 本文提出的过流保护电路利用运算放大器虚短虚断的原理大大提高了对输出电流的采样精 度， 从而提高了电路的可靠性； 并通过增加的折回电路， 有效降低了 （ ） 系统的过 流关断功耗。 本电路基于 工艺设计， 进行了应用于 的 仿真， 结果表 明该过流保护电路可靠性高、 过流关断功耗低。 关键字： 过流保护， ， 可靠性， 折回电路 ， （ ） ： ， ） （ ， （ ： ， ） ， ， 引言 随着电子技术的飞速发展， 变换器已 广 便 泛应用于各种移动电子系统中， 如移动通信终端、 携式电脑、 等 等 。 而 线 性 稳 压 器 作 为 成本低廉、 变换器的一种， 由于其结构简单、 噪声低、 功耗低及封装尺寸较小等优点， 在便携式电 子产品中得到广泛应用。 过流保护电路都存在一些诸如可靠性、过流关断功 本 耗等问题， 限制了这些过流保护电路的应用范围。 文提出的过流保护电路， 不仅具有可靠的过流保护 功能， 而且成功地解决了传统过流保护电路中存在 的可靠性、 过流关断功耗等问题。 本文分析了这种新 型过流保护电路的工作过程和原理， 同时给出基于 工 艺 的 该 电 路 设 计 的 仿 真结果。 中的过流保护技术一直 是影响 系统 稳定运行的关键。过流保护的目的是为了把输出电 流限制在一个固定的范围内， 在输出短路或过载时 对整个系统或负载进行保护。 然而， 目前比较常用的 ? ? 常用的过流保护电路 图 中所示的过流保护电路是一种比较早出现 （ 总第 期） ： 中国集成电路 设计 图 传统的过流保护电路 图 过流保护电路 的 过 流 保 护 电 路 。 如 图 所 示 ， 为 调 整 管 ， 为 采 样 电 阻 ， 和 一 起 构 成 过 流 保 护 电 路。 因为流过 的电流近似等于输出电流 ， 所以 出为高电平， 管截至， 调整管 的栅极电位由 系统的放大电路决定。当输出电流达到一定值 时， 点电压 ， 比较器输出变为低电平， 管导通， 调整管 的栅极电位被拉高， 输出电流被 钳制在一定值， 从而达到过流保护的目的。 区别于图 中所示的传统过流保护电路， 图 中所示过流保护电路的采样电阻 不和调整管 串联， 没有损失压降， 因此， 大大提高了转换效率。 但 是此电路仍 然存在一些 不足： 第一， 虽 然 和 的栅源电压都相等， 但是此电路并不能保证 和 上 的 压 降 与 输 出 电 流 成 正 比 。 的 栅 源 电 压： （ ） 正常工作情况下， 的栅源电压 ， 处于截止状态， 调整管 的 栅 极电位由系统的放大电路输出决定。当输出电流 增大到一定值时 ， 导通， 把 的栅极 电位拉高， 把输出电流限制在一定值， 从而达到过流 保护的目的。 但是这种过流保护电路存在两个问题： 第一， 由 于采样电阻 上的压降损失， 降低了系统的转换效 率， 特别是在大负载的情况下， 这种损失更为严重； 第二， 因为过流发生时， 电路只是把通过调整管的电 流限制在一定值， 所以电路仍然有很大的功耗。 图 所示的是另外一种比较常用的过流保护电 路。如图 所示， 为调整管， 过流保护电路的主 体 由 比 较 器 （ 比 较 器 的 正 端 接 基 准 电 压 ） ， 的漏电压相等， 因此， 对输出电流的采样不 精确， 从而导致系统的可靠性不高； 第二， 过流发生 时， 流过调整管的电流被限制在一个比较大的定值， 因此， 系统仍然存在比较大的功耗。 新型过流保护电路 为了解决过流保护电路中的可靠性和过流关断 功耗问题， 本文提出了一种新的过流保护电路。 如图 所示， 为调整管， 过流保护电路的主体由比较 器 （ 比 较 器 的 正 端 接 基 准 电 压 源 ） ， 管 电阻 构成。取样 管 对 、 ， 管 、 通过调整管 的电流进行取样， 因此， 的漏电 流 反映了输出电流 的变化。 为了保证过流保护电路对输出电流精确取样， 提高过流保护的可靠性， 本设计利用运算放大器的 管 、 ， 采样电阻 和晶体管 组成。 取样管 对流过调整管 的输出电流 进行取 样， 因此， 的漏电流 反映了 的变化。 点电 压： （ ） 正常工作情况下， 点电压 ， 比较器输 ： ? ? （ 总第 期） 设计 中国集成电路 正 常 工 作 情 况 下 ， 的 栅 源 电 压 ， ! （ ） 管截止， 该支路电流为零， 所以 也截止； 当过 流发生时， 过流保护主体电路先工作， 当 降到一 定值时， ， 导通， 此时， 上的压降使得 导通， 把调整管 的栅极电位进一步拉高， 从 而使流过 的电流进一步减小。 与目前常用的过流保护电路比较， 本设计有以 下优点： 第一， 在采样管的漏端增加了一个负反馈回 路， 保证了对输出电流的精确采样， 大大提高了过流 图 新型过流保护电路 保护的可靠性； 第二， 当过流发生时， 使得输出电流 随着输出电压的降低而降低， 大大降低了系统的过 流关断功耗； 第三， 因为采样电阻 没有和调整管 串联， 没有损失压降， 提高了系统的转换效率。 虚短虚断特 性在 的漏极 构成一个负 反馈电路， 负反馈电路由 和运算放大器构成。当 降低 时， 管栅极电位升高， 点电位下降， 反之亦然。 此负反 馈电路使得 点电 位 随 输 出 电 压 的 变 化 而 变化， 保证了 对流过 电流的精确取样， 提高 了过流保护的可靠性。 上的压降为： 仿真结果 在 工艺下， 利用 仿 真工具对图 和图 所示电路的功能进行了仿真， 仿真结果如图 、 所示。 图 在图 中， 横坐标表示输出电流， 纵坐标表示输 出电压。 由图 仿真结果可得， 图 所示的过流保护 电路对输出电流的采样不精确， 不能在所要求的负 载点快速地把电路关断， 从而大大降低了系统的可 靠性； 另外， 在过流发生时， 随着输出电压的下降， 负 载电流被限定在一个很大的固定值， 导致系统关断 后， 仍然存在很大的功耗。 （ ） 正常工作情况下， 上的压降 ， 比较器 输出高电平， 截止， 调整管 的栅极电位由系 统的放大电路输出决定； 当输出电流达到一定值时， 上 的 压 降 ， 比 较 器 输 出 低 电 平 ， 导 通， 把调整管的栅极电位拉高， 把输出电流限制在一 个定值， 从而达到过流保护的目的。 但是， 把输出电流限制在一个定值， 电路仍然会 有很大的功耗。为了降低功耗， 必须在过流发生时 使得输出电流随输出电压的降低而降低。本设计增 加 了 由 、 、 、 、 、 、 组 成 的 折 回 电 路。 其中， 为取样管， 对流过调整管 的电流进 行取样。为了保证取样的精确性， 尽量把 做大。 的栅极电压为： 则 的栅源电压为： 图 ! （ ） 过流保护电路功能仿真结果 （ 总第 期） ? ? ： 中国集成电路 设计 在图 中， 横坐标表示输出电流， 总坐标表示输 出电压。 由图 的仿真结果可以看出， 图 所示的过 流保护电路在限制过流的同时把输出电流降到了原 来的三十分之一， 相应地也把过流保护发生后的电 路功耗降到了原来的三十分之一。 总结 、 传统的过流保护电路存在可靠性差， 过流关断 功耗高等不足之处。本文提出的过流保护电路利用 运算放大器虚短虚断原理大大提高了对输出电流的 采样精度， 从而提高了电路的可靠性； 并通过增加的 折回电路， 大大降低了 系统的过流关断功耗。 最后， 通过 仿真， 验证了上述结论。 图 新型过流保护电路功能仿真结果 ， ， ， ， ， “ ” ， ， 闫良海， 吴金 ， 庞 坚 ， 姚 建 楠 ， 过 流 与 温 度 保 护电路的分析与设计， 电子器件， 第 卷第 期。 参考文献 ， ， ： ， ， 作者简介 张娜娜， 合肥工业大学微电子学与固体电子学硕士 研究生， 研究方向： 超大规模集成电路设计。 上接第 页 贴到框架上所具有的平整性和张性来给薄硅片提供 支撑， 从而完美地解决了这一问题。除此之外， 东京 精密的 模块还在业界第一次实现了对所有市场 主流划片膜的支持， 而且还支持预切割膜、 含粘片膜 （ ） 的 合 膜 等 ， 以 适 应 各 种 工 艺 和产品要求。 图 所示仅仅是一个基本的配置形式。根据不 同的工艺要求， 可以柔性地在 和 之间加入 硅片的背面等离 相应的特定工艺模块， 如激光划片、 子处理等， 从而极大地丰富了设备的功能及扩展了 对未来产品趋势和要求的适应性。 在今天叠层封装蓬勃发展、 方兴未艾的同时， 以 通孔互连为技术特征的 封装也日益成