LDO漏壓狀態(tài)監(jiān)測電路的設計

摘 要:針對LDO穩(wěn)壓器某些情況下輸出電壓不正常的特點，提出一種除了可監(jiān)測LDO穩(wěn)壓器的過溫過流保護狀態(tài)以外，還可監(jiān)測穩(wěn)壓器工作在漏壓區(qū)狀態(tài)的故障監(jiān)測電路，使LDO穩(wěn)壓器的功能更加完善;最后給出了仿真驗證結果。

關鍵詞:LDO穩(wěn)壓器;故障監(jiān)測;漏壓區(qū);閾值跟蹤

中圖分類號:TN710文獻標識碼:B

文章編號:1004-373X(2010)02-004-03

Design of LDO Dropout Monitoring Circuit

WANG Junqin

(Xi′an University of Arts and Science，Xi′an，710065，China)

Abstract:On some conditions，the output of LDO regulator is not normal.An improved monitoring circuit is put forward，which can monitor not only over thermal and over current protection conditions but also the condition that the regulator works in the dropout region.The new circuit makes the function of LDO regulator more perfect.The simulation results of the improved monitoring circuit is represented.

Keywords:LDO regulator;error monitoring;dropout region;threshold tracking

近年來，便攜式電子產(chǎn)品的不斷發(fā)展對電源管理方案提出了越來越高的要求。由于LDO(Low Drop Out)線性穩(wěn)壓器具有低靜態(tài)電流，低漏失電壓，高效率等特點[1]，因而得到廣泛的應用。在此介紹一種用于LDO穩(wěn)壓器的誤差監(jiān)測電路，并且給出電路的仿真結果。此電路能夠LDO穩(wěn)壓器的過溫、過流和漏壓狀態(tài)有效地監(jiān)測，以便于外部電路采取相應的應對措施[2]。

1 一般的故障監(jiān)測方法

具有故障監(jiān)測功能的LDO穩(wěn)壓器[3]系統(tǒng)框圖如圖1所示，其中比較器用于監(jiān)測穩(wěn)壓輸出是否正常[4]。當穩(wěn)壓器處于限流、過溫的狀態(tài)時，穩(wěn)壓器輸出電壓變低，比較器輸出端FAULT輸出低電平，正常時輸出高電平。然而，LDO穩(wěn)壓器除了在過溫保護和過流保護的狀態(tài)下輸出不正常以外，在輸入電壓尚未達到穩(wěn)壓器的正常工作電壓，穩(wěn)壓器工作在漏壓區(qū)時，輸出電壓也不正常。為了監(jiān)測這種不正常輸出的情況，在此提出了一種改進的故障監(jiān)測電路。

該電路在工作時，除了在穩(wěn)壓器處于過溫過流保護的狀態(tài)的情況下FAULT端輸出低電平外，當輸入/輸出壓差低于FAULT閾值時也輸出低電平。該FAULT閾值跟蹤漏失電壓，隨著負載電流的變化而變化。

圖1 普通LDO穩(wěn)壓器的系統(tǒng)框圖

2 改進的故障監(jiān)測電路

2.1 穩(wěn)壓器的工作狀態(tài)

如圖2所示，當輸入電壓低于某一電壓值時，穩(wěn)壓器停止穩(wěn)壓，這一點的輸入/輸出電壓差就是漏失電壓(Dropout Voltage)。

圖2 LDO穩(wěn)壓器的工作狀態(tài)

在漏壓區(qū)，PMOS調(diào)整管可簡化為一個電阻，漏失電壓可以用它的導通電阻(RON)的形式來表示[5]:

Vdropout=IORON(1)

在漏壓區(qū)，輸出電壓隨著輸入電壓的減小而減小，因此輸入/輸出壓差比較小;在穩(wěn)壓區(qū)，輸出電壓穩(wěn)定在某一固定值附近，此時輸入/輸出壓差比漏壓區(qū)內(nèi)要大[6]。因此，通過監(jiān)測輸入/輸出壓差的大小，可以判斷穩(wěn)壓器工作的區(qū)域。

2.2 故障監(jiān)測電路的實現(xiàn)

圖3是采用改進后的故障監(jiān)測電路的LDO穩(wěn)壓器框圖。FAULT_COMP除了穩(wěn)壓器處于過溫保護和過流保護狀態(tài)時FAULT端輸出低電平外，當輸入/輸出壓差低于某一FAULT閾值時也輸出低電平。該FAULT閾值跟蹤漏失電壓，隨著負載電流的變化而變化[7]。圖4為改進后的故障監(jiān)測電路，其中，VIN為芯片輸入電壓;VOUT為穩(wěn)壓器輸出電壓;IBIAS1為偏置電流信號;IS為負載電流采樣信號，其電流值為負載電流的幾千分之一;ADJ為輸出電壓的反饋采樣電壓;VREF為基準源電路產(chǎn)生的基準電壓;FAULT為故障監(jiān)測輸出信號，低電平有效。

圖3 改進的LDO穩(wěn)壓器框圖

如圖4所示，MN1，MN2，R0，R1組成輸入電壓的采樣電路。COMP_IN_OUT[8]和COMP_ADJ_REF[9]是兩個遲滯比較器，反相器I1和MP3，R0構成COMP_IN_OUT的外部正反饋回路，反相器I4和MN34(在COMP_ADJ_REF內(nèi))構成COMP_ADJ_REF的正反饋回路。或非門I2，反相器I3，MN4，R2組成故障監(jiān)測的輸出電路，R2為ESD保護電阻。

COMP_IN_OUT比較器用于監(jiān)測輸入/輸出壓差，即穩(wěn)壓器是否處于漏壓區(qū)。INP端接VIN經(jīng)過電阻R0和R1降壓后的電壓，INN端接穩(wěn)壓器輸出VOUT，因此一旦FAULT電平由低向高翻轉，則此時輸入/輸出壓差(VIN-VOUT)基本上就等于R0和R1上的壓降，這個值就是FAULT閾值電壓VH，比漏失電壓(Dropout Voltage)要稍大;而當FAULT電平由高向低翻轉時，此時輸入/輸出壓差(VIN-VOUT)就等于R1上的壓降，這個值就是FAULT閾值電壓VL。由于MN2和MN1形成一組電流鏡，所以IDMN2也與負載電流呈比例關系。MP3和R0構成的正反饋電路形成遲滯。

圖4 改進后的故障監(jiān)測電路共模輸入范圍

COMP_IN_OUT比較器外部采用動態(tài)遲滯，內(nèi)部為正反饋的高增益比較器。如果MP7和MP9的寬長比的系數(shù)α≤1時，比較器內(nèi)部無遲滯，α>1時比較器內(nèi)部有遲滯;在此電路中α=1，未形成遲滯。R0，R1及MP3構成外部正反饋，從而形成遲滯。其各個性能指標分析如下:

共模輸入范圍 如圖5所示，此比較器的輸入級結構是共源差分輸入。

VIC(max)=VIN(2)

VIC(min)=2VTHN+VMN18(sat)(3)

由式(3)可知:最小共模輸入電壓與VTHN有關，大約在1.8 V以上。故此比較器不適合于輸出電壓小于1.8 V的LDO穩(wěn)壓器。

輸出范圍 比較器的最大輸出范圍約為VDD，最小輸出范圍約為0。

遲滯 當VIN接近VOUT時，反相器I1輸出為高，MP3關斷。在INP稍大于VOUT時，比較器翻轉，反相器I1輸出為低，MP3導通。故:

V+trig=IDMN2(R0+R1)(4)

當VIN大于VOUT一定值時，反向器I1輸出為低，MP3導通。在INP稍小于VOUT時，比較器翻轉，反向器I1輸出為高，MP3關斷。故:

V-trigIDMN2R1(5)

該比較器的遲滯VH約等于:

VH=V+trig-V-trig=IDMN2R0(6)

又因為IDMN2與負載電流成比例，所以比較器翻轉時VIN與VOUT的壓差也與負載電流成正比，即:

VIN-VOUT=K×IO(7)

比較式(1)可知，通過選擇R0和R1的阻值，設定合理的K值，就可令此比較器翻轉時的(VIN-VOUT)

跟隨漏失電壓，從而比較準確地監(jiān)測穩(wěn)壓器的工作區(qū)域。

COMP_ADJ_REF比較器用于監(jiān)測限流、過溫保護的狀態(tài)。當電路處于其中的任何一種狀態(tài)時，F(xiàn)AULT端輸出為低電平。比較器的INP端接輸出采樣電壓ADJ，INN端接穩(wěn)壓器的基準電壓REF，在限流、過溫保護狀態(tài)時，輸出電壓VOUT會減小，而基準電壓不變，使COMP_OUT端輸出為低，同時拉低FAULT電平。這個比較器的閾值電壓，即比較器的輸入失調(diào)電壓也存在遲滯，遲滯電路在比較器內(nèi)部。

圖5 COMP_IN_OUT比較器內(nèi)部電路

3 仿真驗證

該電路采用0.5 μm標準CMOS工藝實現(xiàn)，采用HSpice仿真[10]。當負載電流為200 mA時，VIN由低到高以及由高到低變化時，比較器的正負端壓差分別為0.129 9 V和0.120 0 V，遲滯為0.009 9 V。仿真曲線如圖6所示。

圖6 反饋電壓變化時故障監(jiān)測電路的仿真曲線

4 結 語

改進后的故障監(jiān)測電路除了可監(jiān)測穩(wěn)壓器的過溫過流保護狀態(tài)以外，還可有效地監(jiān)測穩(wěn)壓器的漏壓狀態(tài)。當負載電流為200 mA時，如果穩(wěn)壓器的輸入/輸出壓差小于0.12 V，故障監(jiān)測電路輸出低電平;如果輸入/輸出壓差大于0.13 V，故障監(jiān)測電路輸出高電平，遲滯為0.01 V。仿真結果表明，此故障監(jiān)測電路使穩(wěn)壓器的各種非正常工作狀態(tài)均得到有效的監(jiān)測，保證了芯片外部電路工作的安全性。

參考文獻

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[10]潘松.EDA技術實用教程[M].北京:科學出版社，2002.

作者簡介 王軍琴 女，1978年出生，陜西合陽人，碩士研究生，講師。主要從事計算機以及智能控制方面的研究工作。