CN114690833B - 实现过流保护和短路保护功能的线性稳压器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种实现过流保护和短路保护功能的线性稳压器，包括第一级差分放大器、跟随器、第二级放大器、短路保护电路、过流保护电路、电流采样模块、调整管、反馈电阻网络，第一级差分放大器的负向输入端接基准电压Vref，输出端与跟随器的输入端相连接，跟随器的输出端与第二级放大器的输入端相连接，第二级放大器的输出端与调整管的基极相连接，电流采样模块将采样的输出电流信号反馈至过流保护电路，控制第二级放大器的输出，使调整管由线性区调整至关断区。采用了本发明的实现过流保护和短路保护功能的线性稳压器，通过过流保护和短路保护配合形成折返限流保护，很好地保护电路，降低过流或短路时的功耗，防止电路因功率太大而烧毁，安全性高。

Description

实现过流保护和短路保护功能的线性稳压器
技术领域
本发明涉及电源管理等应用系统领域，尤其涉及线性稳压器领域，具体是指一种实现过流保护和短路保护功能的线性稳压器。
背景技术
线性稳压器由于尺寸小，成本低，噪声低等优点，广泛应用于电源管理等应用系统中。为了避免稳压器由于输出电流过大而使调整管因功耗过大而损坏，稳压器内部通常都含有过流保护电路。现有技术中，其过流保护一般都是限制输出端的最大负载电流，当负载电流超过设定的限流值时，输出电压开始降低。但当遇到因误操作出现电源输出与地短接的情况时，瞬间电流值远超限流值，这时瞬间功耗很大，会造成电路烧毁，发生意外事故，安全性能低。
一般线性稳压器会设计功率保护模块，通过过压和过流保护使芯片工作在安全工作区内，防止芯片超出功率而烧毁，但此功率保护模块无法确保芯片输出对地短路时不烧毁；该结构需要过压和过流保护共同配合时才起作用，结构复杂，调试困难，一致性差，适配性差，可靠性低。
发明内容
本发明的目的是克服了上述现有技术的缺点，提供了一种满足适配性强、可靠性高、，安全性好的实现过流保护和短路保护功能的线性稳压器。
为了实现上述目的，本发明的实现过流保护和短路保护功能的线性稳压器如下：
该实现过流保护和短路保护功能的线性稳压器，其主要特点是，所述的线性稳压器包括第一级差分放大器、跟随器、第二级放大器、短路保护电路、过流保护电路、电流采样模块、调整管、反馈电阻网络，所述的第一级差分放大器的负向输入端接基准电压Vref，输出端与跟随器的输入端相连接，跟随器的输出端与第二级放大器的输入端相连接，第二级放大器的输出端与调整管的基极相连接，所述的电流采样模块的一端与调整管的集电极相连接，另一端与将采样的输出电流信号反馈至过流保护电路，控制第二级放大器的输出，使调整管由线性区调整至关断区；所述的调整管的输出端电压通过反馈电阻网络分压后输入到第一级差分放大器的正向输入端，通过第一级差分放大器进行比较，控制调整管，形成负反馈回路，使输出电压稳定在固定值；
所述的反馈电阻网络反馈电阻网络由第一分压电阻、第二分压电阻和第三分压电阻串联构成，第一分压电阻接输出电压且第三分压电阻接地，所述的第一级差分放大器的正向输入端接在第二分压电阻和第三分压电阻之间，短路保护电路接在第一分压电阻和第二分压电阻之间，且与第二级放大器相连接，输出电压信号经过反馈电阻网络分压反馈至短路保护电路，控制第二级放大器的输出，使调整管由线性区调整至关断区，所述的短路保护电路和过流保护电路配合形成折返限流保护功能。
较佳地，所述的第一级差分放大器包括第一差分对管、第二差分对管、镜像电流源电路和偏置电流源，所述的镜像电流源电路与第二差分对管耦接成为第二差分对管的负载，第一差分对管、第二差分对管耦接偏置电流源，第一差分对管耦接采样电压和地，第一差分对管、第二差分对管根据基准电压和采样电压产生第一输出信号，并将第一输出信号经第二差分对管的集电极传输至跟随器。
较佳地，所述的跟随器包括偏置电流源和第七三极管，所述的第七三极管的发射极与偏置电流源相连，且与第二级放大器的输入端相连，第七三极管的集电极接地，基极接第一级差分放大器的输出端。
较佳地，所述的第二级放大器包括第十三极管、第十一三极管和电容，所述的第十三极管和第十一三极管组成达林顿管，对跟随器的输入信号进行放大，电容耦接在第十三极管的基极和集电极之间。
较佳地，所述的调整管为第十三三极管，所述的线性稳压器还包括采样管，采样管为第十二三极管，所述的第十三三极管与第十二三极管的基极相连，第十二三极管是第十三三极管的比例镜像管，采样第十三三极管输出的电流。
较佳地，所述的短路保护电路包括第八三极管和第九三极管，采用达林顿连接方式，第八三极管的基极与第九三极管的发射级相连，第八三极管和第九三极管的集电极相连，且均接地，第八三极管的发射极与第二级放大器的输入端相连，第九三极管的基极接至反馈电阻网络的第一分压电阻和第二分压电阻之间。
较佳地，所述的过流保护电路包括第五恒流源、第十四三极管、第十五三极管、第十六三极管，所述的第十五三极管和第十六三极管的基极相连，第十五三极管的集电极与第二级放大器的输入端相连，第五恒流源接在第十六三极管的集电极和地之间，所述的第十四三极管、第十五三极管和第十六三极管的发射极均接地，调整管的采样管的输出电流传输至过流保护电路。
采用了本发明的实现过流保护和短路保护功能的线性稳压器，通过过流保护和短路保护配合形成折返限流保护，相比只有过流保护的结构，可以很好的保护电路，降低过流或短路时的功耗，防止电路因功率太大而烧毁，安全性高。本发明在常规的线性稳压器结构中加入创新的过流和短路保护结构，形成对线性稳压器的保护。本发明无需过压保护和过流保护共同配合起作用，使用灵活度高，结构简洁，调试容易，一致性好，适配性好，可靠性高。
附图说明
图1为本发明的实现过流保护和短路保护功能的线性稳压器的原理框图。
图2为本发明的实现过流保护和短路保护功能的线性稳压器的具体电路图。
图3为本发明的实现过流保护和短路保护功能的线性稳压器的过流保护电路图的实施例示意图。
图4为本发明的实现过流保护和短路保护功能的线性稳压器的使用过流保护和短路保护形成折返限流后电压－电流曲线示意图。
具体实施方式
为了能够更清楚地描述本发明的技术内容，下面结合具体实施例来进行进一步的描述。
本发明的提供了一种短路保护和过流保护的线性稳压器，通过过流保护和短路保护配合形成折返限流保护，当发生短路时，输出短路电流限定在极小的电流，降低电路功耗，防止电路功率太大而烧毁。
如图2所示，本发明的该实现过流保护和短路保护功能的线性稳压器，其中包括第一级差分放大器、跟随器、第二级放大器、短路保护电路、过流保护电路、电流采样模块、调整管、反馈电阻网络，第一级差分放大器的负向输入端接基准电压Vref，输出端与跟随器的输入端相连接，跟随器的输出端与第二级放大器的输入端相连接，第二级放大器的输出端与调整管的基极相连接，电流采样模块的一端与调整管的集电极相连接，另一端与将采样的输出电流信号反馈至过流保护电路，控制第二级放大器的输出，使调整管由线性区调整至关断区；调整管的输出端电压通过反馈电阻网络分压后输入到第一级差分放大器的正向输入端，通过第一级差分放大器进行比较，控制调整管，形成负反馈回路，使输出电压稳定在固定值；
反馈电阻网络反馈电阻网络由第一分压电阻R100、第二分压电阻R200和第三分压电阻R300串联构成，第一分压电阻R100接输出电压且第三分压电阻R300接地，第一级差分放大器的正向输入端接在第二分压电阻R200和第三分压电阻R300之间，短路保护电路接在第一分压电阻R100和第二分压电阻R200之间，且与第二级放大器相连接，输出电压信号经过反馈电阻网络分压反馈至短路保护电路，控制第二级放大器的输出，使调整管由线性区调整至关断区，短路保护电路和过流保护电路配合形成折返限流保护功能。
第一级差分放大器、跟随器、第二级放大器组成误差放大器，基准电压Vref接误差放大器的负输入端，基准电压Vref与输出电压经过反馈电阻网络分压输入到误差放大器的正输入端，通过误差放大器进行比较，控制输出调整PNP管，形成负反馈回路，使输出电压稳定在一个固定值。电流采样电路将采样的输出电流信号反馈给过流保护电路，控制第二级放大器的输出，使调整PNP管由线性区调整至关断区，达到过流保护的目的。输出电压信号经过反馈电阻网络分压反馈给短路保护电路，控制第二级放大器的输出，使调整管由线性区调整至关断区，达到短路保护的目的。过流保护和短路保护相互配合形成折返(foldback)限流保护功能。
作为本发明的优选实施方式，第一级差分放大器包括第一差分对管、第二差分对管、镜像电流源电路和偏置电流源，镜像电流源电路与第二差分对管耦接成为第二差分对管的负载，第一差分对管、第二差分对管耦接偏置电流源，第一差分对管耦接采样电压和地，第一差分对管、第二差分对管根据基准电压和采样电压产生第一输出信号，并将第一输出信号经第二差分对管的集电极传输至跟随器。
其中，第一级差分放大器的电路结构包括第一差分对管Q1及Q2、第二差分对管Q3及Q4、镜像电流源电路Q5及Q6，偏置电流源I1、I2及I3、电阻R1及R2。镜像电流源电路与第二差分对管耦接而成为第二差分对管的负载，第一差分对管、第二差分对管耦接偏置电流源，第一差分对管耦接一基准电压Vref和一采样电压，第一差分对管和第二差分对管依据所述基准电压以及所述采样电压以产生第一输出信号，并将所述第一输出信号经第二差分对管的集电极送至跟随器。
作为本发明的优选实施方式，跟随器包括偏置电流源I4和第七三极管Q7，第七三极管Q7的发射极与偏置电流源I4相连，且与第二级放大器的输入端相连，第七三极管Q7的集电极接地，基极接第一级差分放大器的输出端，跟随器类似缓冲作用。
作为本发明的优选实施方式，第二级放大器包括第十三极管Q10、第十一三极管Q11和电容C1，第十三极管Q10和第十一三极管Q11组成达林顿管，对跟随器的输入信号进行放大，电容C1耦接在第十三极管Q10的基极和集电极之间。
其中，第二级放大器的电路结构包括NPN管Q10及Q11、电阻R3、R4及R5、电容C1，Q10、Q11组成达林顿管，对跟随器的输入信号进行放大，电容C1耦接到Q10的基极和集电极之间，是一个密勒电容，提高环路稳定性。
作为本发明的优选实施方式，调整管为第十三三极管Q13，线性稳压器还包括采样管，采样管为第十二三极管Q12，第十三三极管Q13与第十二三极管Q12的基极相连，第十二三极管Q12是第十三三极管Q13的比例镜像管，采样第十三三极管Q13输出的电流。调整管和其电流采样管的电路结构中PNP管Q13是输出调整管，PNP管Q12是Q13输出管的比例镜像管，采样Q13输出管的电流。
作为本发明的优选实施方式，短路保护电路包括第八三极管Q8和第九三极管Q9，采用达林顿连接方式，第八三极管Q8的基极与第九三极管Q9的发射级相连，第八三极管Q8和第九三极管Q9的集电极相连，且均接地，第八三极管Q8的发射极与第二级放大器的输入端相连，第九三极管Q9的基极接至反馈电阻网络的第一分压电阻R100和第二分压电阻R200之间。
其中，短路保护电路的电路结构中PNP管Q8继Q9采样达林顿连接方式，其输入是反馈电阻网络；稳压输出平稳状态时，Q8的发射极电压约是Q10、Q11的基极和发射极的两个PN结压降，每个PN结压降约0.7V，故这时Q8的发射极电压约是1.4V；Q9基极电压是输出电压经反馈电阻网络R6、R7、R8的分压，稳压输出时，Q9基极电压大于等于1.4V，使得Q8、Q9处于截止状态；当输出OUT对地短路时，Q9基极电压接近0V，使得Q8、Q9从截止状态变成放大状态，输出到第二级放大器的输入，使得输出电流降低到一个较小的电流值，起到了短路保护作用。发生短路时OUT是接近0V，则Q2基极也是接近0V，输入到第一级差分比较器，使得差分比较器输出高电平到后级跟随器的输入，即Q7的基极是高电平，故这时Q7截止，偏置电流I4一部分流入Q8发射极，一部分流入Q10基极。由于Q8、Q9对偏置电流I4的分流作用，使得流入Q10、Q11的基流很有限，使得Q10、Q11的集电极电流很小，使得R5上的压差很小，也即调整管Q13的BE结压降很小，故限制住了Q13的集电极电流，也即限制住了输出电流。
偏置电流：I4＝IE8+IB10……(式1)
其中IE8是Q8的发射极电流，IB10是Q10的基极电流
发生短路时，Q8、Q9基本上把偏置电流I4全部拉掉了，即I4≈IE8，这使得IB10电流极小，只有nA级别；该nA级别电流经过第二级放大器和调整管两次放大后就是短路时候的输出电流，其满足下面公式：
IOUT＝IB10×β(Q10)×β(Q13)……(式2)
其中Iout是短路时的输出电流，IB10是Q10的基极电流，β(Q10)是Q10的直流放大倍数，β(Q13)是Q13的直流放大倍数。设短路时IB10≈200nA，β(Q10)＝120，β(Q13)＝120，代入式2，可计算出Iout＝200nA×120×120＝2880uA＝2.88mA。
故短路时的输出电流被限制在几个mA的量级，确保稳压器安全不烧毁。
作为本发明的优选实施方式，过流保护电路包括第五恒流源I5、第十四三极管Q14、第十五三极管Q15、第十六三极管Q16，第十五三极管Q15和第十六三极管Q16的基极相连，第十五三极管Q15的集电极与第二级放大器的输入端相连，第五恒流源I5接在第十六三极管Q16的集电极和地之间，第十四三极管Q14、第十五三极管Q15和第十六三极管Q16的发射极均接地，调整管的采样管的输出电流传输至过流保护电路。
其中，过流保护电路的电路结构中电阻R9、R10及R11，NPN管Q14、Q15及Q16和恒流源I5构成过流保护模块。Q12与调整管Q13是比例镜像电流关系，Q12采样的输出电流流入该过流保护模块。当采样的电流超过设定的电流时，Q15从截止状态变成导通状态，输出到第二级放大器的输入，降低调整PNP的输出电流，起到了过流保护作用。
过流保护电路图的实施例如图3所示，过流保护点的计算方法如下：
Q12采样输出管Q13的输出电流IOUT，采样电流是IQ12，根据Q12、Q13的发射区比例关系是1：100，故满足下式：
当输出电流IOUT增加，采样电流IQ12也增加；当IQ12较小时，流过电阻R9、Q14的电流较小，这时Q12的集电极电压也较小，Q16截止；设这个电压是VIN，当IQ12电流增加时，VIN也增加，Q16从截止状态变成导通状态，使得Q15也从截止变成导通状态，输出到第二级放大器的输入，降低调整PNP的输出电流，起到了过流保护作用。
设Q16导通电压是0.65V，则当(VIN–I5×R10)＜0.65V时，Q16截止；当(VIN–I5×R10)＞0.65V时，Q16导通；临界点满足下式：
VIN-I5×R10＝0.65……(式4)
又VIN＝(IQ12-I5)×R9+VBE(Q14)……(式5)
联立式4，式5，得出
0.65+I5×R10＝(IQ12-I5)×R9+VBE(Q14)……(式6)
又I5×R9≈0得出：0.65+I5×R10≈IQ12×R9+VBE(Q14)；
代入恒流源I5＝15μA，R9＝200Ω，R10＝40KΩ，VBE(Q14)≈0.75V，
推出：
代入式3，计算出过流保护临界点是IOUT＝2.5mA×(100/1)＝250mA。
短路保护电路和过流保护电路的输出都接到第二级放大器的输入，通过短路保护和过流保护的相互配合形成折返(foldback)限流保护功能，可形成过流保护电流约250mA，短路保护电流不超过10mA的的折返限流，其电压电流曲线如图4所示。
采用了本发明的实现过流保护和短路保护功能的线性稳压器，通过过流保护和短路保护配合形成折返限流保护，相比只有过流保护的结构，可以很好的保护电路，降低过流或短路时的功耗，防止电路因功率太大而烧毁，安全性高。本发明在常规的线性稳压器结构中加入创新的过流和短路保护结构，形成对线性稳压器的保护。本发明无需过压保护和过流保护共同配合起作用，使用灵活度高，结构简洁，调试容易，一致性好，适配性好，可靠性高。
在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (6)

1.一种实现过流保护和短路保护功能的线性稳压器，其特征在于，所述的线性稳压器包括第一级差分放大器、跟随器、第二级放大器、短路保护电路、过流保护电路、电流采样模块、调整管、反馈电阻网络，所述的第一级差分放大器的负向输入端接基准电压Vref，输出端与跟随器的输入端相连接，跟随器的输出端与第二级放大器的输入端相连接，第二级放大器的输出端与调整管的基极相连接，所述的电流采样模块的一端与调整管的集电极相连接，另一端与将采样的输出电流信号反馈至过流保护电路，控制第二级放大器的输出，使调整管由线性区调整至关断区；所述的调整管的输出端电压通过反馈电阻网络分压后输入到第一级差分放大器的正向输入端，通过第一级差分放大器进行比较，控制调整管，形成负反馈回路，使输出电压稳定在固定值；
所述的反馈电阻网络由第一分压电阻(R100)、第二分压电阻(R200)和第三分压电阻(R300)串联构成，第一分压电阻(R100)接输出电压且第三分压电阻(R300)接地，所述的第一级差分放大器的正向输入端接在第二分压电阻(R200)和第三分压电阻(R300)之间，短路保护电路接在第一分压电阻(R100)和第二分压电阻(R200)之间，且与第二级放大器相连接，输出电压信号经过反馈电阻网络分压反馈至短路保护电路，控制第二级放大器的输出，使调整管由线性区调整至关断区，所述的短路保护电路和过流保护电路配合形成折返限流保护功能；
所述的短路保护电路包括第八三极管(Q8)和第九三极管(Q9)，采用达林顿连接方式，第八三极管(Q8)的基极与第九三极管(Q9)的发射级相连，第八三极管(Q8)和第九三极管(Q9)的集电极相连，且均接地，第八三极管(Q8)的发射极与第二级放大器的输入端相连，第九三极管(Q9)的基极接至反馈电阻网络的第一分压电阻(R100)和第二分压电阻(R200)之间。
2.根据权利要求1所述的实现过流保护和短路保护功能的线性稳压器，其特征在于，所述的第一级差分放大器包括第一差分对管、第二差分对管、镜像电流源电路和偏置电流源，所述的镜像电流源电路与第二差分对管耦接成为第二差分对管的负载，第一差分对管、第二差分对管耦接偏置电流源，第一差分对管耦接采样电压和地，第一差分对管、第二差分对管根据基准电压和采样电压产生第一输出信号，并将第一输出信号经第二差分对管的集电极传输至跟随器。
3.根据权利要求1所述的实现过流保护和短路保护功能的线性稳压器，其特征在于，所述的跟随器包括偏置电流源(I4)和第七三极管(Q7)，所述的第七三极管(Q7)的发射极与偏置电流源(I4)相连，且与第二级放大器的输入端相连，第七三极管(Q7)的集电极接地，基极接第一级差分放大器的输出端。
4.根据权利要求1所述的实现过流保护和短路保护功能的线性稳压器，其特征在于，所述的第二级放大器包括第十三极管(Q10)、第十一三极管(Q11)和电容(C1)，所述的第十三极管Q10和第十一三极管(Q11)组成达林顿管，对跟随器的输入信号进行放大，电容(C1)耦接在第十三极管(Q10)的基极和集电极之间。
5.根据权利要求1所述的实现过流保护和短路保护功能的线性稳压器，其特征在于，所述的调整管为第十三三极管(Q13)，所述的线性稳压器还包括采样管，采样管为第十二三极管(Q12)，所述的第十三三极管(Q13)与第十二三极管(Q12)的基极相连，第十二三极管(Q12)是第十三三极管(Q13)的比例镜像管，采样第十三三极管(Q13)输出的电流。
6.根据权利要求1所述的实现过流保护和短路保护功能的线性稳压器，其特征在于，所述的过流保护电路包括第五恒流源(I5)、第十四三极管(Q14)、第十五三极管(Q15)、第十六三极管(Q16)，所述的第十五三极管(Q15)和第十六三极管(Q16)的基极相连，第十五三极管(Q15)的集电极与第二级放大器的输入端相连，第五恒流源(I5)接在第十六三极管(Q16)的集电极和地之间，所述的第十四三极管(Q14)、第十五三极管(Q15)和第十六三极管(Q16)的发射极均接地，调整管的采样管的输出电流传输至过流保护电路。
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