26 电路与系统学报 第 11 卷
式中，
( )
D
m
I
L
W
K
g
′
= 2
，
I
g
ds
λ
≈
，其中
K ′
为
PMOS 和 NMOS 的工艺增益因子
P
K
、
N
K
，
λ 为沟道
长度调制系数。由式（
5）说明，设计第二三级时，要将它们偏置在高增益区。应该指出的是，电路中
偏置电流的大小将直接影响电路的上升时间和延迟时间，增大偏置电流可加快上升时间并缩短延迟时
间，但此时电路的功耗也会相应增大，因此需要合理折衷。
本文设计的负载短路检测电路如图
4 所示。电路由两级反相放大电路组
成，其中第一级主要确定负载短路的检测电压，第二级主要是改善输出波形。
对于反相器而言，其转换阈值：
r
r
V
V
V
V
THN
THP
DD
th
+
⋅
+
−
=
1
（6）
其中，
P
N
K
K
r
=
，
THN
V
、
THP
V
为
NMOS、PMOS 的阈值电压。由式（6）可知，
要调整负载短路检测电压，可以改变电路中
MOS 管的尺寸，另外还适当改变电阻的阻值。
3.2 充电过流电路
充电过流时的
M
V
负压检测，可以设计一个过零比较器，通过在其输入
端引入升压电路来实现
[3]
，电路原理图见图 5。
图
5 中 P9 和 N9 的栅极都接地。在正常充电时，
M
V
是一个较小的负
值，
N9 的栅源电压小于它的阈值电压，N9 截止，而 P9 始终导通保证了 N
端电位高于
GND 电位，比较器
out
V
为低电平。充电过流发生时，
M
V
为较大的负值，此时
N9 导通，将
N 端电位拉到低于 GND，比较器输出高电平，实现了充电过流的检测。
3.3 低功耗设计
实际应用中，过流保护模块的电流消耗应是设计的重要指标之一。同时，考虑到低压（
1.5V）时
仍要求电路能正常工作，采用了将
MOS 管偏置在亚阈值区的低压低功耗设计
[4]
；为了进一步减小低压
下模块的电流消耗，还引入了一个由逻辑控制电路输出的信号 PowerDown，它能在电池电压低于 1.8V
时，有效地关断相应电路。这两种低功耗设计方案可通过基准电压源电路来说明。
本文设计的亚阈值基准源电路见图
6，它给过流 1 和过流 2 比较器提供所需的基准电压 V
ref1
、V
ref2
[5]
，
适用于
N 衬底双阱 CMOS 工艺。
图
6 所示的电路可以分为三个部分：正温度系数（PTAT）电流产生电路、负温度系数（IPTAT）
电流产生电路以及电流求和（
Current Summing）电路。PTAT 电流电路中，P12、P13、N12、N13 和
R4 构成一个自偏置电路，其中 N12、N13 和 R4 组成 Peaking 电流镜，其优点是可以方便地得到电流
为几
µA 甚至是 nA 级的电流；P1 和 P2 则组成基本电流镜。设计中，可以通过选择合适的 R4 值，控
制流过
N12 的电流为 nA 级，并根据所选工艺决定 N12 的
尺寸，将
N12 偏置在亚阈值区。因为有：
4
12
13
12
R
I
V
V
N
GSN
GSN
⋅
=
−
（7）
式（
7）表明，此时 N13 也将在亚阈值区工作。由于亚阈
值
MOS 管的 I-V 为指数或对数关系，当
( ) ( )
13
12
P
P
L
W
L
W
=
成
立时，流过
P13 和 N13 的电流为：
12
13
12
13
13
)
(
)
(
ln
4
N
N
T
N
N
P
L
W
L
W
R
V
N
I
I
I
=
=
=
（8）
式中，V
T
为热电压，
N 为亚阈值区斜率。从式（8）可知，
I
P13
是
PTAT 电流。而在由 P10、P11、N10、N11、Q0 和 R3 构成的电路中，两个叠加的电流镜能够保
证
R3 上的压降即为 Q0 的 PN 结压降，流过 N11 和 R3 上的电流为：
图
4 负载短路检测电路
图
5 负压比较器原理图
图
6 低功耗电流求和型基准源电路