一、LDO 稳压器基本结构与保护需求

1.1 LDO 稳压器结构简述

LDO 的典型结构包括以下模块：

• 误差放大器（Error Amplifier）：比较反馈电压与参考电压；

• 功率MOSFET：作为线性调整元件；

• 电压反馈网络：用于输出电压采样；

• 限流/保护模块：实现电流检测与故障响应。

由于线性稳压器不具备电感滤波环节，其输出端直接暴露在负载之后，极易受到负载短路、电感突变、ESD击穿等异常事件影响。因此，LDO必须具备电流限制与自我保护机制。

二、砖墙限流（Brick-Wall Current Limiting）机制详解

2.1 定义与基本原理

砖墙限流是指当LDO输出电流超过设定阈值时，输出电流被“强行钳位”在一个最大值，不再随负载减小而继续增加，电流-电压特性图呈现如“砖墙”般的突变边界。

(示意图：典型砖墙限流曲线)

2.2 实现方式

LDO 内部集成了电流检测电路（如电流镜或采样电阻），当输出电流达到预设的限流值（例如500mA）时：

• 控制环路进入电流限制模式；

• 调整功率MOSFET的栅压，抑制输出电流继续上升；

• 输出电压可能下降，甚至跌至0V（在短路场景下）。

2.3 特点与优势

• 线性过渡：从额定电流逐渐过渡至限流状态，具有一定稳定性；

• 保护灵敏：无需额外触发信号，电流越限即响应；

• 可恢复性：一旦负载恢复，系统自动回到正常工作。

2.4 局限性

• 发热风险：在限流状态下，芯片持续承受功率消耗（P = Vdrop × Ilimit）；

• 不能彻底断流：负载短路持续存在时，仍可能烧毁芯片。

三、过流关断（Overcurrent Shutdown）机制解析

3.1 定义与核心思路

过流关断是更激进的保护机制，当输出电流超过阈值或芯片温度异常上升时，直接关闭LDO输出通路，实现彻底断流，进入保护模式，防止芯片进一步损坏。

3.2 实现机制

常见的触发条件包括：

• 输出电流超限；

• 芯片温度超过保护门限（例如150°C）；

• 电压跌落过快，判定为严重短路。

系统响应流程：

1. 监控模块检测故障条件；

2. 控制单元强制关闭功率管栅极；

3. 输出为高阻或接地状态；

4. 保持关断，直到重新上电或软启动。

3.3 特点与适用场景

• 高安全性：彻底切断电流路径，适用于大电流、高风险场景；

• 无持续发热：一旦关断，功率消耗几乎为零；

• 适用于负载不可控系统，如传感器阵列、工业控制等。

3.4 缺点

• 系统恢复依赖外部操作（重启或复位）；

• 对负载的容错性较差；

• 响应速度依赖监测机制设计。

四、两种机制对比分析

五、实际应用中的保护策略设计建议

5.1 选择合适的限流阈值

限流值设置应结合最大负载电流 + 一定裕量（10~20%），既保障正常供电，也避免误触发。

5.2 合理设计功耗管理

在砖墙限流状态下，持续的功耗集中在芯片内部，需评估：

• 芯片散热能力；

• 散热片或封装热阻；

• 短路持续时间限制策略。

5.3 利用热关断辅助限流机制

多数LDO还集成热关断保护（Thermal Shutdown），在芯片温度达到如150°C时强制断电，配合限流机制形成双重防线。

5.4 加入自动恢复逻辑（可选）

部分LDO支持**周期性自动重启（Auto Retry）**功能，即芯片在关断后间歇尝试恢复输出，若负载仍短路再关断。这种机制在无人值守系统中尤为重要。

六、案例分析：TI TPS7A47 LDO 的保护机制

TI 的 TPS7A47 系列LDO提供以下保护特性：

• 固定砖墙限流值（1A），超过后电流不再增长；

• 热关断触发点设定为 ~160°C；

• 可通过使能引脚实现故障后系统重启；

• 高PSRR、高精度，适用于音频、医疗等高可靠性场景。

该LDO的设计在性能与安全之间取得良好平衡，是高端系统的理想选择。

七、总结：安全是LDO设计的第一要务

在现代电子系统中，LDO不仅要提供稳定清洁的电压源，还要具备智能化保护能力。砖墙限流与过流关断作为两种核心保护机制，各有优势与应用适配：

• 砖墙限流，适合处理瞬时超载；

• 过流关断，保障关键场合免受毁灭性损伤。

设计者应根据系统实际需求、功耗限制、工作环境等综合因素，合理配置保护机制，确保LDO长期稳定运行，保障整个系统的安全性和可靠性。