一種采用雙極工藝設計的過溫保護電路

易 峰，何 穎，郭海平，吳 旭

（1.中國電子科技集團公司第58研究所，江蘇 無錫 214035；2.湖南大學微電子研究中心，長沙 410082）

1 引言

開關電源已經(jīng)廣泛地使用在各個領域，為各類設備提供工作電壓?，F(xiàn)有的開關電源技術一般包括控制芯片、驅(qū)動電路、開關電路、變壓器（有的沒有）、整流和濾波電路。通常來說，控制芯片里面包含基準電路、電源管理電路、振蕩電路以及各種保護電路等。其中保護電路一般包含有過壓保護、欠壓保護、過流保護和過溫保護等。本文主要涉及保護電路中的過溫保護，并提供一種可以集成到控制芯片中實用的電路結構。

我們都知道開關電源在工作時，特別是在重負載條件下時，電源內(nèi)部的溫度會急劇上升?，F(xiàn)代的開關電源都在朝著高開關頻率和高功率密度的方向發(fā)展，而功率晶體管的開關過程和磁性器件產(chǎn)生的損耗為開關電源中的主要熱源，尤其是當它們同時封裝在一個密閉空間內(nèi)的時候，溫度上升得更為迅速。而高溫情況會使得整個開關電源的性能下降，降低開關電源的壽命，最壞情況下甚至還會造成整機的破壞，帶來巨大的經(jīng)濟損失。因此，我們在設計開關電源的時候通常會加入過溫保護電路，一旦開關電源內(nèi)部的溫度超過其允許的最高溫度時，將停止內(nèi)部電路的供電，為整個開關電源提供自身的保護，同時也保護了開關電源所供電的整機電路免遭破壞。而當電源內(nèi)部溫度下降到允許工作的范圍時，又能重新激活開關電源使之正常工作。

通常來說，更多功能的加入，會使得系統(tǒng)更加復雜，不管芯片面積的增加還是板上電路的增加，都會導致面積的增大和成本的增加。所以作為一個必不可少的功能電路，怎樣讓其小型化、簡單化而又不失精確度將是研究的重點方向。

2 原理分析

保護電路實際上就是通過器件或電路結構對集成電路芯片內(nèi)部的某些參數(shù)進行檢測，再通過邏輯電路開關狀態(tài)控制功率開關管的導通與關斷，達到保護芯片的目的。如圖1所示，Vref為不隨溫度變化的基準電壓源，正常工作時，晶體管Q保持截止狀態(tài)，當溫度逐漸上升時，晶體管Q隨之由截止狀態(tài)變到導通狀態(tài)，Vout將被拉到低電平，通過控制邏輯將電路關斷，從而阻止內(nèi)部溫度繼續(xù)上升，起到保護器件的目的。

一般來說，芯片有3個溫度等級：民用級，溫度范圍是0℃～70℃；工業(yè)級，溫度范圍是－40℃～85℃；軍品級，溫度范圍是－55℃～125℃。芯片制造商一般不會針對不同的應用生產(chǎn)不同的芯片，其差別主要在于封裝材料和元件測試溫度。通常來說，良好環(huán)境下工作的DC/DC轉(zhuǎn)換器控制芯片的溫度不會超過120℃，因此，本文設計的過熱保護溫度設定在130℃左右，當系統(tǒng)溫度超過130℃時，過溫保護電路將給出一個邏輯信號，自動切斷電路，起到保護作用。當系統(tǒng)溫度再次恢復正常工作溫度時，該模塊輸出一個正常的溫度指示信號。

3 過溫保護電路的設計

本文所述的過溫保護電路如圖2所示，包括由P3、N1、N3、R1組成的第一支路；由 P4、N2、N4組成的第二支路；由P1、P5組成的負反饋系統(tǒng)；由P2、P6組成的電流鏡；限流電阻R2和R3。VDD為外部提供的電源，連接在P1、P2、P3、P4的發(fā)射極端；Vref為外部提供的偏置電壓，連接在N1、N2的基極端；Vout為輸出電壓，連接在R2與P6的集電極之間。GND為接地。

其基本原理是利用第一支路和第二支路的電流大小關系隨溫度的變化，引發(fā)晶體管P4集電極VA節(jié)點電壓的變化，控制晶體管P6的導通和關斷，產(chǎn)生高低電平信號。當溫度較低時，流過電阻R1上的電流較小，R1上壓降較小，N1和N3與N2和N4的BE電壓差別較小，而N1和N3的發(fā)射極面積遠大于N2和N4的發(fā)射極面積。由雙極晶體管的電流電壓關系式Ic=Isexp(Vbe/VT)可知，此時流過第一支路的電流大于流過第二支路的電流。因為P3和P4的發(fā)射極和基極電壓都相等，為了保證第一支路的電流大于流過第二支路的電流，VA節(jié)點電壓將被抬高，晶體管P6關斷，Vout為低電平。當溫度升高時，流過電阻R1上的電流逐漸增大，R1上的壓降增大。因此，N1和N3與N2和N4的BE電壓差增大。當溫度升高到某一值時，流過N1和N3的電流小于流過N2和N4的電流。對VA節(jié)點放電，使VA電位很低，晶體管P6導通，節(jié)點Vout為高電平，表明系統(tǒng)的溫度過高。

在臨界狀態(tài)下，流過N1和N3的電流等于流過N2和N4的電流，如果流過N1、N2、N3和N4的電流都為I，可以得到：

因此，

如果R3＝R1，將式（5）代入式（2）中，得到：

4 仿真結果

過溫保護電路的仿真電路如圖3所示，NPN管采用18μm×18μm＝324μm2的2μm雙極工藝模型，PNP管采用11μm×11μm＝121μm2的2μm雙極工藝模型。

對圖3的電路進行溫度掃描，其仿真結果如圖4和圖5所示。

圖4為輸出過溫保護信號的仿真波形。可以看到，當溫度達到130℃左右時，過溫保護信號Vout翻轉(zhuǎn)。由于該電路沒有做遲滯，因此當從高到低變化時，過溫保護信號Vout也是在130℃左右翻轉(zhuǎn)。

圖5為輸出過溫保護電路的支路電流隨溫度變化的仿真波形?？梢钥吹?，隨著溫度的升高，流過N1和N2的電流不斷升高，并且N2電流上升的速度比N1快。當溫度較低時，流過N1的電流大于N2的電流。當溫度到達130℃左右時，流過N1和N2的電流相等。當溫度高于130℃時，流過N1的電流小于N2的電流。

5 結束語

本文設計的過熱保護電路是利用晶體管的BE結具有負溫度系數(shù)的原理，轉(zhuǎn)化成隨溫度升高而降低的BE結電壓，控制晶體管的通斷來達到過溫保護的目的，通過Cadence Spectre仿真工具仿真表明，該過溫保護電路具有良好的穩(wěn)定性和適應性。

［1］吳金，姚建楠，常昌遠.CMOS模擬IP線性集成電路[M].南京：東南大學出版社.

［2］劉偉杰，傅興華.一種DC/DC轉(zhuǎn)換器芯片的過溫保護電路的設計[J].中國科技信息，2009，2.