應(yīng)用于AC/DC 開關(guān)電源的高精度過溫保護(hù)電路設(shè)計(jì)

楊雪

摘要：基于TSMC 0.5 μm工藝，設(shè)計(jì)了一款應(yīng)用于開關(guān)電源的高性能過溫保護(hù)電路，該電路具有75℃的溫度滯回區(qū)間，熱關(guān)斷點(diǎn)溫度142℃，熱開啟溫度67℃。同時(shí)在輸入電壓2.5v到6v范圍內(nèi)熱關(guān)斷點(diǎn)、開啟點(diǎn)溫度最大漂移不超過10℃，具有較高的精度。在不同的工藝角下，其關(guān)斷開啟點(diǎn)溫度最大漂移不超過10℃，具有工藝穩(wěn)定性。此電路具有電路結(jié)構(gòu)簡單，版圖面積小和功耗低等特點(diǎn)，適合集成在電源管理芯片中。

關(guān)鍵詞：熱關(guān)斷；電源管理；過熱保護(hù)；遲滯

1 引言

隨著IC芯片集成密度和功率密度的不斷提高，功耗不斷增大。由于功耗增大，引起芯片溫度上升，當(dāng)超過極限溫度時(shí)，根據(jù)半導(dǎo)體物理學(xué)中本征半導(dǎo)體載流子隨溫度變化的規(guī)律，對本征半導(dǎo)體，在室溫附近時(shí)，溫度每升高8K，本征載流子濃度增加約1倍。溫度足夠高時(shí)，本征載流子激發(fā)占主導(dǎo)，器件失效。因此，必須對芯片設(shè)計(jì)熱關(guān)斷電路，特別是在集成功率器件的功率集成電路中。當(dāng)芯片超過警戒溫度時(shí)，電路提供一個(gè)熱關(guān)斷信號(hào)，禁止芯片工作；當(dāng)芯片溫度降到滯回區(qū)間外時(shí)，恢復(fù)芯片工作。

2 過熱保護(hù)原理

過溫保護(hù)電路的設(shè)計(jì)思路是利用二極管或三極管的溫度特性來檢測芯片內(nèi)部溫度的變化，當(dāng)溫度超過設(shè)定值時(shí)，保護(hù)電路工作，將系統(tǒng)關(guān)斷，以防其損壞。熱關(guān)斷電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是將溫度信號(hào)精確的轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)。傳統(tǒng)的方法是用熱電偶和熱電感來檢測溫度，但是這些方法不適合芯片的設(shè)計(jì)。因此，必須利用集成電路中各種器件的溫度特性來設(shè)計(jì)熱關(guān)斷電路。具體原理如圖1所示：

電路是利用具有負(fù)溫度系數(shù)的Vbe和PTAT電流源的溫度效應(yīng)，產(chǎn)生具有施密特觸發(fā)特性的VOUT。如圖1所示，三極管Q的Vbe具有負(fù)溫度系數(shù)，隨著溫度的升高，Vbe越來越小。I1和I2是MOS管產(chǎn)生的PTAT電流，電流隨著溫度的升高逐漸增大。溫度升高時(shí)，比較器負(fù)端的電壓越來越大，而Vbe越來越小，當(dāng)Vbe< VR3時(shí)，比較器的輸出發(fā)生翻轉(zhuǎn)。輸出低電平，通過邏輯電路，關(guān)斷高壓功率管。同理，溫度降低時(shí)，比較器負(fù)端的電壓越來越小，正端的電壓變大，當(dāng)VR3

3 具體電路實(shí)現(xiàn)

3.1 實(shí)際電路圖：

En_out是使能模塊的輸出信號(hào)，正常情況下為高電平。Regu_out是regulator模塊的輸出，正常情況下也為高。Vbias1，Vbias2來自基準(zhǔn)，用于提供PTAT電流。Vbias3是芯片上電后表示芯片工作的信號(hào)，為高電平。

剛開始時(shí)，三極管Q1關(guān)斷，集電極是高電平，經(jīng)過兩個(gè)反相器后輸出高電平，芯片正常工作。集電極電平反向后經(jīng)過三輸入與非門送到N1的柵極，N1開啟，R2被短路。溫度升高，Vbe減小，經(jīng)過R1上的電流變大，Q1基極的電位升高，當(dāng)溫度上升到設(shè)定的溫度后，Q1開啟，集電極電位被拉低，與非門輸出低，N1被關(guān)斷，R2導(dǎo)通，此時(shí)電路輸出低電平，芯片被關(guān)斷。

芯片關(guān)斷后，溫度減小， Vbe變大，經(jīng)過R1和R2的電流變小，Q1基極的電壓降低，當(dāng)溫度下降到設(shè)定的溫度時(shí)，Vbe超過R1和R2上的電壓和，Q1關(guān)斷，集電極變?yōu)楦唠娖?，N1開啟，芯片輸出高，恢復(fù)正常。

3.2 遲滯的分析

N1為開關(guān)管，通過它來實(shí)現(xiàn)電路的遲滯。PTAT電流通過電阻產(chǎn)生的端電壓和Q1的Vbe進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)芯片的開關(guān)。溫度很低時(shí)，Vbe小于端電壓，三極管Q1截止，則N1開啟，此時(shí)輸出高電平，芯片正常。

溫度升高，Vbe越來越小，PTAT電流變大，當(dāng)Vbe小于端電壓時(shí)，Q1開啟，則N1截止，此時(shí)輸出低電平，芯片關(guān)斷。

三極管Q1的BE結(jié)電壓為：

Vbe=VG0 -KN·T (1)

電阻R1和R2的端電壓為

其中VG0為0K時(shí)的帶隙電壓，KN為三極管Q1的BE結(jié)電壓的負(fù)溫度系數(shù)，KN≈-2mV/℃。公式(2)是根據(jù)基準(zhǔn)的原理所得到的電流公式。電路的工作溫度上升到熱關(guān)斷觸發(fā)點(diǎn)TH時(shí)應(yīng)滿足Vbe=V1，即：

溫度降低時(shí)，Vbe變大，PTAT電流產(chǎn)生的端電壓減少，當(dāng)Vbe小于端電壓時(shí)，Q1關(guān)斷，則N1開啟，輸出高，芯片恢復(fù)正常。此時(shí)應(yīng)滿足Vbe=V1+V2，即：

TL的分母比TH的分母大，所以TL小于TH，電路存在遲滯。其開關(guān)的溫度主要由電阻的比值和MOS尺寸決定，與單個(gè)電阻的溫度系數(shù)無關(guān)。也不依賴于電源電壓和工藝參數(shù)等，調(diào)整MOS的尺寸和電阻比值就可以控制電路的溫度遲滯特性。

4 仿真結(jié)果和分析

此電路采用TSMC 0.5μm工藝實(shí)現(xiàn)，用Spectre進(jìn)行仿真, 采用不同的模型（Model=tt和Model=ff以及fs,sf,ss）對上述電路進(jìn)行模擬。由于仿真結(jié)果比較多，僅附了三種類型的corner,如圖所示。仿真結(jié)果表明，溫度從低變高時(shí)，在142℃左右翻轉(zhuǎn)電平，溫度從高到低，在67℃左右翻轉(zhuǎn)電平，實(shí)現(xiàn)了遲滯要求。由圖3可以看出：在不同的電源輸入電壓下，圖2所示的過溫保護(hù)電路的熱開啟關(guān)斷點(diǎn)也會(huì)隨之漂移很小，最大不超過10℃，具有較高的精度。同時(shí)在ff和tt、fs時(shí)，其關(guān)斷點(diǎn)變化很小，具有工藝角穩(wěn)定性。

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