電源管理芯片過溫保護電路的分析與設(shè)計

郭利芳， 張穎斐， 姜生瑞

（蘭州交通大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院， 甘肅蘭州 730070）

0 引言

便攜式電子產(chǎn)品已經(jīng)日益普及，這些產(chǎn)品具有集成度高、體積小的特點，作為保證電池續(xù)航能力的重要模塊——開關(guān)電源管理芯片，其性能也需要不斷完善，主要體現(xiàn)在減小開關(guān)電源模塊體積的同時，還要維持其帶載能力的不變。開關(guān)電源的工作頻率隨之提高，因此對內(nèi)部集成的各種指標(biāo)提出了更高的要求。并且由于單位面積晶體管數(shù)量的激增，功率型開關(guān)電源的熱集聚問題凸顯，過溫保護已成為不容忽視的問題。

為了保證電源管理芯片可以在復(fù)雜的環(huán)境中正常使用，需要設(shè)計保護電路。常用的保護電路有過流保護、欠壓保護、過溫保護。本文將設(shè)計一種過溫保護電路。

1 系統(tǒng)分析及設(shè)計原理

本文的過溫保護電路可分為：感溫模塊、溫度判決模塊、控溫電路及熱關(guān)斷模塊，如圖1所示，圖中顯示了過溫保護電路的工作原理。此保護電路，既要確保電源可以輸出穩(wěn)定的功率，又要保證在芯片溫度過高時，可以減小其輸出功率，降低芯片溫度，達到穩(wěn)定芯片溫度的目的。

在開關(guān)電源管理芯片中，主要的熱量來自于功率開關(guān)管和比較大的功率耗散器件。如圖1所示，首先將通過感溫電路，將其溫度升高信號轉(zhuǎn)化為與溫度變化成正比的電壓信號PTAT(Proportional To Absolute Temperature)。

然后，通過溫度判決模塊對變化電壓信號的判斷：如果芯片溫度在0℃～85℃的安全溫度范圍內(nèi)，可以只開啟控溫模塊來控制芯片溫度；如果由于某種原因，芯片的溫度繼續(xù)升高至105℃時，此時控溫電路模塊已不能控制芯片溫度。此時芯片的熱關(guān)斷模塊開啟，通過熱關(guān)斷模塊關(guān)斷主要功率耗散器件或者使芯片停止工作。

圖1 過溫保護系統(tǒng)原理圖

最后，隨著熱關(guān)斷模塊工作時間的增加，芯片的溫度也不斷下降。通過遲滯比較器，可實現(xiàn)當(dāng)溫度降至85℃時，熱關(guān)斷信號才跳變，芯片恢復(fù)正常工作，從而避免了芯片在105℃反復(fù)跳變對芯片所造成的損壞。采用此過溫保護電路電路不但可以實現(xiàn)過溫保護的功能，而且減小了熱關(guān)斷信號不斷跳變對芯片所帶來的損害。

通過研究可將整個電路分為：PTAT電壓感溫電路模塊、溫度判決電路模塊，控溫電路、過熱關(guān)斷模塊共4個部分，其整體電路圖如圖2所示，通過這些模塊可對電源管理芯片實施過溫保護。

1.1 PTAT感溫模塊

感溫電路是電路的基礎(chǔ)模塊，其主要作用是將芯片的溫度變化信號轉(zhuǎn)化為PTAT電壓信號[3]。對于感溫電路的設(shè)計有很多種，可以采用外接傳感器的方法，也可以在片內(nèi)集成。在集成電路設(shè)計中，PTAT電壓信號主要是利用三極管ΔVBE自偏置電路的PTAT電流來生成。本設(shè)計采用圖2中的PTAT模塊，通過M13、M16組成的鏡像電路和正溫度系數(shù)電阻將PTAT電流轉(zhuǎn)化為PTAT電壓。

圖2 過溫保護電路原理圖

圖2 中的自偏置電路可以生成PTAT電流，其原理主要是依據(jù)當(dāng)雙極性晶體管發(fā)射極的電流密度不同時，其基極和發(fā)射極之間的電壓差VBE也不相同。所以，從圖2可知，Q0、Q1的VBE之存在差值，其表述關(guān)系見式（2）。

公式中的VBE即為基極和發(fā)射極之間的電壓差，VBE的值可由式（2）表述：

結(jié)合式（1），便可推出ΔVBE與溫度的關(guān)系式如式（3）：

其中Is飽和電流，通常情況下IS∝μkTni2，其中μ∝μ0Tm為載流子濃度，ni2∝T?3/2為硅的本征載流子濃度；VT為熱電壓，與溫度成正比。為了保證ΔVBE大于0，所以晶體管集電極的偏置電流須IC1=SIC0，S可通過調(diào)整Q1和Q0的發(fā)射極面積之比來實現(xiàn)，與此同時確保電流源負載ID14=ID15。所以，ΔVBE有一定的正溫度系數(shù)，且在室溫下與VT的溫度系數(shù)相同，為：= 0 .087mV/℃。

通過ΔVBE偏置生成的PTAT電壓隨溫度成正比變化，經(jīng)電阻R1后轉(zhuǎn)化為PTAT電流，通過M13、M16鏡像后輸出，最后以電阻R2壓降的形式輸出PTAT電壓，參見式（4）：

過溫保護電路在需要PTAT電壓的同時，也需要與溫度無關(guān)的基準(zhǔn)電壓源，以此作為比較器的參考電壓。在圖2的電路中，通過將PN結(jié)正向電壓VBE擁有的負溫度系數(shù)和PTAT電壓的正溫度系數(shù)相疊加后[4]，形成與溫度無關(guān)的基準(zhǔn)電壓VREF。

一般情況下VBE的溫度系數(shù)為-1．5 mV/℃，通過圖2可知VREF的表達式如式（6）所示，如果滿足式（5），則可以輸出與溫度無關(guān)的基準(zhǔn)電壓[5]，其中S為M14與M15寬長比的倍數(shù)關(guān)系。

1.2 溫度控制電路

從上文分析得知，感溫電路輸出的PTAT電壓信號是隨溫度成正比變化的。將此信號輸入到圖2中的溫度控制電路后，輸出可控制功率管柵極電壓的信號，從而控制功率管的功率耗散，將芯片溫度控制在安全范圍內(nèi)。其控溫電路的原理圖如圖3所示。

圖3 控溫電路

電路的控制功能，主要通過電壓——電流負反饋來實現(xiàn)。反饋的目的主要是為了控制功率管M的柵壓，達到控制輸出功率的目的，從而降低芯片的溫度。其工作過程為：在A3的反相端輸入PTAT電壓端，經(jīng)過電壓調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)后的參考電壓由A3的同相端輸入，輸出信號Vout通過電阻R1～R4反饋至A3的反相輸入端。

1.3 過熱關(guān)斷模塊

利用圖3中的控溫模塊，可以達到穩(wěn)定芯片溫度的目的。但是如果芯片升溫過快，熱量會在短時間內(nèi)積累過多，溫度會快速上升。所以在此時可采用熱關(guān)斷的方式關(guān)斷功率管或其他功率耗散器件，從而降低功率損耗，達到降低芯片溫度的目的。

如圖2中的關(guān)斷模塊所示，通過比較器與感溫模塊檢測的PTAT電壓和通過電壓調(diào)節(jié)器生成的基準(zhǔn)電壓VREF進行比較，輸出關(guān)斷信號。按PTAT在溫度過熱時來設(shè)定VREF的大小。因為保護電路的過熱溫度為105 ℃，對應(yīng)的電壓為2．3 V，所以VREF的值設(shè)為2．3 V。為了避免當(dāng)溫度下降后比較器就會翻轉(zhuǎn)，從而導(dǎo)致比較器反復(fù)關(guān)斷，引起熱震蕩問題[5]。因此，如圖2所示，通過比較器輸出端的高低電平來選擇VREF的大小。這就需電壓調(diào)節(jié)器不但要提供熱關(guān)斷參考電壓VREF，還須提供一個當(dāng)溫度降低到安全值時的電壓，本文設(shè)為85 ℃，1．8 V。此電壓作為比較器翻轉(zhuǎn)的基準(zhǔn)電壓，當(dāng)溫度降到85 ℃，也即PTAT電壓下降到1．8 V時，比較器翻轉(zhuǎn)，輸出開啟功率信號。如圖2所示，通過 M21、M22、M23、M24構(gòu)成的兩個反相器生成選擇信號VC1、VC2，從而對控制VREF的選擇切換。

2 過溫保護電路的仿真驗證

利用 Cadence Spectre工具，采用CSMC 0．5μm工藝對電路進行仿真驗證。仿真結(jié)果如圖4所示：圖中的曲線分別為與溫度無關(guān)的基準(zhǔn)參考電壓VREF，隨溫度成正比的PTAT電壓、以及比較器隨溫度變化時所輸出的關(guān)斷電壓Vthermal信號。

圖4 PTAT電壓、參考點壓VREF在-50/℃-200/℃范圍內(nèi)變化曲線

對仿真圖進行分析后得：比較器的基準(zhǔn)參考電壓VREF隨溫度變化幅度很小穩(wěn)定在2．3 V，而PTAT 電壓在 -50 ℃ ～200 ℃范圍內(nèi)以 10．5 mV/℃變化。當(dāng)芯片溫度升至105℃時比較器輸出關(guān)斷信號Vthermal，此時關(guān)斷功率管柵極的電壓降至0．5 V。

為了確保芯片的可重用性，在不同電源電壓下，對保護功能開啟時的溫度、滯遲范圍、滯遲開啟溫度都進行了仿真測試。如表1所示，在3．3 V、4．0 V、5．0 V、6．0 V 電源電壓下，仿真測試得到的結(jié)果與理論值存在誤差，但最大誤差只有3℃，所以該過溫保護電路符合設(shè)計要求。不但保證了電路的可移植性，提高了芯片的可重用性，同時通過加入滯遲功能，使過溫保護電路的性能更加完善。

表1 保護開啟溫度、滯遲開啟溫度以及滯遲范 圍與電源電壓的關(guān)系

3 結(jié)論

本文設(shè)計的過溫保護電路，是通過采用溫度和過熱關(guān)斷兩個模塊來實現(xiàn)控制芯片生的目的。通過滯遲模塊既有效抑制了芯片溫度的升高，又避免頻繁對功率管的關(guān)斷。該過溫保護電路雖然芯片面積比較大，但在其性能上有著顯著的優(yōu)勢。所以特別適用于對溫度要求嚴(yán)格的場合。而且使用時，可以進行性能和面積兩方面約束的折中，提出最優(yōu)的解決方案。這樣折中的設(shè)計方法也是模擬集成電路設(shè)計的一個重要策略。

[1] 趙同賀,劉軍．開關(guān)電源設(shè)計技術(shù)與應(yīng)用實例[M]．北京:人民郵電出版社,2007．

[2] 沙占友,安國臣,孟志永 等．開關(guān)穩(wěn)壓電源計算機輔助設(shè)計與仿真軟件的應(yīng)用[M]．北京:電子工業(yè)出版社,2008．

[3] Gerard C M, Meijer,Guijie Wang,et al．Temperature Sensors and Voltage References Implemented in CMOS Technology[J]．IEEE Sensors Journal,2001,1(3):235-240．

[4] Michiel A． P． Pertijs, Andrea Niederkorn, Xu Ma, et al．A CMOS Smart Temperature Sensor With a 3σ Inaccuracy of± 0．5℃From -50℃to 120℃[J]．IEEE,JSSC,2005,4(20):454-460．

[5] Fruett F,G． C．M．Meijer,Bakker et al． Minimization of the mechanical-stress-induced inaccuracy in band-gap voltage references [J]． IEEE JSSC,2003, 38(7): 1288-1291．

[6] 希勒．移動設(shè)備的電源管理[M]．黃小軍,劉文譯．北京:機械工業(yè)出版社,2010．

[7] 沙占友,于國慶,王曉軍 等．線性及開關(guān)穩(wěn)壓器設(shè)320例[M]．北京:電子工業(yè)出版社,2009．

[8] 趙同賀．新型開關(guān)電源典型電路設(shè)計與應(yīng)用[M]．北京:機械工業(yè)出版社,2008．