一種DC-DC電源芯片保護電路的設計與研究

趙鵬

【摘要】文中設計了一款適用于寬輸入范圍、大負載電流DC-DC電源芯片的過溫保護電路。該電路由一個運放和兩個MOS管，一個電容構(gòu)成。仿真表明，當芯片溫度高于170℃時開啟保護模式，溫度回落至110℃時取消保護模式，實現(xiàn)了60℃的遲滯溫度。滿足設計要求。

【關(guān)鍵詞】寬輸入 過溫保護 保護模式

1緒論

現(xiàn)代信息社會芯片的增長是指數(shù)級的，每個芯片都需要一個電源管理芯片為其提供持續(xù)穩(wěn)定的電壓或電流。由于微電子工藝的進步，目前主流的芯片電壓主要為3.3V、1.8V、1.2V。這就要求把220V之流市電或是基準電路產(chǎn)生的其他直流電壓轉(zhuǎn)化為相應的低電壓。目前主流的降壓電源管理芯片分為低壓差線性穩(wěn)壓器（Low Dropout Voltage regulator，LDO）和開關(guān)電源DC-DC。不管哪種形態(tài)，由于芯片內(nèi)部功率晶體管的存在，長時間大電流工作會使芯片溫度上升而影響芯片效率。故過溫保護電路就是在系統(tǒng)工作溫度超過特定值時通過信號的翻轉(zhuǎn)使系統(tǒng)改變工作狀態(tài)，直至系統(tǒng)溫度下降為安全溫度時再恢復正常工作。為防止溫度下降但還未至安全溫度時系統(tǒng)就恢復工作，需要有一個遲滯溫度。

圖1芯片整體結(jié)構(gòu)框圖

2過溫保護電路原理

根據(jù)系統(tǒng)設計要求，過溫保護電路需要在芯片溫度高于170℃時產(chǎn)生保護信號，圖2為本文采用的過溫保護模塊的結(jié)構(gòu)。OT與OTB為控制M1和M2的兩個相反信號，使兩個MOS不會同時導通或者關(guān)斷，具有選擇的作用。其中OT為該模塊的輸出信號，當OT為低時，表示過溫保護信號開啟。系統(tǒng)要求芯片溫度超過170℃時產(chǎn)生保護信號，遲滯溫度為60℃。

圖2過溫保護電路結(jié)構(gòu)

由于三極管具有負溫度特性。故保護電路在170℃時開啟，Vref_OTP在170℃時的電壓為390mV，遲滯溫度為60℃。在110℃時該信號為500mV，VOp4_L為低于400mV的輸入電壓，V0p5為500mV的輸入電壓，兩者的壓差即決定了遲滯的大小。

3電路仿真

在工藝角為TT，電源電壓為25℃，對過溫保護電路的功能進行仿真。V0p5與V0p4_L分別為帶隙基準經(jīng)分壓后得到的500mV和390mV的電壓信。Vref_OTP為帶隙基準產(chǎn)生的從800mV下降至300mV的斜坡電壓。電路分別對輸出信號在-40℃～230℃與230℃～40℃時的兩種情況進行掃描，如下圖所示。

圖3從-40℃～230℃掃描過溫保護電路波形圖

圖4從230℃～-40。C掃描過溫保護電路波形圖

從圖3中可以看出，電路對輸出信號在溫度范圍為-40℃～230℃進行掃描，當溫度上升至170℃時，OT信號由高電平跳變?yōu)榈碗娖?，表示保護信號開啟。從圖4中可以看出，電路對輸出信號在溫度范圍為230℃～40℃進行掃描，當溫度下降至110℃時，OT信號重新跳變到高電平，表明系統(tǒng)恢復正常工作。遲滯溫度可達60℃，保護電路功能正確。

4總結(jié)

文中設計了一款適用于寬輸入范圍、大負載電流DC-DC電源芯片的過溫保護電路。根據(jù)系統(tǒng)設計要求實現(xiàn)60℃遲滯溫度，在芯片溫度到達170℃時開啟保護模式，溫度回落到110℃時重新回到工作模式。仿真表明，當芯片溫度高于170℃時開啟保護模式，溫度回落至110℃時取消保護模式，實現(xiàn)了60℃的遲滯溫度。滿足設計要求。