一種采用雙極工藝設(shè)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(xué)微電子研究中心，長沙 410082）

1 引言

開關(guān)電源已經(jīng)廣泛地使用在各個領(lǐng)域，為各類設(shè)備提供工作電壓。現(xiàn)有的開關(guān)電源技術(shù)一般包括控制芯片、驅(qū)動電路、開關(guān)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(jié)構(gòu)。

我們都知道開關(guān)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。現(xiàn)代的開關(guān)電源都在朝著高開關(guān)頻率和高功率密度的方向發(fā)展，而功率晶體管的開關(guān)過程和磁性器件產(chǎn)生的損耗為開關(guān)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(guān)電源的性能下降，降低開關(guān)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(shè)計開關(guān)電源的時候通常會加入過溫保護電路，一旦開關(guān)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(guān)電源提供自身的保護，同時也保護了開關(guān)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(guān)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(fù)雜，不管芯片面積的增加還是板上電路的增加，都會導(dǎo)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(jié)構(gòu)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(guān)狀態(tài)控制功率開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)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(dǎo)通狀態(tài)，Vout將被拉到低電平，通過控制邏輯將電路關(guān)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(yīng)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(shè)計的過熱保護溫度設(shè)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(fù)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(shè)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(guān)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(dǎo)通和關(guān)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(guān)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(guān)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(dǎo)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(jié)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(jié)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。可以看到，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(jié)束語

本文設(shè)計的過熱保護電路是利用晶體管的BE結(jié)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(jié)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(yīng)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(xué)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(shè)計[J].中國科技信息，2009，2.