應用于AC/DC 開關電源的高精度過溫保護電路設計

楊雪

摘要：基于TSMC 0.5 μm工藝，設計了一款應用于開關電源的高性能過溫保護電路，該電路具有75℃的溫度滯回區間，熱關斷點溫度142℃，熱開啟溫度67℃。同時在輸入電壓2.5v到6v范圍內熱關斷點、開啟點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，其關斷開啟點溫度最大漂移不超過10℃，具有工藝穩定性。此電路具有電路結構簡單，版圖面積小和功耗低等特點，適合集成在電源管理芯片中。

關鍵詞：熱關斷；電源管理；過熱保護；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，當超過極限溫度時，根據半導體物理學中本征半導體載流子隨溫度變化的規律，對本征半導體，在室溫附近時，溫度每升高8K，本征載流子濃度增加約1倍。溫度足夠高時，本征載流子激發占主導，器件失效。因此，必須對芯片設計熱關斷電路，特別是在集成功率器件的功率集成電路中。當芯片超過警戒溫度時，電路提供一個熱關斷信號，禁止芯片工作；當芯片溫度降到滯回區間外時，恢復芯片工作。

2 過熱保護原理

過溫保護電路的設計思路是利用二極管或三極管的溫度特性來檢測芯片內部溫度的變化，當溫度超過設定值時，保護電路工作，將系統關斷，以防其損壞。熱關斷電路設計的關鍵是將溫度信號精確的轉變為電壓信號。傳統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計。因此，必須利用集成電路中各種器件的溫度特性來設計熱關斷電路。具體原理如圖1所示：

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

3 具體電路實現

3.1 實際電路圖：

En_out是使能模塊的輸出信號，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，用于提供PTAT電流。Vbias3是芯片上電后表示芯片工作的信號，為高電平。

剛開始時，三極管Q1關斷，集電極是高電平，經過兩個反相器后輸出高電平，芯片正常工作。集電極電平反向后經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，經過R1上的電流變大，Q1基極的電位升高，當溫度上升到設定的溫度后，Q1開啟，集電極電位被拉低，與非門輸出低，N1被關斷，R2導通，此時電路輸出低電平，芯片被關斷。

芯片關斷后，溫度減小， Vbe變大，經過R1和R2的電流變小，Q1基極的電壓降低，當溫度下降到設定的溫度時，Vbe超過R1和R2上的電壓和，Q1關斷，集電極變為高電平，N1開啟，芯片輸出高，恢復正常。

3.2 遲滯的分析

N1為開關管，通過它來實現電路的遲滯。PTAT電流通過電阻產生的端電壓和Q1的Vbe進行比較，實現芯片的開關。溫度很低時，Vbe小于端電壓，三極管Q1截止，則N1開啟，此時輸出高電平，芯片正常。

溫度升高，Vbe越來越小，PTAT電流變大，當Vbe小于端電壓時，Q1開啟，則N1截止，此時輸出低電平，芯片關斷。

三極管Q1的BE結電壓為：

Vbe=VG0 -KN·T (1)

電阻R1和R2的端電壓為

其中VG0為0K時的帶隙電壓，KN為三極管Q1的BE結電壓的負溫度系數，KN≈-2mV/℃。公式(2)是根據基準的原理所得到的電流公式。電路的工作溫度上升到熱關斷觸發點TH時應滿足Vbe=V1，即：

溫度降低時，Vbe變大，PTAT電流產生的端電壓減少，當Vbe小于端電壓時，Q1關斷，則N1開啟，輸出高，芯片恢復正常。此時應滿足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。其開關的溫度主要由電阻的比值和MOS尺寸決定，與單個電阻的溫度系數無關。也不依賴于電源電壓和工藝參數等，調整MOS的尺寸和電阻比值就可以控制電路的溫度遲滯特性。

4 仿真結果和分析

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

參考文獻

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注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文