一種基于DC-DC開關(guān)電源的溫度檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

趙亞鴿

摘要：針對(duì)DC-DC開關(guān)電源的經(jīng)典拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，提出了一種新型的溫度檢測(cè)電路設(shè)計(jì)。研究了溫度對(duì)整個(gè)開關(guān)電源系統(tǒng)的影響，以及在一定溫度變化范圍內(nèi)，開關(guān)電源能否輸出穩(wěn)定電壓。在此基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)了一種新型的溫度檢測(cè)電路，并對(duì)其進(jìn)行功能優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)溫度的精確檢測(cè)。同時(shí)，為防止溫度過高對(duì)系統(tǒng)造成不可逆破壞，本文在溫度檢測(cè)電路的研究基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一款新型的過溫保護(hù)電路。當(dāng)系統(tǒng)溫度高于溫度閾值時(shí)，溫度檢測(cè)電路輸出發(fā)生變化，啟動(dòng)過溫保護(hù)電路，關(guān)閉帶隙基準(zhǔn)電壓電路和上電位，從而達(dá)到保護(hù)電路的目的。最后對(duì)此結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果表明在不同工藝角情況下，該系統(tǒng)均具有精確的溫度檢測(cè)性能，且能穩(wěn)定啟動(dòng)過溫保護(hù)實(shí)現(xiàn)關(guān)閉電源、保護(hù)電路的目的。

關(guān)鍵詞：DC-DC開關(guān)電源;溫度檢測(cè);過溫保護(hù);系統(tǒng)溫度閾值;帶隙基準(zhǔn)電壓

0引言

開關(guān)型電源、LDO是目前應(yīng)用在SoC系統(tǒng)中最常見的兩種電源管理系統(tǒng)。其中，基于經(jīng)典拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的開關(guān)型電源，具有效率高、功耗低、體積小以及抗干擾能力強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于許多高集成度高性能的SoC系統(tǒng)芯片中。

開關(guān)型電源主要是通過控制功率開關(guān)管的周期性導(dǎo)通來輸出穩(wěn)定電壓，實(shí)現(xiàn)升壓、降壓、電壓反轉(zhuǎn)等功能，從而為整個(gè)電路系統(tǒng)穩(wěn)定供電。

如圖1所示，開關(guān)型電源中較為常見的是BUCK型DC-DC開關(guān)電源。相較于其他電源管理系統(tǒng)而言，BUCK型DC-DC開關(guān)電源的電源轉(zhuǎn)換效率高，可達(dá)80%以上，對(duì)于一些特制的開關(guān)電源甚至高達(dá)90%;其次，負(fù)載能力強(qiáng)，可承受大電流;另外，開關(guān)電源的功率MOS管阻值較低，故而功率損耗偏低，適用于傳導(dǎo)較大電流;通過控制開關(guān)電源內(nèi)部功率MOS管（高邊管和低邊管）的開關(guān)來控制輸出電壓的增大或減小，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，使得穩(wěn)壓范圍較寬。

開關(guān)電源往往工作在高電壓下，較大功率的開關(guān)電源同時(shí)也工作在大電流狀態(tài)下，較大的電流或者電壓容易燒壞電路。為了保護(hù)開關(guān)電源自身和負(fù)載，根據(jù)DC-DC直流電源原理，先后設(shè)計(jì)出了許多保護(hù)電路，如：ESD保護(hù)電路、過壓保護(hù)電路（OVLO）、欠壓保護(hù)電路（UVLO）、軟啟動(dòng)電路等。本文在上述幾種保護(hù)電路的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出了基于DC-DC開關(guān)電源的溫度檢測(cè)系統(tǒng)，當(dāng)溫度超過工作溫度閾值時(shí)，關(guān)斷電路，從而起到實(shí)時(shí)保護(hù)電路的目的。

1溫度檢測(cè)電路設(shè)計(jì)原理

設(shè)計(jì)的溫度檢測(cè)電路如下圖2所示。

本模塊主要實(shí)現(xiàn)的功能是對(duì)芯片電源供電系統(tǒng)中的帶隙基準(zhǔn)電壓進(jìn)行溫度檢測(cè)。帶隙基準(zhǔn)電壓是電源系統(tǒng)中非常重要的模塊。絕大多數(shù)的內(nèi)部供電都是由帶隙基準(zhǔn)電壓為源頭進(jìn)行“再加工”處理。針對(duì)帶隙基準(zhǔn)電壓進(jìn)行溫度檢測(cè)，溫度越高，其電壓值也越高，從而在溫度檢測(cè)模塊中引起輸出電壓狀態(tài)的改變。所以只需檢測(cè)溫度檢測(cè)電路的輸出電壓就可以直觀判斷電源溫度是否過高，從而實(shí)現(xiàn)溫度檢測(cè)的功能。

如圖2所示，VREF1與VREF2是由電路的電壓基準(zhǔn)電路VREF產(chǎn)生的基準(zhǔn)電壓，VREF1為帶隙基準(zhǔn)產(chǎn)生的基準(zhǔn)電壓，可視作沒有溫度系數(shù)，而VREF2為PTAT電壓，通過運(yùn)放虛短作用，使電阻R1兩端的電壓分別固定在VREF1和VREF2，這里VX的電壓與VREF2的電壓值相等。所以流經(jīng)R1的電流則為（假設(shè)電流方向于圖中向下）：

2過溫保護(hù)電路設(shè)計(jì)原理

過溫保護(hù)電路的輸入端與溫度檢測(cè)電路的輸出端相連，其目的是為了檢測(cè)溫度檢測(cè)電路的輸出電壓是否正常。溫度檢測(cè)電路將溫度變化轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，而過溫保護(hù)電路則用于檢測(cè)溫度檢測(cè)電路的輸出電壓是否正常。當(dāng)輸出電壓超出過溫保護(hù)電路所檢測(cè)的電壓閾值范圍，過溫保護(hù)電路的輸出會(huì)將0轉(zhuǎn)變?yōu)?，進(jìn)而關(guān)斷其電源電路，實(shí)現(xiàn)保護(hù)電路不被燒斷。

·電阻工藝角仿真

電阻Yes的工藝角分別為tt Yes、ff Yes、ss res。在不同工藝角下對(duì)該模塊進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖7所示，在各RES comer-F，該輸出符合設(shè)計(jì)要求。

3.2過溫保護(hù)電路仿真

3.2.1 PTAT電流溫度仿真

本模塊的工作機(jī)理是利用PTAT電流與溫度之間的關(guān)系進(jìn)行仿真。如公式（5）、公式（6）所述，當(dāng)溫度升高時(shí)，PTAT電流，n增大，A點(diǎn)電壓減小，從而使輸出電壓由低變高，反之亦然。所以先對(duì)TO電流進(jìn)行溫度仿真，結(jié)果如圖7所示，仿真結(jié)果表明厶與溫度成正相關(guān)，符合電路原理。

3.2.2輸出電壓溫度仿真

隨后驗(yàn)證輸出電壓X288_A并進(jìn)行DC溫度仿真。由于施密特觸發(fā)器作用，輸出電壓的曲線出現(xiàn)熱回滯窗口，仿真結(jié)果如圖8所示。

由圖可見，該模塊大約在170℃左右關(guān)斷芯片，在146.1℃左右使芯片重回正常工作狀態(tài)，遲滯量約為（170-146.1）℃=23.9℃。

4.2.3工藝仿真

與溫度檢測(cè)電路類似，為提高整個(gè)系統(tǒng)的安全性和可靠性，需對(duì)保護(hù)電路進(jìn)行工藝仿真，本文在不同工藝角情況下對(duì)模塊進(jìn)行仿真。三極管和電阻在不同工藝角下對(duì)過溫翻轉(zhuǎn)和低溫恢復(fù)這兩個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)處的仿真圖像如圖9、10所示。

仿真結(jié)果表明在不同工藝角情況下的溫度誤差均較小，說明在一定誤差范圍內(nèi)該電路可以正常工作并能保持較高精度。

4結(jié)語

本文提出了一種新型的基于BUCK DC-DC開關(guān)電源的溫度檢測(cè)電路結(jié)構(gòu)，并基于此結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，加入了一種新型的過溫保護(hù)機(jī)制。通過理論分析和數(shù)學(xué)推導(dǎo)進(jìn)行電路搭建，并用仿真軟件進(jìn)行仿真。由于系統(tǒng)的高精度要求，本文在一般的溫度仿真基礎(chǔ)上，進(jìn)行了工藝角的仿真。仿真結(jié)果表明在一定溫度范圍內(nèi)，該結(jié)構(gòu)可實(shí)時(shí)檢測(cè)電流并實(shí)現(xiàn)過溫保護(hù)。