应用于AC/DC 开关电源的高精度过温保护电路设计

杨雪

摘要：基于TSMC 0.5 μm工艺，设计了一款应用于开关电源的高性能过温保护电路，该电路具有75℃的温度滞回区间，热关断点温度142℃，热开启温度67℃。同时在输入电压2.5v到6v范围内热关断点、开启点温度最大漂移不超过10℃，具有较高的精度。在不同的工艺角下，其关断开启点温度最大漂移不超过10℃，具有工艺稳定性。此电路具有电路结构简单，版图面积小和功耗低等特点，适合集成在电源管理芯片中。

关键词：热关断；电源管理；过热保护；迟滞

1 引言

随着IC芯片集成密度和功率密度的不断提高，功耗不断增大。由于功耗增大，引起芯片温度上升，当超过极限温度时，根据半导体物理学中本征半导体载流子随温度变化的规律，对本征半导体，在室温附近时，温度每升高8K，本征载流子浓度增加约1倍。温度足够高时，本征载流子激发占主导，器件失效。因此，必须对芯片设计热关断电路，特别是在集成功率器件的功率集成电路中。当芯片超过警戒温度时，电路提供一个热关断信号，禁止芯片工作；当芯片温度降到滞回区间外时，恢复芯片工作。

2 过热保护原理

过温保护电路的设计思路是利用二极管或三极管的温度特性来检测芯片内部温度的变化，当温度超过设定值时，保护电路工作，将系统关断，以防其损坏。热关断电路设计的关键是将温度信号精确的转变为电压信号。传统的方法是用热电偶和热电感来检测温度，但是这些方法不适合芯片的设计。因此，必须利用集成电路中各种器件的温度特性来设计热关断电路。具体原理如图1所示：

电路是利用具有负温度系数的Vbe和PTAT电流源的温度效应，产生具有施密特触发特性的VOUT。如图1所示，三极管Q的Vbe具有负温度系数，随着温度的升高，Vbe越来越小。I1和I2是MOS管产生的PTAT电流，电流随着温度的升高逐渐增大。温度升高时，比较器负端的电压越来越大，而Vbe越来越小，当Vbe< VR3时，比较器的输出发生翻转。输出低电平，通过逻辑电路，关断高压功率管。同理，温度降低时，比较器负端的电压越来越小，正端的电压变大，当VR3

3 具体电路实现

3.1 实际电路图：

En_out是使能模块的输出信号，正常情况下为高电平。Regu_out是regulator模块的输出，正常情况下也为高。Vbias1，Vbias2来自基准，用于提供PTAT电流。Vbias3是芯片上电后表示芯片工作的信号，为高电平。

刚开始时，三极管Q1关断，集电极是高电平，经过两个反相器后输出高电平，芯片正常工作。集电极电平反向后经过三输入与非门送到N1的栅极，N1开启，R2被短路。温度升高，Vbe减小，经过R1上的电流变大，Q1基极的电位升高，当温度上升到设定的温度后，Q1开启，集电极电位被拉低，与非门输出低，N1被关断，R2导通，此时电路输出低电平，芯片被关断。

芯片关断后，温度减小， Vbe变大，经过R1和R2的电流变小，Q1基极的电压降低，当温度下降到设定的温度时，Vbe超过R1和R2上的电压和，Q1关断，集电极变为高电平，N1开启，芯片输出高，恢复正常。

3.2 迟滞的分析

N1为开关管，通过它来实现电路的迟滞。PTAT电流通过电阻产生的端电压和Q1的Vbe进行比较，实现芯片的开关。温度很低时，Vbe小于端电压，三极管Q1截止，则N1开启，此时输出高电平，芯片正常。

温度升高，Vbe越来越小，PTAT电流变大，当Vbe小于端电压时，Q1开启，则N1截止，此时输出低电平，芯片关断。

三极管Q1的BE结电压为：

Vbe=VG0 -KN·T (1)

电阻R1和R2的端电压为

其中VG0为0K时的带隙电压，KN为三极管Q1的BE结电压的负温度系数，KN≈-2mV/℃。公式(2)是根据基准的原理所得到的电流公式。电路的工作温度上升到热关断触发点TH时应满足Vbe=V1，即：

温度降低时，Vbe变大，PTAT电流产生的端电压减少，当Vbe小于端电压时，Q1关断，则N1开启，输出高，芯片恢复正常。此时应满足Vbe=V1+V2，即：

TL的分母比TH的分母大，所以TL小于TH，电路存在迟滞。其开关的温度主要由电阻的比值和MOS尺寸决定，与单个电阻的温度系数无关。也不依赖于电源电压和工艺参数等，调整MOS的尺寸和电阻比值就可以控制电路的温度迟滞特性。

4 仿真结果和分析

此电路采用TSMC 0.5μm工艺实现，用Spectre进行仿真, 采用不同的模型（Model=tt和Model=ff以及fs,sf,ss）对上述电路进行模拟。由于仿真结果比较多，仅附了三种类型的corner,如图所示。仿真结果表明，温度从低变高时，在142℃左右翻转电平，温度从高到低，在67℃左右翻转电平，实现了迟滞要求。由图3可以看出：在不同的电源输入电压下，图2所示的过温保护电路的热开启关断点也会随之漂移很小，最大不超过10℃，具有较高的精度。同时在ff和tt、fs时，其关断点变化很小，具有工艺角稳定性。

参考文献

[1]刘恩科，朱秉升，罗晋生。半导体物理学[M]。电子工业出版社，2003.

[2]毕查德.拉扎维. 模拟CMOS集成电路设计[M]. 陈贵灿，程军，张瑞智 等译. 西安：西安交通大学出版社，2003

[3]张慕辉，刘诗斌，冯勇。具有滞回功能的过温保护电路【J】。仪表技术与传感器，2009,2(2);109-112.

[4]谭传武，陈卫兵。电源管理芯片中过热保护电路设计。湖南工业大学学报，2009

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