一种基于DC-DC开关电源的温度检测电路设计

赵亚鸽

摘要：针对DC-DC开关电源的经典拓扑结构，提出了一种新型的温度检测电路设计。研究了温度对整个开关电源系统的影响，以及在一定温度变化范围内，开关电源能否输出稳定电压。在此基础上，本文设计了一种新型的温度检测电路，并对其进行功能优化，实现温度的精确检测。同时，为防止温度过高对系统造成不可逆破坏，本文在温度检测电路的研究基础上，设计了一款新型的过温保护电路。当系统温度高于温度阈值时，温度检测电路输出发生变化，启动过温保护电路，关闭带隙基准电压电路和上电位，从而达到保护电路的目的。最后对此结构进行仿真，仿真结果表明在不同工艺角情况下，该系统均具有精确的温度检测性能，且能稳定启动过温保护实现关闭电源、保护电路的目的。

关键词：DC-DC开关电源;温度检测;过温保护;系统温度阈值;带隙基准电压

0引言

开关型电源、LDO是目前应用在SoC系统中最常见的两种电源管理系统。其中，基于经典拓扑结构的开关型电源，具有效率高、功耗低、体积小以及抗干扰能力强等诸多优点，广泛应用于许多高集成度高性能的SoC系统芯片中。

开关型电源主要是通过控制功率开关管的周期性导通来输出稳定电压，实现升压、降压、电压反转等功能，从而为整个电路系统稳定供电。

如图1所示，开关型电源中较为常见的是BUCK型DC-DC开关电源。相较于其他电源管理系统而言，BUCK型DC-DC开关电源的电源转换效率高，可达80%以上，对于一些特制的开关电源甚至高达90%;其次，负载能力强，可承受大电流;另外，开关电源的功率MOS管阻值较低，故而功率损耗偏低，适用于传导较大电流;通过控制开关电源内部功率MOS管（高边管和低边管）的开关来控制输出电压的增大或减小，实现动态调节，使得稳压范围较宽。

开关电源往往工作在高电压下，较大功率的开关电源同时也工作在大电流状态下，较大的电流或者电压容易烧坏电路。为了保护开关电源自身和负载，根据DC-DC直流电源原理，先后设计出了许多保护电路，如：ESD保护电路、过压保护电路（OVLO）、欠压保护电路（UVLO）、软启动电路等。本文在上述几种保护电路的基础上设计出了基于DC-DC开关电源的温度检测系统，当温度超过工作温度阈值时，关断电路，从而起到实时保护电路的目的。

1温度检测电路设计原理

设计的温度检测电路如下图2所示。

本模块主要实现的功能是对芯片电源供电系统中的带隙基准电压进行温度检测。带隙基准电压是电源系统中非常重要的模块。绝大多数的内部供电都是由带隙基准电压为源头进行“再加工”处理。针对带隙基准电压进行温度检测，温度越高，其电压值也越高，从而在温度检测模块中引起输出电压状态的改变。所以只需检测温度检测电路的输出电压就可以直观判断电源温度是否过高，从而实现温度检测的功能。

如图2所示，VREF1与VREF2是由电路的电压基准电路VREF产生的基准电压，VREF1为带隙基准产生的基准电压，可视作没有温度系数，而VREF2为PTAT电压，通过运放虚短作用，使电阻R1两端的电压分别固定在VREF1和VREF2，这里VX的电压与VREF2的电压值相等。所以流经R1的电流则为（假设电流方向于图中向下）：

2过温保护电路设计原理

过温保护电路的输入端与温度检测电路的输出端相连，其目的是为了检测温度检测电路的输出电压是否正常。温度检测电路将温度变化转换为电压信号，而过温保护电路则用于检测温度检测电路的输出电压是否正常。当输出电压超出过温保护电路所检测的电压阈值范围，过温保护电路的输出会将0转变为1，进而关断其电源电路，实现保护电路不被烧断。

·电阻工艺角仿真

电阻Yes的工艺角分别为tt Yes、ff Yes、ss res。在不同工艺角下对该模块进行仿真，结果如图7所示，在各RES comer-F，该输出符合设计要求。

3.2过温保护电路仿真

3.2.1 PTAT电流温度仿真

本模块的工作机理是利用PTAT电流与温度之间的关系进行仿真。如公式（5）、公式（6）所述，当温度升高时，PTAT电流，n增大，A点电压减小，从而使输出电压由低变高，反之亦然。所以先对TO电流进行温度仿真，结果如图7所示，仿真结果表明厶与温度成正相关，符合电路原理。

3.2.2输出电压温度仿真

随后验证输出电压X288_A并进行DC温度仿真。由于施密特触发器作用，输出电压的曲线出现热回滞窗口，仿真结果如图8所示。

由图可见，该模块大约在170℃左右关断芯片，在146.1℃左右使芯片重回正常工作状态，迟滞量约为（170-146.1）℃=23.9℃。

4.2.3工艺仿真

与温度检测电路类似，为提高整个系统的安全性和可靠性，需对保护电路进行工艺仿真，本文在不同工艺角情况下对模块进行仿真。三极管和电阻在不同工艺角下对过温翻转和低温恢复这两个关键节点处的仿真图像如图9、10所示。

仿真结果表明在不同工艺角情况下的温度误差均较小，说明在一定误差范围内该电路可以正常工作并能保持较高精度。

4结语

本文提出了一种新型的基于BUCK DC-DC开关电源的温度检测电路结构，并基于此结构进行改进，加入了一种新型的过温保护机制。通过理論分析和数学推导进行电路搭建，并用仿真软件进行仿真。由于系统的高精度要求，本文在一般的温度仿真基础上，进行了工艺角的仿真。仿真结果表明在一定温度范围内，该结构可实时检测电流并实现过温保护。