一种DC-DC电源芯片保护电路的设计与研究

赵鹏

【摘要】文中设计了一款适用于宽输入范围、大负载电流DC-DC电源芯片的过温保护电路。该电路由一个运放和两个MOS管，一个电容构成。仿真表明，当芯片温度高于170℃时开启保护模式，温度回落至110℃时取消保护模式，实现了60℃的迟滞温度。满足设计要求。

【关键词】宽输入 过温保护 保护模式

1绪论

现代信息社会芯片的增长是指数级的，每个芯片都需要一个电源管理芯片为其提供持续稳定的电压或电流。由于微电子工艺的进步，目前主流的芯片电压主要为3.3V、1.8V、1.2V。这就要求把220V之流市电或是基准电路产生的其他直流电压转化为相应的低电压。目前主流的降压电源管理芯片分为低压差线性稳压器（Low Dropout Voltage regulator，LDO）和开关电源DC-DC。不管哪种形态，由于芯片内部功率晶体管的存在，长时间大电流工作会使芯片温度上升而影响芯片效率。故过温保护电路就是在系统工作温度超过特定值时通过信号的翻转使系统改变工作状态，直至系统温度下降为安全温度时再恢复正常工作。为防止温度下降但还未至安全温度时系统就恢复工作，需要有一个迟滞温度。

图1芯片整体结构框图

2过温保护电路原理

根据系统设计要求，过温保护电路需要在芯片温度高于170℃时产生保护信号，图2为本文采用的过温保护模块的结构。OT与OTB为控制M1和M2的两个相反信号，使两个MOS不会同时导通或者关断，具有选择的作用。其中OT为该模块的输出信号，当OT为低时，表示过温保护信号开启。系统要求芯片温度超过170℃时产生保护信号，迟滞温度为60℃。

圖2过温保护电路结构

由于三极管具有负温度特性。故保护电路在170℃时开启，Vref_OTP在170℃时的电压为390mV，迟滞温度为60℃。在110℃时该信号为500mV，VOp4_L为低于400mV的输入电压，V0p5为500mV的输入电压，两者的压差即决定了迟滞的大小。

3电路仿真

在工艺角为TT，电源电压为25℃，对过温保护电路的功能进行仿真。V0p5与V0p4_L分别为带隙基准经分压后得到的500mV和390mV的电压信。Vref_OTP为带隙基准产生的从800mV下降至300mV的斜坡电压。电路分别对输出信号在-40℃～230℃与230℃～40℃时的两种情况进行扫描，如下图所示。

图3从-40℃～230℃扫描过温保护电路波形图

图4从230℃～-40。C扫描过温保护电路波形图

从图3中可以看出，电路对输出信号在温度范围为-40℃～230℃进行扫描，当温度上升至170℃时，OT信号由高电平跳变为低电平，表示保护信号开启。从图4中可以看出，电路对输出信号在温度范围为230℃～40℃进行扫描，当温度下降至110℃时，OT信号重新跳变到高电平，表明系统恢复正常工作。迟滞温度可达60℃，保护电路功能正确。

4总结

文中设计了一款适用于宽输入范围、大负载电流DC-DC电源芯片的过温保护电路。根据系统设计要求实现60℃迟滞温度，在芯片温度到达170℃时开启保护模式，温度回落到110℃时重新回到工作模式。仿真表明，当芯片温度高于170℃时开启保护模式，温度回落至110℃时取消保护模式，实现了60℃的迟滞温度。满足设计要求。