一种用于负压LDO 芯片的过温保护电路

苟超，刘一锴，保兴润，赵镱翔

（中国电子科技集团公司第二十四研究所，重庆 400060）

引言

低压差电压调整器（Low-Dropout Regulator，LDO）广泛应用于电源系统中，其输出电流能力可以达到数安培。在大电流应用条件下，LDO 本身消耗的功耗比较大，芯片自身的温升也较大，从而影响可靠性。当温度超过一定值时，芯片失效率呈指数规律增加，温升50 ℃时的寿命只有温升25 ℃时的1/6 左右。除了电应力之外，温度是影响LDO 芯片可靠性和稳定性的最重要因素。因此，LDO 芯片中一般会集成过温保护电路[1-6]。

当芯片温度超过过温保护点TH时，过温保护电路使芯片进入低功耗状态，降低芯片温度，防止烧毁；当芯片温度降低到过温恢复点TL时，过温保护电路使芯片恢复到正常工作状态。为了防止芯片在过温保护点附近反复改变工作状态而引起输出振荡，TH＞TL是必要的设计。

本文设计了一种用于负压LDO芯片的过温保护电路：首先产生一个具有零温度系数的负压带隙基准电压，然后将其与具有负温度系数的三极管BE 结电压进行组合，产生一个具有正温度系数的电压，最后将该电压与三极管BE 结电压进行比较，产生过温保护信号。经过仿真、流片和测试，验证了该电路能够有效地实现过温保护功能。

1 电路设计与实现

1.1 负压LDO 芯片功能框图

该负压LDO 芯片为一款负压输入、负压可调输出的芯片，内部主要包括：启动电路、使能控制、带隙基准、误差放大器、保护电路、驱动、功率管等模块，其功能框图如图1 所示。

图1 负压LDO 芯片功能框图

其中，过温保护电路通过驱动电路将功率管的基极电压拉低，从而关断输出电压，起到保护作用。输出电压通过外接电阻RF1、RF2调整，输出电压表达式为：

1.2 电路设计

1.2.1 负压带隙基准电路设计

本文设计的过温保护电路需要使用带隙基准电压，利用其零温漂的特性。因此，首先设计了负压带隙基准电路。

如图2 所示，负压带隙基准电路包括同类型的电阻R11~R14，三极管Q11~Q13 以及运放OP1，VREF为负压带隙基准电压，VIN是负电源。OP1 作用是将R13 和R14 两端的电压钳位至相等，由于R13 和R14 的阻值相等，流过两者的电流也相等，因此Q11 和Q12 的集电极电流IC也相同。而Q11 和Q12 的发射极面积之比为12:1，那么可以推导出R12 两端电压VR12的表达式为[7]：

图2 负压带隙基准电路原理图

图3 过温保护电路原理图

式中：

VBE(Q11)、VBE(Q12)—Q11、Q12 的BE 结电压；

VT=kT/q—热电压，室温下约为26 mV[8]；

k、q—常量；

T—热力学温度。

因此，热电压VT随着温度的增加而增加，具有正温度系数。

流过R12 的电流IB表达式为：

根据图2 中的连接关系，VREF可以表示为：

将公式（3）带入公式（4），得到：

公式（5）中，等式右边第一项为三极管的BE 结电压，具有负温度系数，第二项为热电压的倍数，具有正温度系数。通过调节电阻的阻值，改变第二项正温度系数电压的大小，可以进行温度补偿，实现近似零温度系数的带隙基准电压VREF输出。

在使用VREF时，会有电流流入VREF端口中，Q13 的作用就是吸收流入的电流，即本文所设计的负压带隙基准具有带载能力，能够在一定负载范围内保持VREF的稳定。

此外，在负压带隙基准的设计中还引入了熔丝修调，在芯片流片下线后根据实测结果调整电阻R11 和R12 的阻值，以补偿由于工艺一致性差异引起的VREF变化。R11和R12的阻值都只能通过熔丝修调增加而不能减少。根据公式（5），当VREF偏小或者呈现负温度系数时，修调R11；当VREF偏大或者呈现正温度系数时，修调R12。

1.2.2 过温保护电路设计

VPB是过温保护电路的输出，连接负压LDO 芯片的驱动电路。忽略Q3 基极电流的影响，Q3 的基极电压VA可以表示为：

从公式（6）可以看出，VA具有正温度系数。当温度较低时，三极管Q3 的BE 结开启电压VBE(Q3)较高，其基极电压VA不足以使Q3 开启，因此Q2~Q6 均处于关断状态，不影响LDO 芯片正常工作。

随着温度的增加，VA电压值增大，而VBE(Q3)降低。当温度升高到一定值时，三极管Q3 开启，因此Q2~Q6均处于开启状态，VPB被拉低，通过驱动电路将功率管的基极电压拉低，从而关断LDO 芯片的输出电压，降低功耗。LDO 芯片的输出电压刚被关断时的温度即为过温保护点TH。

当Q4 导通后，将提供额外的电流到电阻R2，使得VA的电压增加，因此，当LDO 芯片关断后，随着温度的下降，LDO 输出电压恢复正常工作的温度点，即过温恢复点TL将低于过温保护点TH，从而实现温度迟滞功能，有效避免了芯片在过温保护点附近输出电压振荡。

2 仿真结果

2.1 负压带隙基准仿真结果

如图4 所示为负压带隙基准电压VREF随温度变化的仿真曲线。仿真结果表明：在（-55~160）℃的温度范围内，VREF随温度变化的曲线呈现抛物线形状，具有较好的温度系数，并且在工作电源电压范围内（-10~-4）V，VREF基本不随电源电压变化。

图4 负压带隙基准电压温度特性仿真结果

当VIN=-4 V、-10 V 时，在（-55~160）℃的温度范围内，VREF最大变化量∆VREF均为20.4 mV，根据温度系数TC 的计算公式：

将VREF(25℃)=1.224 8 V，TMAX=160 ℃，TMIN=-55 ℃带入公式（7）中，得到TC=77.5 ppm/℃。

负压带隙基准电压的低温漂特性以及在160 ℃高温下仍能够正常工作的特性，保证了过温保护电路功能的实现。

2.2 过温保护仿真结果

如图5 所示为Q3 的基极电压VA随温度变化的仿真曲线。仿真结果表明：VA随温度的增加而升高，具有正温度系数，并且在工作电源电压范围内，VA基本不随电源电压变化。

图5 Q3 的基极电压VA 温度特性仿真结果

如图6 所示为LDO 芯片输出电压（ADJ 端口输出，未外接反馈电阻）随温度变化的曲线。仿真结果表明：LDO 芯片的过温保护点TH为161 ℃，过温恢复点TL为108 ℃，并且在工作电源电压范围内，过温保护点和过温恢复点均不随电源电压变化。

图6 过温保护仿真结果

3 测试结果

基于4 μm 标准双极工艺，采用本文的过温保护电路设计了负压LDO 芯片，芯片版图如图7 所示。

图7 负压LDO 芯片版图

电路流片下线后，对过温保护功能进行了测试，测试线路如图8 所示。

图8 过温保护功能测试线路

LDO 芯片本身消耗的电流约为1 mA，输出电压-1.22 V左右，因此负载电流约5 mA。在VIN=-4 V、-10 V时，LDO 芯片的功耗分别约为24 mW、60 mW，功耗均较小，不会造成芯片结温明显的上升，对过温保护功能测试影响较小。

过温保护功能测试结果汇总后如表1 所示，过温保护点和过温恢复点均不随电源电压变化，实测值与仿真值基本吻合。

表1 过温保护测试结果

4 结论

本文介绍了一种用于负压LDO芯片的过温保护电路，经过流片验证，该电路可以在（165~170）℃时关断芯片的输出，在温度降低到（95~100）℃时，芯片输出恢复正常工作，从而保证了芯片在高温和高功耗下的安全工作。