一種基于電源管理芯片的過溫保護(hù)電路

李宏杰 李立

摘 要：文章針對DC-DC電源管理芯片中的過溫保護(hù)功能，提出了一種低功耗、高精度、高可靠性的過溫保護(hù)電路。利用雙極型晶體管的溫度特性產(chǎn)生正溫度系數(shù)的溫度檢測電壓，通過電壓比較器和系統(tǒng)預(yù)設(shè)電壓進(jìn)行比較，當(dāng)采樣溫度高于預(yù)設(shè)值時，過溫保護(hù)電路輸出低電平進(jìn)而關(guān)斷芯片系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)過溫保護(hù)功能。基于UMC0.25μmBCD工藝庫進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用HSPICE仿真軟件進(jìn)行結(jié)果分析。仿真結(jié)果表明：在電源電壓為5 V，溫度由小變大過程中，當(dāng)閾值溫度高于130 ℃時，過溫保護(hù)電路輸出低電平，芯片系統(tǒng)被關(guān)斷。溫度由大變小過程中，當(dāng)閾值溫度低于104.96 ℃時，過溫保護(hù)電路輸出高電平，芯片系統(tǒng)重新正常工作?；夭顪囟戎禐?0 ℃。滿足過溫保護(hù)電路高精度、高可靠性的要求。

關(guān)鍵詞：過溫保護(hù)；電壓比較；閾值溫度；遲滯溫度

過溫保護(hù)（Over-Temperature-Protection，OTP）電路是電源管理芯片中一種重要保護(hù)電路。當(dāng)電源管理芯片由于電源短接、內(nèi)部短路或重負(fù)載等情況下產(chǎn)生功耗增加，引起芯片內(nèi)部溫度上升，OTP電路能夠檢測系統(tǒng)工作溫度，及時關(guān)斷芯片系統(tǒng)，防止芯片中的晶體管和其他集成模塊由于高溫而造成不可逆轉(zhuǎn)的永久性失效[1]。因此，OTP電路被廣泛地應(yīng)用在電源管理芯片中的帶隙基準(zhǔn)電壓源、低壓降電路、振蕩器等模塊[2]。

本文基于UMC0.25μmBCD工藝庫設(shè)計(jì)了一種低功耗、高精度的OTP電路。利用雙極型晶體管的溫度特性對芯片系統(tǒng)的工作溫度進(jìn)行采樣，通過電壓比較器對采樣溫度電壓與系統(tǒng)預(yù)設(shè)電壓進(jìn)行比較，當(dāng)采樣溫度高于系統(tǒng)設(shè)定的閾值溫度時，OTP電路輸出低電平進(jìn)而關(guān)斷芯片系統(tǒng)，防止由于高溫對芯片造成不可逆轉(zhuǎn)的損壞。當(dāng)采樣溫度重新低于系統(tǒng)設(shè)定的閾值溫度時，OTP電路輸出高電平，芯片系統(tǒng)重新正常工作。并且該OTP電路設(shè)有反饋控制回路，產(chǎn)生的遲滯溫度量可以防止芯片系統(tǒng)由于工作溫度波動而造成的反復(fù)關(guān)斷[3]。

1 OTP電路原理及架構(gòu)

本文提出的OTP電路原理拓?fù)鋱D如圖1所示。其中與溫度成正相關(guān)的IPTAT1電流源與電阻R1，R2構(gòu)成了溫度檢測電路。IPTAT2電流源與晶體管Q1構(gòu)成了系統(tǒng)預(yù)設(shè)電壓電路。由于雙極型晶體管Q1的基極和發(fā)射極電壓VBE具有負(fù)溫度特性[4]，因此，在常溫下Q1管的發(fā)射結(jié)電壓VP大于溫度檢測電壓VN，此時OTP電路輸出電壓OTP_OUT輸出高電平，M1管導(dǎo)通R2被短路，VN=IPTAT1×R1。隨著溫度的升高，與絕對溫度成正比（Proportional To Absolute Temperature，PTAT）電流源IPTAT隨之增大，當(dāng)系統(tǒng)工作溫度高于OTP電路閾值溫度時，VN>VP，此時OTP_OUT輸出低電平，系統(tǒng)由于高溫被關(guān)斷。M1管截止，溫度檢測電壓大小為VN=IPTAT1×（R1+R2）。

2 本文提出的OTP實(shí)現(xiàn)電路

本文提出的OTP電路如圖2所示。電路共分為：啟動與偏置電流產(chǎn)生電路、溫度檢測電路、電壓比較電路和控制反饋電路4部分。各部分的工作原理如下。

2.1 啟動與偏置電流產(chǎn)生電路

3 仿真結(jié)果及分析

本文提出的基于電源管理芯片OTP電路采用UMC0.25μmBCD工藝庫進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用HSPICE仿真軟件分析，仿真結(jié)果如下。

圖3為本文提出的OTP電路溫度特性曲線。可以看出，芯片系統(tǒng)工作溫度由小變大過程中，溫度大于125 ℃時，OTP電路輸出電壓開始跳變，當(dāng)溫度大于130 ℃時，芯片系統(tǒng)完全關(guān)斷，避免芯片由于高溫造成損壞；芯片工作溫度由大變小過程中，溫度低于110 ℃時，OTP電路輸出電壓開始跳變，當(dāng)溫度低于104.96 ℃時，輸出電壓變?yōu)楦唠娖?，系統(tǒng)重新正常工作。

圖4為本文提出的OTP電路遲滯特性曲線?？梢钥闯?，OTP電路的輸出電壓在芯片系統(tǒng)工作溫度由低到高和由高到低過程中跳變門限電壓存在遲滯現(xiàn)象，遲滯溫度ΔT為20 ℃。遲滯溫度ΔT可以有效避免芯片系統(tǒng)由于工作溫度波動造成的反復(fù)關(guān)斷。

4 結(jié)語

本文提出了一種基于電源管理芯片的OTP電路。利用雙極型晶體管的溫度特性產(chǎn)生正溫度系數(shù)的檢測電流，通過電壓比較器對溫度檢測電壓和系統(tǒng)預(yù)設(shè)電壓進(jìn)行比較。當(dāng)采樣溫度高于系統(tǒng)預(yù)設(shè)溫度時，OTP電路輸出低電平，芯片系統(tǒng)被關(guān)斷，避免芯片系統(tǒng)由于高溫造成損壞。當(dāng)工作溫度低于預(yù)設(shè)溫度時，OTP電路輸出高電平，芯片系統(tǒng)重新正常工作。同時芯片系統(tǒng)工作溫度由低到高和由高到低過程中跳變門限電壓設(shè)有遲滯溫度，有效避免芯片系統(tǒng)由于工作溫度波動造成的反復(fù)關(guān)斷。本文設(shè)計(jì)的OTP電路滿足電源管理芯片低功耗、高精度、高可靠性要求。

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