一种基于带隙比较器的过热保护电路

一种基于带隙比较器的过热保护电路陈志军，钟昌贤，张波(电子科技大学微电子与固体电子学院功率集成技术实验室，四川成都 610054)摘 要：设计了一种基于带隙比较器的过热保护电路。

该电路可用于功率集成电路和电源管理芯片中。

采用0.6μm BiCMOS工艺对电路进行了仿真。

结果表明,该电路对温度灵敏度高、关断和开启温度点受电源电压和工艺参数变化的影响很小。

通过比较器的迟滞功能防止了热振荡现象的发生。

关键词：带隙比较器；过热保护；BiCMOSA Thermal Shutdown Circuit Using Comparator withBandgap StructureCHEN Zhi-jun, ZHONG Chang-xian, ZHANG Bo(Power Integrated Technology Laboratory, School of Microelectronics and Solid-state electronics, University of ElectronicScience and Technology of China, Chengdu, Sichuan 610054, P. R. China)Abstract: A new thermal shutdown circuit based on the comparator with bandgap structure is proposed. Using 0.6 μmBiCMOS process, the result of simulation shows that the circuit features high sensitivity to temperature, accurate turnoff/on threshold value under different supply voltage and process. And it makes the circuit a wide usage in the field ofpower ICs and power supply management while the thermal oscillation is eliminated by the hysteretic comparator.Key words: Comparator ; Bandgap Structure; Thermal Shutdown; BiCMOS1 引言在功率集成电路和电源管理芯片中，电路消耗的功率往往比较大，在某些异常情况(电源短接、内部短路)下，产生的功耗会急剧增大并使芯片温度持续升高。

如果不设置过热保护电路，持续升高的温度将会影响芯片的正常工作，并可能对芯片产生永久性的损害。

为了有效地保护芯片，往往需要将过热保护电路集成在芯片内部[1]。

本文设计了一种采用BiCMOS工艺的过热保护电路，利用带隙比较器的迟滞功能有效地消除了热振荡。

2 常见的过热保护电路图1是传统的过热保护电路[2]，图中Q2是大功率晶体管，Q H为过热保护器件，其集电极和功率晶体管Q2的基极及恒流源I0接在一起，D Z为齐纳二极管。

图1 传统过热保护电路图1中，三极管的V BE随温度升高而减小，具有负温度系数。

而齐纳二极管的反向击穿电压V Z随温度升高而增大，具有正温度系数。

经过电阻R2、R3的分压后，Q H的基极电位为：1323Z BE H V V V R R R −=×+ (1)常温下，V H 小于Q H 的BE 结导通电压V BEH ，故Q H 截止。

随着温度的升高，V Z 开始增大，V BE1和V BEH 开始减小，由(1)式可知，V H 将会变大。

当温度升高到某一值时，V BEH 下降到比V H 小后Q H 开始导通，流入功率管Q2基极的电流被Q H 分流了一部分，达到了保护的目的。

但图1所示电路存在着一个问题：当温度升高到热关断点时，流入功率管Q2基极的电流减小，芯片温度降低；于是V BEH 开始增大，V H 降低，使得Q H 截止，流入功率管Q2基极的电流增加，芯片温度再次升高……该过程不断重复，使芯片在热关断点附近产生热振荡。

此外，由于齐纳二极管的反向漏电流比较大，击穿电压一般高于5V ，故该电路的功耗将会很大，不符合低压低功耗的发展趋势。

图2是采用CMOS 工艺实现的过热保护电路示意图[3]。

该电路利用工作在亚阈区的MOS 管产生正比可绝对温度的（PTA T ，Proportional To Absolute Temperature ）电流IPTA T 。

当温度升高时，R1上的压降也随之升高。

当温度升至热关断点时，V H 使Q1导通，OUT 端的输出电压发生跳变，芯片的功率管将会被关断，达到了保护的目的。

该电路结构简单，但利用工作在亚阈区的MOS 管产生的PTA T 电流精度不高，过热保护点不够稳定，易受电源电压的影响。

图2 CMOS 过热保护电路示意图3 基于带隙比较器的过热保护电路图3是本文所设计的过热保护电路，该电路由启动电路、PTA T 电源和带隙（Bandgap ）比较器三部分构成。

3.1 PTAT 电源PTA T 电流与绝对温度成正比，能精确表征温度的变化。

图3中MP4、MP5、Q3、Q4和R3构成了产生PTA T 电流的主体电路，Q3发射极面积是Q4发射极面积的8倍。

电容C 0可以提高PTA T 电源的稳定性，其值越大稳定性越好，但启动时间会延长且占用更大的芯片面积。

图3 本文所设计的过热保护电路忽略晶体管的基极电流，流过Q3和Q4的集电极电流I C3和I C4相等，而晶体管的反向饱和电流I S 与发射极面积成正比，所以I S3 = 8I S4。

由KVL 定理得：4334343lnln C C R BE BE T T S S I IV V V V V I I =−=− 4343ln C S TS C I I V I I ×=× (2)其中，T V kT q =，k 为波尔兹曼常数。

产生的PTA T 电流为：343ln 833R C C V kT I I R q R ===×(3) 3.2 带隙比较器图3的右半部分是带隙比较器，它的特点是将外 部电压信号与由带隙结构产生的基准电压信号相比较。

MP7、MP8宽长比相同，构成电流镜，电阻R6和R7的阻值相等，可以抑制电源电压变化对比较器阈值的影响。

当A 点电位较低的时候，由于Q2发射极面积是Q1发射极面积的8倍，集电极电流I C2大于I C1，因此B 点电位为高。

随着A 点电位的升高，I C2和I C1也随之增加，但由于电阻R1的射极衰减作用，I C2比I C1增加得要慢。

当A 点电位升高到带隙比较器的翻转阈值时，I C2与I C1恰好相等。

随着A 点的继续升高，集电极电流I C1将超过I C2，带隙比较器发生翻转，B 点电位降低。

根据上面的分析，我们可以计算出带隙比较器的翻转阈值，即Q1的基极电位。

忽略晶体管基极电流的影响，有：1121R C C VI I R == (4)而由KVL 定理得：1211212lnln C C R B E B E T T S S I IV V V V V I I =−=− (5) Q2发射极面积是Q1发射极面积的8倍，有：218S S I I = (6)(5)、(6)式代入(4)式可得：2ln 81TC V I R = (7) 因此带隙比较器的翻转阈值为：1222tr B E C V V I R =+××1ln 8221T B E V V R R =+××(8)在室温时，V T 的温度系数大约为0.087mV/℃，V BE 的温度系数大约为-2mV/℃，通过设定合适的R2与R1的比值，可以使V tr 与温度和电源电压无关。

3.3 过热保护分析MOS 管MP3、MP4、MP5、MP6的宽长比相同且工作在饱和区，PTA T 电流I C3镜像到MP6、R4、R5所在支路。

当温度没有达到热关断点时，A 点电位低于带隙比较器的翻转阈值，根据前面的分析可知：B 点电位比较高，热保护输出信号OTP 为高电平，开关管MN1导通，电阻R5被旁路。

忽略其导通电阻和晶体管基极电流，有：34A C V I R =× (9) 当温度升高到过热关断点时，A 点电位恰好使带隙比较器发生翻转，热保护输出信号OTP 变为低电平，开关管MN1被关断。

在热关断点有： A tr V V = (10) 由（3）、（9）、（10）式，可以得到电路的热关断温度为：3ln 84H tr q R T V k R =× (11)热保护输出信号OTP 变为低电平后，芯片中功耗大的器件被关断，芯片的温度也随之下降，当温度下降到热开启点时，有：'A tr V V = (12)'A V 为此时的A 点电位，可以推导出：'3(45)A C V I R R =×+ (13)由（3）、（12）、（13）式，可以得到电路的热开启温度为：3ln 8(45)L tr qR T V k R R =×+ (14)在（11）、（14）式中，q 、k 是常数，V tr 近似与温度和电源电压无关。

因此热关断温度和热开启温度只与R3/R4和R3/（R4+R5）的比值有关，与单个电阻的温度系数无关，也基本不依赖于电源电压和工艺参数等。

热关断和热开启温度点可以通过调节电阻阻值的比值灵活设置。

4 仿真结果与分析采用0.6μm BiCMOS 工艺参数，运用HSPICE 软件对图3所示过热保护电路进行了模拟仿真。

根据设计的要求：电路在140℃时关断，热保护输出信号OTP 变为低电平；当温度降至120℃时，电路恢复工作，热保护输出信号OTP 重新输出高电平。

图4是在电源电压为3.6V 的情况下，正向和反向0~160℃温度扫描时OTP变化的波形。

图4 温度正向、反向扫描时OTP 的波形图5和图6分别是在不同电源电压下对温度进行正向扫描和反向扫描时OTP 变化的波形。

图5 不同电源电压下温度正向扫描时OTP的波形图6 不同电源电压下温度反向扫描时OTP的波形从图5和图6可以看出，当温度高于140℃时，热保护输出信号OTP变为低电平。

热保护发生后，温度有20℃的滞回量，即温度降至120℃时电路才重新复位，OTP输出高电平。

与文献[4]在不同电源电压下的仿真结果相比，本文所设计的电路对温度灵敏度更高，热关断点更精确。

表1详细列出了热关断温度和热开启温度随电源电压变化的情况。

当电源电压在2.6~5.5V之间变化时，热关断温度和热开启温度受其影响很小，误差范围在1.6℃之内。