电源管理芯片低压低功耗过热保护电路

万方数据
（1）
式中： % ) 为晶体管发射极反向饱和电流， 与发射极面积成正比， 与掺杂浓度成反比；% & 为晶体管集电极电
（G）
如果基极电流忽略不计， F,1 ， F,G ， F,! 和 F,# 在同一温度下， 则 F,1 和 F,! 集电极电流相等， 设为 % H, ； （!） （#）
（J） （%）
第! 期
刘振丰等： 电源管理芯片低压低功耗过热保护电路
!11
虽然电源电压比较低， 但精度也比较低" 要使电路对温度有足够的灵敏度必须有电压基准和比较器的设 计， 对保护电路来说，实现的代价太大" 文献 ［# $ %］ 提出的 &’() 过热保护电路， 电源电压最低只有 # *， 不能满足现在的低电压低功耗的要求" 笔者利用晶体管的 +, 结的导通电压 ! -. 随着温度的升高而减小和 提出一种 -/&’() 过热保护电路， 并解决了芯片在过热温度点反复开 !! -. 随着温度的升高而增加的特性， 关的热振荡问题"
! ! 变化的电流使 ()" 工作在饱和区， (/# 工作在线性区， - 点电压跳变为低电平， . 点变为高电平# 受 . 点电压控制栅压的 ()5 截止， ()$ ， ()1 和 ()2 也截止7 同时， 由于 - 点为低电平， 所以 (/* 导通， 进入饱 和区工作， 此时 ! (/# $ ! ()" & ! (/* ， %&’ 端输出电压控制主要功率器件停止工作， 芯片开始降温# 降温的过程中始终有 ! ()* & ! (/* / ! (/+ # 度为 )> $ # ［ + （ :; #$ ） "+ & *"# ］ ,"# % 34 & ,"# "+ ! ()* （ #0 ） （ #" ） 输出电压跳变， 芯片又回到正常工作状态# 由此得出迟滞温 当芯片降低到一定温度时， 有 ! ()* < ! (/* = ! (/+ ， （ #* ）
西# 南# 交# 通# 大# 学# 学# 报 第 !" 卷# 第 $ 期 # # # # # # # # # %&&’ 年 ’ 月 ()*+,-. )/ 0)*123401 (5-)1),6 *,574+0518
# # 文章编号： &%>C?%@%! （ %&&’ ） &$?&$"&?&!
# # #
!"#$%&’$：- YHIXDE: \H<YZ9[= MFXM<FY [FYH :9[ ^9:YEKI E=Z :9[ ]9[IX M9=\<D]YF9= [E\ ZI\FK=IZ J9X ]9[IX DE=EKIDI=Y 5R\（ F=YIKXEYIZ MFXM<FY\ ） ; 5= YHI YHIXDE: \H<YZ9[= MFXM<FY，YHI P, _<=MYF9= 9J E YXE=\F\Y9X [E\ <\IZ E\ E YID]IXEY<XI ]X9‘I ，[HIXI YHI \[FYMH?9= ^9:YEKI XF\I\，E=Z YHI ^EXFEYF9= 9J YHI \[FYMH?9= ^9:YEKI JE::\，[FYH E= F=MXIE\I F= YID]IXEY<XI; +I\[FYMH?9= YID]IXEY<XI [E\ ZI]XI\\IZ ‘O E JIIZ‘EMa DIMHE=F\D Y9 E^9FZ YID]IXEY<XI 9\MF::EYF9=; 0FD<:EYF9= [FYH YHI ]EXEDIYIX\ J9X E &; ’ !D QFRS)0 5R [E\ M9=Z<MYIZ; 1HI XI\<:Y\ \H9[ YHEY YHI MFXM<FY HE\ <:YXE?:9[ ]9[IX M9=\<D]YF9=（ YHI \YEYFM M<XXI=Y F\ E‘9<Y &; > !- ） ；YHI IXX9X\ 9J \H<YZ9[= YID]IXEY<XI EXI :I\\ YHE= "; && U [HI= YHI \H<YZ9[= YID]IXEY<XI F\ \IY EY ">& U E=Z YHI ^9:YEKI 9J ]9[IX \9<XMI F\ %; > Y9 >; & 7 ；E=Z YHI IXX9X\ 9J XI\[FYMH?9= YID]IXEY<XI EXI :I\\ YHE= &; &" U [HI= YHI XI\[FYMH?9= YID]IXEY<XI F\ \IY EY "$> U ; ()* +,%-#：YHIXDE: \H<YZ9[=； YID]IXEY<XI \I=\9X； ]9[IX DE=EKIDI=Y 5R ； QFRS)0 5R ； P, _<=MYF9= （ 电源短接、 内部短路）下产生的功耗会急剧增大使芯片 # # 电源管理芯片在长时间使用或某些异常情况 温度持续升高; 如果超过芯片所能承受的温度， 可能对芯片产生永久性的损害; 为了保护芯片， 一种有效 的方法是在芯片中集成温度传感器， 设计过热保护电路， 在芯片的温度到达过热温度点时停止电源主要功
［ "］ 耗电路的正常工作 ;
通常温度传感器是把温度信号转换成与绝对温度成比例 （ ]X9]9XYF9=E: Y9 E‘\9:<YI YID]IXEY<XI， P1-1 ） 的电流信号; P1-1 传感器可以采用热电偶、 热敏电阻、 P, 结和 S)0 管; 但是， 考虑到用热电偶、 热敏电阻
［ %］ 不容易集成， 且精度较低， 因此不能应用于集成电路中 ; 文献 ［$］ 提出的用双极工艺实现过热保护电路，
这样， 通过 (/* 的反馈实现了过热保护的迟滞作用， 避免了在某一温度点芯片反复开关的问题# 式 （ #+ ） 和 （ #0 ） 中 % 34 ， ,， + 和 * 为常数， ()5 和 (/* 的电流受温度变化很小， 可以认为 ! ()5 和 ! (/* 为常 数， 大小由设计器件的尺寸决定# 由电路结构可知， 电路的支路静态电流主要由 ! "# 和 ! "+ 镜像复制而得# 根据式 （$） 和 （ 2 ）可知， 过热保 与电源电压无关# 尽量增大 "# 和 "+ 可以降低电路的静态电流# 护电路的静态电流只与 "# 和 "+ 有关，
!" 温度传感器的设计
0 0 过热保护电路如图 1 所示"
图 10 过热保护电路 2/3" 10 456789:;<5=>?@AB C/7C=/>
一般晶体管上电流和电压的关系为 ! -. # ! $ :B （ %& & %) ） ， 流； ! ’ D (’ & ) 为热电压， ’ 是温度， ( 是 -@:>E89BB 常数， ) 是电荷量" 图 1 中电阻 *1 两端的电压为 ! *1 # ! -.F,! + ! -.F,G , ! -.F,1 , ! -.F,# ， F,G 和 F,# 集电极电流相等， 设为 % (I4 " 由此得出 ! *1 # ! ’ :B （ % H, & % <! ）+ ! ’ :B （ % (I4 & % <G ）, ! ’ :B （ % H, & % <1 ）, ! ’ :B （ % (I4 & % <# ）， 可简化为 ! *1 # ! ’ :B （ % <1 % <# （ & % <! % <G ） ） # ! ’ :B （ -1 -# （ & -! -G ） ） ， 其中， （ G， !， #） 是晶体管发射极面积" . . D 1， 令 -1 D -# D # -! D # -G ， 有 ! *1 # ! ’ :B 1% ， 由此得出
收稿日期： %&&>?&$?$& 基金项目： 国家自然科学基金资助项目 （ ’&$@"&"@ ） ； 四川省学术和技术带头人资助项目 （ ’&$@"&"@ ） 作者简介： 刘振丰 （ "A@A B ） ， 男， 硕 士， 研 究 方 向 为 低 压 低 功 耗 模 拟 集 成 电 路 设 计、 微 机 械 系 统 等， 电 话： "$CC&AC’’&> ，4?DEF:： :F<GHI=JI=KA@L "’$; M9D； 万方数据 冯全源 （ "A’% B ） ， 教授， 博士生导师， 主要研究方向为集成电路设计和半导体材料及器件， 4?DEF:： JI=KN<E=KO<E=L "’$; M9D
79:; !"# ,9; $ (<=; %&&’
电源管理芯片低压低功耗过热保护电路
刘振丰， # 冯全源
（ 西南交通大学信息科学技术学院，四川 成都 ’"&&$" ） 摘# 要： 利用晶体管 P, 结的导通电压随温度升高而降低， 而其变化值随温度的升高而增加的特性， 设计了集成 于电源管理芯片内部的温度传感器， 实现了过热保护， 并通过反馈延迟重新接通电源， 避免了在过热温度点的热 振荡; 采用 &; ’ !D QFRS)0 工艺参数， 对电路进行模拟仿真; 结果表明， 该电路的功耗低 （ 静态电流约 &; > !- ） ； 在电源电压为 %; > T >; & 7， 关断温度设置为 ">& U 时， 关断温度误差 V W "; && U ； 重新接通电源的迟滞温度设 置为 "$> U 时， 实际接通电源时的温度误差 V W &; &" U ; 关键词： 过热保护； 温度传感器； 电源管理芯片； QFRS)0 集成电路； P, 结 1S$"$# # 文献标识码： 中图分类号：