一种采用双极工艺设计的过温保护电路

易 峰，何 颖，郭海平，吴 旭

（1.中国电子科技集团公司第58研究所，江苏 无锡 214035；2.湖南大学微电子研究中心，长沙 410082）

1 引言

开关电源已经广泛地使用在各个领域，为各类设备提供工作电压。现有的开关电源技术一般包括控制芯片、驱动电路、开关电路、变压器（有的没有）、整流和滤波电路。通常来说，控制芯片里面包含基准电路、电源管理电路、振荡电路以及各种保护电路等。其中保护电路一般包含有过压保护、欠压保护、过流保护和过温保护等。本文主要涉及保护电路中的过温保护，并提供一种可以集成到控制芯片中实用的电路结构。

我们都知道开关电源在工作时，特别是在重负载条件下时，电源内部的温度会急剧上升。现代的开关电源都在朝着高开关频率和高功率密度的方向发展，而功率晶体管的开关过程和磁性器件产生的损耗为开关电源中的主要热源，尤其是当它们同时封装在一个密闭空间内的时候，温度上升得更为迅速。而高温情况会使得整个开关电源的性能下降，降低开关电源的寿命，最坏情况下甚至还会造成整机的破坏，带来巨大的经济损失。因此，我们在设计开关电源的时候通常会加入过温保护电路，一旦开关电源内部的温度超过其允许的最高温度时，将停止内部电路的供电，为整个开关电源提供自身的保护，同时也保护了开关电源所供电的整机电路免遭破坏。而当电源内部温度下降到允许工作的范围时，又能重新激活开关电源使之正常工作。

通常来说，更多功能的加入，会使得系统更加复杂，不管芯片面积的增加还是板上电路的增加，都会导致面积的增大和成本的增加。所以作为一个必不可少的功能电路，怎样让其小型化、简单化而又不失精确度将是研究的重点方向。

2 原理分析

保护电路实际上就是通过器件或电路结构对集成电路芯片内部的某些参数进行检测，再通过逻辑电路开关状态控制功率开关管的导通与关断，达到保护芯片的目的。如图1所示，Vref为不随温度变化的基准电压源，正常工作时，晶体管Q保持截止状态，当温度逐渐上升时，晶体管Q随之由截止状态变到导通状态，Vout将被拉到低电平，通过控制逻辑将电路关断，从而阻止内部温度继续上升，起到保护器件的目的。

一般来说，芯片有3个温度等级：民用级，温度范围是0℃～70℃；工业级，温度范围是－40℃～85℃；军品级，温度范围是－55℃～125℃。芯片制造商一般不会针对不同的应用生产不同的芯片，其差别主要在于封装材料和元件测试温度。通常来说，良好环境下工作的DC/DC转换器控制芯片的温度不会超过120℃，因此，本文设计的过热保护温度设定在130℃左右，当系统温度超过130℃时，过温保护电路将给出一个逻辑信号，自动切断电路，起到保护作用。当系统温度再次恢复正常工作温度时，该模块输出一个正常的温度指示信号。

3 过温保护电路的设计

本文所述的过温保护电路如图2所示，包括由P3、N1、N3、R1组成的第一支路；由 P4、N2、N4组成的第二支路；由P1、P5组成的负反馈系统；由P2、P6组成的电流镜；限流电阻R2和R3。VDD为外部提供的电源，连接在P1、P2、P3、P4的发射极端；Vref为外部提供的偏置电压，连接在N1、N2的基极端；Vout为输出电压，连接在R2与P6的集电极之间。GND为接地。

其基本原理是利用第一支路和第二支路的电流大小关系随温度的变化，引发晶体管P4集电极VA节点电压的变化，控制晶体管P6的导通和关断，产生高低电平信号。当温度较低时，流过电阻R1上的电流较小，R1上压降较小，N1和N3与N2和N4的BE电压差别较小，而N1和N3的发射极面积远大于N2和N4的发射极面积。由双极晶体管的电流电压关系式Ic=Isexp(Vbe/VT)可知，此时流过第一支路的电流大于流过第二支路的电流。因为P3和P4的发射极和基极电压都相等，为了保证第一支路的电流大于流过第二支路的电流，VA节点电压将被抬高，晶体管P6关断，Vout为低电平。当温度升高时，流过电阻R1上的电流逐渐增大，R1上的压降增大。因此，N1和N3与N2和N4的BE电压差增大。当温度升高到某一值时，流过N1和N3的电流小于流过N2和N4的电流。对VA节点放电，使VA电位很低，晶体管P6导通，节点Vout为高电平，表明系统的温度过高。

在临界状态下，流过N1和N3的电流等于流过N2和N4的电流，如果流过N1、N2、N3和N4的电流都为I，可以得到：

因此，

如果R3＝R1，将式（5）代入式（2）中，得到：

4 仿真结果

过温保护电路的仿真电路如图3所示，NPN管采用18μm×18μm＝324μm2的2μm双极工艺模型，PNP管采用11μm×11μm＝121μm2的2μm双极工艺模型。

对图3的电路进行温度扫描，其仿真结果如图4和图5所示。

图4为输出过温保护信号的仿真波形。可以看到，当温度达到130℃左右时，过温保护信号Vout翻转。由于该电路没有做迟滞，因此当从高到低变化时，过温保护信号Vout也是在130℃左右翻转。

图5为输出过温保护电路的支路电流随温度变化的仿真波形。可以看到，随着温度的升高，流过N1和N2的电流不断升高，并且N2电流上升的速度比N1快。当温度较低时，流过N1的电流大于N2的电流。当温度到达130℃左右时，流过N1和N2的电流相等。当温度高于130℃时，流过N1的电流小于N2的电流。

5 结束语

本文设计的过热保护电路是利用晶体管的BE结具有负温度系数的原理，转化成随温度升高而降低的BE结电压，控制晶体管的通断来达到过温保护的目的，通过Cadence Spectre仿真工具仿真表明，该过温保护电路具有良好的稳定性和适应性。

［1］吴金，姚建楠，常昌远.CMOS模拟IP线性集成电路[M].南京：东南大学出版社.

［2］刘伟杰，傅兴华.一种DC/DC转换器芯片的过温保护电路的设计[J].中国科技信息，2009，2.