电源管理芯片过温保护电路的分析与设计

郭利芳， 张颖斐， 姜生瑞

（兰州交通大学 电子与信息工程学院， 甘肃兰州 730070）

0 引言

便携式电子产品已经日益普及，这些产品具有集成度高、体积小的特点，作为保证电池续航能力的重要模块——开关电源管理芯片，其性能也需要不断完善，主要体现在减小开关电源模块体积的同时，还要维持其带载能力的不变。开关电源的工作频率随之提高，因此对内部集成的各种指标提出了更高的要求。并且由于单位面积晶体管数量的激增，功率型开关电源的热集聚问题凸显，过温保护已成为不容忽视的问题。

为了保证电源管理芯片可以在复杂的环境中正常使用，需要设计保护电路。常用的保护电路有过流保护、欠压保护、过温保护。本文将设计一种过温保护电路。

1 系统分析及设计原理

本文的过温保护电路可分为：感温模块、温度判决模块、控温电路及热关断模块，如图1所示，图中显示了过温保护电路的工作原理。此保护电路，既要确保电源可以输出稳定的功率，又要保证在芯片温度过高时，可以减小其输出功率，降低芯片温度，达到稳定芯片温度的目的。

在开关电源管理芯片中，主要的热量来自于功率开关管和比较大的功率耗散器件。如图1所示，首先将通过感温电路，将其温度升高信号转化为与温度变化成正比的电压信号PTAT(Proportional To Absolute Temperature)。

然后，通过温度判决模块对变化电压信号的判断：如果芯片温度在0℃～85℃的安全温度范围内，可以只开启控温模块来控制芯片温度；如果由于某种原因，芯片的温度继续升高至105℃时，此时控温电路模块已不能控制芯片温度。此时芯片的热关断模块开启，通过热关断模块关断主要功率耗散器件或者使芯片停止工作。

图1 过温保护系统原理图

最后，随着热关断模块工作时间的增加，芯片的温度也不断下降。通过迟滞比较器，可实现当温度降至85℃时，热关断信号才跳变，芯片恢复正常工作，从而避免了芯片在105℃反复跳变对芯片所造成的损坏。采用此过温保护电路电路不但可以实现过温保护的功能，而且减小了热关断信号不断跳变对芯片所带来的损害。

通过研究可将整个电路分为：PTAT电压感温电路模块、温度判决电路模块，控温电路、过热关断模块共4个部分，其整体电路图如图2所示，通过这些模块可对电源管理芯片实施过温保护。

1.1 PTAT感温模块

感温电路是电路的基础模块，其主要作用是将芯片的温度变化信号转化为PTAT电压信号[3]。对于感温电路的设计有很多种，可以采用外接传感器的方法，也可以在片内集成。在集成电路设计中，PTAT电压信号主要是利用三极管ΔVBE自偏置电路的PTAT电流来生成。本设计采用图2中的PTAT模块，通过M13、M16组成的镜像电路和正温度系数电阻将PTAT电流转化为PTAT电压。

图2 过温保护电路原理图

图2 中的自偏置电路可以生成PTAT电流，其原理主要是依据当双极性晶体管发射极的电流密度不同时，其基极和发射极之间的电压差VBE也不相同。所以，从图2可知，Q0、Q1的VBE之存在差值，其表述关系见式（2）。

公式中的VBE即为基极和发射极之间的电压差，VBE的值可由式（2）表述：

结合式（1），便可推出ΔVBE与温度的关系式如式（3）：

其中Is饱和电流，通常情况下IS∝µkTni2，其中µ∝µ0Tm为载流子浓度，ni2∝T−3/2为硅的本征载流子浓度；VT为热电压，与温度成正比。为了保证ΔVBE大于0，所以晶体管集电极的偏置电流须IC1=SIC0，S可通过调整Q1和Q0的发射极面积之比来实现，与此同时确保电流源负载ID14=ID15。所以，ΔVBE有一定的正温度系数，且在室温下与VT的温度系数相同，为：= 0 .087mV/℃。

通过ΔVBE偏置生成的PTAT电压随温度成正比变化，经电阻R1后转化为PTAT电流，通过M13、M16镜像后输出，最后以电阻R2压降的形式输出PTAT电压，参见式（4）：

过温保护电路在需要PTAT电压的同时，也需要与温度无关的基准电压源，以此作为比较器的参考电压。在图2的电路中，通过将PN结正向电压VBE拥有的负温度系数和PTAT电压的正温度系数相叠加后[4]，形成与温度无关的基准电压VREF。

一般情况下VBE的温度系数为-1．5 mV/℃，通过图2可知VREF的表达式如式（6）所示，如果满足式（5），则可以输出与温度无关的基准电压[5]，其中S为M14与M15宽长比的倍数关系。

1.2 温度控制电路

从上文分析得知，感温电路输出的PTAT电压信号是随温度成正比变化的。将此信号输入到图2中的温度控制电路后，输出可控制功率管栅极电压的信号，从而控制功率管的功率耗散，将芯片温度控制在安全范围内。其控温电路的原理图如图3所示。

图3 控温电路

电路的控制功能，主要通过电压——电流负反馈来实现。反馈的目的主要是为了控制功率管M的栅压，达到控制输出功率的目的，从而降低芯片的温度。其工作过程为：在A3的反相端输入PTAT电压端，经过电压调节器调节后的参考电压由A3的同相端输入，输出信号Vout通过电阻R1～R4反馈至A3的反相输入端。

1.3 过热关断模块

利用图3中的控温模块，可以达到稳定芯片温度的目的。但是如果芯片升温过快，热量会在短时间内积累过多，温度会快速上升。所以在此时可采用热关断的方式关断功率管或其他功率耗散器件，从而降低功率损耗，达到降低芯片温度的目的。

如图2中的关断模块所示，通过比较器与感温模块检测的PTAT电压和通过电压调节器生成的基准电压VREF进行比较，输出关断信号。按PTAT在温度过热时来设定VREF的大小。因为保护电路的过热温度为105 ℃，对应的电压为2．3 V，所以VREF的值设为2．3 V。为了避免当温度下降后比较器就会翻转，从而导致比较器反复关断，引起热震荡问题[5]。因此，如图2所示，通过比较器输出端的高低电平来选择VREF的大小。这就需电压调节器不但要提供热关断参考电压VREF，还须提供一个当温度降低到安全值时的电压，本文设为85 ℃，1．8 V。此电压作为比较器翻转的基准电压，当温度降到85 ℃，也即PTAT电压下降到1．8 V时，比较器翻转，输出开启功率信号。如图2所示，通过 M21、M22、M23、M24构成的两个反相器生成选择信号VC1、VC2，从而对控制VREF的选择切换。

2 过温保护电路的仿真验证

利用 Cadence Spectre工具，采用CSMC 0．5μm工艺对电路进行仿真验证。仿真结果如图4所示：图中的曲线分别为与温度无关的基准参考电压VREF，随温度成正比的PTAT电压、以及比较器随温度变化时所输出的关断电压Vthermal信号。

图4 PTAT电压、参考点压VREF在-50/℃-200/℃范围内变化曲线

对仿真图进行分析后得：比较器的基准参考电压VREF随温度变化幅度很小稳定在2．3 V，而PTAT 电压在 -50 ℃ ～200 ℃范围内以 10．5 mV/℃变化。当芯片温度升至105℃时比较器输出关断信号Vthermal，此时关断功率管栅极的电压降至0．5 V。

为了确保芯片的可重用性，在不同电源电压下，对保护功能开启时的温度、滞迟范围、滞迟开启温度都进行了仿真测试。如表1所示，在3．3 V、4．0 V、5．0 V、6．0 V 电源电压下，仿真测试得到的结果与理论值存在误差，但最大误差只有3℃，所以该过温保护电路符合设计要求。不但保证了电路的可移植性，提高了芯片的可重用性，同时通过加入滞迟功能，使过温保护电路的性能更加完善。

表1 保护开启温度、滞迟开启温度以及滞迟范 围与电源电压的关系

3 结论

本文设计的过温保护电路，是通过采用温度和过热关断两个模块来实现控制芯片生的目的。通过滞迟模块既有效抑制了芯片温度的升高，又避免频繁对功率管的关断。该过温保护电路虽然芯片面积比较大，但在其性能上有着显著的优势。所以特别适用于对温度要求严格的场合。而且使用时，可以进行性能和面积两方面约束的折中，提出最优的解决方案。这样折中的设计方法也是模拟集成电路设计的一个重要策略。

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