一种新型的过温保护电路设计

范子荣，祝文君

(1.山西大同大学煤炭工程学院，山西大同 037003；（2.西安科技大学电气与控制工程学院，陕西西安710054）

一种新型的过温保护电路设计

范子荣1，祝文君2

(1.山西大同大学煤炭工程学院，山西大同 037003；（2.西安科技大学电气与控制工程学院，陕西西安710054）

传统的过温保护电路是通过调整电阻阻值来控制热关断阈值温度的高低，其结构复杂、功耗大、受参数变化影响大。提出了一种新型的过温保护电路，电路中不再使用电阻和迟滞比较器，主要采用晶体管、MOS管、电容和逻辑门电路组成，并可以利用正反馈使电路具有迟滞特性，因而可避免振荡的发生和对芯片造成危害。最后，通过PSPICE仿真说明，当电源电压和工艺参数发生变化时，该新型的过温保护电路可以很好的抑制温度升高引起的热关断阈值点漂移，所以广泛的应用于各种各样的电路芯片。

过温保护电路；热关断阈值；迟滞阈值

像电源、驱动器等集成电路芯片的功耗一般情况下较大，一旦发生电源短接或电路内部短路等现象，其瞬时功耗会急剧增大，从而使芯片温度不断升高，芯片将不能正常工作，很可能会将芯片烧坏。所以为了安全起见，常常在集成电路内部装有过温保护电路，当温度升高超过阈值，过温保护电路立即使电路芯片停止工作，这样并不产生功耗，温度也会降低，集成电路也不会被烧坏。

传统的过温保护电路主要利用温度敏感元件来检测电路芯片内部温度的变化[1-13]，当温度超限时，启动过温保护电路开始工作，控制系统关断，所以不容易把电路损坏。本文设计了一种新型的过温保护电路，由晶体管、MOS管、电容和逻辑门电路等组成，结构简单、功耗低、工作电压低、抗干扰能力强，对温度具有迟滞特性，可减小对芯片的危害。运用PSPICE仿真表明，该新型保护电路对因电源电压或参数变化引起的温度漂移具有很强的抑制作用。

1 传统的过温保护电路的工作原理

传统的过温保护电路的工作原理是将温度信号转换为电压信号，并对电压信号做进一步处理。由于二极管的导通电压随温度的升高而下降，所以可将4个二极管相串作为温度传感器，如图1所示。

图1 二极管过温保护电路

在该电路中，由于迟滞比较器使得电路更加复杂。电路中采用了硅稳压管，它的两端电压在4～7 V时温度系数特别小，可略去不计，在4 V以下具有负的温度系数，在7 V以上具有正的温度系数。所以电源电压在4～7 V时，电路可以工作，如果电源电压更低，该电路就不适用了。

2 新型的过温保护电路

针对以上电路的缺点，提出了一种新型的过温保护电路，它用最简单的电路实现过温保护功能，电路中没有电阻，使得热关断阈值温度达到稳定，电路如图2所示。

图2 新型的过温保护电路图

常温下，由于基准电压VREF比晶体管T的发射结导通电压小，晶体管T截止，经过场效应管M1和M2的电流是零电流，因此晶体管T的集电极电位是高电平，故M5的栅极电压为高电平，M5可以导通，导通之后M5的漏极为低电平，因而反相器N1的输入信号是低电平，经反相器N1和N2作用后，仍然是低电平，此时直流继电器K不吸合，开关K仍然打开，电路正常工作。非门N1输出高电平，故M3栅极电压也为高电平，M3可以导通。VREF保证较大的温度范围内M1、M2的电流均为零，所以电路具有较小的功耗。

因为晶体管T的发射结电压具有负的温度特性，故T的发射结导通压降随温度升高而减小。当温度升高时，VREF比T的发射结导通电压大，T可以导通，如果温度继续升高，三极管T的集电极电位急剧下降，M5的栅极电位降低，M5截止，M5的漏极达到高电平，即反相器N1的输入端是高电平，经反相器N1和N2之后输出高电平，继电器K吸合，开关K合上，经电阻R降压之后基准电压VREF也降低，又一次使三极管T截止，T的集电极电压也就是M5的栅极电压是高电平，因而M5导通，M5的漏极电压即反相器N1的输入电压为低电平，经N1和N2两次反相之后，N2的输出电压为低电平，直流继电器K关断，开关K打开，VREF不变，从而达到过温保护的目的[5]。

3 仿真分析

当被测系统工作温度升到150°时，该过温保护电路输出高电平，以示关断工作电路。当且仅当被测系统工作温度降为120°时，该过温保护电路输出低电平，以示电路正常工作。如果电源电压是2.5 V、3.2 V、5.7 V时，图3所示是新型的过温保护电路关断和迟滞特性曲线。可见，电压较低时，电路正常工作，电压改变对关断温度和迟滞影响甚微。在6种不同的边界条件下，图4是VDD为3.2 V时过温关断和迟滞特性曲线，145°～155°是它的温度变化范围，115°～125°是迟滞阈值TL的温度变化范围。综上，工艺参数变化时，热关断阈值TH、迟滞阈值TL基本不变。所以，电源电压和工艺参数可以抑制热关断阈值温度点的漂移。

图3 VDD=2.5V、3.2V、5.7V时过温关断和迟滞特性曲线

图4 VDD=3.2V时6种边界条件下过温关断和迟滞特性曲线

4 结语

针对传统的过温保护电路结构比较复杂、功耗较大、受工艺参数变化影响也较大，提出了一种新型的过温保护电路，其功耗低、对电源电压、参数变化不敏感，并具有很强的抑制作用。最后通过PSPICE仿真表明，电路的准确性高，可应用于多种集成电路。该电路具有很好的使用价值和广阔的发展前景，值得我们再做进一步的研究。

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A New Design of Thermal Protection Circuit

FAN Zi-rong1,ZHUWen-Jun2
（1.School of Coal Engineering,Shanxi Datong University,Datong Shanxi，037003;(2.School of Electronic and Control Engineering,Xi'an Technology University,Xi'an Shaanxi,710054)

The traditional thermal protection circuit is controlled by adjusting the resistance tolerance thresholds of high and low temperature.It has complex structure,large power consumption,affected by the parameters change.The paper proposes a new type of thermal protection circuit.The circuit no longer uses the resistance and the hysteresis comparator,mainly adopts the transistor,MOS tubes,capacitors,and logic gates.And through the positive feedback the temperature hysteresis characteristics are achieved,so that oscillation can be avoided caused by too high temperature,so as to avoid the harm of the chip.Finally,through PSPICE software simulation shows that when the power supply voltage and the process parameters change,the new type of thermal protection circuit can well inhibit thermal shutoff threshold point drift,and it is applicable to all kinds of circuit chips.

thermal protection;circuit;thermal shutoff threshold;hysteresis threshold

TP13

A

1674-0874(2017)02-0014-03

〔责任编辑 高彩云〕

2016-11-30

山西省自然科学基金资助项目[2015011065]

范子荣（1979-），女，山西阳高人，硕士，讲师，研究方向：控制理论与控制工程。