一种基于电源管理芯片的过温保护电路

李宏杰 李立

摘 要：文章针对DC-DC电源管理芯片中的过温保护功能，提出了一种低功耗、高精度、高可靠性的过温保护电路。利用双极型晶体管的温度特性产生正温度系数的温度检测电压，通过电压比较器和系统预设电压进行比较，当采样温度高于预设值时，过温保护电路输出低电平进而关断芯片系统，实现过温保护功能。基于UMC0.25μmBCD工艺库进行设计，采用HSPICE仿真软件进行结果分析。仿真结果表明：在电源电压为5 V，温度由小变大过程中，当阈值温度高于130 ℃时，过温保护电路输出低电平，芯片系统被关断。温度由大变小过程中，当阈值温度低于104.96 ℃时，过温保护电路输出高电平，芯片系统重新正常工作。回差温度值为20 ℃。满足过温保护电路高精度、高可靠性的要求。

关键词：过温保护；电压比较；阈值温度；迟滞温度

过温保护（Over-Temperature-Protection，OTP）电路是电源管理芯片中一种重要保护电路。当电源管理芯片由于电源短接、内部短路或重负载等情况下产生功耗增加，引起芯片内部温度上升，OTP电路能够检测系统工作温度，及时关断芯片系统，防止芯片中的晶体管和其他集成模块由于高温而造成不可逆转的永久性失效[1]。因此，OTP电路被广泛地应用在电源管理芯片中的带隙基准电压源、低压降电路、振荡器等模块[2]。

本文基于UMC0.25μmBCD工艺库设计了一种低功耗、高精度的OTP电路。利用双极型晶体管的温度特性对芯片系统的工作温度进行采样，通过电压比较器对采样温度电压与系统预设电压进行比较，当采样温度高于系统设定的阈值温度时，OTP电路输出低电平进而关断芯片系统，防止由于高温对芯片造成不可逆转的损坏。当采样温度重新低于系统设定的阈值温度时，OTP电路输出高电平，芯片系统重新正常工作。并且该OTP电路设有反馈控制回路，产生的迟滞温度量可以防止芯片系统由于工作温度波动而造成的反复关断[3]。

1 OTP电路原理及架构

本文提出的OTP电路原理拓扑图如图1所示。其中与温度成正相关的IPTAT1电流源与电阻R1，R2构成了温度检测电路。IPTAT2电流源与晶体管Q1构成了系统预设电压电路。由于双极型晶体管Q1的基极和发射极电压VBE具有负温度特性[4]，因此，在常温下Q1管的发射结电压VP大于温度检测电压VN，此时OTP电路输出电压OTP_OUT输出高电平，M1管导通R2被短路，VN=IPTAT1×R1。随着温度的升高，与绝对温度成正比（Proportional To Absolute Temperature，PTAT）电流源IPTAT随之增大，当系统工作温度高于OTP电路阈值温度时，VN>VP，此时OTP_OUT输出低电平，系统由于高温被关断。M1管截止，温度检测电压大小为VN=IPTAT1×（R1+R2）。

2 本文提出的OTP实现电路

本文提出的OTP电路如图2所示。电路共分為：启动与偏置电流产生电路、温度检测电路、电压比较电路和控制反馈电路4部分。各部分的工作原理如下。

2.1 启动与偏置电流产生电路

3 仿真结果及分析

本文提出的基于电源管理芯片OTP电路采用UMC0.25μmBCD工艺库进行设计，利用HSPICE仿真软件分析，仿真结果如下。

图3为本文提出的OTP电路温度特性曲线。可以看出，芯片系统工作温度由小变大过程中，温度大于125 ℃时，OTP电路输出电压开始跳变，当温度大于130 ℃时，芯片系统完全关断，避免芯片由于高温造成损坏；芯片工作温度由大变小过程中，温度低于110 ℃时，OTP电路输出电压开始跳变，当温度低于104.96 ℃时，输出电压变为高电平，系统重新正常工作。

图4为本文提出的OTP电路迟滞特性曲线。可以看出，OTP电路的输出电压在芯片系统工作温度由低到高和由高到低过程中跳变门限电压存在迟滞现象，迟滞温度ΔT为20 ℃。迟滞温度ΔT可以有效避免芯片系统由于工作温度波动造成的反复关断。

4 结语

本文提出了一种基于电源管理芯片的OTP电路。利用双极型晶体管的温度特性产生正温度系数的检测电流，通过电压比较器对温度检测电压和系统预设电压进行比较。当采样温度高于系统预设温度时，OTP电路输出低电平，芯片系统被关断，避免芯片系统由于高温造成损坏。当工作温度低于预设温度时，OTP电路输出高电平，芯片系统重新正常工作。同时芯片系统工作温度由低到高和由高到低过程中跳变门限电压设有迟滞温度，有效避免芯片系统由于工作温度波动造成的反复关断。本文设计的OTP电路满足电源管理芯片低功耗、高精度、高可靠性要求。

[参考文献]

[1]李树镇，冯全源.一种低功耗CMOS过温保护电路的设计[J].应用科技，2017（1）：14-17.

[2]王永顺，贾泳杰.一种新型过温保护电路[J].半导体技术，2010（10）：1020-1023.

[3]唐宇，冯全源.一种低温漂低功耗带隙基准的设计[J].电子元件与材料，2014（2）：30-33.

[4]黄军军，乔明.一种高精度过温保护电路的设计[J].电子与封装，2015（6）：19-22.

[5]张慕辉，刘诗斌，冯勇.具有滞回功能的过温保护电路[J].仪表技术与传感器，2009（2）：94-95.

[6]苟静，冯全源.新型低功耗过温保护电路设计[J].仪表技术与传感器，2014（7）：37-39.

[7]宋德夫，邓联文，廖聪维.一种高灵敏度过温保护电路的设计[J].微电子学，2015（5）：652-656.