一种应用于LDO 的温度保护电路设计

龙泳希，李伙生，段志奎，*于昕梅

（佛山科学技术学院 电子信息工程学院，广东 佛山 528225）

随着电子信息技术和通信产业发展迅速，便携电子设备［1-2］对电源性能与保护要求日益提高，低功耗、高效率、高可靠性成为了电子产品在市场上竞争的核心指标。便携式电子设备中，一个重要的组成部分就是电源管理芯片（Power Management Integrated Circuits，PMIC），它承担着对电能的转换、分配等功能。在众多电源管理芯片中，低压降线性稳压器（LDO，LowDropout Regulator）是一种常见的供电电路芯片，由于其具有响应速度快、低噪音、低功耗等优势而应用广泛［3-4］。LDO 由调整管、误差放大器、带隙基准和反馈网络等模块组成，其中调整管负责驱动负载，是芯片中主要的发热模块。随着芯片集成度和工作电流的不断提高，芯片中集成的元器件数量非常大，排列十分紧凑，当温度升高时元器件会发生膨胀，元器件之间会互相挤压而可能使芯片发生裂纹。而且芯片的电气特性会随温度升高而改变，内部的电容和电阻的参数改变了会导致芯片的工作性能变差。芯片长期高温工作会导致内部元器件加速老化从而降低芯片的使用寿命，更严重的是可能会激发高能载流子，击穿晶体管进而烧毁芯片。为了保证LDO 稳定工作，芯片应具有温度保护电路，所以研究温度保护电路对LDO 具有重要意义。

针对LDO 的温度保护电路，国内学者进行了大量的研究，主要的原理是利用PN 结正向导通电压具有负温度系数和电压基准源提供的偏置电流具有正温度系数来实现的，利用迟滞比较器比较两个与温度有关的电压，输出温度控制信号［5-6］。

本文结合LDO 稳压器的结构特点和功能要求，提出一种应用于LDO 的温度保护电路。基于双极晶体管的基极-集电极电压具有负温度系数的特点，利用电压比较器和电压基准比较，比较结果经过缓冲器和施密特触发器，输出数字控制信号。当芯片温度过高时能关断电路，防止芯片过热造成永久性损坏，直至温度下降到安全区后电路重新工作。

1 温度保护电路工作流程

温度保护电路的控制流程原理如图1 所示，电压比较器将与温度负相关的电压和参考电压比较，判断温度是否高于安全值，如果低于安全值，则温度保护电路输出高电平信号，LDO 正常工作；如果高于安全值，则比较器翻转，再经过缓冲器和施密特触发器，输出低电平信号，使LDO 关断。LDO 关断后，温度下降，如果检测到温度降低至安全值，则温度保护电路输出高电平信号，LDO 重新开启。

图1 温度保护电路控制流程

2 温度保护电路设计与分析

2.1 总体电路结构

带温度保护的LDO 结构如图2 所示，当温度过高时，温度保护模块输出低电压到控制管MCTRL的栅极，控制管MCTRL 是虚线框中两个串联的PMOS。低电压使控制管导通，将调整管MP 栅极电压拉高到接近电源电压，使调整管截止，LDO 环路被切断［7-8］。

图2 带温度保护的LDO 结构

2.2 温度保护电路

温度保护电路是基于PN 结正向导通电压是负温度系数实现的［9］，本文利用双极晶体管BJT（Bipolar Junction Transistor）作为温度检测器件。BJT 的基极-发射极电压VBE是与绝对温度成反比的电压（Complementary To Absolute Temperature，CTAT），VBE=VTln（IC/IS），其中热电压VT=kT/q，饱和电流IS正比于，这些参数和温度的关系可以表示为μ∞μ0Tm，其中m≈-3/2，并且，∞T3exp［-Eg（/kT）］，其中硅的带隙能量Eg≈1.12 eV。所以

对VBE求偏导，得

对式（1）求偏导，得

所以

由式（2）和（4）可得

式（5）是温度T 下VBE的温度系数。一般情况下温度特性近似-1.5 mV/℃，图3 为CTAT 电压产生电路。

图3 CTAT 电压产生电路

图4 为温度保护电路图，其中M1～M7 是运算放大器，作用是比较温度差并放大，M1～M5 是差分放大器，作为第1 级，M6 和M7 是共源级放大器，作为第2 级。M1 和M2 是PMOS 输入管，M1 接输入电压VCTAT，M2 接比较电压V1 或V2（V1＜V2）。V1 和V2 是由带隙基准通过电阻分压得到的，确定温度保护电路热关断和热开启的温度，可通过VCTAT 温度特性曲线选取。当LDO 工作在正常温度时，VCTAT比V1、V2 都高，A 点为高电压，使M7 导通，B 点电压拉低。经过INV1、INV2 两个反相器，C 点为低电压。M8～M13 为施密特触发器，作用是将一个有噪声的输入信号变成一个“干净”的数字输出信号［10］。C点电压经过施密特触发器，输出一个接近电源的电压，控制管MCTRL 截止，LDO 正常工作。

图4 温度保护电路图

当温度过高时，VCTAT 会降低，比V1 和V2 更低，A 点为低电压，M7 截止，B 点电压被拉高，经过两个反相器C 点为高电压，经过施密特触发器输出接近GND 电压，使控制管MCTRL 导通，产生很大的上拉电流，将调整管MP 栅极电压拉到接近电源电压，MP 截止，LDO 暂停工作。

温度保护电路需要具备迟滞特性，目的是为了防止温度在阈值温度附近小范围波动导致调整管频繁关断或开启，产生热振荡［11］。图4 中，M14 和M15 起到温度迟滞的作用，M14 和M15 都是NMOS，栅极分别连接反相器INV2 的输入和输出，即每个时刻一个晶体管导通，另一个晶体管截止。导通的管将V1 或V2 的电压传到M2 的栅极，正常温度时，M14 导通，V1 和VCTAT 比较。当温度过高，反相器INV2状态翻转，M14 截止M15 导通，V2 和VCTAT 比较。温度下降至安全区间，VCTAT 比V2 大时，LDO 重新工作。温度保护电路的迟滞特性如图5 所示。

图5 温度迟滞特性

3 仿真验证

本文所提温度保护电路基于0.18 μmCMOS工艺进行设计并仿真验证，仿真的温度范围是20～150 ℃，对电路进行直流分析。

图6 为VCTAT 温度特性曲线，VCTAT 随着温度增大而线性减小，通过计算斜率可得温度特性为-1.467 mV/℃，接近理论值。并根据该温度曲线选取温度保护电路的比较电压V1、V2，得知温度130 ℃时，VCTAT 约为0.64 V，若考虑比较器差分输入需要有一定差值才能进行翻转，故选取比较电压V1 为0.65 V，意义是VCTAT 低于V1 时比较器开始翻转，最终实现130 ℃暂停LDO 工作。相同的，选取比较电压V2 为0.67 V，VCTAT 高于V2 时比较器开始翻转，实现105 ℃恢复LDO 工作。

图6 VCTAT 温度特性

由于比较电压和VCTAT 的差值很小，所以要求比较器具有较高增益，图7 为比较器AC 增益仿真，低频增益达到26 dB，具有足够的放大能力，3 dB 带宽为1.5 MHZ，相位裕度为93°稳定性良好。

图7 比较器AC 仿真

图8 为输入、输出响应曲线，当温度升高，VCTAT 下降至低于V1 时，比较器状态开始翻转，输出电压由1.8 V 下降为0 V。当温度上升，VCTAT 上升至高于V2 时，比较器状态开始翻转，输出电压由0 V 上升到1.8 V。

图8 输入、输出响应曲线

图9 为温度迟滞输出，并对三种工艺角TT、SS、FF 进行仿真，过温点在130 ℃附近，温度高于过温点，温度保护电路输出接近GND 电压，使控制管MCTRL 开启，拉高MP 栅极电压使之截止，LDO 停止工作。温度下降到105 ℃附近后，温度保护电路输出接近电源电压使控制管MCTRL 截止，LDO 恢复工作状态，迟滞温度差为25 ℃。温度响应灵敏，在3 ℃内实现电压从1.8 V 到接近0 V 跳变。在不同工艺角下过温点偏差不超过3 ℃，工艺稳定性好。仿真结果证明，该温度保护电路能满足多种芯片的工作温度要求。

图9 温度迟滞输出（TT、SS、FF）

表1 将本文和其他文献的温度保护电路进行比较，可以看出本文基于0.18 μm CMOS 制程工艺，相比于其他文献，更小的制程工艺可以实现更少的发热和更好的能效比，也能应用于更先进工艺的芯片中。本文的温度保护电路的关断温度比其他文献的更低，能够在温度达到130 ℃时关断LDO，更有效地保护电路芯片。

表1 与其他文献性能对比

4 结语

针对LDO 在工作中可能出现温度过高的问题，本文提出一种应用于LDO 的温度保护电路。该电路通过双极晶体管的基极-发射极电压具有负温度特性的原理检测温度变化，利用电压比较器将与绝对温度成反比的CTAT 电压和参考电压比较，比较器输出电压信号经过缓冲器和施密特触发器输出一个接近电源和地的电压信号，用作控制LDO 调整管MP 栅极电压，最终实现温度保护。从仿真结果来看，温度保护电路在130 ℃附近跳变，输出接近地的电压关断LDO，温度下降到105 ℃附近跳变到接近电源电压使LDO 重新开启，温度迟滞为25 ℃，温度过热时在3 ℃内完成跳变，灵敏度高。三个工艺角仿真结果证明该温度保护电路工艺稳定性好。该电路的不足之处是，所有晶体管都是使用1.8 V 电压供电，后续研究可以使用低于1.8 V 的电压为温度保护电路供电，实现低电压工作，满足低功耗应用需求。