一种新颖的过热保护电路的设计

在无过热危险前提下的输出功率最大化。芯片采用ＳＭＩＣ ｏ．１３ ｌ上ｍ ＣＭＯＳ Ｌｏｇｉｃ工艺模型，测试
结果表明，热调节电路在出现过热情况时可使芯片内部温度恒定在１０５℃。
关键词： 过热保护电路；熟调节；恒温控制；热关断
中图分类号：ＴＮ４３１．１
文献标识码：Ａ
文章编号：１００４—３３６５（２００９）０５—０６７３—０４
本文系统设计取Ｖｗ一５ Ｖ，Ⅵ册一３．３ Ｖ，／ａｎ＂
＝１ Ａ，乳一１００℃／Ｗ，则昧Ｊ（０）－－≈６．６×１０一，Ａ似
（Ｏ）≈２×１０。，Ｇｖ－Ｊ（Ｏ）≈２，Ｇ｝Ｔ（ｏ）一１７０。热调节控 制环路直流增益Ｇｃｒ（ｏ）一５３ ｄＢ，热调节控制环路 的单位增益带宽为
ＢＷ—Ｇｃｒ（Ｏ）×ＰＦＴ＝４．４８ ｋＨｚ（１４） 若取Ｐ吼一１０ ｋＨｚ，则热调节控制环路的相位 裕度为：
ＰＭ：９０。一ａｒｃｔａｎ罂一６６。 （１５）
４ 版图设计及仿真测试结果
为了准确检测芯片内部温度的变化，同时，还考 虑到热梯度对恒温放大器中差分对管、ＰＴＡＴ电流 源中电流镜和电阻Ｒ１与Ｒ２匹配的影响［１２］，将检温 三极管Ｑ１和Ｑ２紧贴功率管放置。图５所示为热 调节电路的版图。图５中，最下方为叉指状功率管 部分版图，左上方为检温电路的三极管，右上方为恒 温放大器，电阻没有在图中显示。
恒温放大器就是将随温度变化的电压信号进行 放大，来控制功率管的栅压，从而控制输出电流。
如图４所示，恒温放大器采用闭环电压一电流负 反馈方式实现。１０３，其目的是为了控制系统的极点和 增益。图中，Ｍ１～Ｍ７为基本两级差分放大器，ｃｃ 为米勒补偿电容，Ｒ。，Ｒｚ，Ｒｓ和Ｒ。为电阻反馈网 络，且Ｒ。＝１００ Ｒ：，Ｒ。＝Ｒ。，从而使闭环系统的主
（６）
式中，ｇ。，为Ｍ１的小信号跨导，从而恒温放大器的
传输函数为：
ＡＴＡ（ｓ）一概Ｔ粤：垒盟
（７）
１＋赢
式中，ＡＴＡ（０）≈１０１ Ｒｓ，为闭环低频增益（此处取 Ｒ１＝５００ ｋｎ，Ｒｚ＝５ ｋＱ，Ｒ３＝２００ ｋＱ）。 ３．３功率管输入电压到输出电流转换
当芯片内部温度达到设定值１０５℃时，功率管
的栅压由恒温放大器控制，调节输出电流大小，其传
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｏｖｅｒ－ｈｅａｔ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｃｉｒｃｕｉｔ；Ｔｈｅｒｍａｌ ｒｅｇｕｌａｔｏｒ；Ｃｏｎｓｔａｎｔ－ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌ；Ｔｈｅｒｍａｌ ｓｈｕｔｄｏｗｎ
Ｅ】巳蛾：１２９０
１ 引言
随着ＩＣ芯片集成密度和功率密度的不断提高， 由耗散功率导致的芯片过热成为影响芯片稳定、可 靠工作的一个重要因素［１’２］。因此，必须对芯片进 行过热保护，特别是在集成功率器件的功率集成电 路（Ｉｎ线性充电器和低压降线性稳压器等）中。
６７６
方刘禄等：一种新颖的过热保护电路的设计
２００９年
测试结果如图７所示，其中，温度曲线是通过测试图４ 中Ⅵ电位折算而来。对于由外界设定的１ Ａ输出电 流和３．３ Ｖ输出电压，系统上电后，芯片温度快速上 升；当温度升高到１０５℃附近时，输出电流迅速下降 并趋于某值，同时，芯片温度也趋于恒定１０５℃。
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａ Ｎｏｖｅｌ Ｏｖｅｒ－Ｈｅａｔ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ Ｃｉｒｃｕｉｔ
ＦＡＮＧ Ｌｉｕｌｕ，ＺＨＡＮＧ Ｗｕｑｕａｎ，ＬＩＵ Ｙａｎ
（ＶｅｒｉＳｉｌｉｃｏｎ Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０１２０４，Ｐ．Ｒ Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ａ ｎｅｗ ｏｖｅｒｈｅａｔ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｃｉｒｃｕｉｔ，ａ ｔｈｅｒｍａｌ ｒｅｇｕｌａｔｏｒ，ｗａｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ，ｉｎ ｗｈｉｃｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｐｏｗｅｒ ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ ｗａｓ ｃｏｎｆｉｎｅｄ ｔｏ ａ ｃｌｏｓｅｄ－ｌｏｏｐ．Ｔｈｕｓ ａ ｎｅｇａｔｉｖｅ ｔｈｅｒｍａｌ ｆｅｅｄｂａｃｋ ｗａｓ ｆｏｒｍｅｄ．ｗｈｉｃｈ ｒｅｇｕｌａｔｅｄ ｔｈｅ ｏｕｔｐｕｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ｔＯ ｍａｉｎｔａｉｎ ａ ｃｏｎｓｔａｎｔ ｄｉｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｄｕｒｉｎｇ ｈｉｇｈ ｐｏｗｅｒ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ，ｏｒ ｕｎｄｅｒ ｈｉｇｈ ａｎｌ— ｂｌｅｎｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ｔｏ ｍａｘｉｍｉｚｅ ｔｈｅ ｏｕｔｐｕｔ ｐｏｗｅｒ ｗｉｔｈｏｕｔ ｒｉｓｋ ｏｆ ｏｖｅｒｈｅａｔｉｎｇ．Ｔｈｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｗａｓ ｉｍｐｌｅｍｅｎ－ ｔｅｄ ｉｎ ＳＭＩＣ’Ｓ ０．１３／ａｎ ＣＭＯＳ ｌｏｇｉｃ ｐｒｏｃｅｓｓ．Ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｃｈｉｐ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｐ．ａｎ ｂｅ ｍａｉｎｔａｉｎｅｄ ｃｏｎ－ ｓｔａｎｔ ａｔ １０５℃．
传统的过热保护方法是使用迟滞比较器做成的 过热关断比较器［３－５Ｊ。当芯片内部温度高于某一温 度正时，比较器就终止芯片的工作；等到芯片温度 降到一个较低的安全值Ｔ２（Ｔ１和Ｔｚ之间存在迟 滞）时，再使芯片重新工作；芯片内部温度再升高，芯 片又关断。如此反复，使芯片在停止和正常工作两 种状态中循环，造成系统的热振荡。这种热振荡最 不利的地方就是由于封装、引脚、硅片各部分的热膨 胀系数不同，会在各部分连接点产生应力，从而使芯
℃。ｎ一般不易改变，要维持尸Ｄ不变，可通过减
小输出电流来实现（假设Ｖａｎ＂不变）。由（２）式可
得，维持１０５℃的输出电流为：
，
１０５一丁。
…
』ＣＵＴ。—（Ｖ——ｒ砷——－－—Ｖ——ｗ。ｒ。）一０ｊＡ
Ｌ ３Ｊ
若此时ＴＡ一２５℃，饥一１００℃／Ｗ，‰＝５ Ｖ，
Ｖｆｘｒｒ一３．３ Ｖ，则实际输出电流为４７０ ｍＡ，输出功 率为１．５５ Ｗ。
图５热调节电路的版图 Ｆｉｇ．５ Ｌａｙｏｕｔ ｏｆ ｔｈｅ ｔｈｅｒｍａｌ ｒｅｇｕｌａｔｏｒ
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蕾嘈、等ｊ一口曲哥＝
收稿日期：２００９—０３—１３；定稿日期：２００９—０４—２９
万方数据
片损坏ＭＪ。 为了解决这一问题，本文提出一种新颖的过热
保护电路，将芯片耗散功率产生的温度变化置于一 个闭环控制系统中，当芯片出现过热时，利用负反 馈，使芯片的温度恒定在某一设定温度，如１０５℃。 介绍了热调节实现的原理，对系统进行分析建模，给 出了具体的实现电路，最后介绍了芯片的版图和仿 真测试结果。
１０５℃时就停止工作（输出功率为零），等待芯片内
部温度下降到一个安全值时才重新开始工作。采用 本文提出的热调节电路，当温度传感器检测到芯片
温度达到１０５℃时，ＴＡ处于放大器状态，功率管的 栅由ＴＡ放大器的输ｍ控制，调节输＿｝ｆ｛电流和功耗， 从而调节芯片内部温度。由（２）式可知，只要维持 ＴＡ和ＰＤ不变，芯片的温度将保持在设定的１０５
（１１）
１＋赤
由上式可知，ＦＴ转换的主极点将成为热调节 控制环路的主极点，所以，要控制恒温放大器中的极 点，使其成为一个不影响热调节控制环路稳定性的
非主极点。
综上所述，由（５）、（７）、（８）和（１１）式，得热调
Ｇｅｔ（ｓ）≈百叼毒嚣‰（１２） 节系统的环路传输函数为：
式中，
Ｇｅｔ（Ｏ）一Ｇ卜，（Ｏ）Ａ丁Ａ（Ｏ）Ｇｖ－ｆ（Ｏ）Ｇ卜Ｔ（Ｏ）（１３）
线性电流源，利用不同电流密度下两个三极管％ 之差△‰产生ＰＴＡＴ电流，并被Ｍ５镜像：
ｌｉ ｒＡ＿ＰｒＥ一Ａ＿—ｒ一亍雀ｒ一粤一＝警·ｌ齐Ｉ一ｌ １ Ｎ 』Ｙ
（＼吐４，）
ｊ、
ｑ上、
从而实现■Ｉ的转换，其传输函数为：
Ｇｒ－舢）＿去ｌｎ Ｎ
（５）
式中，Ｎ为ＰＮＰ管Ｑ２与Ｑ１的发射极面积之比，愚
为波尔兹曼常数，ｑ为电子电荷量。为保证ＰＴＡＴ 电流源能正常启动，增加了启动电路，如图３中 ＭＳｌ、ＭＳ２和ＭＳ３所示。 ３．２恒温放大器
输函数为：
Ｃ，ｖ－１（Ｏ）一－ｇ，，盯
（８）
式中，ｇ胛为功率管的小信号跨导。
３．４输出电流到温度的转换
耗散功率（以电流形式体现）到温度的转换在物
理意义上不属于电学的范畴，因为它是通过热学原
理，由功耗的上升导致芯片温度的上升。研究表
明［１１］，可以通过建模的方法，将这一热学过程用电
‘
学上的传输函数表示。根据（２）式，得：
流到温度的转换。 ｝ｒ盯，
方刘禄等：一种新颖的过热保护电路的设计
２００９纯
３ 热调节电路的分析和设计
图１所示的热调节电路是一个闭环控制系统， 其小信号模型如图２所示。
Ｆｉｇ．１
图ｌ热调节电路原理图 Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｔｈｅｒｍａｌ ｒｅｇｕｌａｔｏｒ
当系统设置的输出电流使芯片温度低于设定的 保护温度１０５℃时，ＴＡ处于比较器状态，输出为高 电平（电源电压），对功率管的栅不起控制作用，输出
Ｇ１－Ｔ（０）一（Ｖｍ—Ｖａｔｒ）钆
（９）
万方数据
由于温度的升高是一个缓慢的过程，需要一定 的时间，因此可以把它等效为一个极点小于１０ Ｈｚ 的一阶系统进行频域的建模。本文设计取极点为：
Ｐ卜下＝１０ Ｈｚ
（１０）
从而功率管输出电流到温度的转换（『－Ｔ转换）的传
输函数为：
Ｇｗ－ｒ（ｓ）：—Ｇｗ－ｒ—（０）
２ 热调节实现的原理
本文提出的热调节电路将输出电流产生的耗散 功率通过热阻转化为芯片内部温度，并将其转换为 电压信号，将电压信号放大后，控制输出电流的大 小，从而调节芯片的耗散功率，实现芯片的恒温工 作。电路原理如图１所示。它包括以下几个部分： 温度传感器、恒温放大器ＴＡ、功率管ＰＴ和输出电
６７４
电流由系统设置决定。当输出电流由于某种原因增
大，使芯片的内部温度升高，其耗散功率和芯片温度
由下式决定［７］：
ＰＤ＝（ＶＤＤ—Ｖａｒｒ）Ｌ胛
（１）
Ｔ＝ＴＡ＋ＰＤ·％一