一種新型的過溫保護電路設計

范子榮，祝文君

(1.山西大同大學煤炭工程學院，山西大同 037003；（2.西安科技大學電氣與控制工程學院，陜西西安710054）

一種新型的過溫保護電路設計

范子榮1，祝文君2

(1.山西大同大學煤炭工程學院，山西大同 037003；（2.西安科技大學電氣與控制工程學院，陜西西安710054）

傳統的過溫保護電路是通過調整電阻阻值來控制熱關斷閾值溫度的高低，其結構復雜、功耗大、受參數變化影響大。提出了一種新型的過溫保護電路，電路中不再使用電阻和遲滯比較器，主要采用晶體管、MOS管、電容和邏輯門電路組成，并可以利用正反饋使電路具有遲滯特性，因而可避免振蕩的發生和對芯片造成危害。最后，通過PSPICE仿真說明，當電源電壓和工藝參數發生變化時，該新型的過溫保護電路可以很好的抑制溫度升高引起的熱關斷閾值點漂移，所以廣泛的應用于各種各樣的電路芯片。

過溫保護電路；熱關斷閾值；遲滯閾值

像電源、驅動器等集成電路芯片的功耗一般情況下較大，一旦發生電源短接或電路內部短路等現象，其瞬時功耗會急劇增大，從而使芯片溫度不斷升高，芯片將不能正常工作，很可能會將芯片燒壞。所以為了安全起見，常常在集成電路內部裝有過溫保護電路，當溫度升高超過閾值，過溫保護電路立即使電路芯片停止工作，這樣并不產生功耗，溫度也會降低，集成電路也不會被燒壞。

傳統的過溫保護電路主要利用溫度敏感元件來檢測電路芯片內部溫度的變化[1-13]，當溫度超限時，啟動過溫保護電路開始工作，控制系統關斷，所以不容易把電路損壞。本文設計了一種新型的過溫保護電路，由晶體管、MOS管、電容和邏輯門電路等組成，結構簡單、功耗低、工作電壓低、抗干擾能力強，對溫度具有遲滯特性，可減小對芯片的危害。運用PSPICE仿真表明，該新型保護電路對因電源電壓或參數變化引起的溫度漂移具有很強的抑制作用。

1 傳統的過溫保護電路的工作原理

傳統的過溫保護電路的工作原理是將溫度信號轉換為電壓信號，并對電壓信號做進一步處理。由于二極管的導通電壓隨溫度的升高而下降，所以可將4個二極管相串作為溫度傳感器，如圖1所示。

圖1 二極管過溫保護電路

在該電路中，由于遲滯比較器使得電路更加復雜。電路中采用了硅穩壓管，它的兩端電壓在4～7 V時溫度系數特別小，可略去不計，在4 V以下具有負的溫度系數，在7 V以上具有正的溫度系數。所以電源電壓在4～7 V時，電路可以工作，如果電源電壓更低，該電路就不適用了。

2 新型的過溫保護電路

針對以上電路的缺點，提出了一種新型的過溫保護電路，它用最簡單的電路實現過溫保護功能，電路中沒有電阻，使得熱關斷閾值溫度達到穩定，電路如圖2所示。

圖2 新型的過溫保護電路圖

常溫下，由于基準電壓VREF比晶體管T的發射結導通電壓小，晶體管T截止，經過場效應管M1和M2的電流是零電流，因此晶體管T的集電極電位是高電平，故M5的柵極電壓為高電平，M5可以導通，導通之后M5的漏極為低電平，因而反相器N1的輸入信號是低電平，經反相器N1和N2作用后，仍然是低電平，此時直流繼電器K不吸合，開關K仍然打開，電路正常工作。非門N1輸出高電平，故M3柵極電壓也為高電平，M3可以導通。VREF保證較大的溫度范圍內M1、M2的電流均為零，所以電路具有較小的功耗。

因為晶體管T的發射結電壓具有負的溫度特性，故T的發射結導通壓降隨溫度升高而減小。當溫度升高時，VREF比T的發射結導通電壓大，T可以導通，如果溫度繼續升高，三極管T的集電極電位急劇下降，M5的柵極電位降低，M5截止，M5的漏極達到高電平，即反相器N1的輸入端是高電平，經反相器N1和N2之后輸出高電平，繼電器K吸合，開關K合上，經電阻R降壓之后基準電壓VREF也降低，又一次使三極管T截止，T的集電極電壓也就是M5的柵極電壓是高電平，因而M5導通，M5的漏極電壓即反相器N1的輸入電壓為低電平，經N1和N2兩次反相之后，N2的輸出電壓為低電平，直流繼電器K關斷，開關K打開，VREF不變，從而達到過溫保護的目的[5]。

3 仿真分析

當被測系統工作溫度升到150°時，該過溫保護電路輸出高電平，以示關斷工作電路。當且僅當被測系統工作溫度降為120°時，該過溫保護電路輸出低電平，以示電路正常工作。如果電源電壓是2.5 V、3.2 V、5.7 V時，圖3所示是新型的過溫保護電路關斷和遲滯特性曲線。可見，電壓較低時，電路正常工作，電壓改變對關斷溫度和遲滯影響甚微。在6種不同的邊界條件下，圖4是VDD為3.2 V時過溫關斷和遲滯特性曲線，145°～155°是它的溫度變化范圍，115°～125°是遲滯閾值TL的溫度變化范圍。綜上，工藝參數變化時，熱關斷閾值TH、遲滯閾值TL基本不變。所以，電源電壓和工藝參數可以抑制熱關斷閾值溫度點的漂移。

圖3 VDD=2.5V、3.2V、5.7V時過溫關斷和遲滯特性曲線

圖4 VDD=3.2V時6種邊界條件下過溫關斷和遲滯特性曲線

4 結語

針對傳統的過溫保護電路結構比較復雜、功耗較大、受工藝參數變化影響也較大，提出了一種新型的過溫保護電路，其功耗低、對電源電壓、參數變化不敏感，并具有很強的抑制作用。最后通過PSPICE仿真表明，電路的準確性高，可應用于多種集成電路。該電路具有很好的使用價值和廣闊的發展前景，值得我們再做進一步的研究。

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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

〔責任編輯 高彩云〕

2016-11-30

山西省自然科學基金資助項目[2015011065]

范子榮（1979-），女，山西陽高人，碩士，講師，研究方向：控制理論與控制工程。