一種基于電源管理芯片的過溫保護電路

李宏杰 李立

摘 要：文章針對DC-DC電源管理芯片中的過溫保護功能，提出了一種低功耗、高精度、高可靠性的過溫保護電路。利用雙極型晶體管的溫度特性產生正溫度系數的溫度檢測電壓，通過電壓比較器和系統預設電壓進行比較，當采樣溫度高于預設值時，過溫保護電路輸出低電平進而關斷芯片系統，實現過溫保護功能。基于UMC0.25μmBCD工藝庫進行設計，采用HSPICE仿真軟件進行結果分析。仿真結果表明：在電源電壓為5 V，溫度由小變大過程中，當閾值溫度高于130 ℃時，過溫保護電路輸出低電平，芯片系統被關斷。溫度由大變小過程中，當閾值溫度低于104.96 ℃時，過溫保護電路輸出高電平，芯片系統重新正常工作。回差溫度值為20 ℃。滿足過溫保護電路高精度、高可靠性的要求。

關鍵詞：過溫保護；電壓比較；閾值溫度；遲滯溫度

過溫保護（Over-Temperature-Protection，OTP）電路是電源管理芯片中一種重要保護電路。當電源管理芯片由于電源短接、內部短路或重負載等情況下產生功耗增加，引起芯片內部溫度上升，OTP電路能夠檢測系統工作溫度，及時關斷芯片系統，防止芯片中的晶體管和其他集成模塊由于高溫而造成不可逆轉的永久性失效[1]。因此，OTP電路被廣泛地應用在電源管理芯片中的帶隙基準電壓源、低壓降電路、振蕩器等模塊[2]。

本文基于UMC0.25μmBCD工藝庫設計了一種低功耗、高精度的OTP電路。利用雙極型晶體管的溫度特性對芯片系統的工作溫度進行采樣，通過電壓比較器對采樣溫度電壓與系統預設電壓進行比較，當采樣溫度高于系統設定的閾值溫度時，OTP電路輸出低電平進而關斷芯片系統，防止由于高溫對芯片造成不可逆轉的損壞。當采樣溫度重新低于系統設定的閾值溫度時，OTP電路輸出高電平，芯片系統重新正常工作。并且該OTP電路設有反饋控制回路，產生的遲滯溫度量可以防止芯片系統由于工作溫度波動而造成的反復關斷[3]。

1 OTP電路原理及架構

本文提出的OTP電路原理拓撲圖如圖1所示。其中與溫度成正相關的IPTAT1電流源與電阻R1，R2構成了溫度檢測電路。IPTAT2電流源與晶體管Q1構成了系統預設電壓電路。由于雙極型晶體管Q1的基極和發射極電壓VBE具有負溫度特性[4]，因此，在常溫下Q1管的發射結電壓VP大于溫度檢測電壓VN，此時OTP電路輸出電壓OTP_OUT輸出高電平，M1管導通R2被短路，VN=IPTAT1×R1。隨著溫度的升高，與絕對溫度成正比（Proportional To Absolute Temperature，PTAT）電流源IPTAT隨之增大，當系統工作溫度高于OTP電路閾值溫度時，VN>VP，此時OTP_OUT輸出低電平，系統由于高溫被關斷。M1管截止，溫度檢測電壓大小為VN=IPTAT1×（R1+R2）。

2 本文提出的OTP實現電路

本文提出的OTP電路如圖2所示。電路共分為：啟動與偏置電流產生電路、溫度檢測電路、電壓比較電路和控制反饋電路4部分。各部分的工作原理如下。

2.1 啟動與偏置電流產生電路

3 仿真結果及分析

本文提出的基于電源管理芯片OTP電路采用UMC0.25μmBCD工藝庫進行設計，利用HSPICE仿真軟件分析，仿真結果如下。

圖3為本文提出的OTP電路溫度特性曲線。可以看出，芯片系統工作溫度由小變大過程中，溫度大于125 ℃時，OTP電路輸出電壓開始跳變，當溫度大于130 ℃時，芯片系統完全關斷，避免芯片由于高溫造成損壞；芯片工作溫度由大變小過程中，溫度低于110 ℃時，OTP電路輸出電壓開始跳變，當溫度低于104.96 ℃時，輸出電壓變為高電平，系統重新正常工作。

圖4為本文提出的OTP電路遲滯特性曲線。可以看出，OTP電路的輸出電壓在芯片系統工作溫度由低到高和由高到低過程中跳變門限電壓存在遲滯現象，遲滯溫度ΔT為20 ℃。遲滯溫度ΔT可以有效避免芯片系統由于工作溫度波動造成的反復關斷。

4 結語

本文提出了一種基于電源管理芯片的OTP電路。利用雙極型晶體管的溫度特性產生正溫度系數的檢測電流，通過電壓比較器對溫度檢測電壓和系統預設電壓進行比較。當采樣溫度高于系統預設溫度時，OTP電路輸出低電平，芯片系統被關斷，避免芯片系統由于高溫造成損壞。當工作溫度低于預設溫度時，OTP電路輸出高電平，芯片系統重新正常工作。同時芯片系統工作溫度由低到高和由高到低過程中跳變門限電壓設有遲滯溫度，有效避免芯片系統由于工作溫度波動造成的反復關斷。本文設計的OTP電路滿足電源管理芯片低功耗、高精度、高可靠性要求。

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