一種基于DC-DC開關電源的溫度檢測電路設計

趙亞鴿

摘要：針對DC-DC開關電源的經典拓撲結構，提出了一種新型的溫度檢測電路設計。研究了溫度對整個開關電源系統的影響，以及在一定溫度變化范圍內，開關電源能否輸出穩定電壓。在此基礎上，本文設計了一種新型的溫度檢測電路，并對其進行功能優化，實現溫度的精確檢測。同時，為防止溫度過高對系統造成不可逆破壞，本文在溫度檢測電路的研究基礎上，設計了一款新型的過溫保護電路。當系統溫度高于溫度閾值時，溫度檢測電路輸出發生變化，啟動過溫保護電路，關閉帶隙基準電壓電路和上電位，從而達到保護電路的目的。最后對此結構進行仿真，仿真結果表明在不同工藝角情況下，該系統均具有精確的溫度檢測性能，且能穩定啟動過溫保護實現關閉電源、保護電路的目的。

關鍵詞：DC-DC開關電源;溫度檢測;過溫保護;系統溫度閾值;帶隙基準電壓

0引言

開關型電源、LDO是目前應用在SoC系統中最常見的兩種電源管理系統。其中，基于經典拓撲結構的開關型電源，具有效率高、功耗低、體積小以及抗干擾能力強等諸多優點，廣泛應用于許多高集成度高性能的SoC系統芯片中。

開關型電源主要是通過控制功率開關管的周期性導通來輸出穩定電壓，實現升壓、降壓、電壓反轉等功能，從而為整個電路系統穩定供電。

如圖1所示，開關型電源中較為常見的是BUCK型DC-DC開關電源。相較于其他電源管理系統而言，BUCK型DC-DC開關電源的電源轉換效率高，可達80%以上，對于一些特制的開關電源甚至高達90%;其次，負載能力強，可承受大電流;另外，開關電源的功率MOS管阻值較低，故而功率損耗偏低，適用于傳導較大電流;通過控制開關電源內部功率MOS管（高邊管和低邊管）的開關來控制輸出電壓的增大或減小，實現動態調節，使得穩壓范圍較寬。

開關電源往往工作在高電壓下，較大功率的開關電源同時也工作在大電流狀態下，較大的電流或者電壓容易燒壞電路。為了保護開關電源自身和負載，根據DC-DC直流電源原理，先后設計出了許多保護電路，如：ESD保護電路、過壓保護電路（OVLO）、欠壓保護電路（UVLO）、軟啟動電路等。本文在上述幾種保護電路的基礎上設計出了基于DC-DC開關電源的溫度檢測系統，當溫度超過工作溫度閾值時，關斷電路，從而起到實時保護電路的目的。

1溫度檢測電路設計原理

設計的溫度檢測電路如下圖2所示。

本模塊主要實現的功能是對芯片電源供電系統中的帶隙基準電壓進行溫度檢測。帶隙基準電壓是電源系統中非常重要的模塊。絕大多數的內部供電都是由帶隙基準電壓為源頭進行“再加工”處理。針對帶隙基準電壓進行溫度檢測，溫度越高，其電壓值也越高，從而在溫度檢測模塊中引起輸出電壓狀態的改變。所以只需檢測溫度檢測電路的輸出電壓就可以直觀判斷電源溫度是否過高，從而實現溫度檢測的功能。

如圖2所示，VREF1與VREF2是由電路的電壓基準電路VREF產生的基準電壓，VREF1為帶隙基準產生的基準電壓，可視作沒有溫度系數，而VREF2為PTAT電壓，通過運放虛短作用，使電阻R1兩端的電壓分別固定在VREF1和VREF2，這里VX的電壓與VREF2的電壓值相等。所以流經R1的電流則為（假設電流方向于圖中向下）：

2過溫保護電路設計原理

過溫保護電路的輸入端與溫度檢測電路的輸出端相連，其目的是為了檢測溫度檢測電路的輸出電壓是否正常。溫度檢測電路將溫度變化轉換為電壓信號，而過溫保護電路則用于檢測溫度檢測電路的輸出電壓是否正常。當輸出電壓超出過溫保護電路所檢測的電壓閾值范圍，過溫保護電路的輸出會將0轉變為1，進而關斷其電源電路，實現保護電路不被燒斷。

·電阻工藝角仿真

電阻Yes的工藝角分別為tt Yes、ff Yes、ss res。在不同工藝角下對該模塊進行仿真，結果如圖7所示，在各RES comer-F，該輸出符合設計要求。

3.2過溫保護電路仿真

3.2.1 PTAT電流溫度仿真

本模塊的工作機理是利用PTAT電流與溫度之間的關系進行仿真。如公式（5）、公式（6）所述，當溫度升高時，PTAT電流，n增大，A點電壓減小，從而使輸出電壓由低變高，反之亦然。所以先對TO電流進行溫度仿真，結果如圖7所示，仿真結果表明厶與溫度成正相關，符合電路原理。

3.2.2輸出電壓溫度仿真

隨后驗證輸出電壓X288_A并進行DC溫度仿真。由于施密特觸發器作用，輸出電壓的曲線出現熱回滯窗口，仿真結果如圖8所示。

由圖可見，該模塊大約在170℃左右關斷芯片，在146.1℃左右使芯片重回正常工作狀態，遲滯量約為（170-146.1）℃=23.9℃。

4.2.3工藝仿真

與溫度檢測電路類似，為提高整個系統的安全性和可靠性，需對保護電路進行工藝仿真，本文在不同工藝角情況下對模塊進行仿真。三極管和電阻在不同工藝角下對過溫翻轉和低溫恢復這兩個關鍵節點處的仿真圖像如圖9、10所示。

仿真結果表明在不同工藝角情況下的溫度誤差均較小，說明在一定誤差范圍內該電路可以正常工作并能保持較高精度。

4結語

本文提出了一種新型的基于BUCK DC-DC開關電源的溫度檢測電路結構，并基于此結構進行改進，加入了一種新型的過溫保護機制。通過理論分析和數學推導進行電路搭建，并用仿真軟件進行仿真。由于系統的高精度要求，本文在一般的溫度仿真基礎上，進行了工藝角的仿真。仿真結果表明在一定溫度范圍內，該結構可實時檢測電流并實現過溫保護。