一種DC-DC電源芯片保護電路的設計與研究

趙鵬

【摘要】文中設計了一款適用于寬輸入范圍、大負載電流DC-DC電源芯片的過溫保護電路。該電路由一個運放和兩個MOS管，一個電容構成。仿真表明，當芯片溫度高于170℃時開啟保護模式，溫度回落至110℃時取消保護模式，實現了60℃的遲滯溫度。滿足設計要求。

【關鍵詞】寬輸入 過溫保護 保護模式

1緒論

現代信息社會芯片的增長是指數級的，每個芯片都需要一個電源管理芯片為其提供持續穩定的電壓或電流。由于微電子工藝的進步，目前主流的芯片電壓主要為3.3V、1.8V、1.2V。這就要求把220V之流市電或是基準電路產生的其他直流電壓轉化為相應的低電壓。目前主流的降壓電源管理芯片分為低壓差線性穩壓器（Low Dropout Voltage regulator，LDO）和開關電源DC-DC。不管哪種形態，由于芯片內部功率晶體管的存在，長時間大電流工作會使芯片溫度上升而影響芯片效率。故過溫保護電路就是在系統工作溫度超過特定值時通過信號的翻轉使系統改變工作狀態，直至系統溫度下降為安全溫度時再恢復正常工作。為防止溫度下降但還未至安全溫度時系統就恢復工作，需要有一個遲滯溫度。

圖1芯片整體結構框圖

2過溫保護電路原理

根據系統設計要求，過溫保護電路需要在芯片溫度高于170℃時產生保護信號，圖2為本文采用的過溫保護模塊的結構。OT與OTB為控制M1和M2的兩個相反信號，使兩個MOS不會同時導通或者關斷，具有選擇的作用。其中OT為該模塊的輸出信號，當OT為低時，表示過溫保護信號開啟。系統要求芯片溫度超過170℃時產生保護信號，遲滯溫度為60℃。

圖2過溫保護電路結構

由于三極管具有負溫度特性。故保護電路在170℃時開啟，Vref_OTP在170℃時的電壓為390mV，遲滯溫度為60℃。在110℃時該信號為500mV，VOp4_L為低于400mV的輸入電壓，V0p5為500mV的輸入電壓，兩者的壓差即決定了遲滯的大小。

3電路仿真

在工藝角為TT，電源電壓為25℃，對過溫保護電路的功能進行仿真。V0p5與V0p4_L分別為帶隙基準經分壓后得到的500mV和390mV的電壓信。Vref_OTP為帶隙基準產生的從800mV下降至300mV的斜坡電壓。電路分別對輸出信號在-40℃～230℃與230℃～40℃時的兩種情況進行掃描，如下圖所示。

圖3從-40℃～230℃掃描過溫保護電路波形圖

圖4從230℃～-40。C掃描過溫保護電路波形圖

從圖3中可以看出，電路對輸出信號在溫度范圍為-40℃～230℃進行掃描，當溫度上升至170℃時，OT信號由高電平跳變為低電平，表示保護信號開啟。從圖4中可以看出，電路對輸出信號在溫度范圍為230℃～40℃進行掃描，當溫度下降至110℃時，OT信號重新跳變到高電平，表明系統恢復正常工作。遲滯溫度可達60℃，保護電路功能正確。

4總結

文中設計了一款適用于寬輸入范圍、大負載電流DC-DC電源芯片的過溫保護電路。根據系統設計要求實現60℃遲滯溫度，在芯片溫度到達170℃時開啟保護模式，溫度回落到110℃時重新回到工作模式。仿真表明，當芯片溫度高于170℃時開啟保護模式，溫度回落至110℃時取消保護模式，實現了60℃的遲滯溫度。滿足設計要求。