电源管理芯片中热关断电路的设计

　　电子设备的失效率有55%是由于温度超过规定值所引起的，部分器件在环境温度每升高10℃失效率大一倍以上，呈指数增长趋势，被称为1090法则。如今，相当多的电源管理芯片中不仅集成了低压数字电路和模拟电路，还集成了高压功率输出电路，例如DC2DC转换器。高压功率输出电路的发热量是芯片过热的主要原因，会导致不必要的功率消耗、集成器件的失效。因此，必须对芯片设计热关断电路：当芯片超过警戒温度时，电路提供一个热关断信号，禁止芯片工作；当芯片温度降至警戒温度以下时，恢复芯片工作。但是，解决芯片过热的热关断技术目前并没有引起国内研究部门的高度重视，相关文章极少。

　　热关断电路设计的关键是将温度信号精确地转变为电压信号。传统的方法是用热电偶和热电感来检测温度，但这些方法不适合芯片的设计。因此，必须利用集成电路中各种器件的温度特性来设计热关断电路。

　　2 温度检测技术

　　2.1 利用PTAT电流的正温度特性

　　热关断电路可以利用PTAT电流的温度特性，如图1所示

      PTAT电流即与绝对温度成正比的电流。当温度升高时，电阻R上的电压随着I（PTAT）电流的升高而升高，使Q1导通。当温度到达热关断阑值时，流过Q1的电流大于I（ref），V（out）信号从高电平变为低电平。电路可以通过调节电阻R的阻值来控制热关断阑值温度的高低。这种电路要增加设计PTAT电流的产生电路。

　　2.2 利用PN结的负温度特性

　　热关断电路也可以利用PN结的温度特性，如图2所示。

　　三极管T1的结电压V（BE）为负温度系数，在T=300K时为-2.2mV/℃。随着温度的升高，V（BE）不断降低，当电压值低于基准电压Vref时，比较器的输出发生翻转。此种电路可以通过调节基准电压Vref的大小来控制热关断阂值温度。

　　2.3 以上两种技术的比较

　　由于V（REF）与温度无关的特性和比较器的高灵敏度，使得第二种技术对温度更为敏感，检测精度更高。但第一种技术采用电流比较的方式，没有用到比较器，因此其版图面积比第二种的要小。

　　3 电路设计

　　结合以上两种技术的优点，设计的电路如图3所示。

　　V（REF）外接带隙基准的输出，不随电源电压和温度变化，通常值为1.25V。 V（BLAS）为MOS管M3提供恒定偏置电压，产生恒定电流I（REF）。

　　因此M3管可以被近似地看作恒流源。MOs管M1和M2构成电流镜，将电阻R1上的电流映射与Im进行比较，从而控制X点电位地高低。MOs管M4-M7组成两个反相器，可以使输出信号的跳变沿更加陡峭。

　　常温下 ，由于基准电压V（REF）< 2V（BE），所以三极管Ql和Q2都截止，流过MOS管Ml和M2的电流为0。此时由于作为电流源的M3管的电流为零，X点的电位为低，经过两级反相器后，V（OUT）输出低电平，电路处于无效状态。基准电压（REF）能保证在相当大的温度范围内流过MOS管M1和M2的电流为零，减小电路功耗。由于V（OUT）为低电平，NMOS管M8截止。

　　由于三极管Ql和Q2的VIE具有负的温度系数，通常为-2.2mV/℃。假设在达到温度TD时，由于VBE随温度升高而不断下降，此时的结电压2V（BEO）<V（REF），流过电阻R1的电流为：

　　4 仿真结果

　　采用1.5um的P衬N阱数模混合1P2MBiCMOS工艺，使用Synopsys公司的Hspic。软件对电路进行模拟。温度从-50℃上升至150℃时，Vout从低电平上跳为高电平，发出过热警示信号禁止芯片工作。温度降至115℃时，Vout从高电平变为低电平，恢复芯片正常工作，迟滞温度差为35℃。输出波形的上跳沿和下跳沿都很陡峭，说明电路的检测精度很高。电路总电流的最大值不超过150uA。

　　对三种不同的电源电压进行仿真的结果如表1所示。电路对电源电压和工艺参数变化造成的热关断阑值点的漂移有很强的抑制能力。

　　5 结束语