范子榮，祝文君

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

一種新型的過(guò)溫保護(hù)電路設(shè)計(jì)

范子榮1，祝文君2

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

傳統(tǒng)的過(guò)溫保護(hù)電路是通過(guò)調(diào)整電阻阻值來(lái)控制熱關(guān)斷閾值溫度的高低，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功耗大、受參數(shù)變化影響大。提出了一種新型的過(guò)溫保護(hù)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(fā)生和對(duì)芯片造成危害。最后，通過(guò)PSPICE仿真說(shuō)明，當(dāng)電源電壓和工藝參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，該新型的過(guò)溫保護(hù)電路可以很好的抑制溫度升高引起的熱關(guān)斷閾值點(diǎn)漂移，所以廣泛的應(yīng)用于各種各樣的電路芯片。

過(guò)溫保護(hù)電路；熱關(guān)斷閾值；遲滯閾值

像電源、驅(qū)動(dòng)器等集成電路芯片的功耗一般情況下較大，一旦發(fā)生電源短接或電路內(nèi)部短路等現(xiàn)象，其瞬時(shí)功耗會(huì)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(huì)將芯片燒壞。所以為了安全起見(jiàn)，常常在集成電路內(nèi)部裝有過(guò)溫保護(hù)電路，當(dāng)溫度升高超過(guò)閾值，過(guò)溫保護(hù)電路立即使電路芯片停止工作，這樣并不產(chǎn)生功耗，溫度也會(huì)降低，集成電路也不會(huì)被燒壞。

傳統(tǒng)的過(guò)溫保護(hù)電路主要利用溫度敏感元件來(lái)檢測(cè)電路芯片內(nèi)部溫度的變化[1-13]，當(dāng)溫度超限時(shí)，啟動(dòng)過(guò)溫保護(hù)電路開始工作，控制系統(tǒng)關(guān)斷，所以不容易把電路損壞。本文設(shè)計(jì)了一種新型的過(guò)溫保護(hù)電路，由晶體管、MOS管、電容和邏輯門電路等組成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功耗低、工作電壓低、抗干擾能力強(qiáng)，對(duì)溫度具有遲滯特性，可減小對(duì)芯片的危害。運(yùn)用PSPICE仿真表明，該新型保護(hù)電路對(duì)因電源電壓或參數(shù)變化引起的溫度漂移具有很強(qiáng)的抑制作用。

1 傳統(tǒng)的過(guò)溫保護(hù)電路的工作原理

傳統(tǒng)的過(guò)溫保護(hù)電路的工作原理是將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，并對(duì)電壓信號(hào)做進(jìn)一步處理。由于二極管的導(dǎo)通電壓隨溫度的升高而下降，所以可將4個(gè)二極管相串作為溫度傳感器，如圖1所示。

圖1 二極管過(guò)溫保護(hù)電路

在該電路中，由于遲滯比較器使得電路更加復(fù)雜。電路中采用了硅穩(wěn)壓管，它的兩端電壓在4～7 V時(shí)溫度系數(shù)特別小，可略去不計(jì)，在4 V以下具有負(fù)的溫度系數(shù)，在7 V以上具有正的溫度系數(shù)。所以電源電壓在4～7 V時(shí)，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(guò)溫保護(hù)電路

針對(duì)以上電路的缺點(diǎn)，提出了一種新型的過(guò)溫保護(hù)電路，它用最簡(jiǎn)單的電路實(shí)現(xiàn)過(guò)溫保護(hù)功能，電路中沒(méi)有電阻，使得熱關(guān)斷閾值溫度達(dá)到穩(wěn)定，電路如圖2所示。

圖2 新型的過(guò)溫保護(hù)電路圖

常溫下，由于基準(zhǔn)電壓VREF比晶體管T的發(fā)射結(jié)導(dǎo)通電壓小，晶體管T截止，經(jīng)過(guò)場(chǎng)效應(yīng)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(dǎo)通，導(dǎo)通之后M5的漏極為低電平，因而反相器N1的輸入信號(hào)是低電平，經(jīng)反相器N1和N2作用后，仍然是低電平，此時(shí)直流繼電器K不吸合，開關(guān)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(dǎo)通。VREF保證較大的溫度范圍內(nèi)M1、M2的電流均為零，所以電路具有較小的功耗。

因?yàn)榫w管T的發(fā)射結(jié)電壓具有負(fù)的溫度特性，故T的發(fā)射結(jié)導(dǎo)通壓降隨溫度升高而減小。當(dāng)溫度升高時(shí)，VREF比T的發(fā)射結(jié)導(dǎo)通電壓大，T可以導(dǎo)通，如果溫度繼續(xù)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(dá)到高電平，即反相器N1的輸入端是高電平，經(jīng)反相器N1和N2之后輸出高電平，繼電器K吸合，開關(guān)K合上，經(jīng)電阻R降壓之后基準(zhǔn)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(dǎo)通，M5的漏極電壓即反相器N1的輸入電壓為低電平，經(jīng)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(guān)斷，開關(guān)K打開，VREF不變，從而達(dá)到過(guò)溫保護(hù)的目的[5]。

3 仿真分析

當(dāng)被測(cè)系統(tǒng)工作溫度升到150°時(shí)，該過(guò)溫保護(hù)電路輸出高電平，以示關(guān)斷工作電路。當(dāng)且僅當(dāng)被測(cè)系統(tǒng)工作溫度降為120°時(shí)，該過(guò)溫保護(hù)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(shí)，圖3所示是新型的過(guò)溫保護(hù)電路關(guān)斷和遲滯特性曲線?？梢?jiàn)，電壓較低時(shí)，電路正常工作，電壓改變對(duì)關(guān)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(shí)過(guò)溫關(guān)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(shù)變化時(shí)，熱關(guān)斷閾值TH、遲滯閾值TL基本不變。所以，電源電壓和工藝參數(shù)可以抑制熱關(guān)斷閾值溫度點(diǎn)的漂移。

圖3 VDD=2.5V、3.2V、5.7V時(shí)過(guò)溫關(guān)斷和遲滯特性曲線

圖4 VDD=3.2V時(shí)6種邊界條件下過(guò)溫關(guān)斷和遲滯特性曲線

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)傳統(tǒng)的過(guò)溫保護(hù)電路結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、功耗較大、受工藝參數(shù)變化影響也較大，提出了一種新型的過(guò)溫保護(hù)電路，其功耗低、對(duì)電源電壓、參數(shù)變化不敏感，并具有很強(qiáng)的抑制作用。最后通過(guò)PSPICE仿真表明，電路的準(zhǔn)確性高，可應(yīng)用于多種集成電路。該電路具有很好的使用價(jià)值和廣闊的發(fā)展前景，值得我們?cè)僮鲞M(jìn)一步的研究。

[1]Richard S,Muller Theodore I,Kamins Mansun Chan.集成電路器件電子學(xué)[M].北京：電子工業(yè)出版社,2004：241-278.

[2]Behzad Razaval.Design of analog Cmos Integrated Circuits[M].北京：清華大學(xué)出版社,2005：377-400.

[3]Meijer G C M,Wang G J,Fruett F.Temperature Sensor and Voltage Reference Implemented in Cmos Technology[J].IEEE sensor J,2001,1(3)：225-234.

[4]黃澤祥.智能功率芯片的過(guò)溫保護(hù)電路研究與設(shè)計(jì)[D].東南大學(xué)，2015.

[5]范子榮.一種新型的過(guò)溫保護(hù)電路：中國(guó),201620100659[P].2016-09.

[6]黃軍軍,喬明.一種高精度過(guò)溫保護(hù)電路的設(shè)計(jì)[L].電子與封裝,2015,15（6）：19-22.

[7]張專，程新紅，俞躍輝，等.一種快速轉(zhuǎn)換的過(guò)溫保護(hù)電路[J].半導(dǎo)體技術(shù)，2016，41（1）：22-26.

[8]張明星，朱鐵柱，王良坤.一種用于馬達(dá)驅(qū)動(dòng)芯片的新型過(guò)溫保護(hù)電路[J].電子器件，2015，38（2）：373-376.

[9]王進(jìn)軍，王俠，史永勝,等.一種應(yīng)用于LDO的高性能過(guò)溫保護(hù)電路設(shè)計(jì)[J].陜西科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，27（3）：98-100，105.

[10]張強(qiáng)，陳貴燦，田澤，等.精密CMOS帶隙基準(zhǔn)及過(guò)溫保護(hù)電路設(shè)計(jì)[J].電子工程師，2007，33（9）：21-24，59.

[11]季輕舟，耿增建.高性能快速啟動(dòng)CMOS帶隙基準(zhǔn)及過(guò)溫保護(hù)電路[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2008，21（8）：5812-5816.

[12]宋德文，鄧聯(lián)文，廖聰維，等.一種高靈敏度過(guò)溫保護(hù)電路的設(shè)計(jì)[J].微電子學(xué)，2015(5)：210-217.

[13]陳昊，龐英俊.基于電流比較的過(guò)溫保護(hù)電路[J].半導(dǎo)體技術(shù)，2015(2)：211-218.

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(zé)任編輯 高彩云〕

2016-11-30

山西省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目[2015011065]

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