茍超，劉一鍇，保興潤，趙鐿翔

（中國電子科技集團公司第二十四研究所，重慶 400060）

引言

低壓差電壓調(diào)整器（Low-Dropout Regulator，LDO）廣泛應用于電源系統(tǒng)中，其輸出電流能力可以達到數(shù)安培。在大電流應用條件下，LDO 本身消耗的功耗比較大，芯片自身的溫升也較大，從而影響可靠性。當溫度超過一定值時，芯片失效率呈指數(shù)規(guī)律增加，溫升50 ℃時的壽命只有溫升25 ℃時的1/6 左右。除了電應力之外，溫度是影響LDO 芯片可靠性和穩(wěn)定性的最重要因素。因此，LDO 芯片中一般會集成過溫保護電路[1-6]。

當芯片溫度超過過溫保護點TH時，過溫保護電路使芯片進入低功耗狀態(tài)，降低芯片溫度，防止燒毀；當芯片溫度降低到過溫恢復點TL時，過溫保護電路使芯片恢復到正常工作狀態(tài)。為了防止芯片在過溫保護點附近反復改變工作狀態(tài)而引起輸出振蕩，TH＞TL是必要的設計。

本文設計了一種用于負壓LDO芯片的過溫保護電路：首先產(chǎn)生一個具有零溫度系數(shù)的負壓帶隙基準電壓，然后將其與具有負溫度系數(shù)的三極管BE 結電壓進行組合，產(chǎn)生一個具有正溫度系數(shù)的電壓，最后將該電壓與三極管BE 結電壓進行比較，產(chǎn)生過溫保護信號。經(jīng)過仿真、流片和測試，驗證了該電路能夠有效地實現(xiàn)過溫保護功能。

1 電路設計與實現(xiàn)

1.1 負壓LDO 芯片功能框圖

該負壓LDO 芯片為一款負壓輸入、負壓可調(diào)輸出的芯片，內(nèi)部主要包括：啟動電路、使能控制、帶隙基準、誤差放大器、保護電路、驅動、功率管等模塊，其功能框圖如圖1 所示。

圖1 負壓LDO 芯片功能框圖

其中，過溫保護電路通過驅動電路將功率管的基極電壓拉低，從而關斷輸出電壓，起到保護作用。輸出電壓通過外接電阻RF1、RF2調(diào)整，輸出電壓表達式為：

1.2 電路設計

1.2.1 負壓帶隙基準電路設計

本文設計的過溫保護電路需要使用帶隙基準電壓，利用其零溫漂的特性。因此，首先設計了負壓帶隙基準電路。

如圖2 所示，負壓帶隙基準電路包括同類型的電阻R11~R14，三極管Q11~Q13 以及運放OP1，VREF為負壓帶隙基準電壓，VIN是負電源。OP1 作用是將R13 和R14 兩端的電壓鉗位至相等，由于R13 和R14 的阻值相等，流過兩者的電流也相等，因此Q11 和Q12 的集電極電流IC也相同。而Q11 和Q12 的發(fā)射極面積之比為12:1，那么可以推導出R12 兩端電壓VR12的表達式為[7]：

圖2 負壓帶隙基準電路原理圖

圖3 過溫保護電路原理圖

式中：

VBE(Q11)、VBE(Q12)—Q11、Q12 的BE 結電壓；

VT=kT/q—熱電壓，室溫下約為26 mV[8]；

k、q—常量；

T—熱力學溫度。

因此，熱電壓VT隨著溫度的增加而增加，具有正溫度系數(shù)。

流過R12 的電流IB表達式為：

根據(jù)圖2 中的連接關系，VREF可以表示為：

將公式（3）帶入公式（4），得到：

公式（5）中，等式右邊第一項為三極管的BE 結電壓，具有負溫度系數(shù)，第二項為熱電壓的倍數(shù)，具有正溫度系數(shù)。通過調(diào)節(jié)電阻的阻值，改變第二項正溫度系數(shù)電壓的大小，可以進行溫度補償，實現(xiàn)近似零溫度系數(shù)的帶隙基準電壓VREF輸出。

在使用VREF時，會有電流流入VREF端口中，Q13 的作用就是吸收流入的電流，即本文所設計的負壓帶隙基準具有帶載能力，能夠在一定負載范圍內(nèi)保持VREF的穩(wěn)定。

此外，在負壓帶隙基準的設計中還引入了熔絲修調(diào)，在芯片流片下線后根據(jù)實測結果調(diào)整電阻R11 和R12 的阻值，以補償由于工藝一致性差異引起的VREF變化。R11和R12的阻值都只能通過熔絲修調(diào)增加而不能減少。根據(jù)公式（5），當VREF偏小或者呈現(xiàn)負溫度系數(shù)時，修調(diào)R11；當VREF偏大或者呈現(xiàn)正溫度系數(shù)時，修調(diào)R12。

1.2.2 過溫保護電路設計

VPB是過溫保護電路的輸出，連接負壓LDO 芯片的驅動電路。忽略Q3 基極電流的影響，Q3 的基極電壓VA可以表示為：

從公式（6）可以看出，VA具有正溫度系數(shù)。當溫度較低時，三極管Q3 的BE 結開啟電壓VBE(Q3)較高，其基極電壓VA不足以使Q3 開啟，因此Q2~Q6 均處于關斷狀態(tài)，不影響LDO 芯片正常工作。

隨著溫度的增加，VA電壓值增大，而VBE(Q3)降低。當溫度升高到一定值時，三極管Q3 開啟，因此Q2~Q6均處于開啟狀態(tài)，VPB被拉低，通過驅動電路將功率管的基極電壓拉低，從而關斷LDO 芯片的輸出電壓，降低功耗。LDO 芯片的輸出電壓剛被關斷時的溫度即為過溫保護點TH。

當Q4 導通后，將提供額外的電流到電阻R2，使得VA的電壓增加，因此，當LDO 芯片關斷后，隨著溫度的下降，LDO 輸出電壓恢復正常工作的溫度點，即過溫恢復點TL將低于過溫保護點TH，從而實現(xiàn)溫度遲滯功能，有效避免了芯片在過溫保護點附近輸出電壓振蕩。

2 仿真結果

2.1 負壓帶隙基準仿真結果

如圖4 所示為負壓帶隙基準電壓VREF隨溫度變化的仿真曲線。仿真結果表明：在（-55~160）℃的溫度范圍內(nèi)，VREF隨溫度變化的曲線呈現(xiàn)拋物線形狀，具有較好的溫度系數(shù)，并且在工作電源電壓范圍內(nèi)（-10~-4）V，VREF基本不隨電源電壓變化。

圖4 負壓帶隙基準電壓溫度特性仿真結果

當VIN=-4 V、-10 V 時，在（-55~160）℃的溫度范圍內(nèi)，VREF最大變化量?VREF均為20.4 mV，根據(jù)溫度系數(shù)TC 的計算公式：

將VREF(25℃)=1.224 8 V，TMAX=160 ℃，TMIN=-55 ℃帶入公式（7）中，得到TC=77.5 ppm/℃。

負壓帶隙基準電壓的低溫漂特性以及在160 ℃高溫下仍能夠正常工作的特性，保證了過溫保護電路功能的實現(xiàn)。

2.2 過溫保護仿真結果

如圖5 所示為Q3 的基極電壓VA隨溫度變化的仿真曲線。仿真結果表明：VA隨溫度的增加而升高，具有正溫度系數(shù)，并且在工作電源電壓范圍內(nèi)，VA基本不隨電源電壓變化。

圖5 Q3 的基極電壓VA 溫度特性仿真結果

如圖6 所示為LDO 芯片輸出電壓（ADJ 端口輸出，未外接反饋電阻）隨溫度變化的曲線。仿真結果表明：LDO 芯片的過溫保護點TH為161 ℃，過溫恢復點TL為108 ℃，并且在工作電源電壓范圍內(nèi)，過溫保護點和過溫恢復點均不隨電源電壓變化。

圖6 過溫保護仿真結果

3 測試結果

基于4 μm 標準雙極工藝，采用本文的過溫保護電路設計了負壓LDO 芯片，芯片版圖如圖7 所示。

圖7 負壓LDO 芯片版圖

電路流片下線后，對過溫保護功能進行了測試，測試線路如圖8 所示。

圖8 過溫保護功能測試線路

LDO 芯片本身消耗的電流約為1 mA，輸出電壓-1.22 V左右，因此負載電流約5 mA。在VIN=-4 V、-10 V時，LDO 芯片的功耗分別約為24 mW、60 mW，功耗均較小，不會造成芯片結溫明顯的上升，對過溫保護功能測試影響較小。

過溫保護功能測試結果匯總后如表1 所示，過溫保護點和過溫恢復點均不隨電源電壓變化，實測值與仿真值基本吻合。

表1 過溫保護測試結果

4 結論

本文介紹了一種用于負壓LDO芯片的過溫保護電路，經(jīng)過流片驗證，該電路可以在（165~170）℃時關斷芯片的輸出，在溫度降低到（95~100）℃時，芯片輸出恢復正常工作，從而保證了芯片在高溫和高功耗下的安全工作。