CN101345512B - 利用集电极穿透电流监测功率管结温进行过温保护的方法 - Google Patents

Abstract

利用集电极穿透电流监测大功率管结温进行过温保护的方法，利用三极管的ICEO即漏电流随温度成2的次方形式递增的原理来进行过温保护，正常工作时，充电管(Q222)对振荡电容(C7)充电至电源，平时振荡电容(C7)上极板为正电荷，下极板为负电荷，充电管(Q222)充电时对下极板充正电荷，充至下极板同上极板同电位，放电管(Q207)一直有电流，对振荡电容(C7)充电时，放电电流ic3忽略不计，放电时对放电管(Q207)放电，放电管(Q207)电流很小，整个周期主要由放电时间决定；I_CEO(即穿透电流)随温度成2的次方形式递增，能够及时监测到输出管结温，即大部分时间处于关闭状态，非常有效地提高了电路的可靠性。

Description

利用集电极穿透电流监测功率管结温进行过温保护的方法

技术领域

本发明是一种利用集电极穿透电流监测大功率管结温进行过温保护，属于集成电路设计技术领域。

背景技术

大功率功放失效的重要原因之一是输出管通过大电流而引起结温超过允许值。在集成功率放大器中，输出管的结温决定芯片的温度。为此，常利用二极管或晶体管的结温升作为测温元件，让它们靠近输出管，从而反应输出管的温升情况，当输出管温升超过允许值时，测温二极管(或晶体管)启动一个电路，，输出管驱动电流减小，使芯片温度下降至安全值。

传统的过热保护电路如图1示，设保护温度为Ts＝150℃。由于V_z和V_BE的温度系数分别为

如果忽略电阻比的温度系数，则

(150℃)，于是Q_H导通，偏置电流减小，输出管驱动电流减小，亦即输出管发热减小，芯片温度下降。随着芯片温度的下降，V_BEH随之升高，V_H跟着下降，Q_H截止，偏置电流恢复，芯片温度又会上升。这样，就会在在过热保护湿度附近产生热振荡。这种热振荡一方面会破坏电路正常工作，另一方面由于硅片和封装管壳各部分的温度系数不同，还会在硅片和管壳的连接处产生附加的应力。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种利用集电极穿透电流监测大功率功放输出管结温进行过温保护的方法，I_CEO(即穿透电流)随温度成2的次方形式递增，能够及时监测到输出管结温，即大部分时间处于关闭状态，非常有效地提高了电路的可靠性。

技术方案：本发明的过热保护热采样用的是I_CEO(穿透电流)。电路内部可设计测试多种温度来保护电路的过温保护模块，一部分基极开路的三极管均匀分布在输出管里面，另一部分基极开路的三极管在输出管外部用来测试整个芯片温度。两者产生启动脉冲信号的温度不同。当输出对地、对电源及负载短路时，因输出管温度上升最快，所以先启动输出管里的保护电路。如果温度不能及时消散，随后启动另一个保护电路。在开始电路不是非常热时，电路启动过热保护时，会出现2ms左右的闪烁波形，如果温度还不能及时消散，电路就一直保持在高输出阻抗状态，没有输出波形。

再来讨论I_CEO，它是基极开路(即I_B＝0)时由集电极直通到发射极的电流，如图2所示，基极开路时，加在集电极和发射极间的正值电压V_CE被分配到两个结点上，即V_CE＝V_CB+V_BE，其中V_CB为正值(或V_BC为负值)，集电结上加的是反偏；V_BE为正值，发射结上加的是正偏，晶体管仍工作在放大模式，具有正向受控作用。由于I_B＝0，I_B中的受控成分〔I_EP+(I_EN-I_CN1)〕等于I_CBO其值被放大

倍，再加上集电极本身的I_CBO。因而

显然I_CEO远大于I_CBO。不过，在常温下，I_CBO很小，因而I_CEO仍是一个很小的值，一般可以忽略不计。

I_EP是基区中多子空穴通过发射结源源不断地注入到发射区而形成的空穴电流。

(I_EN-I_CN1)是基区中非平衡少子在向集电结扩散过程中被复合而形成的复合电流。

为共发射极(简称为共发或共射)电流放大系数(Common Emitter CurrentCain)其值大于1。

I_CEO是基极开路时(I_B＝0)的集电结电流，称为穿透电流。

I_CBO均是温度敏感的参数，工程分析时，可近似为：

每升高1℃，

增大(0.5～1)％，即

每升高10℃，I_CBO增大一倍，即I_CBO(T2)＝I_CBO(T1)*2*(T2-T1)/10

如在室温下，

I_CBO＝10^-12A，温度由室温升高到40℃时，

则

即

I_CBO增大2⁴倍，即I_CBO＝1.6*10^-11A，

所以说I_CEO(即穿透电流)能够及时监测到输出管结温。

利用三极管的ICEO即漏电流随温度成2的次方形式递增的原理来进行过温保护，正常工作时，充电管对振荡电容充电至电源，平时振荡电容上极板为正电荷，下极板为负电荷，充电管充电时对下极板充正电荷，充至下极板同上极板同电位，放电管一直有电流，对振荡电容充电时，放电电流ic3忽略不计，放电时对放电管放电，放电管电流很小，整个周期主要由放电时间决定；

利用集电极穿透电流监测大功率管结温进行过温保护的方法利用三极管的ICEO即漏电流随温度成2的次方形式递增的原理来进行过温保护，正常工作时，充电管对振荡电容充电至电源，平时振荡电容上极板为正电荷，下极板为负电荷，充电管充电时对下极板充正电荷，充至下极板同上极板同电位，放电管一直有电流，对振荡电容充电时，放电电流ic3忽略不计，放电时对放电管放电，放电管电流很小，整个周期主要由放电时间决定；

在电容对放电管放电过程中，第一电平比较器、第二电平比较器导通，第三电平比较器截止，第一恒流源中的第一恒流管、第二恒流管、第三恒流管截止，第二恒流源中的第四恒流管、第五恒流管截止；当过温保护点被置低时，第三恒流源中的第六恒流管、第七恒流管导通，有70uA电流，第九恒流管恒流，第八恒流管的集电极约拉掉20uA电流，第七恒流管剩余电流流至第十恒流管的基极，第十恒流管饱和；当电容放电放至第三电平比较器的基极电位为高时，第三电平比较器导通，第一恒流源中的第一恒流管、第二恒流管、第三恒流管导通，第二恒流源中的第四恒流管、第五恒流管导通，恒流源2饱和；第四电平比较器的基极置低时，过温保护点被置高；当过温保护点一被置高时第五电平比较器被关断，第五电平比较器关断后，它的基极立即被置低，2ms后，过温保护点的电位仍与第五电平比较器的基极电位比较；一旦进入过温保护状态后，第六电平比较器的基极拉低，第五电平比较器导通，其基极电位被迅速置高，在2ms期间，若温度下降一点点，过温保护上升一点点，如果仍和1.35V比较的话，则电路可能一直处于保护和不保护状态之间；电平比较器第五电平比较器的基极电平变高，即比较基极电平置高、即保护住的时间加长，电路的可靠性变好；一部分基极开路的三极管即输出管的第一温度检测管、第二温度检测管、第三温度检测管、第四温度检测管均匀分布在输出管里面，另一个基极开路的三极管即前置部分温度检测管分布在输出管外部用来测试整个芯片温度，两个不同位置的基极开路的三极管产生启动脉冲信号的温度不同，当温度检测管、第一温度检测管、第二温度检测管、第三温度检测管、第四温度检测管高温时的集电极穿透电流增大至足以使第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管导通，电路进入过温保护状态；

大功率功放电路正常工作时，当输出端对地、对电源及负载短路时，输出管温度上升得非常快，所以先启动输出管里的保护电路；如果温度不能及时消散，随后启动另一个保护电路；

当大功率功放电路的温度非常高时(一般电路表面温度超过130摄氏度)，电路启动过热保护时，会出现2ms左右的闪烁波形，如果温度还不能及时消散，电路就一直保持在高输出阻抗状态，没有输出波形。大大提高了大功率功放电路的可靠性。

有益效果：大功率功放电路的负载对地、对电源交流短路保护一直是设计的一大难点。因为负载对电源、对地交流短路保护瞬间会产生非常大的电流导致输出管结温迅速上升，而传统的过温保护电路反应速度远远跟不上结温的上升速度。综上分析，利用穿透电流来监测输出管的结温可以完美地完成负载对地、对电源的交流短路保护。I_CEO(即穿透电流)随温度成2的次方形式递增，能够及时监测到输出管结温，保护之后，电路的工作状态为检测-→保护(2ms)-→检测，即大部分时间处于关闭状态，非常有效地提高了电路的可靠性。

附图说明

图1是传统的过热保护电路示意图，

图2是集电极穿透电流的示意图，

图3是利用集电极穿透电流监测功放输出管结温进行过温保护示意图，其中图3a是图3的右边部分，图3b是图3的中间部分，图3c是图3的左边部分。

图4是利用集电极穿透电流监测功放输出管结温进行过温保护后的输出波形示图。

具体实施方式

热采样用的是，ICEO的漏电流随温度成2的次方形式递增。温度上升100度电流可以增加1000倍，此时漏电流不容忽视，可以达到uA级电流。

正常工作时，充电管Q222对振荡电容C7充电至电源，平时振荡电容C7上极板为正电荷，下极板为负电荷，充电管Q222充电时对下极板充正电荷，充至下极板同上极板同电位，放电管Q207一直有电流，对振荡电容C7充电时，放电电流ic3忽略不计，放电时对放电管Q207放电，放电管Q207电流很小，整个周期主要由放电时间决定。

在电容对放电管Q207放电过程中，第一电平比较器Q210、第二电平比较器Q209导通，第三电平比较器Q208截止，恒流源1中的第一恒流管Q204、第二恒流管Q202、第三恒流管Q203截止，恒流源2中的第四恒流管Q186、第五恒流管Q189截止；当过温保护点被置低时，恒流源3中的第六恒流管Q201、第七恒流管Q200导通，大约有70uA电流，第九恒流管Q190恒流，第八恒流管Q187的集电极约拉掉20uA电流，第七恒流管Q200剩余电流流至第十恒流管Q188的基极，第十恒流管Q188饱和。当电容放电放至第三电平比较器Q208的基极电位为高时，第三电平比较器Q208导通，恒流源1导通，恒流源2导通，恒流源2 Q189饱和。第四电平比较器Q180的基极置低时，过温保护点被置高。当过温保护点一被置高时第五电平比较器Q237被关断，第五电平比较器Q237关断后，它的基极立即被置低，2ms后，过温保护点的电位仍与第五电平比较器Q237的基极电位比较。一旦进入过温保护状态后，第六电平比较器Q238的基极拉低，第五电平比较器Q237导通，其基极电位被迅速置高，在2ms期间，若温度下降一点点，过温保护上升一点点，如果仍和1.35V比较的话，则电路可能一直处于保护和不保护状态之间。电平比较器第五电平比较器Q237的基极电平变高，即比较基极电平置高，即保护住的时间加长，电路的可靠性变好。

下面计算电容放电时间：

流经第一充电管Q223，第二充电管Q224，第三充电管Q225的电流为I1，流经第四充电管充电管Q228，第五充电管Q229，第六充电管Q230的电流为I2。很容易得出I2/I1＝12。

VB215-VB216＝3VT×ln12

IC215/IC216＝12×12×12＝1728

所以工×T＝C7*4

T＝C7*4/(I0/1728)＝2m。

Claims (1)

1.一种利用集电极穿透电流监测大功率管结温进行过温保护的方法，其特征在于利用三极管的漏电流随温度成2的次方形式递增的原理来进行过温保护，正常工作时，充电管(Q222)对振荡电容(C7)充电至电源，平时振荡电容(C7)上极板为正电荷，下极板为负电荷，充电管(Q222)充电时对下极板充正电荷，充至下极板同上极板同电位，放电管(Q207)一直有电流，对振荡电容(C7)充电时，放电电流忽略不计，放电时对放电管(Q207)放电，放电管(Q207)电流很小，整个周期由放电时间决定；

在电容对放电管(Q207)放电过程中，第一电平比较器(Q210)、第二电平比较器(Q209)导通，第三电平比较器(Q208)截止，第一恒流源中的第一恒流管(Q204)、第二恒流管(Q202)、第三恒流管(Q203)截止，第二恒流源中的第四恒流管(Q186)、第五恒流管(Q189)截止；当过温保护点被置低时，第三恒流源中的第六恒流管(Q201)、第七恒流管(Q200)导通，有70uA电流，第九恒流管(Q190)恒流，第八恒流管(Q187)的集电极拉掉20uA电流，第七恒流管(Q200)剩余电流流至第十恒流管(Q188)的基极，第十恒流管(Q188)饱和；当电容放电放至第三电平比较器(Q208)的基极电位为高时，第三电平比较器(Q208)导通，第一恒流源中的第一恒流管(Q204)、第二恒流管(Q202)、第三恒流管(Q203)导通，第二恒流源中的第四恒流管(Q186)、第五恒流管(Q189)饱和导通；第四电平比较器(Q180)的基极置低时，过温保护点被置高；当过温保护点一被置高时第五电平比较器(Q237)被关断，第五电平比较器(Q237)关断后，它的基极立即被置低，2ms后，过温保护点的电位仍与第五电平比较器(Q237)的基极电位比较；一旦进入过温保护状态后，第六电平比较器(Q238)的基极拉低，第五电平比较器(Q237)导通，其基极电位被迅速置高，在2ms期间，若温度下降，过温保护上升，如果和1.35V比较的话，则电路一直处于保护和不保护状态之间；电平比较器第五电平比较器(Q237)的基极电平变高，即比较基极电平置高，一部分基极开路的三极管即输出管的第一温度检测管(T121)、第二温度检测管(T120)、第三温度检测管(T121a)、第四温度检测管(T120a)均匀分布在输出管里面，另一个基极开路的三极管即前置部分温度检测管(Q226)分布在输出管外部用来测试整个芯片温度，两个不同位置的基极开路的三极管产生启动脉冲信号的温度不同，当前置部分温度检测管(Q226)、第一温度检测管(T121)、第二温度检测管(T120)、第三温度检测管(T121a)、第四温度检测管(T120a)高温时的集电极穿透电流增大至足以使第一开关管(Q177)、第二开关管(Q164)、第三开关管(Q165)、第四开关管(Q170)、第五开关管(Q171)导通，电路进入过温保护状态。

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