CN101588056A - 一种过热保护电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种过热保护电路，它含有：一个施密特触发器单元和一个热敏单元。热敏单元的输出为施密特触发器单元的输入，施密特触发器单元的输出通过控制NMOS管的工作状态，调整过热保护电路的迟滞温度，同时施密特触发器单元的输入作为热敏单元的输出信号，去控制电路。本发明电路结构新颖、原理简单，不需要常规热保护电路需要的齐纳管，只需通过带寄生NPN管的CMOS工艺即可实现。通过合理设计热敏电阻的值，能很好地调整迟滞温度。本发明电路的热保护温度为150℃，其迟滞温度达10℃。本发明电路可广泛应用于模拟集成电路中的电源管理电路，尤其是低压差线性电源领域。

Description

一种过热保护电路

技术领域

本发明涉及一种过热保护电路，特别涉及一种具有施密特触发器的过热保护电路。它直接应用的领域是模拟集成电路中的电源管理电路，尤其是低压差线性电源。

背景技术

过热保护电路是电源管理电路的核心保护单元电路，尤其在电源管理电路中的低压差线性电源中，过热保护电路决定了低压差电源的安全性能。

目前，典型的过热保护结构电路图见图1(参见书：朱正涌著，“半导体集成电路”，清华大学出版社，2001，302页)。它采用三极管、电阻、齐纳管构成，当温度升高时，三极管EB结的导通电压下降，同时由于电阻的正温度系数，使电阻上的压降增大，当电阻上的电压降达到三极管EB结的导通电压时，三极管导通，关断发热器件，达到保护的目的。它的优点是原理简单、温度点好调整，缺点是：由于使用了齐纳管，工作电压较高、过热保护没有迟滞效应，当电路热关断后，电路温度降低，电路又要立即工作，即电路要不断地重复工作、热关断，其应用有一定的局限性。

图2是一种改进后的过热保护电路(参见专利申请，申请号：200610115506.2，专利名称：过热保护电路、功率传输集成电路及功率传输方法)的电路框图。它通过温度传感比较器设计了控制开关S1的高阈值温度点和控制开关S2的低阈值温度点，该即当温度高于设置的高阈值温度点时，S1断开、S2闭合；当温度降低到低于低阈值的温度点时，S1闭合、S2断开。此电路保护具有迟滞效应，优点是高阈值温度点、低阈值温度点可以设定，其缺点是电路元件多、电路设计复杂，且没有详细说明高阈值温度点、低阈值温度点的设计方法。

发明内容

为克服上述问题，本发明提供一种过热保护电路，达到电路的迟滞温度可按要求调整的目的，且电路结构简单、便于使用。

为实现上述目的，本发明解决上述技术问题所采取的技术方案在于：一种过热保护电路，它含有：

一个施密特触发器单元，包括：

四个PMOS管M4、M5、M8、M10和四个NMOS管M6、M7、M9、M11，其中，M4的源极与电源V_CC相接，M4的漏极分别与M5、M8的源极相接，M8的漏极接地，M4、M5、M6、M7的栅极连接在一起，M7的漏极分别与M6、M9的源极相接，M9的源极接电源V_CC，M7的源极接地，M5、M6的漏极与M8、M9、M10、M11的栅极连接在一起，M4、M5、M8、M10的衬底接电源V_CC，M6、M7、M9、M11的衬底接地；

M4、M5、M6、M7的栅极连接在一起，形成施密特触发器单元的输入A1，M10的漏极与M11的漏极相接，形成施密特触发器单元的输出A2；

一个热敏单元，包括：

三个PMOS管M12、M13、M14和一个NMOS管M16，其中，M14的漏极与M12、M13、M14的栅极连接在一起，M14的漏极还与耗尽型NMOS管M16的栅极、漏极相接，形成热敏单元的偏置，M12、M13、M14的源极和衬底与电源V_CC相接；

一个NPN晶体管Q2、一个NMOS管M15和两个热敏电阻R5、R6，其中，Q2的集电极接M12的漏极，构成热敏单元的输出A1，即施密特触发器单元的输入A1，Q2的基极分别与M13的漏极和R5的1端相接，M15的漏极分别与R5的2端和R6的1端相接，R6的2端接地，M15的源极、衬底接地，M15的栅极接施密特触发器单元的输出A2，即与M10、M11的漏极相接。

有益效果：

本发明的一种过热保护电路包括施密特触发器单元和热敏单元两部分，本发明的电路结构简单、实用。与传统的过热保护电路相比，它具有以下特点：

1.本发明的过热保护电路，需要的元件仅有NMOS管、PMOS管、NPN管、电阻等，其制作工艺通过带有寄生NPN的CMOS工艺即可实现，其电路结构简单，迟滞温度可以调整，使用方便，大大降低了成本。

2.本发明电路中的施密特触发器单元，其作用是对本发明电路中的热敏单元的输出信号进行整形。施密特触发器的输出A2控制热敏单元中的M15的栅，结合热敏电阻R5、R6的值，来调整过热保护电路的迟滞温度。当施密特触发器单元的输入A1为低时，输出A2为低，电路过热，电路关断，达到过热保护的目的。

3.本发明电路的热敏单元中，采用了一个NMOS管M15和两个热敏电阻R5、R6，利用M15对本发明电路的迟滞温度进行调整，再通过R5、R6的比值来决定本发明电路的迟滞温度。

本发明正是由于采用了具有上述特点的电路结构，通过调整热敏电阻的值，使本发明电路实现在150℃关断，温度降低到140℃以下时，电路又开始工作，其迟滞温度达10℃，实现了电路的迟滞温度按要求调整的目的。

附图说明

图1为传统的过热保护结构的电原理图；

图2为具有迟滞温度的过热保护电路的电原理框图；

图3为本发明具体实施的过热保护电路的电路图。

具体实施方式

本发明的具体实施方式不仅限于下面的描述，现结合附图加以进一步说明。

本发明具体实施的过热保护电路的如图3所示。它由一个施密特触发器单元和一个热敏单元组成，具体结构和连接关系、作用关系与本说明书的发明内容部分相同，此处不再重复。它的工作原理如下：

在热敏单元的设计中，恒流源采用的是基于带隙基准的恒流源，其温度的变化很小，忽略电流随温度的变化，根据相关公式，三极管V_BE电压如(1)式所示。

$V_{\mathrm{BE}}\left(T\right)=V_{g0}\×(1-\frac{T}{T_0})+V_{\mathrm{BE}0}\left(\frac{T}{T_0}\right)+\frac{\mathrm{nkt}}{q}\ln \frac{T}{T_0}---\left(1\right)$

(1)式中，V_g0是硅的禁带宽度，为常数；三极管的V_BE为负温度系数，大多在-1700ppm/℃～-2500ppm/℃间。随着温度升高，三极管的导通电压V_BE降低，(1)式可简化为：

V_BE(T)＝V_BE0+α(T₀-T)    (2)

(2)式中，α为三极管的温度系数。

由于采用的是基于带隙基准的恒流源，其温度的变化很小，忽略电流随温度的变化，设流过电阻R5、R6的电流为I，电阻R5、R6采用多晶硅电阻，其温度系数为RTC，通常RTC在2000ppm/℃左右，在温度升高瞬间热保护时，只有R5上有电压降，R6被短路，在温度为T_h时，电阻R5上的电压降为：

R(T)＝R₀×[1+RTC×(T_h-T₀)]    (3)

V_R(T)＝I×R₀₁×[1+RTC×(T_h-T₀)]    (4)

当电阻R5上的电压降大于等于三极管的导通电压时，晶体管Q2导通，过热保护开始工作，此时有：

V_BE(T_h)＝V_R(T_h)

V_BE0+α(T₀-T_h)＝I×R₀₁×[1+RTC×(T_h-T₀)]

$T_h=\frac{V_{\mathrm{BE}}0+\mathrm{\α}{T}_0-I\×R_{01}+I\×R_{01}\×{\mathrm{RTCT}}_0}{I\×R_{01}\×\mathrm{RTC}+\mathrm{\α}}---\left(5\right)$

这时，由于施密特触发器单元的输入，即热敏单元的输出A1为低电平，那么施密特触发器的输出A2为低，因而M15管不工作。当温度降低到T_L(电路热保护停止，开始正常工作的温度)，R1、R2上的电压降小于三极管VBE的电压时，电路开始正常工作，此时有：V_BE0+α(T₀-T_l)≥I×R₀₁×[1+RTC×(T_l-T₀)]+I×R₀₂×[1+RTC×(T_l-T₀)]

$T_l\≤\frac{V_{\mathrm{BE}}0+\mathrm{\α}{T}_0-I\×R_{01}+I\×R_{01}\×{\mathrm{RTCT}}_0-I\×R_{02}+I\×R_{02}\×\mathrm{RTCT}}{I\×R_{01}\×\mathrm{RTC}+I\×R_{02}\×\mathrm{RTC}+\mathrm{\α}}---\left(6\right)$

从以上分析可以看出，电路温度从低到高过程中，开始时，R5导通，此时导通的温度为热保护的高阈值；热保护开始启动后，电路关断，电路温度降低；直至R5、R6上的电压降到小于三极管的导通电压时，电路正常工作，此时的温度为热保护的低阈值。电路温度升高到150℃时，电路关断；当降低10℃后，电路又开始正常工作，迟滞温度为10℃；

本发明的基本参数要求为：

R5为多晶硅电阻：146kΩ；

R6为多晶硅电阻：17kΩ；

多晶硅电阻的温度系数RTC：2000ppm/℃；

PMOS管M13的支路电流设计为：3μA；

NPN管Q2：常温时EB结电压V_BE为0.65V；

NPN管Q2的EB结电压V_BE的温度系数为：-1.7mV/℃；

过热保护高阈值设计为：150℃；

过热保护低阈值设计为：140℃。

本发明的制造工艺为带寄生NPN管的CMOS工艺。

Claims (1)

1.一种过热保护电路，其特征在于，它含有：

一个施密特触发器单元，包括：

四个PMOS管M4、M5、M8、M10和四个NMOS管M6、M7、M9、M11，其中，M4的源极与电源V_CC相接，M4的漏极分别与M5、M8的源极相接，M8的漏极接地，M4、M5、M6、M7的栅极连接在一起，M7的漏极分别与M6、M9的源极相接，M9的源极接电源V_CC，M7的源极接地，M5、M6的漏极与M8、M9、M10、M11的栅极连接在一起，M4、M5、M8、M10的衬底接电源V_CC，M6、M7、M9、M11的衬底接地；

M4、M5、M6、M7的栅极连接在一起，形成施密特触发器单元的输入A1，M10的漏极与M11的漏极相接，形成施密特触发器单元的输出A2；

一个热敏单元，包括：

三个PMOS管M12、M13、M14和一个NMOS管M16，其中，M14的漏极与M12、M13、M14的栅极连接在一起，M14的漏极还与耗尽型NMOS管M16的栅极、漏极相接，形成热敏单元的偏置，M12、M13、M14的源极和衬底与电源V_CC相接；

一个NPN晶体管Q2、一个NMOS管M15和两个热敏电阻R5、R6，其中，Q2的集电极接M12的漏极，构成热敏单元的输出A1，即施密特触发器单元的输入A1，Q2的基极分别与M13的漏极和R5的1端相接，M15的漏极分别与R5的2端和R6的1端相接，R6的2端接地，M15的源极、衬底接地，M15的栅极接施密特触发器单元的输出A2，即与M10、M11的漏极相接。

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