CN101931211A - 过热保护电路以及电源用集成电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提供过热保护电路以及电源用集成电路。作为课题，提供具有检测精度高的过热保护电路的电源用集成电路。作为解决手段，构成为，由比较器对通过电流产生电路的电流得到的具有正温度特性的基准电压与具有负温度特性的温度电压进行比较，所述电流产生电路具有：第1MOS晶体管，其栅极端子与漏极端子连接，工作在弱反型区；与第1MOS晶体管相同导电型的第2MOS晶体管，其栅极端子与第1MOS晶体管的栅极端子连接，工作在弱反型区；以及第1电阻元件，其与第2MOS晶体管的源极端子连接。

Description

过热保护电路以及电源用集成电路
技术领域
本发明涉及在电源用集成电路过热时使电路工作停止的过热保护电路。
背景技术
以串联稳压器以及开关稳压器为代表的电源用集成电路，在内部具有流过大电流的输出晶体管。因此，在输出晶体管的电力损耗大且集成电路的散热不充分的情况下，存在因过热导致冒烟及起火的危险。因此，为了确保安全，在处理大电流的电源用集成电路中，内置有过热保护电路。
作为内置于电源电路中的过热保护电路，例如，广泛使用专利文献1所示的电路。
通常，过热保护电路将二极管用作热敏元件，利用二极管的正向电压的温度特性来工作。在COMS工艺中使用寄生二极管的情况下，二极管的正向电压取决于硅的带隙电压，其温度系数也与工艺无关，大致为-2mV/℃左右，因此适于作为集成电路中的热敏元件。
通过对该热敏元件的输出与不具有温度系数的基准电压进行比较，能够检测热敏元件是否超过一定温度。将基准电压设定为与热敏元件在视为过热的温度下输出的电压相等。过热保护电路构成为：当根据热敏元件的输出电压与基准电压之间的大小关系，检测到过热时，使输出晶体管截止。
图2示出了现有的具有过热保护电路的电源用集成电路的电路图。电源用集成电路具有稳压器100以及过热保护电路101。
过热保护电路101具有E/D型基准电压电路102、基准电压调节电路103以及温度检测电路。从E/D型基准电压电路102输出的基准电压Vref0输入到基准电压调节电路103。基准电压Vref0经由基准电压调节电路103，作为基准电压Vref而输入到比较器21的反相输入端子。另一方面，由恒流源23偏置的二极管20的正向电压Vf输入到比较器21的正相输入端子。受恒定电流偏置的二极管的正向电压具有-2mV/℃左右的负温度系数。图3示出了这些电压与温度Tj(结温)的关系。
在温度Tj低从而Vf＞Vref的情况下，比较器21的检测信号VDET为高电平，PMOS晶体管22截止。因此，稳压器100正常工作。
在温度Tj上升从而Vf＜Vref的情况下，比较器21的输出为低电平，PMOS晶体管22导通。其结果是，稳压器100处于关闭状态。
这里，通过基准电压调节电路103对基准电压进行调节，能够使稳压器100在期望的过热检测温度下关闭。
专利文献1：日本特开2005-100295号公报(图3)
但是，当通过上述结构来构成过热保护电路时，为了提高检测温度精度，存在以下课题。
首先，基准电压电路导致面积增加。在把E/D型基准电压电路用作基准电压电路的情况下，由MOS晶体管的阈值偏差引起的基准电压偏差为100mV左右。因此，在制造工序中，需要进行微调，以使基准电压成为期望的电压。因此，需要另外设置用于调节基准电压的基准电压调节单元，从而面积增加。在基准电压电路采用电压精度高的带隙基准的情况下，需要很多二极管元件以及误差放大器，从而也将导致面积增加。
另外，比较器21的随机偏移是产生检测温度偏差的主要原因。在利用MOS工艺构成的情况下，比较器存在10mV左右的随机偏移。
假设比较器的随机偏移为±12mV、热敏元件的温度系数为-2mV/℃，则因比较器的随机偏移引起的检测温度偏差为±6℃。为了减小因比较器的随机偏移引起的检测温度偏差，只要减小比较器的随机偏移或增大热敏元件的温度系数即可。为了减小比较器的随机偏移，必须增大构成比较器的晶体管的尺寸，从而会导致面积增加。另一方面，如果增大热敏元件的温度系数，则从常温至检测到过热的高温的热敏元件的输出电压变化幅度很大，不利于在低电压下工作。
发明内容
本发明的目的在于，构成如下的过热保护电路以及电源用集成电路，其不需要在制造后进行基准电压调节，占有面积小，适于在低电压下工作，检测温度偏差小。
为了达到上述目的，本发明的过热保护电路构成为，由比较器对通过电流产生电路的电流得到的具有正温度特性的基准电压与具有负温度特性的温度电压进行比较，所述电流产生电路具有：第1MOS晶体管，其栅极端子与漏极端子连接，工作在弱反型区；与第1MOS晶体管相同导电型的第2MOS晶体管，其栅极端子与第1MOS晶体管的栅极端子连接，工作在弱反型区；以及第1电阻元件，其与第2MOS晶体管的源极端子连接。
根据本发明的具有过热保护电路的电源用集成电路，能够减小基准电压的偏差，且具有正温度特性，因此，具有能够减小检测温度偏差的效果。而且，通过使基准电压电路具有与热敏元件相反的温度特性，能够增大有效温度系数，因此，能够减小因比较器的随机偏移引起的检测电压偏差。
附图说明
图1是示出第1实施方式的具有过热保护电路的电源用集成电路的电路图。
图2是现有的具有过热保护电路的电源用集成电路的电路图。
图3是示出现有的过热保护电路的温度特性和检测温度偏差的图。
图4是示出第1实施方式的过热保护电路的温度特性和检测温度偏差的图。
图5是示出第1实施方式的过热保护电路的另一例的电路图。
图6是示出第2实施方式的具有过热保护电路的电源用集成电路的电路图。
图7是示出图6的过热保护电路的温度特性与检测温度的关系的图。
图8是示出第2实施方式的过热保护电路的另一例的电路图。
图9是示出图8的过热保护电路的温度特性与检测信号的关系的图。
图10是示出第3实施方式的具有过热保护电路的电源用集成电路的电路图。
图11是示出第4实施方式的具有过热保护电路的电源用集成电路的电路图。
标号说明
1误差放大电路；4基准电压电路；21、32、33比较器；34锁存电路；100稳压器；101过热保护电路；102E/D型基准电压电路；103基准电压调节电路。
具体实施方式
下面，以具有稳压器的电源用集成电路为例，说明本发明的实施方式。
[第1实施方式]
图1是本实施方式的具有过热保护电路的电源用集成电路的电路图。
本实施方式的电源用集成电路具有稳压器100以及过热保护电路101。
稳压器100具有误差放大器1、输出晶体管2、分压电阻3以及基准电压电路4。过热保护电路101具有基准电压电路以及温度检测电路。
过热保护电路101的基准电压电路的结构如下。NMOS晶体管11的栅极端子与漏极端子连接，源极端子接地。NMOS晶体管12的栅极与NMOS晶体管11的栅极端子连接。电阻19连接在NMOS晶体管12的源极端子与地之间。PMOS晶体管13、14、15构成电流镜电路。电阻18连接在PMOS晶体管15的漏极端子与地之间。并且，从电阻18与PMOS晶体管15的连接点(第1温度电压输出端子)输出基准电压Vref。这里，电阻18与电阻19具有相同的温度系数。
过热保护电路101的温度检测电路的结构如下。PMOS晶体管16与PMOS晶体管13构成电流镜电路。作为热敏元件的二极管20连接在PMOS晶体管16的漏极与地之间。并且，从二极管20与PMOS晶体管16的连接点(第2温度电压输出端子)输出二极管20的正向电压，即温度电压Vf。比较器21的反相输入端子输入基准电压Vref，正向输入端子输入温度电压Vf。
PMOS晶体管22的栅极与比较器21的输出端子连接，漏极与稳压器100的输出晶体管2的栅极连接。
上述结构的电源用集成电路具有进行如下动作来保护电路以免过热的功能。
通过电流镜电路，将基于NMOS晶体管12的漏极电流的电流提供给NMOS晶体管11、电阻18以及二极管20。比较器21对基准电压Vref与温度电压Vf进行比较，根据其大小关系，控制PMOS晶体管22。
当温度电压Vf高于基准电压Vref时，比较器21的输出为高电平，PMOS晶体管22截止。作为结果，稳压器100正常工作。而当温度电压Vf低于基准电压Vref时，比较器21的输出为低电平(过热检测状态)，PMOS晶体管22导通。作为结果，稳压器100处于关闭状态。
接着，说明与比较器21进行比较的基准电压Vref和温度电压Vf有关的电阻18和二极管20的温度特性。
这里，NMOS晶体管11以及NMOS晶体管12工作在弱反型区。在这些晶体管中，设W为栅极宽度、L为栅极长度、Vth为阈值电压、Vgs为栅/源间电压、q为电子的电荷量、k为玻尔兹曼常数、T为绝对温度、Id0以及n为由工艺决定的常数，则可通过式1来计算漏极电流Id。
Id＝Id0(W/L)exp{(Vgs-Vth)q/nkT}…(1)
如果将nkT/q表示为热电压UT，则式2成立。
Id＝Id0(W/L)exp{(Vgs-Vth)/UT}…(2)
由此，可通过式3来计算NMOS晶体管11以及NMOS晶体管12的栅/源间电压Vgs。
Vgs＝UTln[Id/{Id0(W/L)}]+Vth…(3)
PMOS晶体管13、14以及15以电流镜形式连接，因此，如果各自的宽长比(W/L)相等，则PMOS晶体管13、14以及15的漏极电流Id3、Id4以及Id5相同。而且，流过电阻18的电流Ir18与流过二极管20的电流If也相同。
在电阻19上产生在弱反型区工作的NMOS晶体管11的栅/源间电压Vgs11减去在弱反型区工作的NMOS晶体管12的栅/源间电压Vgs12而得到的电压(Vgs11-Vgs12)。因此，可根据该电压(Vgs11-Vgs12)以及电阻19的电阻值R19，通过式4来计算漏极电流Id12以及流过电阻18的电流Ir18。
Ir18＝Id12＝(Vgs11-Vgs12)/R19…(4)
因此，如果设电阻18的电阻值为R18，则可通过式5来计算在电阻18上产生的输出电压，即基准电压Vref。
Vref＝R18·Ir18＝(R18/R19)(Vgs11-Vgs12)…(5)
设NMOS晶体管11的栅极宽度为W11、NMOS晶体管11的栅极长度为L11、NMOS晶体管11的阈值电压为Vth1、NMOS晶体管12的栅极宽度为W12、NMOS晶体管12的栅极长度为L12、NMOS晶体管12的阈值电压为Vth2，则当NMOS晶体管11与NMOS晶体管12的阈值电压相等时(Vth1＝Vth2)，根据式3，可通过式6来计算基准电压Vref。
Vref＝(R18/R19)UTln{(W12/L12)/(W11/L11)}…(6)
即，由于电阻18与电阻19使用了具有相同温度系数的电阻，因此，基准电压Vref由热电压UT、电阻比(R18/R19)、NMOS晶体管11和NMOS晶体管12的宽长比(W/L)决定，其中，热电压UT由工艺唯一决定。因此，与基准电压采用E/D型基准电压的情况相比，常温下因制造偏差引起的基准电压Vref的偏差变小。而且，基准电压Vref具有由工艺唯一决定的正温度系数。
另一方面，式7表示二极管的电压-电流式。
I＝Is{exp(Vf/mVT)-1}…(7)
这里，Is为二极管的饱和电流，m为二极管固有的值，VT为二极管的热电压。可通过式8来计算当施加了远远大于二极管的饱和电流Is的恒定电流If时二激管的正向电压，即温度电压Vf。
Vf＝ln(If/Is)/(mVT)…(8)
因此，可通过式9来计算流过二极管的电流If。
If＝(1/R19)UTln{(W12/L12)/(W11/L11)}…(9)
根据式9，电流If受电阻值R19的绝对值偏差的影响。但是，正向电压Vf与If呈对数关系，因此，受电阻值偏差的影响很小。
比较器21对不受制造偏差的电压影响的基准电压Vref与温度电压Vf进行比较，根据这些电压的大小关系，输出二值电压。
图4示出了图1的过热保护电路101的基准电压Vref、温度电压Vf以及检测信号VDET的温度特性。在图1的过热保护电路101中，基准电压Vref具有正温度系数，温度电压Vf具有负温度系数。因此，能够在较低的电源电压下，增大表观上的热敏元件的温度系数。与图3相比，显然可知，能够减小检测温度偏差。
例如，如果设基准电压Vref的温度系数为1mV/℃、温度电压Vf的温度系数为-2mV/℃、比较器21的随机偏移电压为±12mV，则热敏元件的表观上的温度系数为3mV/℃，因此，能够将随机偏移引起的检测温度偏差减小到±4℃。
图5是示出本实施方式的过热保护电路的另一例的电路图。
图5的过热保护电路在电流产生部中具有NMOS晶体管11、NMOS晶体管12以及电阻28。电阻28连接在PMOS晶体管14的漏极与NMOS晶体管11的漏极之间。NMOS晶体管11的栅极与PMOS晶体管14的漏极连接，源极接地。NMOS晶体管12的栅极与NMOS晶体管11的漏极连接，漏极与PMOS晶体管13的漏极连接，源极接地。
在不管基板的极性而使源极与背栅为相同电位的情况下，NMOS晶体管的阈值电压仅取决于工艺偏差。
由于NMOS晶体管11和NMOS晶体管12的源极与背栅为相同电位，因此，NMOS晶体管11的阈值电压Vth1以及NMOS晶体管12的阈值电压Vth2仅取决于工艺偏差。因此，基准电压Vref更加稳定。
在以这种方式构成过热保护电路的电流产生部的情况下，也能够得到与图1的电路相同的效果。
[第2实施方式]
图6是过热保护电路101中使检测温度与解除温度具有滞后量(hysteresis)的电路的一例。
在图6的过热保护电路101中，串联连接着电阻25和26，以替代电阻18，并且，与电阻26并联地设有NMOS晶体管27。NMOS晶体管27的栅极端子与比较器21的输出端子连接。
当比较器21输出通常状态的高电平时，NMOS晶体管27导通。因此，可通过式10来计算此时的基准电压Vref。
Vref＝(R25/R19)(Vgs11-Vgs12)…(10)
另一方面，当比较器21输出过热检测状态的低电平时，NMOS晶体管27截止。因此，可通过式11来计算此时的基准电压Vref。
Vref＝{(R25+R26)/R19}(Vgs11-Vgs12)…(11)
因此，如图7所示，能够对温度上升时的检测温度和温度下降时的解除温度设定滞后量。如图6所示地构成过热保护电路101的电源用集成电路，也具有与图1的电源用集成电路相同的效果。
图8是使检测温度和解除温度具有滞后量的过热保护电路的另一例。
图8的过热保护电路101具有：串联连接的电阻30和31；对各电阻的电压、即基准电压Vref1及Vref2与温度电压Vf进行比较的比较器32和33；以及输入各比较器的信号的锁存电路34。
比较器32的正相输入端子输入基准电压Vref2，反相输入端子输入温度电压Vf，所述基准电压Vref2是根据基于NMOS晶体管12的漏极电流的电流，而在电阻30上产生的。
比较器33的反相输入端子输入基准电压Vref1，正相输入端子输入温度电压Vf，所述基准电压Vref1是根据基于NMOS晶体管12的漏极电流的电流，而在电阻31和电阻30上产生的。
比较器32将比较结果输出到锁存电路34的置位端子S。比较器33将比较结果输出到锁存电路34的复位端子R。
在电阻30和31上产生的基准电压Vref1和Vref2如下式所示。
Vref1＝{(R30+R31)/R19}(Vgs11-Vgs12)…(12)
Vref2＝(R30/R19)(Vgs11-Vgs12)…(13)
图9是示出图8的过热保护电路101的温度特性与锁存电路34输出的检测信号之间的关系的图。当温度上升从而Vf＜Vref2时，锁存电路34成为置位状态，输出Qx成为低电平。在该状态下，当温度降低从而Vf＞Vref1时，锁存电路34成为复位状态，输出Qx成为高电平。因此，如图9所示，能够对温度上升时的检测温度和温度下降时的解除温度设定滞后量。如图8所示地构成过热保护电路101的电源用集成电路，也具有与图1的电源用集成电路相同的效果。
[第3实施方式]
图10是示出第3实施方式的具有过热保护电路的电源用集成电路的电路图。
与图1的不同之处在于，删除了PMOS晶体管16，追加了恒流源1001。作为连接方式，恒流源1001与比较器21的正相输入端子以及二极管20相连。
接着，对第3实施方式的具有过热保护电路的电源用集成电路的动作进行说明。
恒流源1001产生偏置电流，该偏置电流不存在因温度产生的偏差。这样，由于流入二极管的恒定电流不存在因温度引起的偏差，因此，无论温度如何，温度电压Vf的斜率均是恒定的。因此，比较器21对不受制造偏差的电压影响的基准电压Vref与无论温度如何斜率均保持恒定的温度电压Vf进行比较，根据这些电压的大小关系，输出二值电压。因此，基准电压Vref和温度电压Vf均不受温度的影响，因此，能够进一步减小检测温度偏差。
如上所述，第3实施方式的具有过热保护电路的电源用集成电路，使用不存在因温度引起的偏差的恒流源，来产生流入二极管20的恒定电流，由此，能够进一步减小检测温度偏差。
[第4实施方式]
图11是示出第4实施方式的具有过热保护电路的电源用集成电路的电路图。
与图1的不同之处在于，删除了PMOS晶体管15和电阻18，将比较器21的反相输入端子与NMOS晶体管12的源极连接。
接着，对第4实施方式的具有过热保护电路的电源用集成电路的动作进行说明。
在电阻19上产生的Vref3如下式所示。
Vref3＝(Vgs11-Vgs12)…(14)
如式(14)所示，Vref3与电阻无关，而由热电压UT、NMOS晶体管11和NMOS晶体管12的宽长比(W/L)决定，其中，热电压UT由工艺唯一决定。因此，对于Vref3，通过调节NMOS晶体管11和NMOS晶体管12的宽长比(W/L)，能够输出具有正温度系数且偏差小的电压。比较器21对具有正温度系数的Vref3与具有负温度系数的温度电压Vf进行比较。因此，能够减小检测温度偏差。
如上所述，第4实施方式的具有过热保护电路的电源用集成电路通过将比较器21的反相输入端子与NMOS晶体管12的源极相连，由此，能够减小检测温度偏差。
另外，在本发明的实施方式中，将热敏元件设为二极管而进行了说明，但不限于二极管，只要是具有相同温度特性的元件即可。例如，也可以使用采用二极管连接方式的双极型晶体管。

Claims (10)

1.一种过热保护电路，其检测温度的上升，保护电路以免过热，其特征在于，该过热保护电路具有：
PN接合元件，其输出与温度成比例的正向电压；
基准电压电路，其具有工作在弱反型区的晶体管；以及
电压比较电路，其对所述PN接合元件的正向电压与所述基准电压电路的输出电压进行比较。
2.根据权利要求1所述的过热保护电路，其特征在于，
所述基准电压电路具有：
电流产生电路，其具有：第1MOS晶体管，其栅极端子与漏极端子连接，源极端子与接地端子连接；与所述第1MOS晶体管相同导电型的第2MOS晶体管，其栅极端子与所述第1MOS晶体管的栅极端子连接；和第1电阻元件，其连接在所述第2MOS晶体管的源极端子与所述接地端子之间；
与所述电流产生电路连接的电流镜电路；以及
第2电阻元件，其一个端子与所述电流镜电路连接，另一个端子与所述接地端子连接，具有与所述第1电阻元件相同的温度系数，将所述一个端子作为第1温度电压输出端子，
所述第1MOS晶体管和所述第2MOS晶体管工作在弱反型区。
3.根据权利要求2所述的过热保护电路，其特征在于，
所述PN接合元件是二极管，其正极端子与所述电流镜电路连接，负极端子与所述接地端子连接，将所述正极端子作为第2温度电压输出端子。
4.根据权利要求1所述的过热保护电路，其特征在于，
所述基准电压电路具有：
电流产生电路，其具有：第1MOS晶体管，其源极端子与接地端子连接；与所述第1MOS晶体管相同导电型的第2MOS晶体管，其源极端子与所述接地端子连接，栅极端子与所述第1MOS晶体管的漏极端子连接；和第1电阻元件，其连接在所述第1MOS晶体管的栅极端子与漏极端子之间；
与所述电流产生电路连接的电流镜电路；以及
第2电阻元件，其一个端子与所述电流镜电路连接，另一个端子与所述接地端子连接，具有与所述第1电阻元件相同的温度系数，将所述一个端子作为第1温度电压输出端子，
所述第1MOS晶体管和所述第2MOS晶体管工作在弱反型区。
5.根据权利要求4所述的过热保护电路，其特征在于，
所述PN接合元件是二极管，其正极端子与所述电流镜电路连接，负极端子与所述接地端子连接，将所述正极端子作为第2温度电压输出端子。
6.根据权利要求2所述的过热保护电路，其特征在于，
所述PN接合元件是二极管，其正极端子与无温度依赖性的恒流电路连接，负极端子与所述接地端子连接，将所述正极端子作为第2温度电压输出端子。
7.根据权利要求1所述的过热保护电路，其特征在于，
所述基准电压电路具有：
电流产生电路，其具有：第1MOS晶体管，其栅极端子与漏极端子连接，源极端子与接地端子连接；与所述第1MOS晶体管相同导电型的第2MOS晶体管，其栅极端子与所述第1MOS晶体管的栅极端子连接；和第1电阻元件，其连接在所述第2MOS晶体管的源极端子与所述接地端子之间；以及
与所述电流产生电路连接的电流镜电路，
所述第1MOS晶体管和所述第2MOS晶体管工作在弱反型区。
8.根据权利要求7所述的过热保护电路，其特征在于，
所述PN接合元件是二极管，其正极端子与所述电流镜电路连接，负极端子与所述接地端子连接，将所述正极端子作为第2温度电压输出端子。
9.根据权利要求1所述的过热保护电路，其特征在于，
温度上升时所述电压比较电路的输出电压发生反转的温度与温度下降时所述电压比较电路的输出电压发生反转的温度具有滞后特性。
10.一种电源用集成电路，其具有权利要求1所述的过热保护电路。
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