CN104967095A - 过温保护电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种过温保护电路，包括恒定电流产生电路、输出控制电路、输出整形电路，恒定电流产生电路用于为过温保护电路提供稳定的电流偏置；输出控制电路用于将温度信号转换为电信号，并控制过温保护电路的输出；输出整形电路用于将输出控制电路的输出信号进行整形输出，第一电阻和M1管用于对芯片温度进行实时检测并作出响应；本发明提出的过温保护电路结构简单，无需任何高精度的电压比较器，所用元器件数量少，对温度的控制精度高，能非常准确的在热关断温度阈值点产生关断信号，便于调试，具有温度滞回功能，防止了芯片在温度阈值点附近热振荡的发生，非常适合于在电源管理或者LED驱动等芯片中使用。

Description

过温保护电路
技术领域
本发明涉及一种用于电子电路中的过温保护电路，适用于模拟集成电路领域。
背景技术
随着集成电路技术的不断发展，集成电路的集成度不断增大，单块芯片上集成的元件数目越来越多，芯片的功耗不断增大，某些集成电路如开关电源、驱动电路等经常会面临芯片在功率管附近温度升高过快的问题，过高的温度会严重影响芯片工作的性能和可靠性，甚至于会对芯片产生永久性的损害。
为了避免温度过高对芯片造成的伤害，需要将过温保护电路集成在芯片功率管附近，当芯片局部温度达到一定值时使芯片停止工作，让芯片降温。
传统的过温保护电路如图1所示，利用了PTAT电流和纵向PNP的PN结对温度敏感的特性，由于PN结正向导通压降具有负温度系数，而偏置电流具有正温度系数，从而组成温度传感器，检测温度的变化。随着芯片温度的升高，PN结导通电压越来越低，而PTAT电流流过电阻上的电压则会越来越高，当温度超过设置的阈值温度时，比较器输出发生翻转，比较器此时输出高电平，经过输出整形电路后使得芯片进入热关断状态，并且通过M4管和电阻R2实现了温度的滞回。
传统方案的缺陷在于：传统方案需要增加设计PTAT电流的电路，且采用电压比较器实现过温输出电压的翻转，比较器必须要有较高的分辨率，且在高温下也能稳定工作，因此电路结构比较复杂，使用元器件数目较多，占用版图面积较大，实现代价比较大。
发明内容
为了解决传统过温保护方案的电路结构较为复杂，需要用到高精度比较器，占用版图面积较大等的缺陷，本发明提出了一种电路结构简单，无需任何比较器和PTAT电流电路的具有温度滞回的过温保护电路。
本发明的技术方案为：一种过温保护电路，包括：恒定电流产生电路，输出控制电路，输出整形电路，所述恒定电流产生电路用于为过温保护电路提供稳定的电流偏置；所述输出控制电路用于将温度信号转换为电信号，并控制过温保护电路的输出；所述输出整形电路用于将输出控制电路的输出信号进行整形输出，其中，
所述的恒定电流产生电路包括：第二电阻R2、第二NMOS管MN2、第三NMOS管MN3、第一PMOS管MP1和第二PMOS管MP2，其中第二电阻R2的一端与电源电压VCC相连，第二NMOS管MN2的栅极与漏极相连，并且与第二电阻R2的另一端和第三NMOS管MN3的栅极相连，第一PMOS管MP1的栅极和漏极相连，并与第二PMOS管MP2的栅极相连，第一PMOS管MP1的漏极和第三NMOS管MN3的漏极相连，第一PMOS管MP1和第二PMOS管MP2的源极接电源电压VCC，第二NMOS管MN2和第三NMOS管MN3的源极接地电位；
所述的输出控制电路包括：第一电阻R1、第四NMOS管MN4、第五NMOS管MN5、第三PMOS管MP3、第四PMOS管MP4、第五PMOS管MP5和第一反相器IV1，其中，第三PMOS管MP3、第四PMOS管MP4和第五PMOS管MP5的栅极均与第二PMOS管MP2的栅极相连，第三PMOS管MP3、第四PMOS管MP4和第五PMOS管MP5的源极与电源电压VCC相连，第五NMOS管MN5的漏极与第五PMOS管MP5的漏极和第一反相器IV1输入端相连，第五NMOS管MN5的源极与地电位相连；
所述的输出整形电路包括：第二反相器IV2和第三反相器IV3，其中第二反相器IV2的输入端与第一反相器IV1输出端相连，第二反相器IV2的输出与第三反相器IV3的输入端相连，第三反相器IV3的输出端作为过温保护电路的输出端。
作为优选方式，所述输出控制电路中的第一电阻R1为负温度系数的热敏电阻，其阻值随着温度的升高而降低，第一电阻R1的一端分别与控制管M1的栅极和第四NMOS管MN4的源极相连，并且产生第一电压节点A，第一电阻R1的另一端与地电位相连。
作为优选方式，所述输出控制电路中的控制管M1为NMOS管，NMOS管M1的漏极与第四PMOS管MP4的漏极和第五NMOS管MN5的栅极相连，NMOS管M1的源极与地电位相连。
作为优选方式，所述输出控制电路中的第四NMOS管MN4为迟滞控制管，其栅极与第二反相器IV2的输出端相连，漏极与第三PMOS管MP3的漏极相连，NMOS管M1的源极与M1管的栅极相连。
作为优选方式，所述负温度系数的热敏电阻设置在芯片中最易发热的元件附近。
作为优选方式，所述芯片中最易发热的元件为功率器件和感性负载。使得热敏电阻能够更加精确的检测芯片温度的变化。
恒定电流产生电路用于为过温保护电路提供稳定的电流偏置；输出控制电路用于将温度信号转换为电信号，并控制过温保护电路的输出；输出整形电路用于将输出控制电路的输出信号进行整形输出，所述第一电阻R1和M1管分别为具有负温度系数的热敏电阻和NMOS管，第一电阻和M1管用于对芯片温度进行实时检测并作出响应。
本发明的有益效果为：本发明提出的过温保护电路结构简单，无需任何高精度的电压比较器，所用元器件数量少，对温度的控制精度高，能非常准确的在热关断温度阈值点产生关断信号，便于调试，本发明具有温度滞回功能，防止了芯片在温度阈值点附近热振荡的发生，当芯片温度低于热关断温度阈值点时，电路输出低电平，芯片处于正常工作状态，当芯片温度超过热关断温度阈值点时，电路输出高电平，使得芯片停止工作，非常适合于在电源管理或者LED驱动等芯片中使用。
附图说明
图1是传统的过温保护电路的电路图。
图2是本发明提出的过温保护电路的电路图。
图3是本发明提出的过温保护电路的仿真波形图。
其中，1为恒定电流产生电路，2为输出控制电路，3为输出整形电路。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
如图2所示，一种过温保护电路，包括：恒定电流产生电路1，输出控制电路2，输出整形电路3，所述恒定电流产生电路1用于为过温保护电路提供稳定的电流偏置；所述输出控制电路2用于将温度信号转换为电信号，并控制过温保护电路的输出；所述输出整形电路3用于将输出控制电路的输出信号进行整形输出，其中，
恒定电流产生电路1包括：第二电阻R2、第二NMOS管MN2、第三NMOS管MN3、第一PMOS管MP1和第二PMOS管MP2，其中第二电阻R2的一端与电源电压VCC相连，第二NMOS管MN2的栅极与漏极相连，并且与第二电阻R2的另一端和第三NMOS管MN3的栅极相连，第一PMOS管MP1的栅极和漏极相连，并与第二PMOS管MP2的栅极相连，第一PMOS管MP1的漏极和第三NMOS管MN3的漏极相连，第一PMOS管MP1和第二PMOS管MP2的源极接电源电压VCC，第二NMOS管MN2和第三NMOS管MN3的源极接地电位；
输出控制电路2包括：第一电阻R1、第四NMOS管MN4、第五NMOS管MN5、第三PMOS管MP3、第四PMOS管MP4、第五PMOS管MP5和第一反相器IV1，其中，第三PMOS管MP3、第四PMOS管MP4和第五PMOS管MP5的栅极均与第二PMOS管MP2的栅极相连，第三PMOS管MP3、第四PMOS管MP4和第五PMOS管MP5的源极与电源电压VCC相连，第五NMOS管MN5的漏极与第五PMOS管MP5的漏极和第一反相器IV1输入端相连，第五NMOS管MN5的源极与地电位相连；
输出整形电路3包括：第二反相器IV2和第三反相器IV3，其中第二反相器IV2的输入端与第一反相器IV1输出端相连，第二反相器IV2的输出与第三反相器IV3的输入端相连，第三反相器IV3的输出端作为过温保护电路的输出端。
输出控制电路中的第一电阻R1为负温度系数的热敏电阻，其阻值随着温度的升高而降低，第一电阻的一端分别与NMOS管M1的栅极和第四NMOS管的源极相连，并且产生第一电压节点A，第一电阻的另一端与地电位相连。
输出控制电路2中的控制管M1为NMOS管，NMOS管M1的漏极与第四PMOS管MP4的漏极和第五NMOS管MN5的栅极相连，NMOS管M1的源极与地电位相连。
输出控制电路中的第四NMOS管MN4为迟滞控制管，其栅极与第二反相器IV2的输出端相连，漏极与第三PMOS管MP3的漏极相连，NMOS管M1的源极与M1管的栅极相连。
负温度系数的热敏电阻R1设置在芯片中最易发热的特定元件附近，如功率器件和感性负载等元件附近，使得热敏电阻能够更加精确的检测芯片温度的变化。
在本发明的实施例中，上述过温保护电路的工作原理如下：
MN2管和MN3管、MP1管和MP2管分别组成电流镜结构，电阻R1为具有负温度系数的热敏电阻，其阻值随着温度的升高而降低。芯片未过温时电路输出Vout为低电平，此时MN4管导通，如果将热关断温度阈值点设置为T0，则应调节MP2管的宽长比，使得：
I 1 + I 2 = V t h R 1 | T = T 0 - - - ( 1 )
式中Vth为M1管的阈值电压，I1为MP2管的漏极电流，I2为MP3管的漏极电流，式中R1为电阻R1在温度T＝T0时的电阻阻值。
当芯片温度低于热关断温度阈值点T0时，由于热敏电阻R1具有负温系数，因此此时电阻R1较大，节点A的电位VA大于NMOS管M1的阈值电压Vth，M1管饱和导通，MN5管截止，此时MN5管的漏极电位为高电平，经过第一反相器和输出整形电路后电路输出低电平控制信号，表明芯片工作温度正常。
由于电阻R1的负温度特性，随着温度的升高，R1阻值将会降低，但只要温度没有超过热关断阈值点T0，M1管将会始终导通，MN5管将会始终截止，过温保护电路输出低电平控制信号，芯片电路工作正常。
当温度超过热关断阈值点时，热敏电阻R1的阻值继续降低，此时节点A的电位VA小于M1管的阈值电压Vth，此时M1管截止，MN5管导通，MN5管的漏极电位为低电平，经过第一反相器和输出整形电路后过温保护电路输出高电平控制信号，表明芯片工作温度异常，这时MN4管的栅极电位为低电平，MN4管截止，这样降低了A点的电位，进一步使得M1管截止。这时M1管的栅极电压VA变为：
VA＝I1·R1＜(I1+I2)·R1          (2)
从式(1)(2)可以看出，要解除过温保护，需要A点电位VA重新大于M1管的阈值电压Vth，从而使得M1管导通。但由于过温之后A点的电位比过温前降低了，这样由热敏电阻R1的负温特性可知只有温度降至更低温度点T1(T1<T0)时才能开启M1晶体管，解除过温保护。T0温度与T1温度之差就是迟滞温度。可以通过改变MN4管的宽长比改变温度点T1的值，从而调节迟滞温度值。
引入迟滞温度避免了电路在热关断温度阈值点附近的热震荡，使得芯片工作更加稳定。
图3为本发明的过温保护电路的仿真波形图，仿真温度由-50℃到200℃，由图可以知道当芯片温度高于150℃时，保护电路输出高电平，显示芯片工作温度异常，使得芯片停止工作，但是当芯片温度降低到130℃时过温保护电路输出低电平，芯片重新开始正常工作，中间有20℃的滞回温度，有效防止了芯片的热振荡的产生。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (6)

1.一种过温保护电路，其特征在于，包括：恒定电流产生电路，输出控制电路，输出整形电路，所述恒定电流产生电路用于为过温保护电路提供稳定的电流偏置；所述输出控制电路用于将温度信号转换为电信号，并控制过温保护电路的输出；所述输出整形电路用于将输出控制电路的输出信号进行整形输出，其中，
所述的恒定电流产生电路包括：第二电阻R2、第二NMOS管MN2、第三NMOS管MN3、第一PMOS管MP1和第二PMOS管MP2，其中第二电阻R2的一端与电源电压VCC相连，第二NMOS管MN2的栅极与漏极相连，并且与第二电阻R2的另一端和第三NMOS管MN3的栅极相连，第一PMOS管MP1的栅极和漏极相连，并与第二PMOS管MP2的栅极相连，第一PMOS管MP1的漏极和第三NMOS管MN3的漏极相连，第一PMOS管MP1和第二PMOS管MP2的源极接电源电压VCC，第二NMOS管MN2和第三NMOS管MN3的源极接地电位；
所述的输出控制电路包括：第一电阻R1、第四NMOS管MN4、第五NMOS管MN5、第三PMOS管MP3、第四PMOS管MP4、第五PMOS管MP5和第一反相器IV1，其中，第三PMOS管MP3、第四PMOS管MP4和第五PMOS管MP5的栅极均与第二PMOS管MP2的栅极相连，第三PMOS管MP3、第四PMOS管MP4和第五PMOS管MP5的源极与电源电压VCC相连，第五NMOS管MN5的漏极与第五PMOS管MP5的漏极和第一反相器IV1输入端相连，第五NMOS管MN5的源极与地电位相连；
所述的输出整形电路包括：第二反相器IV2和第三反相器IV3，其中第二反相器IV2的输入端与第一反相器IV1输出端相连，第二反相器IV2的输出与第三反相器IV3的输入端相连，第三反相器IV3的输出端作为过温保护电路的输出端。
2.根据权利要求1所述的过温保护电路，其特征在于：所述输出控制电路中的第一电阻R1为负温度系数的热敏电阻，其阻值随着温度的升高而降低，第一电阻R1的一端分别与控制管M1的栅极和第四NMOS管MN4的源极相连，并且产生第一电压节点A，第一电阻R1的另一端与地电位相连。
3.根据权利要求2所述的过温保护电路，其特征在于：所述输出控制电路中的控制管M1为NMOS管，NMOS管M1的漏极与第四PMOS管MP4的漏极和第五NMOS管MN5的栅极相连，NMOS管M1的源极与地电位相连。
4.根据权利要求1所述的过温保护电路，其特征在于：所述输出控制电路中的第四NMOS管MN4为迟滞控制管，其栅极与第二反相器IV2的输出端相连，漏极与第三PMOS管MP3的漏极相连，NMOS管M1的源极与M1管的栅极相连。
5.根据权利要求2所述的过温保护电路，其特征在于：所述负温度系数的热敏电阻设置在芯片中最易发热的元件附近。
6.根据权利要求5所述的过温保护电路，其特征在于：所述芯片中最易发热的元件为功率器件和感性负载。
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