CN106094961A - 一种具有热滞回功能的过温保护电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有热滞回功能的过温保护电路，包括基极电压产生电路、温度检测电路和输出级电路。基极电压产生电路，采用电阻分压方式产生固定的电压，用于给所述温度检测电路中的晶体管提供基极电压；温度检测电路，通过晶体管产生与温度有关的PTAT电流，根据温度变化使得PTAT电流的状态发生变化，PTAT电流的变化使得温度检测电路的输出电压的状态发生变化，从而实现根据温度是否超过温度阈值，得到不同的过温保护的输出；所述输出级电路，用于增大过温保护的驱动能力，且隔离外部电路对所述温度检测电路的影响。本发明电路结构简单、占用芯片面积小、功耗小，实现热滞回功能，具有良好的应用前景。

Description

一种具有热滞回功能的过温保护电路
技术领域
本发明涉及集成电路温度保护技术领域，具体涉及一种具有热滞回功能的过温保护电路。
背景技术
温度特性在集成电路不断发展的过程中起着越来越重要的角色，一方面由于集成电路的集成度不断提高，集成了更多的功率器件；另一方面，能够在高温环境下工作的芯片设计越来越被广泛需要。尤其在集成了大功率器件的芯片中，会由于大功率器件的长时间工作导致功耗过大，导致芯片温度升高，甚至损坏芯片。为了保护芯片在高温坏境中不被损坏，芯片中会加入过温保护电路，此过温保护电路模块能通过检测芯片温度的变化，当温度超过阈值时，其输出信号控制芯片的部分模块停止工作，直到芯片温度降低达到恢复正常工作的温度阈值之后，又可重新启动芯片停止工作的模块。
为了避免在阈值温度附近发生热振荡，需要过温保护电路具有热滞回功能。
目前，市面上的过温保护电路是由过温保护电路的输出来控制温度检测电路，从而改变电路的结构，影响输出值，使得在高温、低温环境下的电路结构发生变化，不同的输出值将会对应不同的温度阈值点，以便实现热滞回功能，但是，导致实现的电路结构，较为复杂，面积较大。
发明内容
本发明所解决的技术问题是克服现有技术中用于芯片设计的过温保护电路，较为复杂，面积较大的问题。本发明的具有热滞回功能的过温保护电路，结构简单、占用芯片面积小、功耗小，设置有热滞回功能，具有良好的应用前景。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种具有热滞回功能的过温保护电路，其特征在于：包括基极电压产生电路、温度检测电路和输出级电路，
所述基极电压产生电路，采用电阻分压方式产生固定的电压，用于给所述温度检测电路中的晶体管提供基极电压；
所述温度检测电路，通过晶体管产生与温度有关的PTAT电流，根据温度变化使得PTAT电流的状态发生变化，PTAT电流的变化使得温度检测电路的输出电压的状态发生变化，从而实现根据温度是否超过温度阈值，得到不同的过温保护的输出；
所述输出级电路，用于增大过温保护的驱动能力，且隔离外部电路对所述温度检测电路的影响。
前述的一种具有热滞回功能的过温保护电路，其特征在于：所述基极电压产生电路，包括PMOS管M9、电阻R3和电阻R4，所述PMOS管M9的源极接直流电源VDD，所述PMOS管M9的栅极接地，所述PMOS管M9的漏极连接电阻R3的一端，所述电阻R3的另一端接电阻R4的一端，所述电阻R4的另一端接地，所述电阻R3、电阻R4的连接处作为基极电压产生电路的输出，给所述温度检测电路中的晶体管提供基极电压。
前述的一种具有热滞回功能的过温保护电路，其特征在于：所述温度检测电路，包括PMOS管M1、PMOS管M2、PMOS管M3、PMOS管M4、PMOS管M5、PMOS管M6、NMOS管M7、NMOS管M8、晶体管Q1、晶体管Q2、电阻R1和电阻R2，
所述PMOS管M1、PMOS管M2、PMOS管M3、PMOS管M4、PMOS管M5和PMOS管M6的源极接直流电源VDD，所述PMOS管M1的栅极和漏极相连并且与所述PMOS管M2的栅极、PMOS管M5的栅极、PMOS管M3的漏极、晶体管Q1的集电极相连接于节点D1；所述PMOS管M4的栅极和漏极相连并且与所述PMOS管M3的栅极、PMOS管M6的栅极、PMOS管M2的漏极、晶体管Q2的集电极相连接于节点D2；所述NMOS管M7的栅极和漏极相连并且与所述PMOS管M5的漏极相连接于节点D5；所述NMOS管M7的源极接地；所述NMOS管M8的栅极与节点D5相连接，所述NMOS管M8的漏极与PMOS管M6的漏极连接；所述晶体管Q1的基极与晶体管Q2的基极相连并且与为基极电压产生电路的输出相连接于节点D3；所述晶体管Q1的发射极与电阻R1的一端相连接于节点D4；所述电阻R1的另一端连接到地；所述NPN管Q2的发射极与电阻R2的一端相连接；所述电阻R2的另一端与电阻R1的一端相连接于节点D4；所述PMOS管M6的漏极与NMOS管M8的漏极相连接的节点，作为温度检测电路的输出端连接到输出级电路。
前述的一种具有热滞回功能的过温保护电路，其特征在于：所述晶体管Q1、晶体管Q2均采用NPN型晶体管。
前述的一种具有热滞回功能的过温保护电路，其特征在于：所述输出级电路，包括反相器INV1和二输入与非门NAND2，所述反相器INV1的输入端与温度检测电路的输出端相连接，所述反相器INV1的输出端接所述二输入与非门NAND2的一个输入端，所述二输入与非门NAND2的另一输入端接直流电源VDD，所述二输入与非门NAND2的输出端作为输出级电路的输出端，所述输出级电路的输出端为过温保护电路的输出端OTP。
前述的一种具有热滞回功能的过温保护电路，其特征在于：所述直流电源VDD的电压为3.3V～5V。
本发明的有益效果是：本发明的具有热滞回功能的过温保护电路，包括基极电压产生电路、温度检测电路和输出级电路，能够很好的检测芯片温度的变化，并通过控制芯片部分模块的工作达到降低温度的效果，保护芯片不被热损坏，设置有热滞回功能保证电路不发生热振荡，结构简单、占用芯片面积小、功耗小，具有良好的应用前景。
附图说明
图1是本发明的具有热滞回功能的过温保护电路的电路原理图。
图2是本发明在温度升高到超过阈值点时的工作状态示意图。
图3是本发明在温度降低到芯片恢复正常工作时的工作状态示意图。
具体实施方式
下面将结合说明书附图，对本发明作进一步的说明。
如图1所示，本发明的具有热滞回功能的过温保护电路，包括基极电压产生电路1、温度检测电路2和输出级电路3，
所述基极电压产生电路1，采用电阻分压方式产生固定的电压，用于给所述温度检测电路中的晶体管提供基极电压；
所述温度检测电路2，通过晶体管产生与温度有关的PTAT电流，根据温度变化使得PTAT电流的状态发生变化，PTAT电流的变化使得温度检测电路的输出电压的状态发生变化，从而实现根据温度是否超过温度阈值，得到不同的过温保护的输出；
所述输出级电路3，用于增大过温保护的驱动能力，且隔离外部电路对所述温度检测电路的影响。
所述基极电压产生电路，包括PMOS管M9、电阻R3和电阻R4，所述PMOS管M9的源极接直流电源VDD，所述PMOS管M9的栅极接地，所述PMOS管M9的漏极连接电阻R3的一端，所述电阻R3的另一端接电阻R4的一端，所述电阻R4的另一端接地，所述电阻R3、电阻R4的连接处作为基极电压产生电路的输出，给所述温度检测电路中的晶体管提供基极电压。
所述温度检测电路，包括PMOS管M1、PMOS管M2、PMOS管M3、PMOS管M4、PMOS管M5、PMOS管M6、NMOS管M7、NMOS管M8、晶体管Q1、晶体管Q2、电阻R1和电阻R2，
所述PMOS管M1、PMOS管M2、PMOS管M3、PMOS管M4、PMOS管M5和PMOS管M6的源极接直流电源VDD，所述PMOS管M1的栅极和漏极相连并且与所述PMOS管M2的栅极、PMOS管M5的栅极、PMOS管M3的漏极、晶体管Q1的集电极相连接于节点D1；所述PMOS管M4的栅极和漏极相连并且与所述PMOS管M3的栅极、PMOS管M6的栅极、PMOS管M2的漏极、晶体管Q2的集电极相连接于节点D2；所述NMOS管M7的栅极和漏极相连并且与所述PMOS管M5的漏极相连接于节点D5；所述NMOS管M7的源极接地；所述NMOS管M8的栅极与节点D5相连接，所述NMOS管M8的漏极与PMOS管M6的漏极连接；所述晶体管Q1的基极与晶体管Q2的基极相连并且与为基极电压产生电路的输出相连接于节点D3；所述晶体管Q1的发射极与电阻R1的一端相连接于节点D4；所述电阻R1的另一端连接到地；所述NPN管Q2的发射极与电阻R2的一端相连接；所述电阻R2的另一端与电阻R1的一端相连接于节点D4；所述PMOS管M6的漏极与NMOS管M8的漏极相连接的节点，作为温度检测电路的输出端连接到输出级电路，这里的晶体管Q1、晶体管Q2均采用NPN型晶体管。
所述输出级电路，包括反相器INV1和二输入与非门NAND2，所述反相器INV1的输入端与温度检测电路的输出端相连接，所述反相器INV1的输出端接所述二输入与非门NAND2的一个输入端，所述二输入与非门NAND2的另一输入端接直流电源VDD，所述二输入与非门NAND2的输出端作为输出级电路的输出端，所述输出级电路的输出端为过温保护电路的输出端OTP。
所述直流电源VDD的电压为3.3V～5V。
本发明的具有热滞回功能的过温保护电路，工作原理如下：
所述基极电压产生电路中由于，PMOS管M9的栅极接地，PMOS管M9会处于常导通状态，产生的连接到所述晶体管Q1、晶体管Q2的基极上的电压VD3的表达式如下式(1)，
V D 3 = R 4 R 3 + R 4 V D D - - - ( 1 )
所述与温度有关的晶体管Q2的PTAT电流为IQ2，表达式如下式(2)，
I Q 2 = V B E 1 - V B E 2 R 2 = ΔV B E R 2 = V T ln n R 2 = k T q ln n R 2 - - - ( 2 )
其中，VBE1为晶体管Q1的基极与发射极的电压差，VBE2为晶体管Q2的基极与发射极的电压差，R2为电阻R2的阻值，k是玻尔兹曼常数，q为电子电荷，T为温度，n为晶体管Q2和晶体管Q1的个数比，晶体管Q2的PTAT电流IQ2与绝对温度呈正相关，晶体管Q1的PTAT电流IQ1与绝对温度呈负相关。
在芯片正常工作时，随着温度升高，IQ2增大，则I4增大，VD2减小，而IQ1减小，则I1减小，VD1增大,直到节点D2为低电平，节点D1为高电平，此时,则达到高温的温度阈值点T+,电路状态如图2所示，PMOS管M1、PMOS管M2关闭，PMOS管M3、PMOS管M4导通，此时温度已经超过高温阈值点T+，由于节点D1为高电平，导致PMOS管M5关闭，从而使得节点D5的电荷被放掉为低电平，再加上节点D2为低电平，此时，反相器INV1的输入端为高电平，OTP端子为高电平，将控制芯片中部分模块停止工作来降低芯片的温度；
在芯片达到过温状态后，随着温度降低，IQ2减小，由于节点D1为高电平导致PMOS管M3的电流为0，且VD4将减小，而VD3不变，所以晶体管Q1的基极与发射极两端的电压降增大，使得晶体管Q1导通，晶体管Q1导通后将节点D1的电荷放掉直至PMOS管M1、PMOS管M2管导通，随着温度继续降低，IQ2继续减小，则I4减小，VD2增大，而IQ1增大，则I1增大，VD1减小，直到节点D2为高电平，节点D1为低电平，此时，则达到恢复正常工作的温度阈值点T-，电路状态如图3所示，PMOS管M1、PMOS管M2导通，PMOS管M3、PMOS管M4关闭，此时，温度已经降低到超过恢复正常工作的温度阈值点T-，由于节点D1为低电平，导致PMOS管M5导通，从而给节点D5的充电为高电平，再加上节点D2为高电平，所以，反相器INV1的输入端为低电平，OTP端子为低电平，这将控制芯片中部分模块恢复正常工作。
上述描述过温保护电路恢复正常工作的温度阈值点T-小于高温阈值点T+，从而实现了滞回功能，温度滞回区间大小为T-～T+之间。
综上所述，本发明的具有热滞回功能的过温保护电路，包括基极电压产生电路、温度检测电路和输出级电路，能够很好的检测芯片温度的变化，并通过控制芯片部分模块的工作达到降低温度的效果，保护芯片不被热损坏，设置有热滞回功能保证电路不发生热振荡，结构简单、占用芯片面积小、功耗小，具有良好的应用前景。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种具有热滞回功能的过温保护电路，其特征在于：包括基极电压产生电路、温度检测电路和输出级电路，
所述基极电压产生电路，采用电阻分压方式产生固定的电压，用于给所述温度检测电路中的晶体管提供基极电压；
所述温度检测电路，通过晶体管产生与温度有关的PTAT电流，根据温度变化使得PTAT电流的状态发生变化，PTAT电流的变化使得温度检测电路的输出电压的状态发生变化，从而实现根据温度是否超过温度阈值，得到不同的过温保护的输出；
所述输出级电路，用于增大过温保护的驱动能力，且隔离外部电路对所述温度检测电路的影响。
2.根据权利要求1所述的一种具有热滞回功能的过温保护电路，其特征在于：所述基极电压产生电路，包括PMOS管M9、电阻R3和电阻R4，所述PMOS管M9的源极接直流电源VDD，所述PMOS管M9的栅极接地，所述PMOS管M9的漏极连接电阻R3的一端，所述电阻R3的另一端接电阻R4的一端，所述电阻R4的另一端接地，所述电阻R3、电阻R4的连接处作为基极电压产生电路的输出，给所述温度检测电路中的晶体管提供基极电压。
3.根据权利要求1所述的一种具有热滞回功能的过温保护电路，其特征在于：所述温度检测电路，包括PMOS管M1、PMOS管M2、PMOS管M3、PMOS管M4、PMOS管M5、PMOS管M6、NMOS管M7、NMOS管M8、晶体管Q1、晶体管Q2、电阻R1和电阻R2，
所述PMOS管M1、PMOS管M2、PMOS管M3、PMOS管M4、PMOS管M5和PMOS管M6的源极接直流电源VDD，所述PMOS管M1的栅极和漏极相连并且与所述PMOS管M2的栅极、PMOS管M5的栅极、PMOS管M3的漏极、晶体管Q1的集电极相连接于节点D1；所述PMOS管M4的栅极和漏极相连并且与所述PMOS管M3的栅极、PMOS管M6的栅极、PMOS管M2的漏极、晶体管Q2的集电极相连接于节点D2；所述NMOS管M7的栅极和漏极相连并且与所述PMOS管M5的漏极相连接于节点D5；所述NMOS管M7的源极接地；所述NMOS管M8的栅极与节点D5相连接，所述NMOS管M8的漏极与PMOS管M6的漏极连接；所述晶体管Q1的基极与晶体管Q2的基极相连并且与为基极电压产生电路的输出相连接于节点D3；所述晶体管Q1的发射极与电阻R1的一端相连接于节点D4；所述电阻R1的另一端连接到地；所述NPN管Q2的发射极与电阻R2的一端相连接；所述电阻R2的另一端与电阻R1的一端相连接于节点D4；所述PMOS管M6的漏极与NMOS管M8的漏极相连接的节点，作为温度检测电路的输出端连接到输出级电路。
4.根据权利要求3所述的一种具有热滞回功能的过温保护电路，其特征在于：所述晶体管Q1、晶体管Q2均采用NPN型晶体管。
5.根据权利要求1所述的一种具有热滞回功能的过温保护电路，其特征在于：所述输出级电路，包括反相器INV1和二输入与非门NAND2，所述反相器INV1的输入端与温度检测电路的输出端相连接，所述反相器INV1的输出端接所述二输入与非门NAND2的一个输入端，所述二输入与非门NAND2的另一输入端接直流电源VDD，所述二输入与非门NAND2的输出端作为输出级电路的输出端，所述输出级电路的输出端为过温保护电路的输出端OTP。
6.根据权利要求2、3或5所述的一种具有热滞回功能的过温保护电路，其特征在于：所述直流电源VDD的电压为3.3V～5V。
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