CN109375687A - 一种抗辐照双极温度监测电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种抗辐照双极温度监测电路，包括温度传感器电路、正反馈放大电路和放大输出电路；温度传感器电路利用NPN晶体管对双极稳压器的基准电压VREF进行跟随，实现温度传感并输出信号给正反馈放大电路；正反馈放大电路对温度传感器电路的输出信号进行放大并输出给放大输出电路；放大输出电路对正反馈放大器输出信号进行采样放大，控制双极稳压器输出功率晶体管的输出。当双极线性稳压器芯片结温高出安全工作温度时，关闭线性稳压器输出功率晶体管，且该温度监测电路具有滞回特性，避免该线性稳压器在温度关闭点出现频繁启动，芯片结温不能充分降温。

Description

一种抗辐照双极温度监测电路
技术领域
本发明涉及模拟集成电路领域，具体为一种抗辐照双极温度监测电路。
背景技术
线性稳压器是当今电子系统中的重要组成部分，正在向着高功率密度、高转换效率、高集成度、低压输出、快速负载瞬态响应的方向发展。双极线性稳压器输出调整管采用PNP功率晶体管，实现了低压差的特性；采用NPN功率晶体管，实现了较快的负载瞬态响应，但其输入输出压差较大；其输出电流能力可达十几安培，在电路的使用过程中，若在大电流输出应用中未合理使用散热器或出现异常过流状态，线性稳压器芯片结温可能会高出安全工作温度，电路将不能正常工作，甚至可能会损伤芯片，引起电路功能失效，因此需要设计一种温度监测电路对芯片的结温进行检测，控制线性稳压器的输出。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种抗辐照双极温度监测电路，当双极线性稳压器芯片结温高出安全工作温度时，关闭线性稳压器输出功率晶体管，且该温度监测电路具有滞回特性，避免该线性稳压器在温度关闭点出现频繁启动，芯片结温不能充分降温。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种抗辐照双极温度监测电路，包括温度传感器电路、正反馈放大电路和放大输出电路；温度传感器电路利用NPN晶体管对双极稳压器的基准电压VREF进行跟随，实现温度传感并输出信号给正反馈放大电路；正反馈放大电路对温度传感器电路的输出信号进行放大并输出给放大输出电路；放大输出电路对正反馈放大器输出信号进行采样放大，控制双极稳压器输出功率晶体管的输出。
优选的，温度传感器电路包括晶体管Qn2、电阻R2和电阻R3；晶体管Qn2基极接带隙基准电压VREF，集电极接电源VIN，发射极接电阻R2一端；电阻R2一端接a2点，另一端接晶体管Qn2发射极；电阻R3一端接a2点，另一端接地。
进一步的，晶体管Qn2发射区面积为7μm×7μm，电阻R2和电阻R3采用注入电阻。
优选的，正反馈放大电路包括晶体管Qn3、晶体管Qn4、晶体管Qlp4和电阻R4；晶体管Qn3基极接晶体管Qlp4集电极，集电极接晶体管Qn4发射极，发射极接地；晶体管Qn4基极与集电极相连并接晶体管Qlp4基极，发射极接晶体管Qn3集电极；晶体管Qlp4基极接晶体管Qn4基极与集电极，集电极接晶体管Qn3基极，发射极接电阻R4一端；电阻R4一端接a3，另一端接晶体管Qlp4发射极。
进一步的，晶体管Qlp4发射区直径为10μm，基区宽度为8μm；晶体管Qn3和晶体管Qn4发射区面积均为7μm×7μm，R4电阻采用注入电阻。
优选的，放大输出电路包括两级放大器，第一级放大器采用共射放大结构，第二级放大器采用集电极开路结构。
进一步的，放大输出电路包括电阻R5、晶体管Qlp5、电阻R6和晶体管Qn5；电阻R5一端接a3，另一端接晶体管Qlp5发射极；晶体管Qlp5基极接a4，集电极接a5点，发射极接电阻R5一端；电阻R6一端接a5点，另一端接地；晶体管Qn5基极接a5点，集电极接OUT点，发射极接地。
进一步的，晶体管Qlp5发射区直径为10μm，基区宽度为8μm；晶体管Qn5发射区面积为7μm×7μm，电阻R5和电阻R6采用注入电阻。
优选的，还包括偏置电流源电路，偏置电流源电路为正反馈放大电路和放大输出电路提供工作电流。
进一步的，偏置电流源电路包括元件晶体管Qn1、电阻R1、晶体管Qlp1、晶体管Qlp2和晶体管Qlp3；晶体管Qn1基极接带隙基准电压VREF，集电极接a1点，发射极接电阻R1一端；电阻R1一端接地，另一端接晶体管Qn1发射极；晶体管Qlp1基极与集电极相连并接a1点，发射极接电源VIN；晶体管Qlp2基极接a1点，集电极接入正反馈放大电路和放大输出电路，发射极接电源VIN；晶体管Qlp3基极接a1点，集电极接入正反馈放大电路和放大输出电路，发射极接电源VIN。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明温度监测电路，使用时，设定一个高温阈值温度T1，由于温度传感器中NPN晶体管VBE结具有负温度系数，温度传感器电路中电压随温度上升而升高，当被保护芯片结温上升到高温阈值温度T1时，正反馈放大电路导通，构成正反馈回路，温度传感器电路中电压进一步升高，放大输出电路导通，线性稳压器中运放输出信号被拉低，指示芯片达到高温阈值温度T1，被保护电路关闭；设定一个高温阈值温度T2，被保护芯片结温降低时，由于正反馈电路具有滞回特性，温度监测电路输出不能在T1处跳变为高电平，需等待芯片结温降低到比T1低一定温度的低温阈值T2处跳变为高电平，被保护电路开启。在温度下降过程中，当温度降低至低于低温阈值T1时，温度传感器电路中电压随温度降低，正反馈回路关闭，温度传感器电路中电压进一步降低，正反馈回路进入深截止状态，温度监测电路输出OUT点为高阻态，被保护电路开启正常工作。故该正反馈回路不仅在高阈值温度T1时，输出信号能够快速跳变为低电位，而且在低阈值温度T2时，输出信号能够快速跳变为高电位，被保护芯片具有快速温度滞回特性。该温度监测电路具有温度滞回特性，避免线性稳压器在某一温度点频繁开启，芯片结温不能得到充分的降温，电路不能正常返回正常工作状态。
附图说明
图1为线性稳压器过温保护电路原理图；
图2为本发明的抗辐照双极温度监测电路的结构图；
图3为本发明的抗辐照双极温度监测电路的一个实例图。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
线性稳压器过温保护电路原理图如图1所示。
如图2所示，本发明所述的抗辐照双极温度监测电路，包括偏置电流源电路、温度传感器电路、正反馈放大电路及放大输出电路。电路基于双极抗辐照工艺设计，偏置电流源电路利用BE结和电阻的温度特性产生一个对温度、电源电压及工艺不敏感的偏置电流，再采用多个LPNP晶体管的基极共电位，发射极接电源电压，通过镜像关系，为电压放大器提供恒定的静态工作电流；温度传感器采用射随放大器，利用NPN晶体管BE结为负温度系数，实现温度传感；正反馈放大电路采用共射放大结构，采用一个LPNP晶体管和一个注入电阻形成正反馈结构，控制放大电路的增益，使该电路具有温度滞回特性；放大输出电路采用两级放大结构，对正反馈放大器输出信号进行采样放大，输出级采用集电极开路结构的放大器，当芯片结温正常时，温度监测电路输出阻抗很大，不影响被保护的电路。
偏置电流源电路为电压放大器提供静态工作电流。该电路利用带隙基准电压，温度系数相反且绝对值相当的NPN晶体管BE结和注入电阻，设计具有对温度不敏感的偏置电流，采用多个LPNP晶体管的基极共电位，发射极接电源电压，通过镜像关系为电压放大器提供恒定工作电流；
温度传感器电路由射随放大器构成，利用射随放大器对基准电压VREF进行跟随，a2点电压为由于NPN晶体管Qn2的BE结为负温度系数，则a2点的电压为正温度系数，实现了温度传感的特性。
为了获得迟滞特性，采用正反馈放大电路对温度传感器的输出信号进行处理；Qn3、Qn4为共射放大器，对a2点信号进行采样放大；Qlp4、R4实现正反馈放大器，实现a2点的正反馈回路。正反馈放大电路的正反馈机理通过以下过程说明：当传感器输出电压升高，Qn3、Qn4组成的放大器输出信号a4点电压减小，Qlp4导通程度提高，Qlp4、R4实现组成的放大器输出信号a2点电压进一步增加；当传感器输出电压减小，Qn3、Qn4组成的放大器输出信号a4点电压增大，Qlp4导通程度减小，Qlp4、R4实现组成的放大器输出信号a2点电压进一步减小。
放大输出电路采用两级共射放大器，第一级放大器采用共射放大，实现对a4信号进行放大处理；为了温度监测电路不影响被保护电路，温度监测电路输出采用集电极开路放大结构，正常工作时，其输出阻抗非常大，当芯片结温超过安全工作区域后，该放大结构处于线性放大区，并且具有一定的电流驱动能力及电压下拉能力。
本发明的温度监测电路的一个实例电路如图3所示，包括偏置电流源电路10、温度传感器电路20、正反馈放大电路30、放大输出电路40。
所述的偏置电流源电路10为：带隙基准电压VREF接晶体管Qn1基极，晶体管Qn1集电极接a1点，晶体管Qn1发射极接电阻R1一端；电阻R1一端接地，另一端接晶体管Qn1发射极；晶体管Qlp1基极与晶体管Qlp1集电极相连，接a1点，晶体管Qlp1发射极接电源VIN；晶体管Qlp2基极接a1点，晶体管Qlp2集电极接a3点，晶体管Qlp2发射极接电源VIN；晶体管Qlp3基极接a1点，晶体管Qlp3集电极接a4点，晶体管Qlp3发射极接电源VIN；a3点、a4点为偏置电路的输出端。
所述的温度传感器电路20为：带隙基准电压VREF接晶体管Qn2基极，晶体管Qn2集电极接电源VIN，晶体管Qn2发射极接电阻R2一端；电阻R2一端接a2点，另一端接晶体管Qn2发射极；电阻R3一端接a2点，另一端接地；a2点为温度传感器的输出端。
正反馈放大电路30采用共射放大器结构，由晶体管Qn3、晶体管Qn4、晶体管Qlp4、电阻R4构成，晶体管Qn3基极接a2点，晶体管Qn3集电极接晶体管Qn4发射极，晶体管Qn3发射极接地；晶体管Qn4基极与晶体管Qn4集电极相连接a4点，晶体管Qn4发射极接晶体管Qn3集电极；晶体管Qlp4基极接a4点，晶体管Qlp4集电极接a2点，晶体管Qlp4发射极接电阻R4一端；电阻R4一端接a3点，另一端接晶体管Qlp4发射极；该电压放大器实现对温度传感器输出信号进行放大。在该电路中引入由晶体管Qlp4、电阻R4组成的正反馈放大器，控制该放大电路的增益，使电路具有温度滞回特性；同时所引入的正反馈放大器，使电路的输出信号在某温度点跳变沿变得陡峭。
放大输出电路40第一级放大器采用共射放大结构，第二级放大器采用集电极开路结构；电阻R5一端接a3点，另一端接晶体管Qlp5发射极；晶体管Qlp5基极接a4点，晶体管Qlp5集电极接a5点，晶体管Qlp5发射极接电阻R5一端；电阻R6一端接a5点，另一端接地；晶体管Qn5基极接a5点，晶体管Qn5集电极接OUT点(输出端)，晶体管Qn5发射极接地。
下面对图3所示的抗辐照双极温度监测电路实施实例的工作原理进行说明。
当被保护芯片结温上升，由于温度传感器中晶体管Qn2的VBE结具有负温度系数，a2点电压随温度上升而升高，当芯片结温上升到高温阈值温度T1时，晶体管Qn3导通，随之晶体管Qlp4导通，构成正反馈回路，a2点电压进一步升高，a5点电压升高，晶体管Qn5导通，输出OUT点被拉低，指示芯片达到高温阈值温度T1，被保护电路关闭；此后被保护芯片结温降低时，由于正反馈电路具有滞回特性，温度监测电路输出不能在T1处跳变为高电平，需等待芯片结温降低到比T1低一定温度的低温阈值T2处跳变为高电平，被保护电路开启。在温度下降过程中，当温度降低至低于低温阈值T1时，a2点电压随温度降低，当a2点电压小于晶体管Qn3导通电压时，晶体管Qn3截止，a4点接近电源电压，晶体管Qlp4、晶体管Qlp5截止，由于正反馈回路关闭，a2点电压进一步降低，晶体管Qn3进入深截止状态，a5点电压为0V，晶体管Qn5截止，温度监测电路输出OUT点为高阻态，被保护电路开启正常工作。故该正反馈回路不仅在高阈值温度T1时，输出信号能够快速跳变为低电位，而且在低阈值温度T2时，输出信号能够快速跳变为高电位，被保护芯片具有快速温度滞回特性。
本发明采用抗辐照双极工艺设计实现，电路结构简单，使用的元器件数量少，物理版图设计面积小；该电路适合低电源电压工作，要求的最低电压为一个VBE与两个VCES之和；通过在电压放大器中引入正反馈回路，使电路具有的温度滞回特性，避免了在温度保护点处被保护电路频繁开启，芯片结温不能充分降温，电路不能返回到正常工作状态。
本发明采用该温度监测电路可以精确识别双极线性稳压器及其它模拟电路是否超出安全工作区。该电路利用NPN晶体管BE为负温度特性，对带隙基准电压射随放大器后的信号随温度的变化进行监测。该电路通过引入正反馈结构，使电路具有温度滞回特性，并且使其输出信号实现快速跳变。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种抗辐照双极温度监测电路，其特征在于，包括温度传感器电路、正反馈放大电路和放大输出电路；温度传感器电路利用NPN晶体管对双极稳压器的基准电压VREF进行跟随，实现温度传感并输出信号给正反馈放大电路；正反馈放大电路对温度传感器电路的输出信号进行放大并输出给放大输出电路；放大输出电路对正反馈放大器输出信号进行采样放大，控制双极稳压器输出功率晶体管的输出。
2.根据权利要求1所述的抗辐照双极温度监测电路，其特征在于，温度传感器电路包括晶体管Qn2、电阻R2和电阻R3；晶体管Qn2基极接带隙基准电压VREF，集电极接电源VIN，发射极接电阻R2一端；电阻R2一端接a2点，另一端接晶体管Qn2发射极；电阻R3一端接a2点，另一端接地。
3.根据权利要求2所述的抗辐照双极温度监测电路，其特征在于，晶体管Qn2发射区面积为7μm×7μm，电阻R2和电阻R3采用注入电阻。
4.根据权利要求1所述的抗辐照双极温度监测电路，其特征在于，正反馈放大电路包括晶体管Qn3、晶体管Qn4、晶体管Qlp4和电阻R4；晶体管Qn3基极接晶体管Qlp4集电极，集电极接晶体管Qn4发射极，发射极接地；晶体管Qn4基极与集电极相连并接晶体管Qlp4基极，发射极接晶体管Qn3集电极；晶体管Qlp4基极接晶体管Qn4基极与集电极，集电极接晶体管Qn3基极，发射极接电阻R4一端；电阻R4一端接a3，另一端接晶体管Qlp4发射极。
5.根据权利要求4所述的抗辐照双极温度监测电路，其特征在于，晶体管Qlp4发射区直径为10μm，基区宽度为8μm；晶体管Qn3和晶体管Qn4发射区面积均为7μm×7μm，R4电阻采用注入电阻。
6.根据权利要求1所述的抗辐照双极温度监测电路，其特征在于，放大输出电路包括两级放大器，第一级放大器采用共射放大结构，第二级放大器采用集电极开路结构。
7.根据权利要求6所述的抗辐照双极温度监测电路，其特征在于，放大输出电路包括电阻R5、晶体管Qlp5、电阻R6和晶体管Qn5；电阻R5一端接a3，另一端接晶体管Qlp5发射极；晶体管Qlp5基极接a4，集电极接a5点，发射极接电阻R5一端；电阻R6一端接a5点，另一端接地；晶体管Qn5基极接a5点，集电极接OUT点，发射极接地。
8.根据权利要求7所述的抗辐照双极温度监测电路，其特征在于，晶体管Qlp5发射区直径为10μm，基区宽度为8μm；晶体管Qn5发射区面积为7μm×7μm，电阻R5和电阻R6采用注入电阻。
9.根据权利要求1所述的抗辐照双极温度监测电路，其特征在于，还包括偏置电流源电路，偏置电流源电路为正反馈放大电路和放大输出电路提供工作电流。
10.根据权利要求9所述的抗辐照双极温度监测电路，其特征在于，偏置电流源电路包括元件晶体管Qn1、电阻R1、晶体管Qlp1、晶体管Qlp2和晶体管Qlp3；晶体管Qn1基极接带隙基准电压VREF，集电极接a1点，发射极接电阻R1一端；电阻R1一端接地，另一端接晶体管Qn1发射极；晶体管Qlp1基极与集电极相连并接a1点，发射极接电源VIN；晶体管Qlp2基极接a1点，集电极接入正反馈放大电路和放大输出电路，发射极接电源VIN；晶体管Qlp3基极接a1点，集电极接入正反馈放大电路和放大输出电路，发射极接电源VIN。
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