CN112018742B - 一种具有温度补偿的过压保护电路及其实现方法 - Google Patents

一种具有温度补偿的过压保护电路及其实现方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有温度补偿的过压保护电路及其实现方法，所述电路连接于能量采集电路与物联网电路芯片系统之间，包括：温度补偿控制电压产生电路，用于产生具有正温度系数的控制电压V1；开关电路，用于在所述控制电压V1的控制下，在温度升高后关断本开关电路形成的泄流通路，以接入更多泄流二极管来提高由于温度上升造成的泄流二极管导通电压降低引起的输出电压降低问题；泄流电路，用于在所述开关电路的控制下以在不同温度时接入不同数量的泄流二极管。

Description

一种具有温度补偿的过压保护电路及其实现方法
技术领域
本发明涉及一种过压保护电路及方法，特别是涉及一种具有温度补偿的过压保护电路及其实现方法。
背景技术
任何电子器件都有其可以承受的最大额定工作电压，一旦超出最大的耐压范围，器件的寿命会受到很大的影响，甚至器件直接损坏。过压保护电路是用于防止输入电压过高而造成电路系统中器件的损害。一旦输入电压高于设定的电压，过压保护电压立即启动关闭或者降低输入至设定值。现有无源物联网芯片系统中，芯片的输入电源通常由自带的能量采集电路提供，当系统采集能量大于系统所需能量就存在着过压的危险。
为了防止这种现象的发生，现有的方法通常是在能量采集电路10输出的电源电压上接几个二极管(D1～D3)同向串联组成的过压保护电路20到电源地，如图1所示，其通过泄流的方式来降低电压，在过压保护电路20之后才接入原有的物联网电路芯片系统30，在正常工作的电压下，泄流电路本身并没有功耗。这种方法在一定程度上会把电压控制在一定的范围内，但是由于二极管器件的阈值电压会随着温度而变化(负温度系数，典型值为-2.6mV/℃)，该结构在设计时必须要在保护电压和温度之间折中，随着温度升高，过压保护电路启动电压会越来越低，比如说对于一个三个二极管串联的结构，常温(20℃)下触发电压大约为2.1V，当在温度达到100℃时，触发电压(启动电压)仅约为1.6V，若芯片工作电压为1.8V，则在正常工作时势必会带来能量损耗，这对于无源物联网芯片系统是不能接受的。
发明内容
为克服上述现有技术存在的不足，本发明之目的在于提供一种具有温度补偿的过压保护电路及其实现方法，以实现一种温度补偿的过压保护电路。
为达上述及其它目的，本发明提出一种具有温度补偿的过压保护电路，连接于能量采集电路与物联网电路芯片系统之间，包括：
温度补偿控制电压产生电路，用于产生具有正温度系数的控制电压V1；
开关电路，用于在所述控制电压V1的控制下，在温度升高后关断本开关电路形成的泄流通路，以接入更多泄流二极管来提高由于温度上升造成的泄流二极管导通电压降低引起的输出电压降低问题；
泄流电路，用于在所述开关电路的控制下以在不同温度时接入不同数量的泄流二极管。
优选地，所述温度补偿控制电压产生电路包括第一恒流源(I1)、第二恒流源(I2)、第一NMOS管(NM1)、第二NMOS管(NM2)，所述能量采集电路的输出即所述物联网电路芯片系统的电源输入端连接至第一恒流源(I1)和第二恒流源(I2)的电源端；第一恒流源(I1)的输出端连接至第一NMOS管(NM1)的漏极和栅极以及第二NMOS管(NM2)的栅极，第二恒流源(I2)的输出端连接至第一NMOS管(NM1)的源极、第二NMOS管(NM2)的漏极以及所述开关电路，第二NMOS管(NM2)的源极接地。
优选地，所述开关电路包括第一PMOS管(PM1)，所述第一PMOS管(PM1)栅极接所述第二恒流源(I2)的输出端，源极接所述泄流电路，漏极接地。
优选地，所述泄流电路包括同向串联的第一至第四泄流二极管(D1-D4)，所述第一泄流二极管(D1)阳极接所述能量采集电路的输出、所述物联网电路芯片系统的电源输入端以及第一恒流源(I1)和第二恒流源(I2)的电源端，阴极与第二泄流二极管(D2)的阳极相连，所述第二泄流二极管(D2)阴极与第三泄流二极管(D3)的阳极相连，所述泄流二极管(D3)阴极与第四泄流二极管(D4)的阳极相连，所述泄流二极管(D4)的阴极接地，所述第一PMOS管(PM1)的源极与第三泄流二极管(D3)的阴极、第四泄流二极管(D4)的阳极相连。
优选地，所述第一至第三泄流二极管(D1-D3)组成第一阶梯泄流电路，所述第四泄流二极管(D4)组成第二阶梯泄流电路。
优选地，在温度较低时，所述第一阶梯泄流电路与所述开关电路组成泄流通路，而在温度较高时，所述第一阶梯泄流电路与所述第二阶梯泄流电路组成泄流通路。
为达到上述目的，本发明还提供一种具有温度补偿的过压保护电路的实现方法，包括如下步骤：
步骤S1，利用温度补偿控制电压产生电路产生具有正温度系数的控制电压V1；
步骤S2，利用一开关电路在所述控制电压V1的控制下，在温度升高后关断所述开关电路形成的泄流通路，以接入更多泄流二极管来提高由于温度上升造成的泄流二极管导通电压降低引起的输出电压降低问题；
步骤S3，利用泄流电路在所述开关电路的控制下在不同温度时接入不同数量的泄流二极管。
优选地，于步骤S3中，所述泄流电路包括第一阶梯泄流电路与第二阶梯泄流电路，在温度较低时，所述第一阶梯泄流电路与开关电路组成泄流通路，而在温度较高时，所述第一阶梯泄流电路与第二阶梯泄流电路组成泄流通路。
与现有技术相比，本发明一种具有温度补偿的过压保护电路的实现方法通过利用温度补偿控制电压产生电路产生具有正温度系数的控制电压V1，利用一开关电路在所述控制电压V1的控制下，在温度升高后关断所述开关电路形成的泄流通路，以接入更多泄流二极管来提高由于温度上升造成的泄流二极管导通电压降低引起的输出电压降低问题，并利用泄流电路在所述开关电路的控制下在不同温度时接入不同数量的泄流二极管，实现了一种温度补偿的过压保护电路。
附图说明
图1为现有技术中具有温度补偿的过压保护电路的电路结构图；
图2为本发明一种具有温度补偿的过压保护电路之较佳实施例的电路结构图；
图3为本发明一种具有温度补偿的过压保护电路的实现方法的步骤流程图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例并结合附图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示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。
图2为本发明一种具有温度补偿的过压保护电路之较佳实施例的电路结构图。如图2所示，在本发明较佳实施例中，一种具有温度补偿的过压保护电路，包括：温度补偿控制电压产生电路201、开关电路202、泄流电路203。
其中，温度补偿控制电压产生电路201由第一恒流源I1、第二恒流源I2、第一NMOS管NM1、第二NMOS管NM2组成，用于产生具有正温度系数的控制电压V1；开关电路202，由PMOS管PM1组成，用于在控制电压V1的控制下，在温度升高后关断本开关电路形成的泄流通路，以接入更多泄流二极管来提高由于温度上升造成的泄流二极管导通电压降低引起的输出电压降低问题；泄流电路203，由多个同向串联的泄流二极管D1-D4组成，用于在开关电路202的控制下以在不同温度时接入不同数量的泄流二极管，具体地，泄流二极管D1-D3组成第一阶梯泄流电路，泄流二极管D4组成第二阶梯泄流电路，在温度较低时，第一阶梯泄流电路与开关电路202组成泄流通路，而在温度较高时，第一阶梯泄流电路与第二阶梯泄流电路组成泄流通路。
能量采集电路10的输出连接至泄流二极管D1的阳极、物联网电路芯片系统30的电源输入端以及第一恒流源I1和第二恒流源I2的电源端；第一恒流源I1的输出端连接至第一NMOS管NM1的漏极和栅极以及第二NMOS管NM2的栅极，第二恒流源I2的输出端连接至第一NMOS管NM1的源极、第二NMOS管NM2的漏极以及PMOS管PM1的栅极形成控制电压V1节点，第二NMOS管NM2的源极和及PMOS管PM1的漏极接地；泄流二极管D1-D4同向串联，即泄流二极管D1阴极与的泄流二极管D2的阳极相连、泄流二极管D2阴极与的泄流二极管D3的阳极相连、泄流二极管D3阴极与的泄流二极管D4的阳极相连，泄流二极管D4的阴极接地；PMOS管PM1的源极与泄流二极管D3的阴极、泄流二极管D4的阳极相连；能量采集电路10的输入(能量输入端)一般为天线。
图2中，当第一NMOS管NM1、第二NMOS管NM2工作在亚阈值工作区，VGS＜Vth，根据亚阈值电流公式，可以计算出第二NMOS管NM2管的漏极-NM1的源极电压即控制电压V1为：
Figure BDA0002649598000000051
其中Sa，Sb为第一NMOS管NM1、第二NMOS管NM2的宽长比(W/L)，m为亚阈值斜率因子，
Figure BDA0002649598000000052
k为波耳兹曼常数，q为电子的电荷量，T为绝对温度，从而V1点是一个具有正温度系数的电压，随着温度升高，该控制电压会越来越高。
当处于常温时，V1节点电压很低，晶体管PM1处于完全导通现象，此时过压保护电路为3个二极管串联。随着温度的升高，PM1两端的压降越来越大，当温度升高到某一温度(该温度和设计参数相关，其基本原则是保证能量采集电路的输出在所关心的温度范围内能正常工作)时，晶体管PM1关闭，此时过压保护电路变成了4个二极管串联，从而确保了过压保护电路启动电压的稳定。
可以拓展地，可以有多个201、202，配合多阶梯泄流电路让输出电压经温度补偿后更平稳，如多一级201、202，在D4阴极和地间再串联一个二极管D5，后加的202的源极连接D5的阳极和D4的阴极。
图3为本发明一种具有温度补偿的过压保护电路的实现方法的步骤流程图。如图3所示，本发明一种具有温度补偿的过压保护电路的实现方法，包括如下步骤：
步骤S1，利用温度补偿控制电压产生电路产生具有正温度系数的控制电压V1；
步骤S2，利用一开关电路在所述控制电压V1的控制下，在温度升高后关断所述开关电路形成的泄流通路，以接入更多泄流二极管来提高由于温度上升造成的泄流二极管导通电压降低引起的输出电压降低问题；
步骤S3，利用泄流电路在所述开关电路的控制下在不同温度时接入不同数量的泄流二极管，具体地，所述泄流电路由多个同向串联的泄流二极管D1-D4组成，泄流二极管D1-D3组成第一阶梯泄流电路，泄流二极管D4组成第二阶梯泄流电路，在温度较低时，第一阶梯泄流电路与开关电路202组成泄流通路，而在温度较高时，第一阶梯泄流电路与第二阶梯泄流电路组成泄流通路。
综上所述，本发明一种具有温度补偿的过压保护电路的实现方法通过利用温度补偿控制电压产生电路产生具有正温度系数的控制电压V1，利用一开关电路在所述控制电压V1的控制下，在温度升高后关断所述开关电路形成的泄流通路，以接入更多泄流二极管来提高由于温度上升造成的泄流二极管导通电压降低引起的输出电压降低问题，并利用泄流电路在所述开关电路的控制下在不同温度时接入不同数量的泄流二极管，实现了一种温度补偿的过压保护电路。
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。任何本领域技术人员均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与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims (7)

1.一种具有温度补偿的过压保护电路，连接于能量采集电路与物联网电路芯片系统之间，包括：
温度补偿控制电压产生电路，用于产生具有正温度系数的控制电压（V1）；
开关电路，用于在所述控制电压（V1）的控制下，在温度升高后关断本开关电路形成的泄流通路，以接入更多泄流二极管来提高由于温度上升造成的泄流二极管导通电压降低引起的输出电压降低问题；
泄流电路，用于在所述开关电路的控制下以在不同温度时接入不同数量的泄流二极管，其中，
所述温度补偿控制电压产生电路包括第一恒流源（I1）、第二恒流源（I2）、第一NMOS管（NM1）、第二NMOS管（NM2），所述物联网电路芯片系统的电源输入端连接至第一恒流源（I1）和第二恒流源（I2）的电源端；第一恒流源（I1）的输出端连接至第一NMOS管（NM1）的漏极和栅极以及第二NMOS管（NM2）的栅极，第二恒流源（I2）的输出端连接至第一NMOS管（NM1）的源极、第二NMOS管（NM2）的漏极以及所述开关电路，第二NMOS管（NM2）的源极接地。
2.如权利要求1所述的一种具有温度补偿的过压保护电路，其特征在于：所述开关电路包括第一PMOS管（PM1），所述第一PMOS管（PM1）栅极接所述第二恒流源（I2）的输出端，源极接所述泄流电路，漏极接地。
3.如权利要求2所述的一种具有温度补偿的过压保护电路，其特征在于：所述泄流电路包括同向串联的第一至第四泄流二极管（D1-D4），所述第一泄流二极管（D1）阳极接所述能量采集电路的输出、所述物联网电路芯片系统的电源输入端以及第一恒流源（I1）和第二恒流源（I2）的电源端，阴极与第二泄流二极管（D2）的阳极相连，所述第二泄流二极管（D2）阴极与第三泄流二极管（D3）的阳极相连，所述第三泄流二极管（D3）阴极与第四泄流二极管（D4）的阳极相连，所述第四泄流二极管（D4）的阴极接地，所述第一PMOS管（PM1）的源极与第三泄流二极管（D3）的阴极、第四泄流二极管（D4）的阳极相连。
4.如权利要求3所述的一种具有温度补偿的过压保护电路，其特征在于：所述第一泄流二极管（D1）、第二泄流二极管（D2）、第三泄流二极管（D3）组成第一阶梯泄流电路，所述第四泄流二极管（D4）组成第二阶梯泄流电路。
5.如权利要求4所述的一种具有温度补偿的过压保护电路，其特征在于：在温度低使得所述开关电路处于导通状态时，所述第一阶梯泄流电路与所述开关电路组成泄流通路，而在温度高至使得所述开关电路处于断开状态时，所述第一阶梯泄流电路与所述第二阶梯泄流电路组成泄流通路。
6.一种具有温度补偿的过压保护电路的实现方法，包括如下步骤：
步骤S1，利用温度补偿控制电压产生电路产生具有正温度系数的控制电压V1，其中，所述温度补偿控制电压产生电路包括第一恒流源（I1）、第二恒流源（I2）、第一NMOS管（NM1）、第二NMOS管（NM2），物联网电路芯片系统的电源输入端连接至第一恒流源（I1）和第二恒流源（I2）的电源端；第一恒流源（I1）的输出端连接至第一NMOS管（NM1）的漏极和栅极以及第二NMOS管（NM2）的栅极，第二恒流源（I2）的输出端连接至第一NMOS管（NM1）的源极、第二NMOS管（NM2）的漏极以及开关电路，第二NMOS管（NM2）的源极接地；
步骤S2，利用一开关电路在所述控制电压（V1）的控制下，在温度升高后关断所述开关电路形成的泄流通路，以接入更多泄流二极管来提高由于温度上升造成的泄流二极管导通电压降低引起的输出电压降低问题；
步骤S3，利用泄流电路在所述开关电路的控制下在不同温度时接入不同数量的泄流二极管。
7.如权利要求6所述的一种具有温度补偿的过压保护电路的实现方法，其特征在于：于步骤S3中，所述泄流电路包括第一阶梯泄流电路与第二阶梯泄流电路，在温度低使得所述开关电路处于导通状态时，所述第一阶梯泄流电路与开关电路组成泄流通路，而在温度高至使得所述开关电路处于断开状态时，所述第一阶梯泄流电路与第二阶梯泄流电路组成泄流通路。
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