CN113131438A - 一种过温保护电路 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种过温保护电路，包括检测电压产生电路、阈值电压产生电路、第一比较器、第二比较器、一与非门以及逻辑电路，第一比较器用于根据检测电压和第一阈值电压产生第一比较信号，第二比较器用于根据检测电压和第二阈值电压产生第二比较信号，与非门用于根据第二比较信号和上电复位信号产生一复位信号，逻辑电路用于根据第一比较信号进行置位操作，根据复位信号进行复位操作，从而产生过温控制信号，当芯片在回温阈值和过温阈值之间的温度启动时，由于上电复位信号为低电平，所以此时复位信号为高电平，逻辑电路根据复位信号执行复位操作，将过温控制信号输出为低电平，从而解决了芯片在回温阈值和过温阈值之间启动时过温保护误触发的问题。
Description
技术领域
本发明涉及芯片过温保护技术领域，更具体地，涉及一种过温保护电路。
背景技术
过温保护电路(Over Temperature Protection，OTP)广泛应用于电源电路中，防止芯片温度过高引起电路工作不正常甚至烧毁。其原理是利用温度敏感器件对芯片温度进行监控，当芯片温度高于过温阈值时，输出一个控制信号以关断电路；当芯片温度降低至回温阈值时，输出另一个控制信号使电路继续工作。
如图1示出传统的过温保护电路的结构示意图。如图1所示，传统的过温保护电路100包括检测电压产生电路110、阈值电压产生电路120和比较电路130。
检测电压产生电路110包括依次串联连接于电源电压VDD和地之间的电流源I1、晶体管B1和晶体管B2，检测电压产生电路110用于产生一检测电压VBE，检测电压VBE为负温度系数电压。
阈值电压产生电路120包括晶体管Mp1、晶体管Mp2、电流源IPTAT以及电阻R1和电阻R2，晶体管Mp1和晶体管Mp2构成电流镜，晶体管Mp1和晶体管Mp2的宽长比之比为1:1。阈值电压产生电路120用于产生第一阈值电压Vthm和第二阈值电压Vhys。因为电流源IPTAT为正温度系数电流源，所以第一阈值电压Vthm和第二阈值电压Vhys为正温度系数电压，且第二阈值电压Vhys大于第一阈值电压Vthm。其中，第一阈值电压Vthm为芯片温度上升过程中，使得过温保护电路的输出状态发生翻转对应的检测电压，第二阈值电压Vhys为芯片温度下降过程中，使得过温保护电路的输出状态发生翻转对应的检测电压。
比较电路130包括比较器131、反相器INV1、反相器INV2以及晶体管Mn1和晶体管Mn2。比较器131的正相输入端用于接收第一阈值电压Vthm或第二阈值电压Vhys，比较器131的反相输入端用于接收检测电压VBE。反相器INV1的输入端与比较器131的输出端连接，反相器INV2的输入端与反相器INV1的输出端连接，反相器INV2的输出端用于输出过温控制信号OTP，反相器INV1的输出端用于输出回温控制信号TSDB。晶体管Mn1连接在第一阈值电压Vthm和比较器131的正相输入端之间，晶体管Mn2连接在第二阈值电压Vhys和比较器131的正相输入端之间，晶体管Mn1的控制端用于回温控制信号TSDB，晶体管Mn2的控制端用于接收过温控制信号OTP。
传统的过温保护电路的工作原理如下：电流源I1流过三极管B1和三极管B2得到负温度系数的检测电压VBE，电流源IPTAT流过电阻R1和电阻R2，得到正温度系数的第一阈值电压Vthm和第二阈值电压Vhys。第一阈值电压Vthm或第二阈值电压Vhys与检测电压VBE经过比较器131，然后再经过反相器INV1和反相器INV2的整形，得到过温控制信号OTP和回温控制信号TSDB。常温下第一阈值电压Vthm和第二阈值电压Vhys都小于检测电压VBE，比较器131输出低电平，回温控制信号TSDB为高电平，过温控制信号OTP为低电平，晶体管Mn1导通，晶体管Mn2关断，A点电位等于第一阈值电压Vthm。随着芯片温度的上升，检测电压VBE减小，第一阈值电压Vthm增大，当芯片温度高于过温阈值时，检测电压VBE小于第一阈值电压Vthm，比较器131输出发生翻转，回温控制信号TSDB变为低电平，过温控制信号OTP变为高电平，芯片进入过温保护。同时，晶体管Mn1关断，晶体管Mn2导通，A点电位等于第二阈值电压Vhys。因为过温控制信号OTP关闭了需要监控的电路，使得芯片温度下降，检测电压VBE逐渐增大，第二阈值电压Vhys逐渐减小，当芯片温度降低至回温阈值时，检测电压VBE大于第二阈值电压Vhys，比较器131再次翻转，回温控制信号TSDB变为高电平，过温控制信号OTP变为低电平，芯片重新开始工作。
传统的过温保护电路的缺点在于，当芯片在回温阈值和过温阈值之间的温度启动时，由于比较器的初始输出电平无法确定，因此芯片启动时晶体管Mn1和晶体管Mn2的状态无法确定，这就带来了过温保护误触发的可能性。例如，如果比较器131的初始输出为高电平并在电路启动之前一直保持为高电平状态，所以芯片启动时晶体管Mn1关断，晶体管Mn2导通，由于此时检测电压VBE小于第二阈值电压Vhys，所以比较器131输出高电平，过温控制信号OTP为高电平，回温控制信号TSDB为低电平，芯片直接进入过温保护，使得芯片无法正常启动。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种过温保护电路，解决芯片在回温阈值和过温阈值之间启动时过温保护误触发的问题。
根据本发明实施例，提供了一种过温保护电路，包括：检测电压产生电路，用于产生一检测电压；阈值电压产生电路，用于产生第一阈值电压和第二阈值电压；第一比较器，用于根据所述检测电压和所述第一阈值电压产生第一比较信号；第二比较器，用于根据所述检测电压和所述第二阈值电压产生第二比较信号；一与非门，用于根据所述第二比较信号和上电复位信号产生一复位信号；以及逻辑电路，用于根据所述第一比较信号进行置位操作，根据所述复位信号进行复位操作，从而产生过温控制信号。
优选地，所述检测电压产生电路包括依次串联连接于电源电压和地之间的第一电流源、第一晶体管和第二晶体管，其中，所述第一晶体管和所述第二晶体管分别连接成二极管结构，所述第一电流源和所述第一晶体管的中间节点用于提供所述检测电压。
优选地，所述第一晶体管和所述第二晶体管分别为NPN型双极性晶体管。
优选地，所述阈值电压产生电路包括：依次串联连接于电源电压和地之间的第三晶体管和第二电流源；以及依次串联连接于所述电源电压和地之间的第四晶体管、第一电阻和第二电阻，其中，所述第三晶体管和所述第四晶体管构成电流镜，所述第一电阻和所述第二电阻之间的中间节点用于提供所述第一阈值电压，所述第四晶体管和所述第一电阻的中间节点用于提供所述第二阈值电压。
优选地，所述第三晶体管和所述第四晶体管分别为P型金属氧化物半导体场效应晶体管。
优选地，所述检测电压为负温度系数电压，所述第一阈值电压和所述第二阈值电压为正温度系数电压。
优选地，所述第一阈值电压小于所述第二阈值电压。
优选地，所述第一比较器的反相输入端用于接收所述检测电压，正相输入端用于接收所述第一阈值电压，输出端用于提供所述第一比较信号，所述第二比较器的反相输入端用于接收所述检测电压，正相输入端用于接收所述第二阈值电压，输出端用于提供所述第二比较信号。
优选地，所述逻辑电路包括一D触发器。
本发明实施例的过温保护电路包括检测电压产生电路、阈值电压产生电路、第一比较器、第二比较器、一与非门以及逻辑电路。其中，检测电压产生电路用于产生一检测电压，阈值电压产生电路用于产生表征过温阈值的第一阈值电压和回温阈值的第二阈值电压，第一比较器用于根据检测电压和第一阈值电压产生第一比较信号，第二比较器用于根据检测电压和第二阈值电压产生第二比较信号，与非门用于根据第二比较信号和上电复位信号产生一复位信号，逻辑电路用于根据第一比较信号进行置位操作，根据复位信号进行复位操作，从而产生过温控制信号。在本发明实施例的过温保护电路中，当芯片在回温阈值和过温阈值之间的温度启动时，虽然第一比较信号为低电平，第二比较信号为高电平，但是由于上电复位信号为低电平，所以此时复位信号为高电平，逻辑电路根据复位信号执行复位操作，将过温控制信号输出为低电平，从而解决了芯片在回温阈值和过温阈值之间启动时过温保护误触发的问题。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1示出传统的过温保护电路的结构示意图；
图2示出根据本发明实施例的过温保护电路的结构示意图；
图3示出根据本发明实施例的过温保护电路的时序图；
图4示出根据本发明实施例的过温保护电路的工作状态图。
具体实施方式
以下将参照附图更详细地描述本发明的各种实施例。在各个附图中，相同的元件采用相同或类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。
应当理解，在以下的描述中，“电路”是指由至少一个元件或子电路通过电气连接或电磁连接构成的导电回路。当称元件或电路“连接到”另一元件或称元件/电路“连接在”两个节点之间时，它可以直接耦合或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。相反，当称元件“直接耦合到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。
在本申请中，MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金属氧化物半导体场效应晶体管)包括第一端、第二端和控制端，在MOSFET的导通状态，电流从第一端流至第二端。P型MOSFET的第一端、第二端和控制端分别为源极、漏极和栅极，N型MOSFET的第一端、第二端和控制端分别为漏极、源极和栅极。双极性晶体管包括第一端、第二端和控制端，在双极性晶体管的导通状态，电流从第一端流至第二端。PNP型双极性晶体管的第一端、第二端和控制端分别为发射极、集电极和基极，NPN型双极性晶体管的第一端、第二端和控制端分别为集电极、发射极和基极。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图2示出根据本发明实施例的过温保护电路的结构示意图。如图2所示，过温保护电路200包括检测电压产生电路210、阈值电压产生电路220、比较器231、比较器232、与非门233以及逻辑电路234。
检测电压产生电路210包括依次串联连接于电源电压VDD和地之间的电流源I1、晶体管B1和晶体管B2，检测电压产生电路210用于产生一检测电压VBE，检测电压VBE为负温度系数电压。
阈值电压产生电路220包括晶体管Mp1、晶体管Mp2、电流源IPTAT以及电阻R1和电阻R2，晶体管Mp1和晶体管Mp2构成电流镜，晶体管Mp1和晶体管Mp2的宽长比之比为1:1。阈值电压产生电路220用于产生第一阈值电压Vthm和第二阈值电压Vhys。因为电流源IPTAT为正温度系数电流源，所以第一阈值电压Vthm和第二阈值电压Vhys为正温度系数电压，且第二阈值电压Vhys大于第一阈值电压Vthm。其中，第一阈值电压Vthm为芯片温度上升过程中，使得过温保护电路的输出状态发生翻转对应的检测电压，第二阈值电压Vhys为芯片温度下降过程中，使得过温保护电路的输出状态发生翻转对应的检测电压。
比较器231的正相输入端用于接收第一阈值电压Vthm，比较器231的反相输入端用于接收检测电压VBE。比较器231用于将检测电压VBE和第一阈值电压Vthm进行比较，以在输出端提供第一比较信号TSD。比较器232的正相输入端用于接收第二阈值电压Vhys，比较器232的反相输入端用于接收检测电压VBE。比较器232用于将检测电压VBE和第二阈值电压Vhys进行比较，以在输出端提供第二比较信号HYS。与非门233用于根据上电复位信号POR(Power-On-Reset)和第二比较信号HYS得到一复位信号Reset。
控制模块234用于根据第一比较信号TSD进行置位操作，根据复位信号Reset进行复位操作，从而产生过温控制信号OTP，并根据过温控制信号OTP控制芯片中其他电路的工作状态。进一步的，控制模块234包括触发器DFF，触发器DFF例如通过D触发器实现，其输入端用于接收电源电压VDD，时钟端用于接收第一比较信号TSD，复位端用于接收所述复位信号Reset，输出端用于输出所述过温控制信号OTP。
在上述实施例中，晶体管B1和晶体管B2例如选自NPN型双极性晶体管，晶体管Mp1和晶体管Mp2例如选自P型MOSFET。
图3和图4分别示出根据本发明实施例的过温保护电路的时序图和工作状态图。在图3中，检测电压VBE为负温度系数电压，第一阈值电压Vthm和第二阈值电压Vhys为正温度系数电压。在图4中，横坐标表示温度(单位为℃)，纵坐标表示电压，其中，Tthm表示过温阈值，Thys表示回温阈值，TSD为比较器231输出的第一比较信号，HYS为比较器232输出的第二比较信号。下面参照图2、图3和图4对本发明实施例的过温保护电路的工作原理进行详细的说明。
在时间段t0-t1，芯片开始启动，电源电压VDD逐渐上升，检测电压VBE、第一阈值电压Vthm和第二阈值电压Vhys逐渐建立。此外，检测电压VBE大于第一阈值电压Vthm和第二阈值电压Vhys，所以第一比较信号TSD和第二比较信号HYS为低电平，又因为上电复位信号POR为低电平，所以复位信号Reset初始为高电平，将触发器DFF复位，因此过温控制信号OTP为低电平，电路未发生过温保护。
在时间段t1-t2，电路启动完成，电源电压VDD建立完成，随后上电复位信号POR翻转为高电平(如时间t2所示)。随着芯片温度的上升，检测电压VBE逐渐减小，第一阈值电压Vthm和第二阈值电压Vhys逐渐增大。
在时间段t2-t3，上电复位信号POR为高电平，所以复位信号Reset翻转为低电平。芯片温度继续上升，在时间t3，芯片温度上升至回温阈值Thys，此时检测电压VBE小于第二阈值电压Vhys，比较器232的输出翻转，第二比较信号HYS翻转为高电平，复位信号Reset翻转为低电平，但不影响触发器DFF的输出，过温控制信号OTP依然为低电平。
在时间段t3-t4，芯片温度继续上升，在时间t4，芯片温度上升至过温阈值Tthm，此时检测电压VBE小于第一阈值电压Vthm，比较器231的输出翻转，第一比较信号TSD翻转为高电平，触发器DFF根据第一比较信号TSD执行置位操作，过温控制信号OTP翻转为高电平，电路进入过温保护。
当芯片温度在过温保护状态下开始降低时，当芯片温度小于过温阈值Tthm但大于回温阈值Thys时，第一比较信号TSD为低电平，第二比较信号HYS为高电平，复位信号Reset依旧为低电平，触发器DFF维持原有的输出，过温控制信号OTP依旧为高电平。当芯片温度小于回温阈值Thys时，第二比较信号HYS变为低电平，复位信号Reset翻转为高电平，触发器DFF根据复位信号Reset执行复位操作，过温控制信号OTP翻转为低电平，芯片又可以重新开始工作，如图4所示。
综上所述，本发明实施例的过温保护电路包括检测电压产生电路、阈值电压产生电路、第一比较器、第二比较器、一与非门以及逻辑电路。其中，检测电压产生电路用于产生一检测电压，阈值电压产生电路用于产生表征过温阈值的第一阈值电压和回温阈值的第二阈值电压，第一比较器用于根据检测电压和第一阈值电压产生第一比较信号，第二比较器用于根据检测电压和第二阈值电压产生第二比较信号，与非门用于根据第二比较信号和上电复位信号产生一复位信号，逻辑电路用于根据第一比较信号进行置位操作，根据复位信号进行复位操作，从而产生过温控制信号。在本发明实施例的过温保护电路中，当芯片在回温阈值和过温阈值之间的温度启动时，虽然第一比较信号为低电平，第二比较信号为高电平，但是由于上电复位信号为低电平，所以此时复位信号为高电平，逻辑电路根据复位信号执行复位操作，将过温控制信号输出为低电平，从而解决了芯片在回温阈值和过温阈值之间启动时过温保护误触发的问题。
应当说明，尽管在本文中，将器件说明为某种N沟道或P沟道器件、或者某种N型或者P型掺杂区域，然而本领域的普通技术人员可以理解，根据本发明，互补器件也是可以实现的。本领域的普通技术人员可以理解，导电类型是指导电发生的机制，例如通过空穴或者电子导电，因此导电类型不涉及掺杂浓度而涉及掺杂类型，例如P型或者N型。本领域普通技术人员可以理解，本文中使用的与电路运行相关的词语“期间”、“当”和“当……时”不是表示在启动动作开始时立即发生的动作的严格术语，而是在其与启动动作所发起的反应动作(reaction)之间可能存在一些小的但是合理的一个或多个延迟，例如各种传输延迟等。本文中使用词语“大约”或者“基本上”意指要素值(element)具有预期接近所声明的值或位置的参数。然而，如本领域所周知的，总是存在微小的偏差使得该值或位置难以严格为所声明的值。本领域已恰当的确定了，至少百分之十(10％)(对于半导体掺杂浓度，至少百分之二十(20％))的偏差是偏离所描述的准确的理想目标的合理偏差。当结合信号状态使用时，信号的实际电压值或逻辑状态(例如“1”或“0”)取决于使用正逻辑还是负逻辑。
此外，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
依照本发明的实施例如上文，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。
Claims (9)
1.一种过温保护电路，其特征在于，包括：
检测电压产生电路，用于产生一检测电压；
阈值电压产生电路，用于产生第一阈值电压和第二阈值电压；
第一比较器，用于根据所述检测电压和所述第一阈值电压产生第一比较信号；
第二比较器，用于根据所述检测电压和所述第二阈值电压产生第二比较信号；
一与非门，用于根据所述第二比较信号和上电复位信号产生一复位信号；以及
逻辑电路，用于根据所述第一比较信号进行置位操作，根据所述复位信号进行复位操作，从而产生过温控制信号。
2.根据权利要求1所述的过温保护电路，其特征在于，所述检测电压产生电路包括依次串联连接于电源电压和地之间的第一电流源、第一晶体管和第二晶体管，
其中，所述第一晶体管和所述第二晶体管分别连接成二极管结构，
所述第一电流源和所述第一晶体管的中间节点用于提供所述检测电压。
3.根据权利要求2所述的过温保护电路，其特征在于，所述第一晶体管和所述第二晶体管分别为NPN型双极性晶体管。
4.根据权利要求1所述的过温保护电路，其特征在于，所述阈值电压产生电路包括：
依次串联连接于电源电压和地之间的第三晶体管和第二电流源；以及
依次串联连接于所述电源电压和地之间的第四晶体管、第一电阻和第二电阻，
其中，所述第三晶体管和所述第四晶体管构成电流镜，
所述第一电阻和所述第二电阻之间的中间节点用于提供所述第一阈值电压，所述第四晶体管和所述第一电阻的中间节点用于提供所述第二阈值电压。
5.根据权利要求4所述的过温保护电路，其特征在于，所述第三晶体管和所述第四晶体管分别为P型金属氧化物半导体场效应晶体管。
6.根据权利要求1所述的过温保护电路，其特征在于，所述检测电压为负温度系数电压，所述第一阈值电压和所述第二阈值电压为正温度系数电压。
7.根据权利要求6所述的过温保护电路，其特征在于，所述第一阈值电压小于所述第二阈值电压。
8.根据权利要求1所述的过温保护电路，其特征在于，所述第一比较器的反相输入端用于接收所述检测电压，正相输入端用于接收所述第一阈值电压，输出端用于提供所述第一比较信号，
所述第二比较器的反相输入端用于接收所述检测电压，正相输入端用于接收所述第二阈值电压，输出端用于提供所述第二比较信号。
9.根据权利要求1所述的过温保护电路，其特征在于，所述逻辑电路包括一D触发器。
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