CN114069557A - 过热保护电路以及具备该过热保护电路的开关调节器 - Google Patents

过热保护电路以及具备该过热保护电路的开关调节器 Download PDF

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Abstract

过热保护电路以及具备该过热保护电路的开关调节器。本发明提供一种提高过热检测的准确性的过热保护电路以及开关调节器。开关调节器具备过热保护电路，该过热保护电路具备：第一晶体管，其能够根据输入电压的电压电平而切换导通状态和截止状态；以及第一NPN晶体管，其能够根据供给到基极的参照电压的电压电平而切换导通状态和截止状态。所述参考电压的温度特性具有零以上的温度系数。

Description

过热保护电路以及具备该过热保护电路的开关调节器
技术领域
本发明涉及过热保护电路以及具备该过热保护电路的开关调节器。
背景技术
从保护IC(Integrated Circuit：集成电路)免受温度上升的影响的观点出发，提出了具有过热保护电路的IC。另外，从促进低功耗化的观点出发，在具有过热保护电路的IC中，有构成为进行所谓的间歇工作的IC(例如，参照专利文献1)。该间歇工作鉴于IC在工作中温度上升，在温度不上升的IC的非工作中，包含使过热保护电路的检测工作暂时停止的期间。
专利文献1：日本特开2017-163741号公报
以往的过热保护电路检测在温度上升时感温元件产生的电压的降低。另外，在间歇工作时(工作停止时)，通过切断向感温元件的电流供给，将IC的耗电抑制得较低。
但是，在上述间歇工作时，由于感温元件的电压降低，因此可能发生向如下状态(以下记为“过热检测状态”)的转变：该状态是检测出了处于IC达到规定的温度的状态(以下记为“过热状态”)的情况的状态。在该情况下，尽管IC不是过热状态，但误检测为过热状态，导致过热检测的准确性降低。
发明内容
本发明考虑到上述情况，其目的在于提供一种提高过热检测的准确性的过热保护电路以及具备该过热保护电路的开关调节器。
本发明的一种过热保护电路，其特征在于，该过热保护电路具备：第一晶体管，其具有：控制端子；第一端子，其被供给基准电压；以及第二端子，其与接地端子连接，所述第一晶体管能够根据输入端子的电压即输入电压的电压电平而切换导通状态和截止状态；以及第一NPN晶体管，其具有：基极，其连接于所述第一晶体管的第二端子与所述接地端子的节点；发射极，其与所述接地端子连接；以及集电极，其被供给恒定电流，并与输出端子连接，所述第一NPN晶体管能够根据供给到所述基极的参照电压的电压电平而切换导通状态和截止状态，所述参照电压的温度特性具有零以上的温度系数。
本发明的开关调节器，其根据所输入的电压，利用开关元件输出期望的输出电压，其特征在于，该开关调节器具备：输出控制电路，其向所述开关元件的控制端子输出控制信号；以及所述过热保护电路。该过热保护电路根据基于所述控制信号的信号的电压，向所述输出控制电路供给对所述输出控制电路进行控制的信号。
根据本发明，能够提高过热检测的准确性。
附图说明
图1是实施方式的开关调节器的电路图。
图2是第一实施方式的过热保护电路的电路图。
图3是说明实施方式的过热保护电路的温度检测工作的概要的说明图。
图4是实施方式的过热保护电路的比较器处于断开状态的情况下的、(a)表示输入电压相对于时间的关系的关系图、(b)表示参照电压相对于时间的关系的关系图、(c)表示输出电压相对于时间的关系的关系图。
图5是表示实施方式的过热保护电路的比较器从断开状态处于接通状态的情况下的、(a)表示参照电压相对于时间的关系的关系图、(b)表示输出电压相对于时间的关系的关系图。
图6是第二实施方式的过热保护电路的电路图。
图7的(a)是表示实施方式的开关调节器的另一结构例的电路图，(b)是表示电压DH、DL及VIN相对于时间的变化的说明图。
标号说明
1A、1B：过热保护电路
10：输入电路
12：PMOS晶体管(第一开关元件)
13：NMOS晶体管(第二开关元件)
20：NPN晶体管(第一晶体管、第二NPN晶体管)
30：温度迟滞生成电路
41：电阻(第一电阻)
43：电阻(第二电阻)
45：电容器
50：NPN晶体管(第一NPN晶体管)
120：NMOS晶体管(第一晶体管)
200、300：开关调节器
215：输出控制电路
N2：节点
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式的过热保护电路以及开关调节器进行说明。本实施方式的过热保护电路与IC等想要保护以免受过热的影响的保护对象连接，并检测该保护对象的温度是过热状态还是非过热状态(通常状态)。在此，过热状态是指，该保护对象的温度在设定的温度以上的状态。
另外，本实施方式的过热保护电路将基于其输出电压的信号供给到保护对象或对保护对象的接通状态和断开状态进行切换的开关电路，从而保护保护对象免受过热状态的影响。在此，将本实施方式的过热保护电路的保护对象作为开关调节器，首先，对本实施方式的开关调节器进行说明。
图1是作为本实施方式的开关调节器的一例的开关调节器200的电路图。
开关调节器200构成为将输入到输入端子IN的电压转换为恒定电压，将转换后的电压作为输出电压Vo从输出端子OUT输出。开关调节器200具备：作为开关元件的PMOS晶体管201；二极管202；电感器203；输出电容器204；误差比较器205；导通时间控制电路211；基准电压电路212；RS-FF电路213；定时器电路214；输出控制电路215；缓冲电路216；构成分压电路的电阻217、218；以及过热保护电路1A。
电阻217、218将与输出端子OUT的输出电压Vo对应的反馈电压Vf输出到电阻217、218的连接点。基准电压电路212将基准电压Vr输出到误差比较器205。误差比较器205将反馈电压Vf与基准电压Vr进行比较。误差比较器205在反馈电压Vf降低到基准电压以下时，向RS-FF电路213输出置位信号。
导通时间控制电路211基于RS-FF电路213的输出端子Q的输出信号向RS-FF电路213输出复位信号。RS-FF电路213根据供给到置位端子S的置位信号和供给到复位端子R的复位信号，从输出端子Q输出输出信号。输出控制电路215接收RS-FF电路213的信号，经由缓冲电路216控制PMOS晶体管201，产生输出电压Vo。
过热保护电路1A监视开关调节器200的温度，当判定为开关调节器200发热而处于过热状态时，向输出控制电路215输出信号。在开关调节器200中，温度最高的是向输出端子OUT供给输出电压Vo和输出电流的PMOS晶体管201。接收到过热保护电路1A的信号的输出控制电路215经由缓冲电路216向PMOS晶体管201的控制端子即栅极供给控制信号，使PMOS晶体管201的导通状态和截止状态转变为任一个状态。
定时器电路214接收从输出控制电路215输出的控制信号，当PMOS晶体管201转变为导通状态时，开始计时。若从计时开始起经过一定时间，则如后所述，过热保护电路1A接收基于控制信号的信号的电压作为输入电压VIN(参照图2)，输出作为对输出控制电路215进行控制的信号的输出电压VOUT。接着，针对每个实施方式对本实施方式的过热保护电路进行说明。
[第一实施方式]
图2是作为第一实施方式的过热保护电路的一例的过热保护电路1A的电路图。
过热保护电路1A具备：输入电路10；作为第一晶体管或第二NPN晶体管的NPN晶体管20；温度迟滞生成电路30；电阻41、43；电容器45；以及作为感温元件兼比较器发挥功能的NPN晶体管50。另外，过热保护电路1A具备输入端子Ti和输出端子To。
输入电路10具有：反相器11；作为第一开关元件的PMOS晶体管12；作为第二开关元件的NMOS晶体管13；以及基准电压电路14，例如BGR(Band Gap Reference：带隙基准)电路等。
反相器11具有：输入端，其与输入端子Ti连接；以及输出端，其分别与PMOS晶体管12的栅极及NMOS晶体管13的栅极连接。
PMOS晶体管12具有：源极，其与作为第一晶体管的第一端子的NPN晶体管20的集电极以及基准电压电路14的输出端连接；以及漏极，其与作为第一晶体管的控制端子的NPN晶体管20的基极以及NMOS晶体管13的漏极连接。NMOS晶体管13具有与提供接地电位的接地端子2连接的源极。
温度迟滞生成电路30具有电阻31和NMOS晶体管32。电阻31具有：第一端，其与电阻41的第二端连接；以及第二端，其与NMOS晶体管32的漏极连接。NMOS晶体管32具有：栅极，其与节点N1连接；以及源极，其与接地端子2连接。在此，节点N1是NPN晶体管50的集电极、恒流源60的第二端、反相器70的输入端以及NMOS晶体管32的栅极的连接点。
作为第一电阻的电阻41具有：第一端，其与作为第一晶体管的第二端子的NPN晶体管20的发射极连接；以及第二端，其与电阻43的第一端以及电阻31的第一端连接。作为第二电阻的电阻43具有：第一端，其与电阻41的第二端连接；以及第二端，其与接地端子2连接。串联连接的2个电阻41、43构成分压电路。
电容器45与电阻43并联连接在节点N2与接地端子2之间。电容器45与电阻41一起构成低通滤波器。在此，节点N2是电阻41的第二端、电阻43的第一端、电阻31的第一端以及NPN晶体管50的基极的连接点。在节点N2与接地端子2之间，相互并联地连接有温度迟滞生成电路30、电阻43以及电容器45。
作为第一NPN晶体管的NPN晶体管50具有：集电极，其与节点N1连接；发射极，其与接地端子2连接；以及基极，其与节点N2连接。
恒流源60具有：与电源端子3连接的第一端；以及与节点N1连接的第二端。逆变器70具有：与节点N1连接的输入端；以及与输出端子To连接的输出端。
接着，对过热保护电路1A的作用以及效果进行说明。
在过热保护电路1A中，由输入电路10向NPN晶体管20的集电极供给基准电压VREF。更具体而言，基准电压电路14产生基准电压VREF，将基准电压VREF从输出端向NPN晶体管20的集电极供给。基准电压VREF是没有温度依赖性的电压、即对温度不敏感的电压。
过热保护电路1A在转移到作为保护对象的开关调节器200的负载增加等而开关调节器200的温度上升的阶段的情况下，取得过热检测信号作为输入电压VIN，其中该过热检测信号表示转移到该阶段而持续了规定时间。作为过热检测信号，能够使用能够从作为保护对象的电路内的节点取出的信号或者能够从外置于该保护对象的电路内的节点取出的信号。在图1所例示的开关调节器200中，将来自定时器电路214的输出信号用作过热检测信号。
输入电路10根据输入电压VIN的电压电平，排他性地对PMOS晶体管12以及NMOS晶体管13的连接(导通)状态和非连接(截止)状态进行切换控制。输入电路10通过对PMOS晶体管12以及NMOS晶体管13的连接状态以及非连接状态进行切换控制，将NPN晶体管20的基极的连接目的地切换为NPN晶体管20的集电极或者接地端子2。
通过上述的输入电路10进行的路径的切换工作，NPN晶体管20以能够根据输入电压VIN的电压电平而切换导通状态和截止状态的方式工作。
更具体地进行说明，在与过热保护电路1A连接的开关调节器200处于工作停止状态的情况下，即在输入电压VIN的电压电平为低(以下记为“L”)电平的情况下，过热保护电路1A为非工作状态。在过热保护电路1A的非工作状态下，PMOS晶体管12截止，NMOS晶体管13导通，因此NPN晶体管20截止。
另外，由于NPN晶体管20截止，因此作为比较器的输入电压的NPN晶体管50的基极电压被电阻43下拉，因此NPN晶体管50成为截止状态。因此，在输入电压VIN的电压电平为L电平的情况下，NPN晶体管50不进行开关调节器200的过热状态的检测。
另一方面，在与过热保护电路1A连接的开关调节器200处于工作状态的情况下，即输入电压VIN的电压电平为高(以下记为“H”)电平的情况下，过热保护电路1A为工作状态。在过热保护电路1A的工作状态下，PMOS晶体管12导通，NMOS晶体管13截止，因此NPN晶体管20的集电极与基极短路。因此，NPN晶体管20导通。
在NPN晶体管20为导通状态下，NPN晶体管20的发射极电压输入到由电阻41和电阻43构成的分压电路。NPN晶体管20的发射极电压成为从基准电压VREF降低了NPN晶体管20的基极与发射极间电压VBE20的电压。NPN晶体管20的发射极电压的分压电压是节点N2的电压，成为用于温度检测的参照电压VB1。参照电压VB1输入到NPN晶体管50的基极。
NPN晶体管50输出与参照电压VB1及温度T相应的电压。NPN晶体管50的输出电压通过反相器70被反转，输出电压VOUT从输出端子To输出。
图3是说明本实施方式的过热保护电路的过热检测工作的概要的说明图。更具体而言，是表示作为感温元件兼比较器的NPN晶体管50的参照电压及阈值电压相对于温度T的关系(上部)以及输出电压VOUT相对于温度T的关系(下部)的关系图。
在此，NPN晶体管50的阈值电压是NPN晶体管50转变为导通状态所需的阈值电压、即基极与发射极间电压VBE50。温度Tr是将检测为开关调节器200处于过热状态的过热检测状态解除的温度(以下简记为“解除温度”)、即过热保护电路1A从过热检测状态向非过热检测状态转变时的温度。温度Td(＞Tr)是过热保护电路1A从非过热检测状态向过热检测状态转变时的温度(以下简记为“检测温度”)。
图4的(a)、(b)以及(c)分别是表示NPN晶体管50处于截止状态的情况下的、输入电压VIN相对于时间t的关系(输入电压VIN的时间推移)、参照电压VB1相对于时间t的关系(参照电压VB1的时间推移)以及输出电压VOUT相对于时间t的关系(输出电压VOUT的时间推移)的关系图。在图4的(a)、(b)、(c)中，横轴是时间t，图示的时间范围是共通的。
过热保护电路1A的过热温度的检测由NPN晶体管50进行。在NPN晶体管50为截止状态时，过热保护电路1A为非过热检测状态。在从基准时间(t＝0)起经过t1(＞0)的时间t＝t1，输入电压VIN的电压电平从L电平转变为H电平(参照图4的(a))，则NPN晶体管20从截止状态转变为导通状态。
在NPN晶体管20为导通状态时，参照电压VB1输入到NPN晶体管50的基极。在NPN晶体管50处于截止状态的情况下，参照电压VB1被设定为比NPN晶体管50转变为导通状态所需的阈值电压、即基极与发射极间电压VBE50低(参照图4的(b))。参照电压VB1由电阻41和电容器45被滤波，因此叠加的噪声减轻，并且平滑地上升。
在此，设NPN晶体管20、50的基极与发射极间电压VBE20、VBE50的温度特性为-2mV/℃，设电阻41、43的电阻值分别为R41、R43，基于上述的电压的关系，参照电压VB1的温度特性由下式(1)求出。
ΔVB1/ΔT＝(VREF-VBE20×(-2mV/℃))×R41/(R41+R43)
＝VREF+VBE20×(2mV/℃)×R41/(R41+R43)…(1)
根据式(1)的右边，参照电压VB1的温度特性具有正的温度系数，由直线L1表示。即，参照电压VB1随着温度上升而增加。在开关调节器200的温度未达到检测温度Td的非过热检测状态下，参照电压VB1不超过基极与发射极间电压VBE50(满足VB1＜VBE50)，输出电压VOUT维持L电平(参照图4的(c))。
图5的(a)以及图5的(b)分别是表示过热保护电路1A的NPN晶体管50从截止状态转变为导通状态的情况下的、参照电压VB1相对于时间t的关系(参照电压VB1的时间推移)以及输出电压VOUT相对于时间t的关系(输出电压VOUT的时间推移)的关系图。在图5的(a)、(b)中，横轴是时间t，图示的时间范围是共通的。另外，图5的(a)、(b)所图示的时间范围包含图4的(a)、(b)、(c)所图示的时间范围。
此外，若经过时间而到达时间t2(＞t1＞0)，则NPN晶体管50从截止状态转变为导通状态，过热保护电路1A转变为开关调节器200的过热检测状态。当NPN晶体管50导通时，参照电压VB1被钳位为NPN晶体管50的基极与发射极间电压VBE50(参照图5的(a))。在此，如上所述，基极与发射极间电压VBE50具有负的温度系数，由直线L2(参照图3)表示。即，参照电压VB1在检测温度Td以上的温度区域中按照直线L2推移。
另外，当NPN晶体管50导通时，输出电压VOUT从L电平向H电平反转(参照图5的(b))，反转后的输出电压VOUT对NMOS晶体管32的导通状态和截止状态进行切换，由此对温度赋予迟滞。
另一方面，对温度赋予了迟滞的结果是，即使开关调节器200的温度下降而低于检测温度Td，NPN晶体管50也不会转变为截止状态。参照电压VB1按照直线L2推移。此外，当开关调节器200的温度下降而达到解除温度Tr时，NPN晶体管50转变为截止状态。当NPN晶体管50转变为截止状态时，输出电压VOUT转变为L电平。
在NPN晶体管20为截止状态时，在电容器45中蓄积的电荷由电阻43放电。参照电压VB1被电阻43下拉，由此NPN晶体管50从导通状态转变为截止状态。即，过热保护电路1A从过热检测状态返回到非过热检测状态。NPN晶体管20、50成为截止状态，因此停止开关调节器200的过热检测。
根据过热保护电路1A，由于参照电压VB1具有正的温度系数，因此参照电压VB1的变化方向与温度的变化方向一致。因此，根据过热保护电路1A，在温度降低的阶段，能够防止错误地转变为过热检测状态。由于减少了过热检测状态的误检测，因此能够提高过热检测的准确性。
另外，根据过热保护电路1A，由于电阻41与电容器45构成低通滤波器，因此无需在NPN晶体管50的基极的前级追加设置低通滤波器，就能够通过电阻41以及电容器45对叠加于参照电压VB1的噪声进行滤波。因此，无需在NPN晶体管50的基极的前级追加设置低通滤波器，就能够减少叠加于参照电压VB1的噪声，能够减少因噪声引起的过热检测状态的误检测。
在此，在NPN晶体管50的基极的前级不需要另设的低通滤波器的优点在于，不会因低通滤波器的高阻抗而限制NPN晶体管50的基极电流。即，优点在于不会使NPN晶体管50的工作控制变得困难。
另外，根据过热保护电路1A，在过热保护电路1A为非工作状态时，NPN晶体管20、50成为截止状态，因此过热保护电路1A能够停止开关调节器200的过热检测，并且使过热保护电路1A中的消耗电流为零。
[第二实施方式]
图6是作为第二实施方式的过热保护电路的一例的过热保护电路1B的电路图。
过热保护电路1B相对于过热保护电路1A，在具备输入电路110及NMOS晶体管120来代替输入电路10及NPN晶体管20这一点上不同，但其他方面实质上相同。因此，在本实施方式中，以输入电路110以及NMOS晶体管120为中心进行说明，省略与第一实施方式重复的说明。
输入电路110构成为相对于输入电路10省略反相器11、PMOS晶体管12以及NMOS晶体管13。即，输入电路110具有基准电压电路14。
作为第一晶体管的NMOS晶体管120具有：漏极，其为第一端子；栅极，其为控制端子；以及源极，其为第二端子。NMOS晶体管120的漏极与基准电压电路14的输出端连接。NMOS晶体管120的栅极与输入端子Ti连接。NMOS晶体管120的源极经由电阻41、43与接地端子2连接。
NMOS晶体管120以能够根据输入电压VIN的电压电平而切换导通状态和截止状态的方式进行工作。
串联连接的电阻41以及电阻43对NMOS晶体管120的栅极与源极间电压、即输入电压VIN进行分压。
这样构成的过热保护电路1B虽然参照电压VB1的温度特性与过热保护电路1A的参照电压VB1的温度特性不同，但其输出电压VOUT与过热保护电路1A的输出电压VOUT相同。即，过热保护电路1B的输出电压VOUT具有对于温度持有迟滞特性的温度特性。
具体而言，过热保护电路1B的参照电压VB1的温度特性在输入电压VIN为L电平、即NPN晶体管50未检测出过热的状态下，相对于温度为恒定值。换言之，与温度系数相应的直线L1(参照图3)的斜率为0(零)。
这样构成的过热保护电路1B以及具备过热保护电路1B的开关调节器的作用以及效果与过热保护电路1A以及具备过热保护电路1A的开关调节器200的作用以及效果相同。
另外，在上述的实施方式中，对将过热保护电路1A、1B应用于IC等的过热保护的例子进行了说明，但用途并不限定于过热保护。过热保护电路1A、1B也可以应用为不进行过热保护工作的过热检测电路。另外，在上述的实施方式中，作为保护对象的一个例子，对开关调节器的例子进行了说明，但并不限定于此。只要是能够取出表示温度上升的电压的保护对象，也能够应用于开关调节器以外的电路，例如串联调节器等。
另外，关于开关调节器，不限于具备误差比较器205的开关调节器200，对于不具备误差比较器205的开关调节器300(参照图7的(a))，也能够应用本实施方式的过热保护电路，例如过热保护电路1A等。
开关调节器300具备：作为开关元件的NMOS晶体管219、220；电感器203；输出电容器204；输出控制电路215；缓冲电路216；或电路221；以及过热保护电路1A。电压DH和电压DL在过热保护电路1A处于工作状态时，以一方为L电平且另一方为H电平这样不同的电压电平的方式周期性地转变(参照图7的(b))。另外，在过热保护电路1A处于非工作状态时，电压DH和电压DL的电压电平均为L电平。
另外，本发明不直接限定于上述的实施方式，在实施阶段，除了上述的例子以外，也能够以各种方式实施，在不脱离发明的主旨的范围内，能够进行各种省略、置换、变更。这些实施方式及其变形包含在发明的范围或主旨内，并且包含在权利要求书所记载的发明及其均等的范围内。

Claims (8)

1.一种过热保护电路，其特征在于，该过热保护电路具备：
第一晶体管，其具有：控制端子；第一端子，其被供给基准电压；以及第二端子，其与接地端子连接，所述第一晶体管能够根据输入端子的电压即输入电压的电压电平而切换导通状态和截止状态；以及
第一NPN晶体管，其具有：基极，其连接于所述第一晶体管的第二端子与所述接地端子的节点；发射极，其与所述接地端子连接；以及集电极，其被供给恒定电流，并与输出端子连接，所述第一NPN晶体管能够根据供给到所述基极的参照电压的电压电平而切换导通状态和截止状态，
所述参照电压的温度特性具有零以上的温度系数。
2.根据权利要求1所述的过热保护电路，其特征在于，
该过热保护电路还具备输入电路，该输入电路具有第一开关元件和第二开关元件，根据所述输入电压的电压电平，对所述第一开关元件和所述第二开关元件排他性地切换控制连接状态与非连接状态，
所述第一晶体管是第二NPN晶体管，该第二NPN晶体管具有：基极，其为所述控制端子；集电极，其为所述第一端子；以及发射极，其为所述第二端子，
所述第一开关元件连接于所述第二NPN晶体管的基极与集电极之间，
所述第二开关元件连接于所述第二NPN晶体管的基极与所述接地端子之间。
3.根据权利要求1所述的过热保护电路，其特征在于，
所述第一晶体管是NMOS晶体管，该NMOS晶体管具有：栅极，其作为所述控制端子，与所述输入端子连接；漏极，其为所述第一端子；以及源极，其为所述第二端子。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的过热保护电路，其特征在于，
该过热保护电路还具备：
第一电阻，其将所述第一晶体管的第二端子与所述节点连接；以及
第二电阻，其连接于所述节点与所述接地端子之间。
5.根据权利要求4所述的过热保护电路，其特征在于，
该过热保护电路还具备电容器，该电容器与所述第二电阻并联连接在所述节点与所述接地端子之间。
6.根据权利要求4所述的过热保护电路，其特征在于，
该过热保护电路还具备温度迟滞生成电路，该温度迟滞生成电路与所述第二电阻并联连接在所述节点与所述接地端子之间。
7.根据权利要求5所述的过热保护电路，其特征在于，
该过热保护电路还具备温度迟滞生成电路，该温度迟滞生成电路与所述第二电阻并联连接在所述节点与所述接地端子之间。
8.一种开关调节器，其根据所输入的电压，利用开关元件输出期望的输出电压，其特征在于，该开关调节器具备：
输出控制电路，其向所述开关元件的控制端子输出控制信号；以及
权利要求1至7中任一项所述的过热保护电路，
所述过热保护电路根据基于所述控制信号的信号，向所述输出控制电路供给对所述输出控制电路进行控制的信号。
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