CN117878832A - 一种用于功率电源ic的过温保护电路 - Google Patents

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CN117878832A CN202410036992.7A CN202410036992A CN117878832A CN 117878832 A CN117878832 A CN 117878832A CN 202410036992 A CN202410036992 A CN 202410036992A CN 117878832 A CN117878832 A CN 117878832A
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卢继武
杨浩凡
周骞
何敏
翟东媛
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Abstract

本发明公开了一种用于功率电源IC的过温保护电路，属于集成电路设计领域，包括：基准电流源模块、PTAT电流源模块、温度判决模块、温度感测模块以及迟滞比较器模块。该电路采用分温段触发模式和迟滞比较技术，在保证宽工作温度范围的同时，不仅能够显著降低传统过温保护在全温段下无差别工作产生的高功耗，而且可以有效避免在过温保护点附近因工艺波动或噪声等引发的误触发故障，并且还能解决因外部扰动导致功率管反复开关的问题，从而适合应用于需要集成过温保护功能的功率芯片中。本发明所述的过温保护电路拥有结构简单，生产成本低，面积小的优点，兼具低功耗与高可靠性的突出特点，可以提升功率电源IC的寿命与稳定性。

Description

一种用于功率电源IC的过温保护电路
技术领域
本发明涉及集成电路设计领域，特别是一种用于功率电源IC的过温保护电路。
背景技术
如图1所示，典型的功率驱动芯片通过先进的高低压兼容工艺技术和封装技术，将低压器件、高压功率开关器件和控制电路全部集成在同一衬底上并封装成一颗芯片，并凭借其高集成度和高可靠性等优势在家用电器、汽车电子、工业控制等工业领域中获得了广泛应用。为了使系统更加稳定地运行，还需要集成各种保护电路将功率管及时关断，防止芯片因工作在不正常状态下而损坏。其中，过温保护电路通过对功率管周围的温度进行实时检测，在工作温度超过预设的过温保护点后及时向系统发出反馈信号，将功率管关断。
此类电路一般将温度转换成电信号，配合比较器完成温度检测。传统的过温保护电路利用功率芯片中的带隙基准源产生与绝对温度呈正比(Proportional To AbsoluteTemperature，PTAT)的电流，使其流过电阻，从而在电阻两端产生可以反映实时温度的电压降；通过其与预设的代表过温保护点的电压进行比较，产生保护信号，根据保护信号的电平高低，决定是否启动保护关断功率管。
然而在现有的过温保护电路中，当功率驱动芯片工作时，该电路在全温段下的任一时刻都在进行温度传感检测与电压信号的比较，造成了大量不必要的功耗浪费，能源利用率很低；并且用平滑连续的电压信号来表征温度，会使得在过温保护点附近容易因为工艺波动或噪声等因素而产生结果的误判，可靠性不高；以及由于PTAT电流与预期的电压数量级相差过大，使得用于产生PTAT电压的电阻阻值极大，导致电路面积过大。
有鉴于此，需要提供一种过温保护电路及方法，使其在不失结构简单、面积小、生产成本低等优点的基础上，具有低功耗和高可靠性的特点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种用于功率电源IC的过温保护电路，只在温度超过过温保护点附近时执行温度感测与电压比较的功能，大幅降低功率损耗。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种用于功率电源IC的过温保护电路，包括：
基准电流源模块，用于提供与温度近似无关的基准电流，即第一输出电流；
PTAT电流源模块，用于提供与温度呈正相关的PTAT电流，即第二输出电流；
温度判决模块，用于接收所述第一输出电流以及第二输出电流，并将所述第一输出电流和第二输出电流分别镜像放大为第一输入电流和第二输入电流；
温度感测模块，用于接收所述第一输出电流和所述温度判决模块的输出，即第一信号，并输出第二信号；
当所述第一输入电流大于所述第二输入电流时，所述第一信号为低电平；
当所述第一输入电流小于所述第二输入电流时，所述第一信号为高电平；
当所述第一信号为低电平时，所述第二信号近似短接到地；
当所述第一信号为高电平时，所述第二信号为与绝对温度成正比的模拟电压量。
本发明在保证宽工作温度范围的同时，只在功率器件结温大于过温保护点后，将温度变化精确传感为电压信号并进行电压比较，而在中低温段不作执行，由于功率芯片绝大部分时间都正常工作在中低温下，因而大幅降低了功率损耗。通过将表征温度的第二信号在过温保护点处设计为关于温度T的近似阶跃函数，可以有效避免在保护点附近因工艺波动或噪声等引发的误触发故障。
还包括：
迟滞比较器，用于接收所述第一信号和第二信号，并输出第三信号；
所述温度感测模块还用于将所述第一输出电流镜像放大为第三输入电流；
当所述第一信号为低电平，所述第二信号近似短接到地时，所述第三信号为低电平；
当所述第一信号为高电平，所述第二信号与绝对温度成正比时，所述第三信号由迟滞比较器比较所述第二信号与代表过温阈值点的预设电压信号后产生，若所述第二信号小于所述预设电压信号，则所述第三信号为低电平，若所述第二信号大于所述预设电压信号，则所述第三信号为高电平。
本发明通过使用迟滞比较器进行比较，能解决因外部扰动导致功率管反复开关的问题，从而适合应用于需要集成过温保护功能的功率电源芯片中，提高其寿命与稳定性。
所述基准电流源模块包括：
第一电阻，一端连接电源；
第一PMOS管，源极与所述第一电阻一端连接，栅极输入参考电压信号，漏极连接第一NMOS管的漏极；
第一NMOS管，栅极与漏极连接，源极接地。
所述PTAT电流源模块包括：
电压钳位单元，包括第二NMOS管、第三NMOS管、第二PMOS管和第三PMOS管；第二PMOS管和第三PMOS管的源极接电源，第二PMOS管的漏极接第二NMOS管的漏极，第三PMOS管的漏极接第三NMOS管的漏极；所述第二PMOS管的栅极和第三PMOS管的栅极连接，第二NMOS管的栅极与第三NMOS管的栅极连接；
ΔVBE产生单元，包括第一三极管和第二三极管，第一三极管的集电极接第二NMOS管的源极，第二三极管的集电极接第三NMOS管的源极；第一三极管的基极接第二三极管的集电极，第二三极管的基极接第一三极管的集电极，第一三极管的源极接地，第二三极管的源极接第二电阻一端，第二电路另一端接地；ΔVBE为第二电阻两端压降。
所述第二电阻的电流Iout2的计算公式为：其中，VT是热电压，n是第一三极管与第二三极管的集电结面积之比，K是波尔兹曼常数，q是电子电荷量，T为热力学温度，R2是第二电阻的阻值。
所述温度判决模块包括：
电流放大单元，包括第四NMOS管和第四PMOS管，所述第四NMOS管的栅极与所述第一NMOS管的栅极连接，所述第四NMOS管的源极接地；所述第四PMOS管的栅极与第三PMOS管的栅极连接，所述第四PMOS管的源极接电源；
电流比较单元，包括第五NMOS管、第六NMOS管、第七NMOS管、第八NMOS管、第五PMOS管、第六PMOS管、第七PMOS管和第八PMOS管；所述第五NMOS管的栅极和第六NMOS管的栅极连接，第五NMOS管和第六NMOS管源极均接地；所述第五NMOS管的漏极接第七NMOS管的源极，第六NMOS管的漏极接第八NMOS管的源极，第七NMOS管的栅极接第八NMOS关的栅极，第七NMOS管的栅极和漏极连接，第八NMOS管的漏极接第八PMOS管的漏极；第五PMOS管的源极和第六PMOS管的源极接电源，第五PMOS管的栅极和第六PMOS管的栅极连接，第五PMOS管的漏极接第七NMOS管的源极，第六PMOS管的漏极接第八PMOS管的源极，第七PMOS管的栅极接第八PMOS管的栅极，第七PMOS管的栅极与漏极连接。
所述第一输入电流α为第三PMOS管宽长比与第四PMOS管宽长比的比值；第二输入电流/>β为第三NMOS管宽长比与第四NMOS管宽长比的比值，K是波尔兹曼常数，VIN为外部供电电压，VREF是功率芯片中的用于低压CMOS电路的基准电压，Vth是MOS管的阈值电压，Vthp是Pmos管的阈值电压。
所述温度感测模块包括：
反相器，包括第九NMOS管和第九PMOS管，所述第九NMOS管的栅极接第九PMOS管的栅极，第九NMOS管的漏极和第九PMOS管的漏极连接，第九NMOS管的源极接地，第九PMOS管的源极接电源；
模拟开关单元，包括第十～第十四NMOS管和第十～第十四PMOS管；其中第十NMOS管的源极和第十一NMOS管的源极接地，第十NMOS管的栅极输入第一信号，第十NMOS管的漏极接第十四NMOS管的漏极，第十一NMOS管的栅极接第十NMOS管的漏极，第十一NMOS管的漏极接第十四PMOS管的漏极，第十二NMOS管的漏极接地，第十二NMOS管的栅极接第九NMOS管的漏极，第十二NMOS管的源极接第十一NMOS管的栅极，第十四NMOS管的栅极接第九NMOS管的漏极，第十四NMOS管的源极接第十三NMOS管源极，第十三NMOS管的栅极接第九NMOS管的漏极，第十三NMOS管的漏极接第十PMOS管的漏极；第十、第十一PMOS管的源极均接电源，第十PMOS管的栅极输入第一信号，第十一PMOS管的栅极接第十三NMOS管的漏极，第十一PMOS管的漏极接第十三PMOS管的漏极，第十二PMOS管的漏极接地，第十二PMOS管的栅极输入第一信号，第十二PMOS管的源极接第十一PMOS管的栅极，第十四PMOS管的栅极输入第一信号，第十四PMOS管的漏极接第十三PMOS管的漏极，第十三PMOS管的栅极输入第一信号，第十三PMOS管的漏极接第十四PMOS管的漏极；
温度传感单元，包括第十五NMOS管，第十五NMOS管的漏极接二极管一端，第十五NMOS管的源极接地，第十五NMOS管的栅极接第四NMOS管的栅极。
第三输入电流Iin3表达式为：γ为第四NMOS管宽长比与第十五NMOS管宽长比的比值。
所述迟滞比较器包括：
运算放大器，同相输入端输入预设电压，反相输入端输入所述第二信号；
第三电阻，一端连接电源，另一端连接第四电阻一端和所述运算放大器同相输入端，所述第四电阻另一端接第五电阻一端，所述第五电阻另一端接地；
所述运算放大器输出端接第十六NMOS管的栅极，所述第十六NMOS管的源极接地，漏极接所述第五电阻。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明采用分温段触发模式和迟滞比较技术，在保证宽工作温度范围的同时，只在温度超过过温保护点时执行温度感测与电压比较的功能，大幅降低了功率损耗；通过将表征温度的信号在过温保护点前后设置较大差值，可以有效避免在保护点附近因工艺波动或噪声等引发的误触发故障；通过使用迟滞比较器进行比较，能解决因外部扰动导致功率管反复开关的问题，从而适合应用于需要集成过温保护功能的功率电源芯片中，提高其寿命与稳定性。
附图说明
图1为典型功率电源芯片的拓扑结构图；
图2为本发明实施例过温保护电路的功能框图；
图3为本发明实施例中的一种过温保护电路的连接示意图；
图4为本发明所述实施例中的过温保护点的波形示意图；
图5为本发明所述实施例中的第一输入电流与第二输入电流的波形示意图；
图6为本发明所述实施例中的第二信号的波形示意图；
图7为本发明所述实施例中的过温保护点滞回窗口的波形示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图2和图3所示，本发明实施例提供一种过温保护电路，用于功率电源IC。
如图2，本发明实施例的过温保护电路包括依次连接的基准电流源模块、温度判决模块、温度感测模块，基准电流源模块输出端与温度感测模块连接，温度感测模块输出端、温度判决模块输出端均与迟滞比较器模块连接，PTAT电流源模块接温度判决模块。
过温保护电路包括：基准电流源模块110、PTAT电流源模块120、温度判决模块130、温度感测模块140以及迟滞比较器模块150。
基准电流源模块110，连接温度判决模块130以及温度感测模块140，并为温度判决模块130以及温度感测模块140提供与温度近似无关的基准电流作为第一输出电流。
PTAT电流源模块120，连接温度判决模块130，并为温度判决模块130提供与温度呈正相关的PTAT电流作为第二输出电流。
所述温度判决模块130，连接所述基准电流源模块110和PTAT电流源模块120，用于接收所述第一输出电流以及第二输出电流，并分别镜像放大为第一输入电流以及以及第二输入电流；连接所述温度感测模块140以及所述迟滞比较器模块150，判决所述第一输入电流是否大于所述第二输入电流，并根据判决结果为所述温度感测模块140以及所述迟滞比较器模块150提供作为第一输出电压的第一信号；若是，则所述第一信号为低电平，若否，则所述第一信号为高电平。
所述温度感测模块140，连接基准电流源模块110，用于接收第一输出电流，并镜像放大为第三输入电流；连接温度判决模块130，接收第一信号；连接迟滞比较器模块150，根据第一信号的数值，产生相对应的作为第二输出电压的第二信号提供给迟滞比较器模块150.
若第一信号为低电平，则将第二信号近似短接到地，若第一信号为高电平，则第二信号近似断路。
迟滞比较器模块150，连接温度判决模块130，用于接收第一信号；连接温度感测模块140，用于接收第二信号，根据第二信号的状态，产生作为总输出电压的第三信号。
若第二信号近似短接到地，则第三信号为低电平，若第二信号近似断路，则第四信号为高电平。
以下将具体说明各个模块的结构和功能。
基准电流源模块110包括：第一电阻R1、PMOS管P1(第一PMOS管，以下PMOS管的顺序根据P的下标依此类推，例如P2表示第二PMOS管，P3表示第三PMOS管)以及NMOS管N1(第一NMOS管，以下NMOS管的顺序根据N的下标依此类推，例如N2表示第二NMOS管，N3表示第三NMOS管)。
第一电阻R1的第一端连接过温保护电路的供电端，第一电阻R1的第二端连接PMOS管P1的源极。
PMOS管P1的栅极连接过温保护电路的第一输入端，PMOS管P1的漏极连接NMOS管N1的漏极。
NMOS管N1的栅极连接NMOS管N1的漏极，NMOS管N1的源极接地。
电流基准模块110为温度判决模块130和迟滞比较器模块150提供基准电流Iout1，Iout1由过温保护电路供电电压Vin减去PMOS管P1阈值电压的绝对值再减去VREF电压除以第一电阻R1得到，即
PTAT电流源模块120包括：电压钳位单元、ΔVBE产生单元以及电阻R2。
电压钳位单元包括NMOS管N2、N3以及PMOS管P2、P3，NMOS管N2和N3构成一组电流镜，PMOS管P2和P3构成另一组电流镜。
PMOS管P2、P3的源极连接过温保护电路的供电端，PMOS管P2的漏极连接NMOS管N2的漏极，PMOS管P3的漏极连接NMOS管N3的漏极。PMOS管P2和P3的栅极相连，NMOS管N2和N3的栅极相连。
PMOS管P3的栅极与漏极短接，NMOS管N2的栅极与漏极短接。两组电流镜互为镜像结构，其目的是形成自偏置，使得NMOS管N2、N3具有相同的源极电位，起到电压钳位的作用。
ΔVBE产生单元包括三极管Q1、Q2，三极管Q1的集电极连接NMOS管N2的源极，三极管Q2的集电极连接NMOS管N3的源极。三极管Q1的基极连接三极管Q2的集电极，三极管Q2的基极连接三极管Q1的集电极。
三极管Q1的源极短接到地，三极管Q2的源极连接电阻R2的第一端。
电阻R2的第二端短接到地，因此电阻R2两端压降为三极管Q1、Q2的基极-发射极电压之差ΔVBE＝VBE1-VBE2。由于ΔVBE具有正温度特性，因此流过电阻R2的电流即为同样具有正温度特性的PTAT电流Iout2，其值为：其中VT是热电压，n是三极管Q1与Q2的集电结面积之比，K是波尔兹曼常数，q是电子电荷量，T为热力学温度。
温度判决模块130包括电流镜像单元以及电流比较单元。
电流放大单元包括NMOS管N4和PMOS管P4，NMOS管N4的栅极与NMOS管N1的栅极连接，NMOS管N4的源极接地；PMOS管P4的栅极与PMOS管P3的栅极连接，PMOS管P4的源极连接过温保护电路的供电端。
电流放大单元分别接收并镜像放大基准电流源模块110和PTAT电流源模块120产生的电流Iout1、Iout2，产生第一输入电流Iin1与第二输入电流Iin2。
第一输入电流其中α为PMOS管P3与P4的宽长比之比。
第二输入电流其中β为NMOS管N3与N4的宽长比之比。
电流放大单元的目的是通过对α与β的合理取值，使Iin1与Iin2在期望的过温保护点T0处达到相同的电流值。即Iin1(T0)＝Iin2(T0)。因此，Iin1<Iin2时，表示实时温度未达保护点；Iin1>Iin2时，表示实时温度达到保护点。
电流比较单元包括NMOS管N5、N6、N7、N8以及PMOS管P5、P6、P7、P8。
NMOS管N5、N6的源极接地，栅极相连，NMOS管N5的漏极连接NMOS管N7的源极，NMOS管N6的漏极连接NMOS管N8的源极，NMOS管N7、N8的栅极相连，NMOS管N7的栅极与漏极连接，NMOS管N8的漏极与PMOS管P8的漏极连接。
PMOS管P5、P6的源极连接过温保护电路的供电端，栅极相连，PMOS管P5的漏极连接NMOS管P7的源极，PMOS管P6的漏极连接PMOS管P8的源极，PMOS管P7、P8的栅极相连，PMOS管N7的栅极与漏极连接。
电流比较单元分别以Cascode电流镜的形式将第一输入电流Iin1和第二输入电流Iin2引入同一支路，根据电流大小输出第一信号Vout1。
若第一输入电流Iin1大于第二输入电流Iin2，即Iin1>Iin2，则第一信号Vout1被NMOS管N6、N8下拉到低电平；若第一输入电流Iin1小于第二输入电流Iin2，即Iin1<Iin2，则第一信号Vout1被PMOS管P6、P8上拉到高电平，从而实现温度判决的功能
温度感测模块140包括反相器、模拟开关单元以及温度传感单元。
反相器包括NMOS管N9和PMOS管P9，NMOS管N9和PMOS管P9的栅极相连并接于所述温度判决模块130的第一信号输出端，漏极相连，所述NMOS管N9的源极接地，所述PMOS管P9的源极连接所述过温保护电路的供电端。
所述反相器接收所述第一信号并输出与其电平极性相反的信号，为所述模拟开关单元提供导通与关断条件。
所述模拟开关单元包括NMOS管N10、N11、N12、N13、N14以及PMOS管P10、P11、P12、P13、P14，其中所述NMOS管N10、N11的源极接地，所述NMOS管N10的栅极连接第一信号，漏极连接所述NMOS管N14的漏极，所述NMOS管N11的栅极连接所述NMOS管N10的漏极，漏极连接PMOS管P14的漏极。
NMOS管N12的漏极接地，栅极连接NMOS管N9的漏极，源极连接NMOS管N11的栅极。
NMOS管N14的栅极连接NMOS管N9的漏极，源极连接NMOS管N13的源极，NMOS管N13的栅极连接NMOS管N9的漏极，漏极连接PMOS管P10的漏极。
PMOS管P10、P11的源极连接过温保护电路的供电端，PMOS管P10的栅极连接第一信号，PMOS管P11的栅极连接NMOS管N13的漏极，P漏极连接PMOS管P13的漏极。
PMOS管P12的漏极接地，栅极连接第一信号，源极连接PMOS管P11的栅极。
PMOS管P14的栅极连接第一信号，漏极连接PMOS管P13的漏极，PMOS管P13的栅极连接第一信号，漏极连接PMOS管P14的漏极。
NMOS管N13、N14以及PMOS管P13、P14组成导通电阻很低的模拟传输门结构，其导通与关断受第一信号及其反相信号决定。
当第一信号为低电平时，NMOS管N13、N14导通，PMOS管P13、P14亦导通，则模拟传输门导通，其将NMOS管N13的漏极电压信号传输至NMOS管N14的漏极。因此，NMOS管N10的漏极与PMOS管P10的漏极通过模拟传输门连接，NMOS管N11的漏极与PMOS管P11的漏极通过模拟传输门亦连接，并构成两组反相器。
当第一信号为低电平时，电路意义在于，表示实时温度未达过温保护阈值，第二信号通过两级反相器也被拉到低电平，将温度传感单元功能关闭。
当第一信号为高电平时，NMOS管N13、N14截止，PMOS管P13、P14亦截止，则模拟传输门关断，同时NMOS管N12导通，将NMOS管N11的栅极拉至低电平，使NMOS管N11关断，PMOS管N12导通，将PMOS管P11的栅极拉至高电平，使PMOS管P11亦关断。
当第一信号为高电平时，电路意义在于，表示实时温度可能达到过温保护阈值，此时整个模拟开关单元不传输任何信号，第二信号不取决于前级，将温度传感单元功能开启。
二极管D以及温度传感单元包括NMOS管N15，二极管D的第一端连接过温保护电路的供电端，第二端连接NMOS管N15的漏极，NMOS管N15的源极接地，栅极连接NMOS管N4的栅极。
NMOS管的作用是镜像放大基准电流源模块110提供的第一输出电流，并镜像放大为近似零温度系数的第三输入电流Iin3，其值为其中γ为NMOS管N4与NMOS管N15的宽长比之比。
第三输入电流Iin3流过二极管D，利用二极管电压的温度特性，就能在二极管D的第二端产生具有正温度系数的第二信号。此信号只在第一信号为高电平时，即实时温度可能达到过温保护阈值时产生，否则始终为零。
迟滞比较器模块150包括运算放大器A1、NMOS管N16以及电阻R3、R4、R5。
运算放大器A1包括同相输入端、反相输入端以及输出端，同相输入端连接能代表过温保护阈值点的预设电压，反相输入端连接能代表实时温度的第二信号，对第二信号与预设电压信号进行比较，并从输出端输出能代表比较结果的第三信号。
当电流比较结果表明温度未触发过温保护时，第二信号始终为零，亦始终小于预设电压，则第三信号为低电平，表示未过温。
当电流比较结果表明温度可能达到过温保护点时，第二信号由温度传感单元正常工作产生，若小于预设电压，则第三信号为低电平，表示未过温；若大于预设电压，则第三信号为高电平，表示温度过高，执行过温保护。
电阻R3的第一端连接过温保护电路的供电端，第二端连接电阻R4的第一端以及运算放大器的同相输入端，电阻R4的第二端连接电阻R5的第一端，电阻R5的第二端接地。
预设电压VA由电阻R3、R4、R5对电源分压产生，其值为
NMOS管N16的栅极连接运算放大器的输出端，源极接地，漏极连接电阻R5的第一端，其目的在于构建运算放大器的外部正反馈网络，产生迟滞量，构成迟滞比较器。迟滞量的值为
如此构成一个能有效判定芯片内功率管工作环境是否真正过温、功耗低、且能够实现高可靠检测、同时具有滞回功能的过温保护电路。
本发明实施例还提供了一种用于功率电源IC的过温保护方法，具体步骤如下：
S1、由基准电流源模块产生基准电流；
S2、由PTAT电流源模块产生PTAT电流；
S3、温度判决模块镜像放大基准电流与PTAT电流并进行比较，在要求的过温保护点前5～10℃处开始输出高电平的第一信号，表示可能过温，否则输出低电平，表示未发生过温；
S4、当第一信号为低电平时，温度感测模块中的反相器及模拟开关单元工作，将第二信号拉至近地，温度传感单元不工作，输出第二信号为低电平；当第一信号为高电平时，温度感测模块中的反相器及模拟开关单元不工作，温度传感单元工作且唯一决定第二信号大小，用以表征实时温度值；
S5、当第一信号、第二信号均为低电平，以及第一信号为高电平但第二信号为低电平时，表示未发生过温，输出第三信号为低电平；仅当第一信号、第二信号均为高电平时，表示系统过温，输出第三信号为高电平作为过温保护信号；
S6、当第三信号为低电平时，功率管正常工作；当第三信号为高电平时，启动过温保护，将功率管关断，保护其不因过热工作而损毁或降低寿命。同时参照图4所示，本发明实施例提供了一种过温保护电路，在该过温保护电路中，能够通过调整MOS管尺寸以及元器件参数，将工作温度范围的上限值设为过温保护的阈值点。并通过温度检测功能在电路输出端以电平高低的形式表示是否过温。图4为本发明实施例中的过温保护点的波形示意图。图4展示的情况中，过温保护点设为约120℃，当温度低于120℃时，电路未过温，输出为低电平，不启动保护。当温度高于120℃时，电路发生过温故障，输出为高电平，启动过温保护。
同时参照图5所示，本发明实施例提供了一种过温保护电路，在该过温保护电路中，通过对第一输入电流与第二输入电流进行调整，使二者在预设的过温保护点处具有相同的电流值，从而控制第一信号在过温保护点前后不同的温度范围内表现出极性相反的电平。图5为本发明实施例中的第一输入电流与第二输入电流的波形示意图。图5展示的情况中，过温保护点设为约120℃，当温度低于120℃时，电路未过温，第一输入电流大于第二输入电流，会使第一信号下拉到低电平，当温度低于120℃时，电路发生过温故障，第一输入电流小于第二输入电流，会将第一信号上拉到高电平。
同时参照图6所示，本发明实施例提供了一种过温保护电路，在该过温保护电路中，第二信号在不同温度范围内具有不同的数值和物理意义。在过温保护点之前的工作范围内，第二信号被近似下拉至地，使得温度传感单元不执行传感功能，电路不会触发保护，节省大量不必要的功耗，在过温保护点之后的工作范围内，温度传感单元执行传感功能，第二信号直接由温度传感单元产生决定，用以精确表征实时温度。图6展示的情况中，实线表示本实施例中第二信号随温度的变化过程，过温保护点设为约120℃，当温度低于120℃时，电路未过温，第二信号被近似下拉至地，当温度高于120℃时，电路发生过温故障，第二信号为与温度呈正比的电压量，而图6中虚线表示传统过温保护电路中对应的温度传感量，可见在全工作温度范围内均执行传感功能。
同时参照图7所示，本发明实施例提供了一种过温保护电路，在该过温保护电路中，迟滞比较器模块150在温度变化方向不同时，产生不同的保护点阈值，可以有效防止温度在保护点附近频繁变化而导致的反复触发保护对功率管寿命的降低。由于本发明实施例应用于功率电源IC，常实用于温度环境恶劣、温度变化剧烈的场景，故图6展示的情况中，依照车规级标准，定义温度范围为-40℃～150℃，150℃为过温保护点，而考虑到可能的检测误差，应留有一定裕量。图6展示的情况中，当温度升至147℃时启动过温保护，输出第三信号为高电平，当温度回降至135℃时接触过温保护，输出第三信号为低电平，温度迟滞量为12℃。
本发明实施例涉及到的主要计算公式如下：
公式一：电路的基准电流，即第一输出电流
公式二：电路的PTAT电流，即第二输出电流
公式三：温度判决模块130工作时，正电源侧支路输入电流，即第一输入电流
公式四：温度判决模块130工作时，负电源侧支路输入电流，即第二输入电流
公式五：温度感测模块140工作时，注入二极管D的电流，即第三输入电流
公式六：迟滞比较器模块150工作时的的正向输入端的电压，即预设电压
公式七：迟滞比较器模块150工作时，比较器在不同方向输入电压下的阈值电压差，即迟滞电压量
尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种用于功率电源IC的过温保护电路，其特征在于，包括：
基准电流源模块，用于提供与温度近似无关的基准电流，即第一输出电流；
PTAT电流源模块，用于提供与温度呈正相关的PTAT电流，即第二输出电流；温度判决模块，用于接收所述第一输出电流以及第二输出电流，并将所述第一输出电流和第二输出电流分别镜像放大为第一输入电流和第二输入电流；
温度感测模块，用于接收所述第一输出电流和所述温度判决模块的输出，即第一信号，并输出第二信号；
当所述第一输入电流大于所述第二输入电流时，所述第一信号为低电平；
当所述第一输入电流小于所述第二输入电流时，所述第一信号为高电平；
当所述第一信号为低电平时，所述第二信号近似短接到地；
当所述第一信号为高电平时，所述第二信号为与绝对温度成正比的模拟电压量。
2.根据权利要求1所述的用于功率电源IC的过温保护电路，其特征在于，还包括：
迟滞比较器，用于接收所述第一信号和第二信号，并输出第三信号；
所述温度感测模块还用于将所述第一输出电流镜像放大为第三输入电流；
当所述第一信号为低电平，所述第二信号近似短接到地时，所述第三信号为低电平；
当所述第一信号为高电平，所述第二信号与绝对温度成正比时，所述第三信号由迟滞比较器比较所述第二信号与代表过温阈值点的预设电压信号后产生，若所述第二信号小于所述预设电压信号，则所述第三信号为低电平，若所述第二信号大于所述预设电压信号，则所述第三信号为高电平。
3.根据权利要求1所述的用于功率电源IC的过温保护电路，其特征在于，所述基准电流源模块包括：
第一电阻，一端连接电源；
第一PMOS管，源极与所述第一电阻另一端连接，栅极输入参考基准电压信号，漏极连接第一NMOS管的漏极；
第一NMOS管，栅极与漏极连接，源极接地。
4.根据权利要求3所述的用于功率电源IC的过温保护电路，其特征在于，所述PTAT电流源模块包括：电压钳位单元，包括第二NMOS管、第三NMOS管、第二PMOS管和第三PMOS管；第二PMOS管和第三PMOS管的源极接电源，第二PMOS管的漏极接第二NMOS管的漏极，第三PMOS管的漏极接第三NMOS管的漏极；所述第二PMOS管的栅极和第三PMOS管的栅极连接，第二NMOS管的栅极与第三NMOS管的栅极连接；
ΔVBE产生单元，包括第一三极管和第二三极管，第一三极管的集电极接第二NMOS管的源极，第二三极管的集电极接第三NMOS管的源极；第一三极管的基极接第二三极管的集电极，第二三极管的基极接第一三极管的集电极，第一三极管的源极接地，第二三极管的源极接第二电阻一端，第二电路另一端接地；ΔVBE为第二电阻两端压降。
5.根据权利要求4所述的用于功率电源IC的过温保护电路，其特征在于，所述第二电阻的电流Iout2的计算公式为：其中，VT是热电压，n是第一三极管与第二三极管的集电结面积之比，ln是取自然对数的运算符，K是波尔兹曼常数，q是电子电荷量，T为热力学温度，R2是第二电阻的阻值。
6.根据权利要求4所述的用于功率电源IC的过温保护电路，其特征在于，所述温度判决模块包括：
电流放大单元，包括第四NMOS管和第四PMOS管，所述第四NMOS管的栅极与所述第一NMOS管的栅极连接，所述第四NMOS管的源极接地；所述第四PMOS管的栅极与第三PMOS管的栅极连接，所述第四PMOS管的源极接电源；
电流比较单元，包括第五NMOS管、第六NMOS管、第七NMOS管、第八NMOS管、第五PMOS管、第六PMOS管、第七PMOS管和第八PMOS管；所述第五NMOS管的栅极和第六NMOS管的栅极连接，第五NMOS管和第六NMOS管源极均接地；所述第五NMOS管的漏极接第七NMOS管的源极，第六NMOS管的漏极接第八NMOS管的源极，第七NMOS管的栅极接第八NMOS关的栅极，第七NMOS管的栅极和漏极连接，第八NMOS管的漏极接第八PMOS管的漏极；第五PMOS管的源极和第六PMOS管的源极接电源，第五PMOS管的栅极和第六PMOS管的栅极连接，第五PMOS管的漏极接第七NMOS管的源极，第六PMOS管的漏极接第八PMOS管的源极，第七PMOS管的栅极接第八PMOS管的栅极，第七PMOS管的栅极与漏极连接。
7.根据权利要求6所述的用于功率电源IC的过温保护电路，其特征在于，所述第一输入电流α为第三PMOS管宽长比与第四PMOS管宽长比的比值；第二输入电流/>β为第三NMOS管宽长比与第四NMOS管宽长比的比值，K是波尔兹曼常数，VIN为外部供电电压，VREF是功率芯片中的用于低压CMOS电路的基准电压，Vth是MOS管的阈值电压，Vthp是Pmos管的阈值电压。
8.根据权利要求1所述的用于功率电源IC的过温保护电路，其特征在于，所述温度感测模块包括：
反相器，包括第九NMOS管和第九PMOS管，所述第九NMOS管的栅极接第九PMOS管的栅极，第九NMOS管的漏极和第九PMOS管的漏极连接，第九NMOS管的源极接地，第九PMOS管的源极接电源；
模拟开关单元，包括第十～第十四NMOS管和第十～第十四PMOS管；其中
第十NMOS管的源极和第十一NMOS管的源极接地，第十NMOS管的栅极输入第一信号，第十NMOS管的漏极接第十四NMOS管的漏极，第十一NMOS管的栅极接第十NMOS管的漏极，第十一NMOS管的漏极接第十四PMOS管的漏极，第十二NMOS管的漏极接地，第十二NMOS管的栅极接第九NMOS管的漏极，第十二NMOS管的源极接第十一NMOS管的栅极，第十四NMOS管的栅极接第九NMOS管的漏极，第十四NMOS管的源极接第十三NMOS管源极，第十三NMOS管的栅极接第九NMOS管的漏极，第十三NMOS管的漏极接第十PMOS管的漏极；第十、第十一PMOS管的源极均接电源，第十PMOS管的栅极输入第一信号，第十一PMOS管的栅极接第十三NMOS管的漏极，第十一PMOS管的漏极接第十三PMOS管的漏极，第十二PMOS管的漏极接地，第十二PMOS管的栅极输入第一信号，第十二PMOS管的源极接第十一PMOS管的栅极，第十四PMOS管的栅极输入第一信号，第十四PMOS管的漏极接第十三PMOS管的漏极，第十三PMOS管的栅极输入第一信号，第十三PMOS管的漏极接第十四PMOS管的漏极；
温度传感单元，包括第十五NMOS管，第十五NMOS管的漏极接二极管一端，第十五NMOS管的源极接地，第十五NMOS管的栅极接第四NMOS管的栅极。
9.根据权利要求8所述的用于功率电源IC的过温保护电路，其特征在于，第三输入电流Iin3表达式为：γ为第四NMOS管宽长比与第十五NMOS管宽长比的比值。
10.根据权利要求1所述的用于功率电源IC的过温保护电路，其特征在于，所述迟滞比较器包括：
运算放大器，同相输入端输入预设电压，反相输入端输入所述第二信号；
第三电阻，一端连接电源，另一端连接第四电阻一端和所述运算放大器同相输入端，所述第四电阻另一端接第五电阻一端，所述第五电阻另一端接地；
所述运算放大器输出端接第十六NMOS管的栅极，所述第十六NMOS管的源极接地，漏极接所述第五电阻。
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