功率集成电路中过热保护电路的设计

过热保护电路对于功率集成电路而言有着十分重要的意义,所谓功率集成电路就是指有一定负载能力,有较高电压输入输出的芯片,它主要应用于电气照明设备中。功率集成电路不同于一般的芯片在于在同一块芯片里不但集成了低压数字或模拟电路,也集成了高压功率输出电路。正是因为有高压功率输出部分,功率集成电路发热量比较大,所以,才有必要对其进行过热保护,以免烧坏整个芯片。本文介绍了一种过热保护电路。如何把温度信号转变为电压信号是设计过热保护电路的关键。按照传统的方法,传感器可以用热电偶、热电阻来做,但是如果要应用于集成电路中,考虑到以上2 种方法不容易集成,因此,不能采用。集成电路中的过热保护电路一般是利用二极管、三极管的温度特性来做传感器。

二极管温度检测电路及其原理

考虑到二极管的伏安特性对于温度比较敏感,因此,可以利用二极管来做传感器。

由二极管特性曲线可知,随温度升高正向特性曲线向左移,反向特性曲线向下移。其变化规律是:在室温附近,温度每升高1 ℃,正向压降减小2～2.5 mV ;温度每升高10 ℃,反向电流约增大1 倍。二极管的这种特性为负温度特性。

二极管在20～150 ℃温度范围内很好的保持着这一特性。通过不断试验,并运用统计规律,可以取其值为- 2. 2 mV/ ℃,即温度每上升1 ℃,认为二极管正向电压下降2. 2 mV ,而温度每下降1 ℃,其正向电压上升2. 2 mV。二极管这种良好的温度特性,说明它本身就是一个很好的温度传感器,而且容易集成。可以通过测量其正向电压的变化而计算其温度变化,从而可以很好的控制过热保护电路。二极管温度检测电路如图1 所示。

利用二极管导通电压会随温度的升高而下降( - 2. 2 mV/ ℃) 的特性,采用将4 个二极管串联作为温度传感器(即- 8. 8 mV/ ℃) 。M9 ,M10 ,M11是镜像电流源组成的恒流源,给4 个二极管提供电流。芯片整个工作时,随着温度的升高, V 点电压就会下降。只要检测V 点电压就能知道当前的温度状况。这个电路就完成了把温度信号转变为电压信号的任务。以下是这个电路的仿真结果。

温度为50 ℃时的V 点电压: V = 2. 4 V ;温度为120 ℃时的V 点电压: V = 1. 78 V.有了V 点的电压信号,再作处理就方便许多。不妨设计一个迟滞比较器,其输入端低于1. 78 V 就输出高电平信号(可以定义高电平为保护信号) ,其输入端高于2. 4 V 就输出低电平信号,即解除保护。这就相当于温度超过120 ℃时进行保护,当温度恢复到50 ℃时再解除保护,重新工作。

至于迟滞比较器的设计,在此不多赘述, 。不过建议使用模拟式的,数字式的施密特触发器虽然也有滞回曲线,但调试起来比较困难,因为施密特触发器的上跳变点V T + 和下跳变点V T - 都和阈值电压V TH有关,而V TH是随着温度的变化而变化的。而模拟式的迟滞比较器的回差电压值只和参考电压和内部MOS 管的尺寸有关,和温度无关,容易调节。过热保护电路的方框图如图2 所示。

仿真结果几乎丝毫不差,非常令人满意。

二极管温度检测电路的缺陷及改进

过热保护电路的另一个关键在于电路只受温度变化的影响,不受电压变化的影响。完全不受电压变化影响的理想情况是不可能出现的,就要想办法让电路尽量少受电压变化而带来的影响。

再来分析以上温度检测电路,把电压源由原来的5 V 改为4～6 V 之间变化的三角波,考察V 点的波形可知,120 ℃的曲线误差为0. 1 V ,折算成温度就有10 ℃的误差。50 ℃的曲线误差就有几十摄氏度。因此,有必要对此进行改进。

解决电压波动的常用方法是加1 个稳压管。硅稳压管在4 V 以下是负温度系数,7 V 以上是正温度系数,4～7 V 之间的温度系数很小,可以忽略不计。改进后的电路如图3 所示。

由仿真结果可见,加了稳压管之后,电路性能大大改善,只不过50 ℃和120 ℃时V 点的电压值也有所改变,50 ℃时为2. 16 V ,120 ℃时为1. 535 V。这样就彻底解决了电压波动的问题。

二极管温度检测电路的参数调节

调节二极管温度检测电路的参数是为了能更好地适应迟滞比较器的参考电压。在一般的模拟电路中,参考电压( V ref) 不会很多,所以,设计的电路要符合这个参考电压。要注意的是,标准的参考电压是不允许用来分压的。参考电压如果当作电源用分压再得到另一个需要的参考电压,则前一个标准的参考电压就会不准,这样会对其他的电路产生影响。所以,调节此电路参数的目的就是使此电路的上跳变点V T + 和下跳变点V T - 的中间点( V T + +V T - ) / 2 = V ref 。这样就可以避免用不标准的参考电压,也就避免了标准参考电压的分压行为。

假设在总电路中标准的参考电压为2. 0 V。则二极管温度检测电路的参数要调节到( V T + + V T - ) / 2= 2. 0 V。调节的方法很多,3 个用作镜像电流源的MOS管的尺寸可以很方便的调节,MOS 管尺寸改变则流过二极管的电流就会改变,从而引起上下跳变点电压的改变。甚至还可以调节二极管,比如去掉1 个二极管,就用3 个二极管来做温度检测。如图3 所示的尺寸时,50 ℃时为2. 16 V ,120 ℃时为1. 535 V ,即V T + = 1. 535 V , V T - = 2. 16 V。则( V T + + V T - ) / 2= 1. 85 V ,不到2. 0 V。最方便的调节方法就是放大二极管前面1 个NMOS 管的尺寸。尺寸越大则跳变点电压就越高。当然也可以调节另外的2 个MOS 管的尺寸。总之要使得( V T + + V T - ) / 2 = 2. 0 V。

最终调节后的电路尺寸如图4 所示。

从仿真结果可以看出,在此参数下温度为50 ℃时,V 点电压为2. 26 V ,温度为120 ℃时, V 点电压为1. 69V。则

( V T + + V T - ) / 2 = 1. 98 V ,基本满足设计要求。

版图性能的简单研究

集成电路的设计总要最终反映到版图上,版图的质量一方面和版图设计师的经验有关,另一方面又和生产厂家的工艺有关。

画二极管的时候要注意在二极管的周围加上一圈保护层(用P 扩散层或N 扩散层,因电路而异) ,以吸收二极管的电流,防止外泄。这是因为二极管的电流流向和普通MOS 管是不同的。从剖面图上看MOS 管的电流就在加电后形成的导电沟道里横向流动,而二极管的电流不但会垂直流动而且还会在衬底上横向流动,引起其它电路不正常工作。加了保护层后就可以把二极管外泄的电流吸收掉。

如果有些厂家不提供二极管的设计模型,只提供三级管的模型,这时可以把三级管的c 极和b 极短接起来当作二极管来用。当然此时参数就要重新调节,这本身并不复杂。但是,如果有些厂家只提供垂直型结构的PNP 三极管模型,这就有些麻烦。用垂直型结构的PNP 三极管的c 极和b 极短接是做不出串联的温度检测电路。垂直型结构的PNP 三极管从平面上来看是围成一圈的结构:最里面是P 扩散层(三级管的e 极) ,外面一圈是N 扩散层(三级管的b 极) ,两者都是被一块N 阱包围,N 阱外面又是一圈P 扩散层(三级管的c 极) 。最外面的P 扩散层其实接的是P 型衬底,而P 型衬底是接地的,即c 极接地。采用这样结构三级管的β值稳定、性能优良,但是,这样就不能把三极管串联使用。遇到这种情况没有其它办法,只能舍弃垂直型PNP 三极管而改用其它类型的,但电路的误差就会比较大。

结束语

介绍了一种利用串连二极管构成的过热保护电路的电路结构,工作原理,及参数调节的要点,也简要提及了版图的绘制。该过热保护电路结构简单、原理清晰、性能可靠,适用于功率集成电路。