一種基于DC-DC 開關(guān)電源的溫度檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

趙亞鴿? （電子科技大學(xué)物理學(xué)院，四川?成都?610054）
摘? 要：針對(duì)DC-DC開關(guān)電源的經(jīng)典拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，提出了一種新型的溫度檢測(cè)電路設(shè)計(jì)。研究了溫度對(duì)整個(gè)開 關(guān)電源系統(tǒng)的影響，以及在一定溫度變化范圍內(nèi)，開關(guān)電源能否輸出穩(wěn)定電壓。在此基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)了一種 新型的溫度檢測(cè)電路，并對(duì)其進(jìn)行功能優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)溫度的精確檢測(cè)。同時(shí)，為防止溫度過(guò)高對(duì)系統(tǒng)造成不可逆 破壞，本文在溫度檢測(cè)電路的研究基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一款新型的過(guò)溫保護(hù)電路。當(dāng)系統(tǒng)溫度高于溫度閾值時(shí)，溫 度檢測(cè)電路輸出發(fā)生變化，啟動(dòng)過(guò)溫保護(hù)電路，關(guān)閉帶隙基準(zhǔn)電壓電路和上電位，從而達(dá)到保護(hù)電路的目的。 最后對(duì)此結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果表明在不同工藝角情況下，該系統(tǒng)均具有精確的溫度檢測(cè)性能，且能穩(wěn)定啟 動(dòng)過(guò)溫保護(hù)實(shí)現(xiàn)關(guān)閉電源、保護(hù)電路的目的。 

關(guān)鍵詞：DC-DC開關(guān)電源；溫度檢測(cè)；過(guò)溫保護(hù)；系統(tǒng)溫度閾值；帶隙基準(zhǔn)電壓

0  引言 

開關(guān)型電源、LDO是目前應(yīng)用在SoC系統(tǒng)中最常見 的兩種電源管理系統(tǒng)^[1-2]。其中，基于經(jīng)典拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的 開關(guān)型電源，具有效率高、功耗低、體積小以及抗干擾 能力強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于許多高集成度高性能的 SoC系統(tǒng)芯片中^[1]。 

開關(guān)型電源主要是通過(guò)控制功率開關(guān)管的周期性導(dǎo) 通來(lái)輸出穩(wěn)定電壓，實(shí)現(xiàn)升壓、降壓、電壓反轉(zhuǎn)等功 能，從而為整個(gè)電路系統(tǒng)穩(wěn)定供電^[2]。 

如圖1所示，開關(guān)型電源中較為常見的是BUCK型 DC-DC開關(guān)電源。相較于其他電源管理系統(tǒng)而言， BUCK型DC-DC開關(guān)電源的電源轉(zhuǎn)換效率高，可達(dá) 80%以上，對(duì)于一些特制的開關(guān)電源甚至高達(dá)90%；其 次，負(fù)載能力強(qiáng)，可承受大電流；另外，開關(guān)電源的功 率MOS管阻值較低，故而功率損耗偏低，適用于傳導(dǎo)較大電流；通過(guò)控制開關(guān)電源內(nèi)部功率MOS管（高邊管和 低邊管）的開關(guān)來(lái)控制輸出電壓的增大或減小，實(shí)現(xiàn)動(dòng) 態(tài)調(diào)節(jié)，使得穩(wěn)壓范圍較寬^[3]。

開關(guān)電源往往工作在高電壓下，較大功率的開關(guān)電 源同時(shí)也工作在大電流狀態(tài)下，較大的電流或者電壓容 易燒壞電路^[4-5]。為了保護(hù)開關(guān)電源自身和負(fù)載，根據(jù)DC-DC直流電源原理，先后設(shè)計(jì)出了許多保護(hù)電路， 如：ESD保護(hù)電路、過(guò)壓保護(hù)電路（OVLO）、欠壓保 護(hù)電路（UVLO）、軟啟動(dòng)電路等。本文在上述幾種保 護(hù)電路的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出了基于DC-DC開關(guān)電源的溫度 檢測(cè)系統(tǒng)，當(dāng)溫度超過(guò)工作溫度閾值時(shí)，關(guān)斷電路，從 而起到實(shí)時(shí)保護(hù)電路的目的^[3,5]。

1  溫度檢測(cè)電路設(shè)計(jì)原理 

設(shè)計(jì)的溫度檢測(cè)電路如下圖2所示。

本模塊主要實(shí)現(xiàn)的功能是對(duì)芯片電源供電系統(tǒng)中的 帶隙基準(zhǔn)電壓進(jìn)行溫度檢測(cè)。帶隙基準(zhǔn)電壓是電源系統(tǒng) 中非常重要的模塊。絕大多數(shù)的內(nèi)部供電都是由帶隙基 準(zhǔn)電壓為源頭進(jìn)行“再加工”處理。針對(duì)帶隙基準(zhǔn)電壓 進(jìn)行溫度檢測(cè)，溫度越高，其電壓值也越高，從而在溫 度檢測(cè)模塊中引起輸出電壓狀態(tài)的改變。所以只需檢測(cè) 溫度檢測(cè)電路的輸出電壓就可以直觀判斷電源溫度是否 過(guò)高，從而實(shí)現(xiàn)溫度檢測(cè)的功能。 

如圖2所示，V_REF1與V_REF2是由電路的電壓基準(zhǔn)電路 V_REF產(chǎn)生的基準(zhǔn)電壓，V_REF1為帶隙基準(zhǔn)產(chǎn)生的基準(zhǔn)電 壓，可視作沒有溫度系數(shù)，而V_REF2為PTAT電壓，通過(guò) 運(yùn)放虛短作用，使電阻R1兩端的電壓分別固定在V_REF1和 V_REF2，這里Vx的電壓與VREF2的電壓值相等。所以流經(jīng)R1的電流則為（假設(shè)電流方向于圖中向下）：

V_o1為溫度檢測(cè)模塊的輸出電壓，利用2個(gè)基準(zhǔn)電壓 的差值去除表達(dá)式中的高階項(xiàng)，提高溫度線性擬合度。 

通過(guò)式(1)、（2）以及運(yùn)放的“虛短”、“虛 斷”，對(duì)輸出電壓V_o1進(jìn)行推導(dǎo)，如式（3）、式（4）：

電阻的溫度系數(shù)被約掉，故V_o1的溫度系數(shù)只與V_REF2 有關(guān)。 M1、M2、M3、M4管通過(guò)2個(gè)Cascode電流鏡進(jìn)行 偏置，其作用為將M1、M4漏極電壓分別鉗位到VDDVTP和VTN，防止在極端輸入情況下，2個(gè)差分對(duì)的輸 出懸空，造成M5或M6的柵極懸空。

2  過(guò)溫保護(hù)電路設(shè)計(jì)原理 

過(guò)溫保護(hù)電路的輸入端與溫度檢測(cè)電路的輸出端相 連，其目的是為了檢測(cè)溫度檢測(cè)電路的輸出電壓是否正 常^[6]。溫度檢測(cè)電路將溫度變化轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，而過(guò) 溫保護(hù)電路則用于檢測(cè)溫度檢測(cè)電路的輸出電壓是否正常。當(dāng)輸出電壓超出過(guò)溫保護(hù)電路所檢測(cè)的電壓閾值范 圍，過(guò)溫保護(hù)電路的輸出會(huì)將0轉(zhuǎn)變?yōu)?，進(jìn)而關(guān)斷其電 源電路，實(shí)現(xiàn)保護(hù)電路不被燒斷。

此電路主要實(shí)現(xiàn)的功能為：溫度檢測(cè)電路將芯片溫 度轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。一旦芯片溫度超過(guò)某一閾值，溫度 傳感器（即過(guò)溫保護(hù)電路）便會(huì)啟動(dòng)熱關(guān)斷，停止整個(gè) 系統(tǒng)的工作輸出。當(dāng)芯片溫度降至熱滯回帶以下時(shí)，整 個(gè)系統(tǒng)解除熱關(guān)斷，恢復(fù)正常工作。 

如圖3所示，R1、R2、Q1、Q2、R3構(gòu)成帶隙基準(zhǔn) 作為PTAT電流源，流過(guò)R3的電流I0為PTAT電流。采用rppolyu低溫飄電阻作為柵漏短接的MOS電阻，即 MP1。其中，Q1和Q3的工藝尺寸相同，而Q2為8個(gè)相同的MOS管并聯(lián)而成。

 此時(shí)，A點(diǎn)的電壓為：

其中g(shù)_mp 和R₂的溫度系數(shù)均小于I0，隨溫度變化的幅 度也很小。由公式 (6) 可見，I0呈正溫系數(shù)，溫度升高 時(shí)，I0增大，此時(shí)A點(diǎn)的電壓隨溫度的上升而下降。當(dāng) 溫度上升至一定閾值時(shí)，VA關(guān)斷Q3，B點(diǎn)電壓由低電平 跳轉(zhuǎn)為高電平，經(jīng)帶遲滯的施密特反相器處理，通過(guò) X288_A端向數(shù)字電路部分提供過(guò)溫關(guān)斷信號(hào)。當(dāng)溫度 下降幅度超過(guò)遲滯量時(shí)，Q3管將重新打開并拉低B點(diǎn)電壓，X288_A信號(hào)由高調(diào)低，電路重回正常工作狀態(tài)。 

MP1為MOS管連接的小電阻，目的是將電源與基準(zhǔn) 隔離，提高電源抑制比。

3  仿真結(jié)果及分析 

本文仿真采用0.18 μm的BCD工藝，仿真工具為 Cadence Spectre。 

3.1 溫度檢測(cè)電路仿真 

3.1.1 帶隙基準(zhǔn)溫度仿真 

首先對(duì)帶隙基準(zhǔn)電壓進(jìn)行DC溫度仿真。如圖4所示，帶隙基準(zhǔn)電壓VREF1約為1.26 V，隨溫度變化并不明顯；V_REF2為PTAT電壓，隨溫度呈線性趨勢(shì)變化，滿足 公式（4）所述。V_o1的溫度系數(shù)只與VREF2有關(guān)，故而溫 度越高，V_REF2電壓越高，V_o1電壓越高，符合電路基本原理。

3.1.2 輸出電壓溫度仿真 

隨后驗(yàn)證輸出電壓V_o1并進(jìn)行DC溫度仿真。仿真結(jié) 果如圖5，當(dāng)溫度升高時(shí)，V_o1線性升高。 

在-40~125 ℃時(shí)，V_o1的輸出電壓范圍在24.28 mV~ 1.842 V之間。

3.1.3 工藝仿真 

溫度檢測(cè)電路要求精細(xì)，為保證整個(gè)電路的可靠性 和穩(wěn)定性，在不同工藝角情況下對(duì)模塊進(jìn)行工藝仿真。

● MOS工藝角仿真 

MOS的工藝角分別為tt_5v，ff_5v，ss_5v， fs_5v，sf_5v。在不同工藝角下對(duì)該模塊進(jìn)行仿真，得 到圖6。由圖中數(shù)據(jù)可知，在各MOS corner下，輸出電 壓符合設(shè)計(jì)要求。

通過(guò)圖6得到如表1所示的數(shù)據(jù)。

● 電阻工藝角仿真 

電阻res的工藝角分別為tt_res 、ff_res、ss_res。在 不同工藝角下對(duì)該模塊進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖7所示，在 各RES corner下，該輸出符合設(shè)計(jì)要求。

通過(guò)圖7得到如表2所示的數(shù)據(jù)。

3.2 過(guò)溫保護(hù)電路仿真 

3.2.1 PTAT電流溫度仿真 

本模塊的工作機(jī)理是利用PTAT電流與溫度之間的 關(guān)系進(jìn)行仿真。如公式（5）、公式（6）所述，當(dāng)溫度 升高時(shí)，PTAT電流I0增大，A點(diǎn)電壓減小，從而使輸出 電壓由低變高，反之亦然。所以先對(duì)I0電流進(jìn)行溫度仿 真，結(jié)果如圖7所示，仿真結(jié)果表明I0與溫度成正相關(guān)， 符合電路原理。

3.2.2 輸出電壓溫度仿真 

隨后驗(yàn)證輸出電壓X288_A并進(jìn)行DC溫度仿真。由 于施密特觸發(fā)器作用，輸出電壓的曲線出現(xiàn)熱回滯窗 口，仿真結(jié)果如圖8所示。

由圖可見，該模塊大約在170 ℃左右關(guān)斷芯片， 在146.1℃左右使芯片重回正常工作狀態(tài)，遲滯量約為 (170-146.1) ℃=23.9 ℃。 

4.2.3 工藝仿真 

與溫度檢測(cè)電路類似，為提高整個(gè)系統(tǒng)的安全性和 可靠性，需對(duì)保護(hù)電路進(jìn)行工藝仿真，本文在不同工藝 角情況下對(duì)模塊進(jìn)行仿真。三極管和電阻在不同工藝角 下對(duì)過(guò)溫翻轉(zhuǎn)和低溫恢復(fù)這兩個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)處的仿真圖像 如圖9、10所示。

仿真結(jié)果表明在不同工藝角情況下的溫度誤差均較 小，說(shuō)明在一定誤差范圍內(nèi)該電路可以正常工作并能保 持較高精度。

4  結(jié)語(yǔ) 

本文提出了一種新型的基于BUCK DC-DC開關(guān)電 源的溫度檢測(cè)電路結(jié)構(gòu)，并基于此結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，加入 了一種新型的過(guò)溫保護(hù)機(jī)制。通過(guò)理論分析和數(shù)學(xué)推導(dǎo) 進(jìn)行電路搭建，并用仿真軟件進(jìn)行仿真。由于系統(tǒng)的高精度要求，本文在一般的溫度仿真基礎(chǔ)上，進(jìn)行了工藝 角的仿真。仿真結(jié)果表明在一定溫度范圍內(nèi)，該結(jié)構(gòu)可 實(shí)時(shí)檢測(cè)電流并實(shí)現(xiàn)過(guò)溫保護(hù)。

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