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一種基于DC-DC 開關(guān)電源的溫度檢測電路設(shè)計

—— 一種基于D C-D C 開關(guān)電源的溫度檢測電路設(shè)計
作者:趙亞鴿 時間:2020-03-30 來源:電子產(chǎn)品世界 收藏

趙亞鴿? (電子科技大學(xué)物理學(xué)院,四川?成都?610054)
摘? 要:針對的經(jīng)典拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),提出了一種新型的電路設(shè)計。研究了溫度對整個開 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)計了一種 新型的電路,并對其進(jìn)行功能優(yōu)化,實現(xiàn)溫度的精確檢測。同時,為防止溫度過高對系統(tǒng)造成不可逆 破壞,本文在電路的研究基礎(chǔ)上,設(shè)計了一款新型的電路。當(dāng)系統(tǒng)溫度高于溫度閾值時,溫 度檢測電路輸出發(fā)生變化,啟動電路,關(guān)閉電路和上電位,從而達(dá)到保護(hù)電路的目的。 最后對此結(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性能,且能穩(wěn)定啟 動實現(xiàn)關(guān)閉電源、保護(hù)電路的目的。 

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/202003/411469.htm

關(guān)鍵詞:;溫度檢測;過溫保護(hù);

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 能力強等諸多優(yōu)點,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)型電源主要是通過控制功率開關(guān)管的周期性導(dǎo) 通來輸出穩(wěn)定電壓,實現(xiàn)升壓、降壓、電壓反轉(zhuǎn)等功 能,從而為整個電路系統(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 。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,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)來控制輸出電壓的增大或減小,實現(xiàn)動 態(tài)調(diào)節(jié),使得穩(wěn)壓范圍較寬[3]。

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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)計出了許多保護(hù)電路, 如:ESD保護(hù)電路、過壓保護(hù)電路(OVLO)、欠壓保 護(hù)電路(UVLO)、軟啟動電路等。本文在上述幾種保 護(hù)電路的基礎(chǔ)上設(shè)計出了基于DC-DC開關(guān)電源的溫度 檢測系統(tǒng),當(dāng)溫度超過工作溫度閾值時,關(guān)斷電路,從 而起到實時保護(hù)電路的目的[3,5]。

1  溫度檢測電路設(shè)計原理 

設(shè)計的溫度檢測電路如下圖2所示。

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本模塊主要實現(xiàn)的功能是對芯片電源供電系統(tǒng)中的 進(jìn)行溫度檢測。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。針對帶隙基準(zhǔn)電壓 進(jìn)行溫度檢測,溫度越高,其電壓值也越高,從而在溫 度檢測模塊中引起輸出電壓狀態(tài)的改變。所以只需檢測 溫度檢測電路的輸出電壓就可以直觀判斷電源溫度是否 過高,從而實現(xiàn)溫度檢測的功能。 

如圖2所示,VREF1與VREF2是由電路的電壓基準(zhǔn)電路 VREF產(chǎn)生的基準(zhǔn)電壓,VREF1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VREF2為PTAT電壓,通過 運放虛短作用,使電阻R1兩端的電壓分別固定在VREF1和 VREF2,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):

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Vo1為溫度檢測模塊的輸出電壓,利用2個基準(zhǔn)電壓 的差值去除表達(dá)式中的高階項,提高溫度線性擬合度。 

通過式(1)、(2)以及運放的“虛短”、“虛 斷”,對輸出電壓Vo1進(jìn)行推導(dǎo),如式(3)、式(4):

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電阻的溫度系數(shù)被約掉,故Vo1的溫度系數(shù)只與VREF2 有關(guān)。 M1、M2、M3、M4管通過2個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個差分對的輸 出懸空,造成M5或M6的柵極懸空。

2  過溫保護(hù)電路設(shè)計原理 

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

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此電路主要實現(xiàn)的功能為:溫度檢測電路將芯片溫 度轉(zhuǎn)換為電壓信號。一旦芯片溫度超過某一閾值,溫度 傳感器(即過溫保護(hù)電路)便會啟動熱關(guān)斷,停止整個 系統(tǒng)的工作輸出。當(dāng)芯片溫度降至熱滯回帶以下時,整 個系統(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個相同的MOS管并聯(lián)而成。

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 此時,A點的電壓為:

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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,I0增大,此時A點的電壓隨溫度的上升而下降。當(dāng) 溫度上升至一定閾值時,VA關(guān)斷Q3,B點電壓由低電平 跳轉(zhuǎn)為高電平,經(jīng)帶遲滯的施密特反相器處理,通過 X288_A端向數(shù)字電路部分提供過溫關(guān)斷信號。當(dāng)溫度 下降幅度超過遲滯量時,Q3管將重新打開并拉低B點電壓,X288_A信號由高調(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 溫度檢測電路仿真 

3.1.1 帶隙基準(zhǔn)溫度仿真 

首先對帶隙基準(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;VREF2為PTAT電壓,隨溫度呈線性趨勢變化,滿足 公式(4)所述。Vo1的溫度系數(shù)只與VREF2有關(guān),故而溫 度越高,VREF2電壓越高,Vo1電壓越高,符合電路基本原理。

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3.1.2 輸出電壓溫度仿真 

隨后驗證輸出電壓Vo1并進(jìn)行DC溫度仿真。仿真結(jié) 果如圖5,當(dāng)溫度升高時,Vo1線性升高。 

在-40~125 ℃時,Vo1的輸出電壓范圍在24.28 mV~ 1.842 V之間。

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3.1.3 工藝仿真 

溫度檢測電路要求精細(xì),為保證整個電路的可靠性 和穩(wěn)定性,在不同工藝角情況下對模塊進(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)計要求。

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通過圖6得到如表1所示的數(shù)據(jù)。

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● 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)計要求。

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通過圖7得到如表2所示的數(shù)據(jù)。

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3.2 過溫保護(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,PTAT電流I0增大,A點電壓減小,從而使輸出 電壓由低變高,反之亦然。所以先對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。

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3.2.2 輸出電壓溫度仿真 

隨后驗證輸出電壓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。

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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 

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

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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 

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 了一種新型的過溫保護(hù)機制。通過理論分析和數(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 實時檢測電流并實現(xiàn)過溫保護(hù)。

參考文獻(xiàn): 

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