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一種發(fā)動(dòng)機(jī)高溫差環(huán)境下的基準(zhǔn)電壓源電路

作者: 時(shí)間:2011-12-24 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

 發(fā)動(dòng)機(jī)控制芯片在汽車中得到了廣泛的應(yīng)用,是汽車電子的核心部分之一。發(fā)動(dòng)機(jī)控制芯片結(jié)合了大量的傳感器接口電路、ADC、控制器等模擬與數(shù)字電路模塊。對(duì)于模擬電路,過(guò)低和過(guò)高的溫度,都可能會(huì)導(dǎo)致芯片失效。極限溫度導(dǎo)致電路失效的原因通常有:電路的偏置電流隨溫度變化過(guò)大,使得電路偏離了正常工作狀態(tài);電路輸出節(jié)點(diǎn)的共模電壓隨溫度的變化產(chǎn)生了漂移,導(dǎo)致下一級(jí)電路無(wú)法正常偏置等問(wèn)題。
 在模擬電路設(shè)計(jì)中,帶隙基準(zhǔn)電壓/電流源負(fù)責(zé)給偏置電路提供穩(wěn)定、不隨溫度變化的偏置參考電流和電壓,用來(lái)給電路提供穩(wěn)定的偏置電流和共模電壓。發(fā)動(dòng)機(jī)控制芯片通常安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)周圍,發(fā)動(dòng)機(jī)艙在長(zhǎng)途行車過(guò)程中的極限溫度可能會(huì)高達(dá)125℃。而在寒冷地區(qū),冷車狀態(tài)下發(fā)動(dòng)機(jī)艙溫度可能低至-40℃。在如此大的溫度跨度下,要保證發(fā)動(dòng)機(jī)控制芯片可以正常運(yùn)作,參考電流源與參考電壓源的誤差必須控制在很小的范圍之內(nèi)a,這對(duì)帶隙基準(zhǔn)模塊的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。該基準(zhǔn)電路必須在-40℃~125℃的范圍內(nèi)提供恒定的輸出電壓/電流信號(hào)。因此,應(yīng)該具有更低的溫度系數(shù)和更寬的工作溫度范圍。此外,由于發(fā)動(dòng)機(jī)的工況經(jīng)常因行駛情況而改變,同時(shí)由于發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)各種電氣開關(guān)帶來(lái)的電壓波動(dòng),給發(fā)動(dòng)機(jī)控制芯片供電的電源電壓通常會(huì)經(jīng)歷嚴(yán)重的紋波干擾。這要求芯片中的應(yīng)具備較強(qiáng)的電源抑制比。本文正是從以上兩點(diǎn)出發(fā),提出了一種針對(duì)汽車控制芯片的帶隙基準(zhǔn)電壓源電路,用于降低由極限溫度引發(fā)的芯片失效風(fēng)險(xiǎn)。
1 帶隙基準(zhǔn)電壓源電路設(shè)計(jì)與分析
 帶隙基準(zhǔn)的核心原理是產(chǎn)生一個(gè)具有一階正溫度系數(shù)的電壓/電流量,與一個(gè)具有一階負(fù)溫度系數(shù)的電壓/電流量以一定的系數(shù)相加,以達(dá)到抵消溫度系數(shù)的效果。一個(gè)雙極晶體管的基極與發(fā)射極電壓Vbe就可以看成是一個(gè)常用的負(fù)溫度系數(shù)源。將一個(gè)三極管連接成二極管形式,對(duì)Vbe求偏導(dǎo),可以得到以下結(jié)論:
一種發(fā)動(dòng)機(jī)高溫差環(huán)境下的基準(zhǔn)電壓源電路
一種發(fā)動(dòng)機(jī)高溫差環(huán)境下的基準(zhǔn)電壓源電路

一種發(fā)動(dòng)機(jī)高溫差環(huán)境下的基準(zhǔn)電壓源電路

 本文提出一種基于不同溫度系數(shù)電阻的二階溫度補(bǔ)償方法,其電路原理圖如圖6所示。在圖2所示的一階電路的基礎(chǔ)上增加3個(gè)多晶硅電阻(R6~R8),該電阻與一階電路中的擴(kuò)散電阻具有不同的溫度系數(shù)。仿真結(jié)果表明,使用該方法可以實(shí)現(xiàn)175℃溫度范圍內(nèi)0.25 mV的輸出電壓誤差。

 由三極管Q1~Q2,電阻R1~R8、晶體管M1~M3、誤差放大器A1組成一階帶隙基準(zhǔn)電壓源核心電路。Q3、M6~M8用來(lái)產(chǎn)生與溫度呈正比例關(guān)系變化的電流IPTAT,提供給發(fā)動(dòng)機(jī)控制芯片中的溫度傳感器模塊。R1、R3和R4為擴(kuò)散電阻,具有正溫度系數(shù)。R6~R8為多晶硅電阻,具有負(fù)溫度系數(shù),在電路中起到高階溫度補(bǔ)償?shù)淖饔?。M5、M10、R5、Q3組成啟動(dòng)電路,在芯片上電時(shí),M5導(dǎo)通,當(dāng)電路進(jìn)入正常工作狀態(tài)后,M5自動(dòng)被切斷。



一種發(fā)動(dòng)機(jī)高溫差環(huán)境下的基準(zhǔn)電壓源電路
 式(5)中的前兩項(xiàng)與式(3)相同,第三項(xiàng)為高階補(bǔ)償項(xiàng)。由于R6與R2具有不同溫度系數(shù),故R6/R2至少是溫度的一階函數(shù),由于VT本身是溫度的一階函數(shù),故第三項(xiàng)至少是溫度的二階函數(shù)。通過(guò)合理地選擇R6值,可以較大程度上抵消Vbe的高階溫度系數(shù)。
 經(jīng)過(guò)本文方法補(bǔ)償后的輸出電壓隨溫度變化曲線如圖7所示。從圖中可以看出,從-50℃變化到125℃的過(guò)程中,輸出電壓最大只變化了0.25 mV,達(dá)到了顯著的補(bǔ)償效果。此外,由于采用了電流型結(jié)構(gòu),R1、R3與雙極性器件所在支路并聯(lián),降低了所在支路的等效電阻,從而減弱了電源電壓波動(dòng)對(duì)該節(jié)點(diǎn)電壓的影響,提高了電源抑制比。圖8所示為誤差放大器A1的原理圖,該誤差放大器使用折疊共源放大結(jié)構(gòu)。輸入跨導(dǎo)級(jí)為雙極型NPN管,可以降低放大器失調(diào)與噪聲帶來(lái)的影響。此外,還需要注意的是,在有誤差放大器的基準(zhǔn)電路中,正反饋環(huán)路與負(fù)反饋環(huán)路是同時(shí)存在的,如圖6所示,M2、R2、Q2所在支路是負(fù)反饋,而M1、Q1所在支路則是正反饋。為了保證電路穩(wěn)定性,需要使該系統(tǒng)總體上表現(xiàn)為負(fù)反饋,因此負(fù)反饋系數(shù)應(yīng)該大于正反饋系數(shù)。在本設(shè)計(jì)中,R2與Q2的導(dǎo)通電阻1/gm2的和大于Q1的導(dǎo)通電阻1/gm1,使電路的穩(wěn)定性得到了保證。

一種發(fā)動(dòng)機(jī)高溫差環(huán)境下的基準(zhǔn)電壓源電路

 本文提出一種基于使用SMIC 0.18 μm MIXIC工藝,應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)控制芯片的帶隙基準(zhǔn)電壓源電路,該電路在一階電流型基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,使用不同溫度系數(shù)的電阻進(jìn)行了簡(jiǎn)單有效的二階溫度系數(shù)補(bǔ)償。該基準(zhǔn)電壓源在-50℃~125℃溫度范圍內(nèi),輸出參考電壓誤差小于0.25 mV,低頻時(shí)電源抑制比可以達(dá)到99 dB。該基準(zhǔn)電路具有良好的溫度穩(wěn)定性與抗電源干擾能力,其在發(fā)動(dòng)機(jī)控制芯片中有很好的應(yīng)用價(jià)值。
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