电源管理芯片中的过热保护电路的制作方法

本发明涉及电源管理集成电路保护技术领域，尤指一种过热保护电路，当其检测到温度超过设定的热关断温度时，迅速关断电路，防止芯片过热烧毁。

背景技术：

电源管理芯片的温度每升高2℃，安全可靠性就下降10％，温度升高50℃时的电源管理芯片工作寿命是温度升高25℃时的1/6。为了保护电源管理芯片，使其在高温情况下不被损坏，必须设置过热保护电路，以便当芯片工作温度超过允许值时，保护电路将主要的功耗电路切断。以线性稳压器以及开关稳压器为代表的电源管理集成电路，在其内部有流过大电流的输出功率管。因此在输出功率管过载且集成电路散热不充分的情况下，存在因过热导致的器件热损坏，甚至发生冒烟及起火的危险，因此为了确保安全，在处理大电流的电源管理集成电路内置有过热保护电路。

通常，过热保护电路将二极管或三极管的基极发射结，即PN结作为热敏元件。PN结的正向电压取决于硅的带隙，其温度系数也与工艺无关，大致为-2mV/℃。通过对该热敏元件的输出与不具温度系数的基准电压比较，能够检测热敏元件是否超过一定温度。将基准电压设定为与热敏元件在过热温度下的输出电压相等。过热保护电路构成为：热敏元件的输出电压与基准电压作为比较器正负输入，当达到热关断温度时，两电压相等，比较器的输出翻转，使输出功率管截止。

但是通过上述结构来构成的过热保护电路时，为了提高检测温度精度，存在以下问题。

首先高精度的基准电压电路导致芯片面积大幅增加，另外比较器的随机偏移是产生检测温度偏差的主要原因。为了减小因比较器的随机偏移引起的检测温度偏差，只要减小比较器的随机偏移和增大热敏元件的温度系数即可。为了减小比较器的随机偏移，必须增大构成比较器的晶体管的尺寸，从而也导致面积增加。另外一方面，如果增大热敏元件的温度系数，则从常温至过热的高温热敏元件的输出电压变化幅度很大，不利于低电压下工作。

技术实现要素：
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本发明的目的在于，构成如下的过热保护电路，不需要构建复杂的高精度基准电压电路以及比较器电路，具有关断阈值点准确，对电源和工艺参数的不敏感，以及结构简单占用面积小等优点，并且拥有温度迟滞功能杜绝热振荡带来的危害。

为了到达上述目的，本发明的优选实施例过热保护电路图2构成为，利用工作在相同电流密度下的具有不同发射极面积的三极管(或者用工作在亚阈区的MOS管)具有与温度成比例基极发射极电压差这一原理，将ΔV_BE落在一个低温漂电阻上，产生所需的PTAT电流。此结构简单，占用很小面积，通常此结构需要一个启动电路，但不在此专利讨论范畴，故未画出。p3,p4,p5为镜像电流源管，其作用就是根据器件尺寸比例，镜像复制PTAT电流。将复制的PTAT电流作为热敏元件，可以检测温度的变化，流过采样电阻R7和R8,将温度变化转化为电压变化。当芯片过载，温度上升达到热关断温度时，采样电阻R7和R8上的压降使晶体管n3导通，发生一系列电压翻转，将热关断管n5开启，中断了稳压控制环路，使功率开关管203关断。当发生热关断时，n4截止，电阻R9巧妙地连在晶体管n4的输出端与电阻R7和R8的连接点之间，引入反馈，产生温度迟滞。根据下面的具体实施方式中的推导可知这种过热保护电路可以使关断温度阈值基本不依赖于电源电压，PTAT电流大小和工艺参数变化，也基本不受电阻温度系数和方块电阻大小变化的影响，因此热关断温度阈值点具有很高的精度，更为重要的是此电路结构简单，节省面积。

附图说明

图1是本发明过热保护电路的简化电路图。

图2是本发明优选实施例的过热保护电路及其所保护的稳压器电路的电路图。

图3是本发明优选实施例中的过热保护电路发挥作用时，热关断管的输出电压V4随温度变化的示意图。

具体实施方式

[第一实施方式]

图1是是本实施方式的过热保护电路的简化电路图。

本实施方式的过热保护电路100具有PTAT电流源I1,I2,I3以及由电阻R1,R2,R3,R4和晶体管n1,n2,n3构成的热关断电路。PTAT电流源可以由多种产生方式，例如利用具有不同发射极面积的三极管(或者具有不同尺寸的工作在亚阈区的MOS管)产生所需的PTAT电流；或者直接镜像电源管理芯片中的电流源电路产生的PTAT电流(如果有的话)。将产生的PTAT作为热敏元件，利用电阻R1和R2采样它来检测温度变化。当温度达到热关断温度，n1,n2,n3的输出V2,V3,V4实现一系列翻转，具体的是V2：高—低，V3:低—高，V4：高—低。将V4接在电源管理芯片的功率开关管的控制环路上，能起到中断控制环路，关断功率管的作用，实现过热保护。R4引入反馈，产生温度迟滞，防止热振荡。热关断点温度可以通过合理调节R1,R2,PTAT电流的大小设定，温度迟滞的大小可以通过合理调节PTAT电流，R4,R1,R2来设定。

[第二实施方式]

下面以具有稳压器的电源管理芯片为例，说明本发明的实施方式。

图2是本发明优选实施例的过热保护电路及其所保护的稳压器电路的电路图。

本实施方式具有过热保护电路和稳压电路。过热保护电路由PTAT电流源201和热关断电路200组成。稳压电路由电压基准205，误差放大器202，功率开关管203，分压反馈网络204构成。

PTAT电流源201结构具有：npn型晶体管n1,n2；pnp型晶体管p1,p2,p3,p4,p5；电阻R1,R2,R3,R4,R5,R6。n1为二极管连接形式，其基极与n2基极相连，发射极接地，其集电极与p1集电极相连。n2发射极与电阻R1其中一端相连，R1另一端接地，n2集电极与p2集电极相连。p1基极与p2基极相连，其发射极与R2其中一端相连，R2另一端与电源电压Vin相连。p2为二极管连接形式，其发射极与电阻R3其中一端相连，R3另一端接Vin。p3,p4,p5基极与p1,p2基极相连。p3发射极接R4其中一端，R4另一端接Vin。p4发射极接R5其中一端，R5另一端接Vin。p5发射极接R6其中一端，R6另一端接Vin。

热关断电路200电路结构具有：npn型晶体管n3,n4,n5，电阻R7,R8,R9,R10。R7其中一端接p3集电极，另一端接R8其中一端，R8另一端接地。n3基极接在p3和R7连接处，其集电极与p4集电极相连，其发射极接地。n4基极接在n3和p4连接处，其集电极与p5集电极相连，其发射极接地。R10其中一端与n4集电极相连，另一端与n5基极相连。n5集电极与误差放大器(Error AMP)202的输出相连，其发射极接地。R9其中一端接在n4的集电极，另一端接在R7和R8的连接处。

稳压电路结构具有：误差放大器202正输入端接电压基准205，负输入端接分压反馈网络204的反馈信号。202的输出接功率开关管203的基极，功率管203的集电极接Vin，发射极接分压反馈网络204，其发射极是稳压器的输出端。分压网络由电阻R11,R12构成。构成了一个常见的线性稳压器电路。

上述结构的稳压器过热保护电路具有进行如下动作来防止电路过热的功能：

通过PTAT电流源201产生PTAT电流，因为p1,p2发射极面积相等，电路稳定后，流过n1,n2集电极电流相等，但是n2发射极面积大于n1发射极面积，因此产生与温度成比例的基极发射极电压差ΔV_BE，其落在电阻R1上产生PTAT电流。P3,P4,P5与P2成电流镜结构，根据发射极面积比例复制此PTAT电流，为热关断电路提供电流偏置。PTAT电流作为热敏元件，感应温度变化，利用电阻R7和R8采样它，将温度变化转化为电压变化。稳压器正常工作时，R7和R8压降之和V1不足以n3导通，此时n3,n4,n5的输出V2,V3,V4分别：高，低，高。这样热关断管n5不起作用，稳压控制环路正常调控电路。当温度达到热关断温度，V1使n3导通，n3,n4,n5的输出V2,V3,V4实现一系列翻转，具体的是V2：高—低，V3:低—高，V4：高—低。热关断n5开启，能起到中断控制环路，关断功率管的作用，实现过热保护。R9引入反馈，产生温度迟滞，防止热振荡。热关断点温度可以通过合理设置R1,R7,R8大小和n1,n2,p2,p3,p4的尺寸比例来设定，温度迟滞的大小可以通过合理设置p2,p5尺寸比例以及R1,R7,R8大小来设定。

下面推导热关断温度阈值点，这里会用到以下公式

V_T＝kT/q (3)

这里I_S是PN结反向饱和电流，V_be是基极发射极电压，V_T是热电压，c₁是一个与温度有关的常量，与I_S的指数项对温度的依赖要小得多，因此可以忽略温度对c₁的影响。V_g0是0K时的硅外推能隙电压。k是玻尔兹曼常量，T是开尔文温度，q是电子电荷量。

PTAT电流源稳定时，有

V_be1＝V_be2+I_C2R₁ (4)

由(1)式带入(4)，有

因为p1,p2尺寸相同，I_C1＝I_C2，设A1,A2分别为n1,n2的发射极面积，则有则有

I_C2＝I_PTAT＝V_TlnN/R₁ (6)

由此产生了所需的PTAT电流。当温度达到热关断温度时，V1使n3导通，p4的集电极电流流过n3。则由(1)、(2)、(6)式，得n3的集电极电流为

其中n＝B4/B2，B2，B4是分别为p2,p4的发射极面积，m＝B₃/B₂，B3是p3的发射极面积。则由(3)、(7)式可得热关断温度T1为

式(8)中q，V_g0，k是常数，因此只要合理设计参数，取得较大使得远大于则关断阈值温度主要与有关，而几乎不依赖电阻的方阻和温度系数，I_PTAT大小，电源电压以及工艺参数的变化。

图3是本发明优选实施例中的过热保护电路发挥作用时，热关断管V4输出电压随温度变化的示意图。图中显示出了该过热保护电路的温度迟滞特性。当功率开关管输出电流过载，芯片温度持续上升，达到热关断温度T1时，V4迅速由高翻转为低，中断稳压控制环路，关断功率管。当功率管被迫关断，芯片温度下降到T2时，V4迅速由低翻转为高，功率管恢复导通。T₁＞T₂，两者的差值即为温度迟滞，迟滞的大小可以通过合理设置I_PTAT，p2,p5尺寸比例以及R1,R7,R8大小来设定。具体的，I_PTAT越大，p5,p2尺寸比例越大越大，则流过R9的电流越大，迟滞越大；R8与R7的比例越大，迟滞越大。

本发明实施方式中使用的都是BJT晶体管，实际并不局限于BJT晶体管，例如PTAT电流源，可以利用工作在亚阈区的MOS管来实现；电流源管也可以换用MOS来实现，n4,n5也可用MOS来代替，以使该电路可以兼容BCD工艺。