一種基于DC-DC 開關電源的溫度檢測電路設計

趙亞鴿? （電子科技大學物理學院，四川?成都?610054）
摘? 要：針對DC-DC開關電源的經(jīng)典拓撲結(jié)構(gòu)，提出了一種新型的溫度檢測電路設計。研究了溫度對整個開 關電源系統(tǒng)的影響，以及在一定溫度變化范圍內(nèi)，開關電源能否輸出穩(wěn)定電壓。在此基礎上，本文設計了一種 新型的溫度檢測電路，并對其進行功能優(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，本文在溫度檢測電路的研究基礎上，設計了一款新型的過溫保護電路。當系統(tǒng)溫度高于溫度閾值時，溫 度檢測電路輸出發(fā)生變化，啟動過溫保護電路，關閉帶隙基準電壓電路和上電位，從而達到保護電路的目的。 最后對此結(jié)構(gòu)進行仿真，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 動過溫保護實現(xiàn)關閉電源、保護電路的目的。 

關鍵詞：DC-DC開關電源；溫度檢測；過溫保護；系統(tǒng)溫度閾值；帶隙基準電壓

0  引言 

開關型電源、LDO是目前應用在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)典拓撲結(jié)構(gòu)的 開關型電源，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，廣泛應用于許多高集成度高性能的 SoC系統(tǒng)芯片中^[1]。 

開關型電源主要是通過控制功率開關管的周期性導 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，開關型電源中較為常見的是BUCK型 DC-DC開關電源。相較于其他電源管理系統(tǒng)而言， BUCK型DC-DC開關電源的電源轉(zhuǎn)換效率高，可達 80%以上，對于一些特制的開關電源甚至高達90%；其 次，負載能力強，可承受大電流；另外，開關電源的功 率MOS管阻值較低，故而功率損耗偏低，適用于傳導較大電流；通過控制開關電源內(nèi)部功率MOS管（高邊管和 低邊管）的開關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]。

開關電源往往工作在高電壓下，較大功率的開關電 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]。為了保護開關電源自身和負載，根據(jù)DC-DC直流電源原理，先后設計出了許多保護電路， 如：ESD保護電路、過壓保護電路（OVLO）、欠壓保 護電路（UVLO）、軟啟動電路等。本文在上述幾種保 護電路的基礎上設計出了基于DC-DC開關電源的溫度 檢測系統(tǒng)，當溫度超過工作溫度閾值時，關斷電路，從 而起到實時保護電路的目的^[3,5]。

1  溫度檢測電路設計原理 

設計的溫度檢測電路如下圖2所示。

本模塊主要實現(xiàn)的功能是對芯片電源供電系統(tǒng)中的 帶隙基準電壓進行溫度檢測。帶隙基準電壓是電源系統(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 準電壓為源頭進行“再加工”處理。針對帶隙基準電壓 進行溫度檢測，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，V_REF1與V_REF2是由電路的電壓基準電路 V_REF產(chǎn)生的基準電壓，V_REF1為帶隙基準產(chǎn)生的基準電 壓，可視作沒有溫度系數(shù)，而V_REF2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（假設電流方向于圖中向下）：

V_o1為溫度檢測模塊的輸出電壓，利用2個基準電壓 的差值去除表達式中的高階項，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V_o1進行推導，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。 M1、M2、M3、M4管通過2個Cascode電流鏡進行 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  過溫保護電路設計原理 

過溫保護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 溫保護電路則用于檢測溫度檢測電路的輸出電壓是否正常。當輸出電壓超出過溫保護電路所檢測的電壓閾值范 圍，過溫保護電路的輸出會將0轉(zhuǎn)變?yōu)?，進而關斷其電 源電路，實現(xiàn)保護電路不被燒斷。

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（即過溫保護電路）便會啟動熱關斷，停止整個 系統(tǒng)的工作輸出。當芯片溫度降至熱滯回帶以下時，整 個系統(tǒng)解除熱關斷，恢復正常工作。 

如圖3所示，R1、R2、Q1、Q2、R3構(gòu)成帶隙基準 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。

 此時，A點的電壓為：

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，I0增大，此時A點的電壓隨溫度的上升而下降。當 溫度上升至一定閾值時，VA關斷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斷信號。當溫度 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 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 帶隙基準溫度仿真 

首先對帶隙基準電壓進行DC溫度仿真。如圖4所示，帶隙基準電壓VREF1約為1.26 V，隨溫度變化并不明顯；V_REF2為PTAT電壓，隨溫度呈線性趨勢變化，滿足 公式（4）所述。V_o1的溫度系數(shù)只與VREF2有關，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 

隨后驗證輸出電壓V_o1并進行DC溫度仿真。仿真結(jié) 果如圖5，當溫度升高時，V_o1線性升高。 

在-40~125 ℃時，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 

溫度檢測電路要求精細，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 壓符合設計要求。

通過圖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 不同工藝角下對該模塊進行仿真，結(jié)果如圖7所示，在 各RES corner下，該輸出符合設計要求。

通過圖7得到如表2所示的數(shù)據(jù)。

3.2 過溫保護電路仿真 

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 關系進行仿真。如公式（5）、公式（6）所述，當溫度 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， 符合電路原理。

3.2.2 輸出電壓溫度仿真 

隨后驗證輸出電壓X288_A并進行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，需對保護電路進行工藝仿真，本文在不同工藝 角情況下對模塊進行仿真。三極管和電阻在不同工藝角 下對過溫翻轉(zhuǎn)和低溫恢復這兩個關鍵節(jié)點處的仿真圖像 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開關電 源的溫度檢測電路結(jié)構(gòu)，并基于此結(jié)構(gòu)進行改進，加入 了一種新型的過溫保護機制。通過理論分析和數(shù)學推導 進行電路搭建，并用仿真軟件進行仿真。由于系統(tǒng)的高精度要求，本文在一般的溫度仿真基礎上，進行了工藝 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。

參考文獻： 

[1] RAZAVI B.Design of Analog CMOS Integrated Circuits [M].陳貴燦,程軍,張睿智,等,譯.西安:西安交通大學出版社, 2002,312-315. 

[2] WILLY M,SANSEN C. Analog Design Essentials[M]. 陳 瑩梅譯.北京:清華大學出版社,2007:103-120. 

[3] 童亦斌,吳峂,金新民,等.雙向DC/DC變換器的拓撲研究[J].中國 電機工程學報,2007(13):81-86. 

[4] 吳愛國,李際濤.DC-DC變換器控制方法研究現(xiàn)狀[J].電力電子 技術(shù),1999(2):75-78. 

[5] 張慕輝,劉詩斌,馮勇.具有滯回功能的過溫保護電路[J].儀表技 術(shù)與傳感器,2009(02):94-95,110. 

[6] 潘飛蹊,俞鐵剛,郭超,等.一種高精度帶隙基準 源和過溫保護電路[J].微電子學,2005(2):192195.