引 言
過熱保護電路對于功率集成電路而言有著十分重要的意義,所謂功率集成電路就是指有一定負載能力,有較高電壓輸入輸出的芯片,它主要應用于電氣照明設備中。功率集成電路不同于一般的芯片在于在同一塊芯片里不但集成了低壓數字或模擬電路,也集成了高壓功率輸出電路。正是因為有高壓功率輸出部分,功率集成電路發熱量比較大,所以,才有必要對其進行過熱保護,以免燒壞整個芯片。本文介紹了一種過熱保護電路。如何把溫度信號轉變為電壓信號是設計過熱保護電路的關鍵。按照傳統的方法,傳感器可以用熱電偶、熱電阻來做,但是如果要應用于集成電路中,考慮到以上2 種方法不容易集成,因此,不能采用。集成電路中的過熱保護電路一般是利用二極管、三極管的溫度特性來做傳感器。
二極管溫度檢測電路及其原理
考慮到二極管的伏安特性對于溫度比較敏感,因此,可以利用二極管來做傳感器。
由二極管特性曲線可知,隨溫度升高正向特性曲線向左移,反向特性曲線向下移。其變化規律是:在室溫附近,溫度每升高1 ℃,正向壓降減小2～2.5 mV ;溫度每升高10 ℃,反向電流約增大1 倍。二極管的這種特性為負溫度特性。
二極管在20～150 ℃溫度范圍內很好的保持著這一特性。通過不斷試驗,并運用統計規律,可以取其值為- 2. 2 mV/ ℃,即溫度每上升1 ℃,認為二極管正向電壓下降2. 2 mV ,而溫度每下降1 ℃,其正向電壓上升2. 2 mV。二極管這種良好的溫度特性,說明它本身就是一個很好的溫度傳感器,而且容易集成。可以通過測量其正向電壓的變化而計算其溫度變化,從而可以很好的控制過熱保護電路。二極管溫度檢測電路如圖1 所示。
利用二極管導通電壓會隨溫度的升高而下降( - 2. 2 mV/ ℃) 的特性,采用將4 個二極管串聯作為溫度傳感器(即- 8. 8 mV/ ℃) 。M9 ,M10 ,M11是鏡像電流源組成的恒流源,給4 個二極管提供電流。芯片整個工作時,隨著溫度的升高, V 點電壓就會下降。只要檢測V 點電壓就能知道當前的溫度狀況。這個電路就完成了把溫度信號轉變為電壓信號的任務。以下是這個電路的仿真結果。
溫度為50 ℃時的V 點電壓: V = 2. 4 V ;溫度為120 ℃時的V 點電壓: V = 1. 78 V.有了V 點的電壓信號,再作處理就方便許多。不妨設計一個遲滯比較器,其輸入端低于1. 78 V 就輸出高電平信號(可以定義高電平為保護信號) ,其輸入端高于2. 4 V 就輸出低電平信號,即解除保護。這就相當于溫度超過120 ℃時進行保護,當溫度恢復到50 ℃時再解除保護,重新工作。
至于遲滯比較器的設計,在此不多贅述, 。不過建議使用模擬式的,數字式的施密特觸發器雖然也有滯回曲線,但調試起來比較困難,因為施密特觸發器的上跳變點V T + 和下跳變點V T - 都和閾值電壓V TH有關,而V TH是隨著溫度的變化而變化的。而模擬式的遲滯比較器的回差電壓值只和參考電壓和內部MOS 管的尺寸有關,和溫度無關,容易調節。過熱保護電路的方框圖如圖2 所示。
仿真結果幾乎絲毫不差,非常令人滿意。
二極管溫度檢測電路的缺陷及改進過熱保護電路的另一個關鍵在于電路只受溫度變化的影響,不受電壓變化的影響。完全不受電壓變化影響的理想情況是不可能出現的,就要想辦法讓電路盡量少受電壓變化而帶來的影響。
再來分析以上溫度檢測電路,把電壓源由原來的5 V 改為4～6 V 之間變化的三角波,考察V 點的波形可知,120 ℃的曲線誤差為0. 1 V ,折算成溫度就有10 ℃的誤差。50 ℃的曲線誤差就有幾十攝氏度。因此,有必要對此進行改進。
解決電壓波動的常用方法是加1 個穩壓管。硅穩壓管在4 V 以下是負溫度系數,7 V 以上是正溫度系數,4～7 V 之間的溫度系數很小,可以忽略不計。改進后的電路如圖3 所示。
由仿真結果可見,加了穩壓管之后,電路性能大大改善,只不過50 ℃和120 ℃時V 點的電壓值也有所改變,50 ℃時為2. 16 V ,120 ℃時為1. 535 V。這樣就徹底解決了電壓波動的問題。
二極管溫度檢測電路的參數調節
調節二極管溫度檢測電路的參數是為了能更好地適應遲滯比較器的參考電壓。在一般的模擬電路中,參考電壓( V ref) 不會很多,所以,設計的電路要符合這個參考電壓。要注意的是,標準的參考電壓是不允許用來分壓的。參考電壓如果當作電源用分壓再得到另一個需要的參考電壓,則前一個標準的參考電壓就會不準,這樣會對其他的電路產生影響。所以,調節此電路參數的目的就是使此電路的上跳變點V T + 和下跳變點V T - 的中間點( V T + +V T - ) / 2 = V ref 。這樣就可以避免用不標準的參考電壓,也就避免了標準參考電壓的分壓行為。
假設在總電路中標準的參考電壓為2. 0 V。則二極管溫度檢測電路的參數要調節到( V T + + V T - ) / 2= 2. 0 V。調節的方法很多,3 個用作鏡像電流源的MOS管的尺寸可以很方便的調節,MOS 管尺寸改變則流過二極管的電流就會改變,從而引起上下跳變點電壓的改變。甚至還可以調節二極管,比如去掉1 個二極管,就用3 個二極管來做溫度檢測。如圖3 所示的尺寸時,50 ℃時為2. 16 V ,120 ℃時為1. 535 V ,即V T + = 1. 535 V , V T - = 2. 16 V。則( V T + + V T - ) / 2= 1. 85 V ,不到2. 0 V。最方便的調節方法就是放大二極管前面1 個NMOS 管的尺寸。尺寸越大則跳變點電壓就越高。當然也可以調節另外的2 個MOS 管的尺寸。總之要使得( V T + + V T - ) / 2 = 2. 0 V。
最終調節后的電路尺寸如圖4 所示。
從仿真結果可以看出,在此參數下溫度為50 ℃時,V 點電壓為2. 26 V ,溫度為120 ℃時, V 點電壓為1. 69V。則( V T + + V T - ) / 2 = 1. 98 V ,基本滿足設計要求。
版圖性能的簡單研究
集成電路的設計總要最終反映到版圖上,版圖的質量一方面和版圖設計師的經驗有關,另一方面又和生產廠家的工藝有關。
畫二極管的時候要注意在二極管的周圍加上一圈保護層(用P 擴散層或N 擴散層,因電路而異) ,以吸收二極管的電流,防止外泄。這是因為二極管的電流流向和普通MOS 管是不同的。從剖面圖上看MOS 管的電流就在加電后形成的導電溝道里橫向流動,而二極管的電流不但會垂直流動而且還會在襯底上橫向流動,引起其它電路不正常工作。加了保護層后就可以把二極管外泄的電流吸收掉。
如果有些廠家不提供二極管的設計模型,只提供三級管的模型,這時可以把三級管的c 極和b 極短接起來當作二極管來用。當然此時參數就要重新調節,這本身并不復雜。但是,如果有些廠家只提供垂直型結構的PNP 三極管模型,這就有些麻煩。用垂直型結構的PNP 三極管的c 極和b 極短接是做不出串聯的溫度檢測電路。垂直型結構的PNP 三極管從平面上來看是圍成一圈的結構:最里面是P 擴散層(三級管的e 極) ,外面一圈是N 擴散層(三級管的b 極) ,兩者都是被一塊N 阱包圍,N 阱外面又是一圈P 擴散層(三級管的c 極) 。最外面的P 擴散層其實接的是P 型襯底,而P 型襯底是接地的,即c 極接地。采用這樣結構三級管的β值穩定、性能優良,但是,這樣就不能把三極管串聯使用。遇到這種情況沒有其它辦法,只能舍棄垂直型PNP 三極管而改用其它類型的,但電路的誤差就會比較大。
結束語
介紹了一種利用串連二極管構成的過熱保護電路的電路結構,工作原理,及參數調節的要點,也簡要提及了版圖的繪制。該過熱保護電路結構簡單、原理清晰、性能可靠,適用于功率集成電路。
