过温保护电路设计分析

摘要:传统的过温保护电路是通过调整电阻阻值来控制热关断阈值温度的高低，其结构复杂、功耗大、受参数变化影响大。提出了一种新型的过温保护电路，电路中不再使用电阻和迟滞比较器，主要采用晶体管、MOS管、电容和逻辑门电路组成，并可以利用正反馈使电路具有迟滞特性，因而可避免振荡的发生和对芯片造成危害。最后，通过PSPICE仿真说明，当电源电压和工艺参数发生变化时，该新型的过温保护电路可以很好的抑制温度升高引起的热关断阈值点漂移，所以广泛的应用于各种各样的电路芯片。

关键词:过温保护电路；热关断阈值；迟滞阈值

像电源、驱动器等集成电路芯片的功耗一般情况下较大，一旦发生电源短接或电路内部短路等现象，其瞬时功耗会急剧增大，从而使芯片温度不断升高，芯片将不能正常工作，很可能会将芯片烧坏。所以为了安全起见，常常在集成电路内部装有过温保护电路，当温度升高超过阈值，过温保护电路立即使电路芯片停止工作，这样并不产生功耗，温度也会降低，集成电路也不会被烧坏。传统的过温保护电路主要利用温度敏感元件来检测电路芯片内部温度的变化[1-13]，当温度超限时，启动过温保护电路开始工作，控制系统关断，所以不容易把电路损坏。本文设计了一种新型的过温保护电路，由晶体管、MOS管、电容和逻辑门电路等组成，结构简单、功耗低、工作电压低、抗干扰能力强，对温度具有迟滞特性，可减小对芯片的危害。运用PSPICE仿真表明，该新型保护电路对因电源电压或参数变化引起的温度漂移具有很强的抑制作用。

1传统的过温保护电路的工作原理

传统的过温保护电路的工作原理是将温度信号转换为电压信号，并对电压信号做进一步处理。由于二极管的导通电压随温度的升高而下降，所以可将4个二极管相串作为温度传感器，如图1所示。4个二极管的电流由M1、M2、M3构成的镜像电流源组成的恒流源提供。电路工作时，A点电压会随温度的升高而下降。可见，如果温度发生变化A点的电压就会发生变化，也就将温度信号转换为电压信号了，再运用迟滞比较器对A点电压做进一步处理，设AT-为下跳变点电压，AT+为上跳变点电压，则中间点电压为AT-+AT+2，调节电路的有关参数使其中间点电压等于AREF。输入端电压低于下跳电压AT-，输出为高电平，输入端电压高于上跳电压AT+，输出为低电平，此时保护立即解除。也就是说，随着温度的升高，当温度大于AT-对应的温度时进行保护，当温度等于AT+对应的温度时不再进行保护。在该电路中，由于迟滞比较器使得电路更加复杂。电路中采用了硅稳压管，它的两端电压在4～7V时温度系数特别小，可略去不计，在4V以下具有负的温度系数，在7V以上具有正的温度系数。所以电源电压在4～7V时，电路可以工作，如果电源电压更低，该电路就不适用了。

2新型的过温保护电路

针对以上电路的缺点，提出了一种新型的过温保护电路，它用最简单的电路实现过温保护功能，电路中没有电阻，使得热关断阈值温度达到稳定，电路如图2所示。常温下，由于基准电压VREF比晶体管T的发射结导通电压小，晶体管T截止，经过场效应管M1和M2的电流是零电流，因此晶体管T的集电极电位是高电平，故M5的栅极电压为高电平，M5可以导通，导通之后M5的漏极为低电平，因而反相器N1的输入信号是低电平，经反相器N1和N2作用后，仍然是低电平，此时直流继电器K不吸合，开关K仍然打开，电路正常工作。非门N1输出高电平，故M3栅极电压也为高电平，M3可以导通。VREF保证较大的温度范围内M1、M2的电流均为零，所以电路具有较小的功耗。因为晶体管T的发射结电压具有负的温度特性，故T的发射结导通压降随温度升高而减小。当温度升高时，VREF比T的发射结导通电压大，T可以导通，如果温度继续升高，三极管T的集电极电位急剧下降，M5的栅极电位降低，M5截止，M5的漏极达到高电平，即反相器N1的输入端是高电平，经反相器N1和N2之后输出高电平，继电器K吸合，开关K合上，经电阻R降压之后基准电压VREF也降低，又一次使三极管T截止，T的集电极电压也就是M5的栅极电压是高电平，因而M5导通，M5的漏极电压即反相器N1的输入电压为低电平，经N1和N2两次反相之后，N2的输出电压为低电平，直流继电器K关断，开关K打开，VREF不变，从而达到过温保护的目的[5]。

3仿真分析

当被测系统工作温度升到150°时，该过温保护电路输出高电平，以示关断工作电路。当且仅当被测系统工作温度降为120°时，该过温保护电路输出低电平，以示电路正常工作。如果电源电压是2.5V、3.2V、5.7V时，图3所示是新型的过温保护电路关断和迟滞特性曲线。可见，电压较低时，电路正常工作，电压改变对关断温度和迟滞影响甚微。在6种不同的边界条件下，图4是VDD为3.2V时过温关断和迟滞特性曲线，145°～155°是它的温度变化范围，115°～125°是迟滞阈值TL的温度变化范围。综上，工艺参数变化时，热关断阈值TH、迟滞阈值TL基本不变。所以，电源电压和工艺参数可以抑制热关断阈值温度点的漂移。

4结语

针对传统的过温保护电路结构比较复杂、功耗较大、受工艺参数变化影响也较大，提出了一种新型的过温保护电路，其功耗低、对电源电压、参数变化不敏感，并具有很强的抑制作用。最后通过PSPICE仿真表明，电路的准确性高，可应用于多种集成电路。该电路具有很好的使用价值和广阔的发展前景，值得我们再做进一步的研究。

作者：范子荣 祝文君 单位：山西大同大学煤炭工程学院 西安科技大学电气与控制工程学院

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