微型片上系統(tǒng)LDO中過溫保護(hù)電路的設(shè)計(jì)

微型片上系統(tǒng)LDO中過溫保護(hù)電路的設(shè)計(jì)

隨著超自然技術(shù)的進(jìn)步和便攜式電子產(chǎn)品的快速發(fā)展，電源ic取得了很大進(jìn)步。電源IC產(chǎn)品主要包括線性穩(wěn)壓器、開關(guān)電源、電池充電/管理IC,PWM/PFM控制器、AC/DC穩(wěn)壓器及功率因數(shù)校正(PFC)預(yù)穩(wěn)器等。而其中集成穩(wěn)壓器是最常用的電源管理芯片,由于他使用方便、體積小、性能良好、可靠性高,所以在電源管理市場中占有很大比重。目前在所有這些電源IC中,線性穩(wěn)壓器IC的銷售額最大,而LDO線性穩(wěn)壓器在工作電流、最小輸入輸出壓差、噪聲及封裝等方面的改進(jìn)使其成為增長最多和最快的產(chǎn)品。LDO的結(jié)構(gòu)是一個(gè)微型的片上系統(tǒng),他根據(jù)負(fù)載電阻的變化情況調(diào)節(jié)自身的內(nèi)電阻,從而保證穩(wěn)壓輸出端的電壓不變。通常他是由具有極低的導(dǎo)通電阻RDS(ON)的MOSFET(或PNP)、肖特基二極管、分壓電阻、過流保護(hù)、過溫保護(hù)、精密基準(zhǔn)源、差分放大器、延遲器和POK(PowerOK)MOSFET等專用晶體管電路在一個(gè)芯片上集成而成。本文主要介紹LDO中過溫保護(hù)電路的設(shè)計(jì)。1qh要及時(shí)導(dǎo)通在大多數(shù)雙極型工藝LDO中,最高工作溫度選在100~170℃。為了保證這一點(diǎn),通常設(shè)計(jì)如圖1所示的過溫保護(hù)電路,當(dāng)硅片溫度超過允許值時(shí),保護(hù)電路自動(dòng)將功率通路切斷,直至溫度下降至安全區(qū)。圖中達(dá)林頓管Q3,Q4是調(diào)整管,他是大功率晶體管,QH為過溫保護(hù)器件,其集電極和調(diào)整管的基極及恒流源接在一起。該電路設(shè)計(jì)應(yīng)滿足下述條件,即芯片溫度為25℃時(shí),經(jīng)R2,R3分壓后,QH不導(dǎo)通;當(dāng)芯片溫度T大于保護(hù)溫度閾值后QH才導(dǎo)通,QH導(dǎo)通后分流了IB3,達(dá)到了保護(hù)的目的。例如設(shè)芯片溫度T=25℃時(shí),VZ=6.3V,VBE1=0.75V,VBE,H=0.65V。此時(shí):VΗ=VΖ-VBE1R2+R3?R3Δ_0.43V＜VBE,ΗVH=VZ?VBE1R2+R3?R3??Δ0.43V＜VBE,H因此QH不導(dǎo)通,此時(shí)QH對(duì)電路正常工作無影響。設(shè)保護(hù)溫度閾值為TS=150℃,如果VZ和VBE的溫度系數(shù)分別為ue014VZ/ue014T=+2mV/℃,ue014VBE/ue014Tue04b-1.7mV/℃,則此時(shí)QH導(dǎo)通時(shí)的EB結(jié)壓降為:VBE?Η(150℃)=0.65+?VBE?ΤΔΤΔ_0.44V如果忽略電阻比的溫度系數(shù),則此時(shí)VH為:VΗ(150℃)=VΖ(150℃)-VBE1(150℃)R2+R3?R3Δ_0.46V＞VBE,Η(150℃)于是QH導(dǎo)通,ICQH上升,IB3下降,因此IO′(VI-VO)減小,調(diào)整管發(fā)熱減小,芯片溫度下降。但如果不及時(shí)去掉導(dǎo)致過熱的因素,隨著芯片溫度的下降,VBE,H隨之升高,VH跟著下降,導(dǎo)致QH截止,IB3升高,芯片溫度又會(huì)上升。這樣,就會(huì)在過溫保護(hù)溫度附近產(chǎn)生熱振蕩。這種熱振蕩一方面會(huì)破壞電路的正常工作,另一方面由于硅片和封裝管殼各部分的溫度系數(shù)不同,還會(huì)在硅片和管殼的連接處產(chǎn)生附加的應(yīng)力。所以要及時(shí)去掉導(dǎo)致過溫的因素,或者是在發(fā)生過溫保護(hù)后,外加一個(gè)復(fù)位信號(hào),才能使其復(fù)原。2過溫保護(hù)功能雙極型過熱保護(hù)電路不適用于CMOS型工藝,且電路本身存在熱振蕩的問題。本文給出一種CMOS型工藝LDO的過溫保護(hù)電路,如圖2所示。圖2中襯底PNP管Q1為過溫保護(hù)器件;M1為大功率調(diào)整管;M2,M3,M4構(gòu)成鏡像電流源,由恒流源IREF提供參考電流;M5與R3一起用于提供過溫保護(hù)的遲滯溫度,從而防止熱振蕩;R1和R2用于調(diào)節(jié)A點(diǎn)電壓,為簡單運(yùn)放OPA提供穩(wěn)定的同相端參考電壓;非門INV1用于對(duì)OPA的輸出信號(hào)進(jìn)行整形,并控制過溫保護(hù)遲滯功能的啟動(dòng);非門INV2用于將過溫保護(hù)的控制信號(hào)通過開關(guān)管M6傳遞給調(diào)整管M1的柵極。該電路設(shè)計(jì)應(yīng)滿足如下條件:(1)在正常工作溫度下,A,B兩點(diǎn)的電壓差ΔVAB經(jīng)OPA放大后尚不足以使INV1翻轉(zhuǎn),INV1的輸出仍為高電位,使M5導(dǎo)通,則遲滯功能關(guān)閉,同時(shí)使INV2輸出為低電位,則M6截止,不影響調(diào)整管正常工作。(2)當(dāng)溫度達(dá)到保護(hù)溫度閾值時(shí),ΔVAB經(jīng)OPA放大后使INV1翻轉(zhuǎn),INV1的輸出為低電位,使M5截止,則遲滯功能啟動(dòng),同時(shí)使INV2輸出為低電位,則M6導(dǎo)通,關(guān)閉調(diào)整管輸出,進(jìn)行過溫保護(hù)。(3)當(dāng)溫度下降到保護(hù)溫度閾值時(shí),由于遲滯功能已啟動(dòng),調(diào)整管仍保持關(guān)斷,溫度繼續(xù)下降直至經(jīng)過一定的遲滯溫度后,INV1再次翻轉(zhuǎn),輸出為高電位,使M5導(dǎo)通,則遲滯功能關(guān)閉,同時(shí)使INV2輸出為低電位,則調(diào)整管重新正常工作,實(shí)現(xiàn)了過溫保護(hù)的遲滯功能。例如設(shè)芯片溫度T=25℃時(shí),VB=VBE,Q1=0.65V。此時(shí)的ΔVAB使INV1輸出為高電位,M5導(dǎo)通,VA=ΙREF?(R2+R3RDS,Μ5R3+RDS,Μ5)Δ_ΙREF?R2=0.65V,則調(diào)整管正常工作。設(shè)保護(hù)溫度閾值為TS=150℃,如果VBE,Q1的溫度系數(shù)為ue014VBE/ue014Tue04b-1.7mV/℃,則:VB(150℃)=VBE,Q1(150℃)=0.65+?VBE?ΤΔΤΔ_0.44V忽略電阻的溫度系數(shù),則VA(150℃)ue04b0.65V,ΔVAB(150℃)=0.21V,經(jīng)OPA放大后恰好使INV1翻轉(zhuǎn)后輸出低電位,INV2隨之翻轉(zhuǎn)輸出高電位,使M6導(dǎo)通,強(qiáng)制降低M1柵極電壓,關(guān)斷調(diào)整管,同時(shí)INV1輸出的低電位使M5截止,啟動(dòng)溫度遲滯功能,則使A點(diǎn)電壓跳變?yōu)?VA′(150℃)=ΙREF?(R2+R3RDS,Μ5R3+RDS,Μ5)Δ_ΙREF?(R2+R3)=0.68V使ΔVAB進(jìn)一步增大到ΔVAB′(150℃)=0.24V,此時(shí)芯片溫度即使下降,也由于溫度遲滯功能增大了ΔVAB而不會(huì)使調(diào)整管恢復(fù)工作,由此實(shí)現(xiàn)過溫保護(hù)功能。設(shè)過溫保護(hù)遲滯溫度為ΔTD=20℃,即芯片溫度下降到TS′=130℃時(shí),VB(130℃)=VBE,Q1(130℃)=0.65+?VBE?ΤΔΤΔ_0.47V,忽略電阻的溫度系數(shù),則VA′(130℃)ue04b0.68V,ΔVAB′(130℃)=