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一种基于DC-DC 开关电源的温度检测电路设计

  电路设计。研究了温度对整个开 关电源系统的影响,以及在一定温度变化范围内,开关电源能否输出稳定电压。在此基础上,本文设计了一种 新型的电路,并对其进行功能优化,实现温度的精确检测。同时,为防止温度过高对系统造成不可逆 破坏,本文在电路和上电位,从而达到保护电路的目的。 最后对此结构进行仿真,仿真结果表明在不同工艺角情况下,该系统均具有精确的温度检测性能,且能稳定启 动

  关键词:DC-DC开关电源;温度检测;过温保护;系统温度阈值带隙基准电压

  开关型电源、LDO是目前应用在SoC系统中最常见 的两种电源管理系统[1-2]。其中,基于经典拓扑结构的 开关型电源,具有效率高、功耗低、体积小以及抗干扰 能力强等诸多优点,广泛应用于许多高集成度高性能的 SoC系统芯片中[1]。

  开关型电源主要是通过控制功率开关管的周期性导 通来输出稳定电压,实现升压、降压、电压反转等功 能,从而为整个电路系统稳定供电[2]。

  如图1所示,开关型电源中较为常见的是BUCK型DC-DC开关电源。相较于其他电源管理系统而言, BUCK型DC-DC开关电源的电源转换效率高,可达 80%以上,对于一些特制的开关电源甚至高达90%;其 次,负载能力强,可承受大电流;另外,开关电源的功 率MOS管阻值较低,故而功率损耗偏低,适用于传导较大电流;通过控制开关电源内部功率MOS管(高边管和 低边管)的开关来控制输出电压的增大或减小,实现动 态调节,使得稳压范围较宽[3]。

  开关电源往往工作在高电压下,较大功率的开关电 源同时也工作在大电流状态下,较大的电流或者电压容 易烧坏电路[4-5]。为了保护开关电源自身和负载,根据DC-DC直流电源原理,先后设计出了许多保护电路, 如:ESD保护电路、过压保护电路(OVLO)、欠压保 护电路(UVLO)、软启动电路等。本文在上述几种保 护电路的基础上设计出了基于DC-DC开关电源的温度 检测系统,当温度超过工作温度阈值时,关断电路,从 而起到实时保护电路的目的[3,5]。

  本模块主要实现的功能是对芯片电源供电系统中的带隙基准电压进行温度检测。带隙基准电压是电源系统 中非常重要的模块。绝大多数的内部供电都是由带隙基 准电压为源头进行“再加工”处理。针对带隙基准电压 进行温度检测,温度越高,其电压值也越高,从而在温 度检测模块中引起输出电压状态的改变。所以只需检测 温度检测电路的输出电压就可以直观判断电源温度是否 过高,从而实现温度检测的功能。

  如图2所示,VREF1与VREF2是由电路的电压基准电路 VREF产生的基准电压,VREF1为带隙基准产生的基准电 压,可视作没有温度系数,而VREF2为PTAT电压,通过 运放虚短作用,使电阻R1两端的电压分别固定在VREF1和 VREF2,这里Vx的电压与VREF2的电压值相等。所以流经R1的电流则为(假设电流方向于图中向下):

  Vo1为温度检测模块的输出电压,利用2个基准电压 的差值去除表达式中的高阶项,提高温度线性拟合度。

  通过式(1)、(2)以及运放的“虚短”、“虚 断”,对输出电压Vo1进行推导,如式(3)、式(4):

  电阻的温度系数被约掉,故Vo1的温度系数只与VREF2有关。 M1、M2、M3、M4管通过2个Cascode电流镜进行 偏置,其作用为将M1、M4漏极电压分别钳位到VDDVTP和VTN,防止在极端输入情况下,2个差分对的输 出悬空,造成M5或M6的栅极悬空。

  过温保护电路的输入端与温度检测电路的输出端相 连,其目的是为了检测温度检测电路的输出电压是否正 常[6]。温度检测电路将温度变化转换为电压信号,而过 温保护电路则用于检测温度检测电路的输出电压是否正常。当输出电压超出过温保护电路所检测的电压阈值范 围,过温保护电路的输出会将0转变为1,进而关断其电 源电路,实现保护电路不被烧断。

  此电路主要实现的功能为:温度检测电路将芯片温 度转换为电压信号。一旦芯片温度超过某一阈值,温度 传感器(即过温保护电路)便会启动热关断,停止整个 系统的工作输出。当芯片温度降至热滞回带以下时,整 个系统解除热关断,恢复正常工作。

  如图3所示,R1、R2、Q1、Q2、R3构成带隙基准 作为PTAT电流源,流过R3的电流I0为PTAT电流。采用rppolyu低温飘电阻作为栅漏短接的MOS电阻,即 MP1。其中,Q1和Q3的工艺尺寸相同,而Q2为8个相同的MOS管并联而成。

  其中gmp和R2的温度系数均小于I0,随温度变化的幅 度也很小。由公式 (6) 可见,I0呈正温系数,温度升高 时,I0增大,此时A点的电压随温度的上升而下降。当 温度上升至一定阈值时,VA关断Q3,B点电压由低电平 跳转为高电平,经带迟滞的施密特反相器处理,通过 X288_A端向数字电路部分提供过温关断信号。当温度 下降幅度超过迟滞量时,Q3管将重新打开并拉低B点电压,X288_A信号由高调低,电路重回正常工作状态。

  MP1为MOS管连接的小电阻,目的是将电源与基准 隔离,提高电源抑制比。

  首先对带隙基准电压进行DC温度仿线所示,带隙基准电压VREF1约为1.26 V,随温度变化并不明显;V

  为PTAT电压,随温度呈线性趋势变化,满足 公式(4)所述。Vo1的温度系数只与VREF2有关,故而温 度越高,VREF2电压越高,Vo1电压越高,符合电路基本原理。

  MOS的工艺角分别为tt_5v,ff_5v,ss_5v, fs_5v,sf_5v。在不同工艺角下对该模块进行仿线。由图中数据可知,在各MOS corner下,输出电 压符合设计要求。

  仿真结果表明在不同工艺角情况下的温度误差均较 小,说明在一定误差范围内该电路可以正常工作并能保 持较高精度。

  本文提出了一种新型的基于BUCK DC-DC开关电 源的温度检测电路结构,并基于此结构进行改进,加入 了一种新型的过温保护机制。通过理论分析和数学推导 进行电路搭建,并用仿真软件进行仿真。由于系统的高精度要求,本文在一般的温度仿真基础上,进行了工艺 角的仿真。仿真结果表明在一定温度范围内,该结构可 实时检测电流并实现过温保护。

  [6] 潘飞蹊,俞铁刚,郭超,等.一种高精度带隙基准 源和过温保护电路[J].微电子学,2005(2):192195.


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