微型片上系統LDO中過溫保護電路的設計

隨著超自然技術的進步和便攜式電子產品的快速發展，電源ic取得了很大進步。電源IC產品主要包括線性穩壓器、開關電源、電池充電/管理IC,PWM/PFM控制器、AC/DC穩壓器及功率因數校正(PFC)預穩器等。而其中集成穩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,線性穩壓器IC的銷售額最大,而LDO線性穩壓器在工作電流、最小輸入輸出壓差、噪聲及封裝等方面的改進使其成為增長最多和最快的產品。LDO的結構是一個微型的片上系統,他根據負載電阻的變化情況調節自身的內電阻,從而保證穩壓輸出端的電壓不變。通常他是由具有極低的導通電阻RDS(ON)的MOSFET(或PNP)、肖特基二極管、分壓電阻、過流保護、過溫保護、精密基準源、差分放大器、延遲器和POK(PowerOK)MOSFET等專用晶體管電路在一個芯片上集成而成。本文主要介紹LDO中過溫保護電路的設計。1qh要及時導通在大多數雙極型工藝LDO中,最高工作溫度選在100~170℃。為了保證這一點,通常設計如圖1所示的過溫保護電路,當硅片溫度超過允許值時,保護電路自動將功率通路切斷,直至溫度下降至安全區。圖中達林頓管Q3,Q4是調整管,他是大功率晶體管,QH為過溫保護器件,其集電極和調整管的基極及恒流源接在一起。該電路設計應滿足下述條件,即芯片溫度為25℃時,經R2,R3分壓后,QH不導通;當芯片溫度T大于保護溫度閾值后QH才導通,QH導通后分流了IB3,達到了保護的目的。例如設芯片溫度T=25℃時,VZ=6.3V,VBE1=0.75V,VBE,H=0.65V。此時:VΗ=VΖ-VBE1R2+R3?R3Δ_0.43V＜VBE,ΗVH=VZ?VBE1R2+R3?R3??Δ0.43V＜VBE,H因此QH不導通,此時QH對電路正常工作無影響。設保護溫度閾值為TS=150℃,如果VZ和VBE的溫度系數分別為ue014VZ/ue014T=+2mV/℃,ue014VBE/ue014Tue04b-1.7mV/℃,則此時QH導通時的EB結壓降為:VBE?Η(150℃)=0.65+?VBE?ΤΔΤΔ_0.44V如果忽略電阻比的溫度系數,則此時VH為:VΗ(150℃)=VΖ(150℃)-VBE1(150℃)R2+R3?R3Δ_0.46V＞VBE,Η(150℃)于是QH導通,ICQH上升,IB3下降,因此IO′(VI-VO)減小,調整管發熱減小,芯片溫度下降。但如果不及時去掉導致過熱的因素,隨著芯片溫度的下降,VBE,H隨之升高,VH跟著下降,導致QH截止,IB3升高,芯片溫度又會上升。這樣,就會在過溫保護溫度附近產生熱振蕩。這種熱振蕩一方面會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不同,還會在硅片和管殼的連接處產生附加的應力。所以要及時去掉導致過溫的因素,或者是在發生過溫保護后,外加一個復位信號,才能使其復原。2過溫保護功能雙極型過熱保護電路不適用于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的過溫保護電路,如圖2所示。圖2中襯底PNP管Q1為過溫保護器件;M1為大功率調整管;M2,M3,M4構成鏡像電流源,由恒流源IREF提供參考電流;M5與R3一起用于提供過溫保護的遲滯溫度,從而防止熱振蕩;R1和R2用于調節A點電壓,為簡單運放OPA提供穩定的同相端參考電壓;非門INV1用于對OPA的輸出信號進行整形,并控制過溫保護遲滯功能的啟動;非門INV2用于將過溫保護的控制信號通過開關管M6傳遞給調整管M1的柵極。該電路設計應滿足如下條件:(1)在正常工作溫度下,A,B兩點的電壓差ΔVAB經OPA放大后尚不足以使INV1翻轉,INV1的輸出仍為高電位,使M5導通,則遲滯功能關閉,同時使INV2輸出為低電位,則M6截止,不影響調整管正常工作。(2)當溫度達到保護溫度閾值時,ΔVAB經OPA放大后使INV1翻轉,INV1的輸出為低電位,使M5截止,則遲滯功能啟動,同時使INV2輸出為低電位,則M6導通,關閉調整管輸出,進行過溫保護。(3)當溫度下降到保護溫度閾值時,由于遲滯功能已啟動,調整管仍保持關斷,溫度繼續下降直至經過一定的遲滯溫度后,INV1再次翻轉,輸出為高電位,使M5導通,則遲滯功能關閉,同時使INV2輸出為低電位,則調整管重新正常工作,實現了過溫保護的遲滯功能。例如設芯片溫度T=25℃時,VB=VBE,Q1=0.65V。此時的ΔVAB使INV1輸出為高電位,M5導通,VA=ΙREF?(R2+R3RDS,Μ5R3+RDS,Μ5)Δ_ΙREF?R2=0.65V,則調整管正常工作。設保護溫度閾值為TS=150℃,如果VBE,Q1的溫度系數為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,則VA(150℃)ue04b0.65V,ΔVAB(150℃)=0.21V,經OPA放大后恰好使INV1翻轉后輸出低電位,INV2隨之翻轉輸出高電位,使M6導通,強制降低M1柵極電壓,關斷調整管,同時INV1輸出的低電位使M5截止,啟動溫度遲滯功能,則使A點電壓跳變為:VA′(150℃)=ΙREF?(R2+R3RDS,Μ5R3+RDS,Μ5)Δ_ΙREF?(R2+R3)=0.68V使ΔVAB進一步增大到ΔVAB′(150℃)=0.24V,此時芯片溫度即使下降,也由于溫度遲滯功能增大了ΔVAB而不會使調整管恢復工作,由此實現過溫保護功能。設過溫保護遲滯溫度為ΔTD=20℃,即芯片溫度下降到TS′=130℃時,VB(130℃)=VBE,Q1(130℃)=0.65+?VBE?ΤΔΤΔ_0.47V,忽略電阻的溫度系數,則VA′(130℃)ue04b0.68V,ΔVAB′(130℃)=