CN109164842A - 一种带有过流保护的过温保护电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带有过流保护的过温保护电路,包括:电源VCC、第一PMOS管MP1,第一NMOS管MN1、第二NMOS管MN2,第一双极型晶体管Q1、第二双极型晶体管Q2、第三双极型晶体管Q3、第四双极型晶体管Q4、第五双极型晶体管Q5、第六双极型晶体管Q6、第七双极型晶体管Q7,第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6,第一反相器INV1、第二反相器INV2。本发明过温检测电路的输出为温度变化的检测信号;温度升高过程中,当温度超过过温阈值TH时,检测信号输出从高电平变为低电平,保护电路启动,产生过温保护信号,温度下降过程中,当温度低于恢复阈值TL时,检测信号输出从低电平变为高电平,关闭保护电路,芯片恢复正常工作。
Description
技术领域
本发明涉及集成电路领域,具体涉及过温保护电路。
背景技术
传统集成电路的过温保护电路如图2所示,设电阻R1两端电压为V1,电阻R2两端电压为V2,由于三极管Q1的发射极-基极电压 VEB具有负温度特性,在常温时,VEB>VA时,信号OTP_OUT的输出为高电平1,使得M1开启,R2短路,得到VA=V1,随着温度上升, VEB减小,当VEB≤VA时,OTP_OUT翻转为低电平0,发出保护信号,此时Ml关断,M2开启,得到VA=V1+V2,电路处于过温保护状态,随着温度下降,VEB増加,当VEB>VA时,OTP_OUT又重新恢复输出高电平1,***正常工作,可实现过温保护目的,但在不同供电电压下,导致IPTAT的变化,使电阻R1、R2上的电压改变,导致该电路的温度阈值点和迟滞量产生较大偏移,电路性能得不到保证,而且该电路需电压比较器以及基准电压,结构复杂,所需元器件多,电路开闭不可控,功耗较大,且电流过大会烧坏器件,不符合集成电路的发展趋势,现有技术也还未全部解决这样的问题,而本发明即达到了基本的过温保护和迟滞的目的,又利用逻辑电平开关起到了泄流的作用,可以快速关闭整个电路,减小了功耗,又在电流过大时,电路形成自锁,使得电流减小,减小了功耗,又防止器件被烧坏,保护了芯片,而且自锁电路加速了温度检测信号输出的翻转,提高了灵敏度,信号输出电路隔离外部信号,以防过温检测电路输出信号受外部信号干扰,提高了电路性能,本保护电路提供一种结构简单、元器件少、功耗小、灵敏度高,电路开闭可控、过流可自锁的过温保护电路,性能高,无需电压比较器以及基准电压,设计难度低,可方便调节过温保护阈值,实现温度迟滞设置等,也保证芯片的安全和使用寿命。
发明内容
为解决现有技术的不足,本发明的目的在于提供一种带有过流保护的过温保护电路;结构简单、元器件少、灵敏度高、电路开闭可控、功耗小、性能高的过温保护电路,无需电压比较器以及基准电压,设计难度低,方便调节过温保护阈值,实现温度迟滞设置等,也保证了芯片的使用寿命。
为了实现上述目标,本发明采用如下的技术方案:
一种带有过流保护的过温保护电路,包括:电源为VCC,第一PMOS 管MP1、第一NMOS管MN1、第二NMOS管MN2,第一双极型晶体管Q1为NPN型、第二双极型晶体管Q2为NPN型、第三双极型晶体管Q3为NPN型、第四双极型晶体管Q4为NPN型、第五双极型晶体管Q5为NPN型、第六双极型晶体管Q6为NPN型、第七双极型晶体管Q7为PNP型,第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻 R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6,第一反相器INV1,第二反相器INV2。
第一PMOS管MP1的漏端和第一电阻一端相连;第一PMOS管 MP1栅极和第一NMOS管的栅极,记为MP1-g;第一PMOS管MP1 源端和衬底接电源。
第一NMOS管漏端、第一双极型晶体管基极、第三双极型晶体管发射极和第四双极型晶体管基极相连,交点为A;第一NMOS管源端及衬底接地。
第二NMOS管的源端、第六双极型晶体管集电极、第五电阻一端和第一反相器输入端相连,记为C1;第二NMOS管漏端、第二NMOS 管栅极、第四双极型晶体管集电极、第七双极型晶体管基极和第四电阻一端相连,记为MN2-g;第二NMOS管的衬底接地。
第一双极型晶体管Q1集电极、第一电阻R1另一端和第三双极型晶体管Q3基极相连;第一双极型晶体管Q1发射极、第二双极型晶体管Q2集电极和第五双极型晶体管Q5基极相连;
第二双极型晶体管Q2基极、第四双极型晶体管Q4发射极和第五双极型晶体管Q5集电极相连;第二双极型晶体管Q2发射极接地;
第三双极型晶体管Q3集电极与第二电阻R2一端相连;
第五双极型晶体管Q5发射极与第三电阻R3一端相连;
第六双极型晶体管Q6基极、第六电阻R6一端、第七双极型晶体管Q7集电极相连;第六双极型晶体管Q6发射极接地;
第七双极型晶体管Q7发射极接电源VCC,第二电阻R2另一端接电源VCC,第四电阻R4另一端接电源VCC,第五电阻R5另一端接电源VCC,第三电阻R3另一端接地,第六电阻R6另一端接地;
第一反相器INV1输出端与第二反相器INV2输入端相连,第二反相器INV2输出端记为Vout。
本发明的有益之处在于:本保护电路在检测温度时,常温时,第六双极型晶体管Q6和第七双极型晶体管Q7关闭,第二NMOS管MN2 关闭,使得保护电路不启动,温度升高过程中,当温度高于过温阈值 TH时,第六双极型晶体管Q6和第七双极型晶体管Q7导通,第二NMOS 管MN2开启,输出过温保护信号,温度检测信号输出由高电平变为低电平,进而开启保护电路,温度下降,避免芯片被烧毁,利用三极管的集电极-发射极电压的负温度特性,电流过大时,电路形成正反馈,形成自锁,减小电流,防止器件烧坏,减小了功耗,保护了芯片自锁电路加速了温度检测信号输出的翻转,提高了灵敏度;温度下降过程中,当温度低于过温阈值TL时,第六双极型晶体管Q6和第七双极型晶体管Q7关闭,第二NMOS管MN2关闭,保护电路关闭,温度检测信号输出由低电平变为高电平。而两个反相器的信号输出电路隔离外部信号,以防过温检测电路受外部信号干扰,提高了电路性能。第七双极型晶体管Q7基极信号MN2-g为反馈信号,实现了温度的迟滞,保持了一定的迟滞量(TH-TL),防止在某个温度点工作时,频繁的开启和关断***,对***造成不利影响;逻辑电平与开关工作的关系为:电路正常工作时,低电平,第一PMOS管MP1开关开启,第一NMOS管MN1开关关闭,过温保护电路正常工作,高电平,第一PMOS管MP1 开关关闭,第一NMOS管MN1开关工作,使得双极型晶体管产生的电动势通过开关三极管和双极型晶体管构成的回路消耗掉,从而起到了泄流的作用,可以快速关闭整个电路,也减小了功耗即达到了基本的过温保护和温度迟滞的目的,又利用逻辑电平开关起到泄流的作用,可以快速关闭整个电路,减小了功耗,又在电流过大时,电路形成正反馈,形成自锁,减小电流,防止器件被烧坏,减小了功耗,保护了芯片,自锁电路加速了温度检测信号输出的翻转,提高了灵敏度,而输出信号电路隔离外部信号,以防过温检测电路输出信号受外界信号干扰,提高了电路性能,本发明提供一种结构简单、元器件少、功耗小、灵敏度高、性能高、电路开闭可控、过流可自锁的过温保护电路,无需电压比较器以及基准电压,设计难度低,可方便调节过温保护阈值,实现温度迟滞设置等,也保证了芯片的安全和使用寿命。
附图说明
图1是本发明的一种实施例的电路结构示意图;
图2是现有技术中常用的电路结构示意图。
具体实施方式
以下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案,而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示,一种带有过流保护的过温保护电路,包括:电源VCC、第一PMOS管MP1,第一NMOS管MN1、第二NMOS管MN2,第一双极型晶体管Q1、第二双极型晶体管Q2、第三双极型晶体管Q3、第四双极型晶体管Q4、第五双极型晶体管Q5、第六双极型晶体管 Q6、第七双极型晶体管Q7,第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻 R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6,第一反相器INV1、第二反相器INV2;
第一PMOS管MP1的漏端和第一电阻R1一端相连;第一 PMOS管MP1栅极和第一NMOS管MN1的栅极记为MP1-g;第一 PMOS管MP1源端和衬底接电源VCC;
第一NMOS管MN1漏端、第一双极型晶体管Q1基极、第三双极型晶体管Q3发射极和第四双极型晶体管Q4基极相连,交点为 A;第一NMOS管MN1源端及衬底接地;
第二NMOS管MN2的源端、第六双极型晶体管Q6集电极、第五电阻R5一端和第一反相器INV1输入端相连,记为C1;第二 NMOS管MN2漏端、第二NMOS管MN2栅极、第四双极型晶体管Q4集电极、第七双极型晶体管Q7基极和第四电阻R4一端相连,记为MN2-g;第二NMOS管MN2的衬底接地;
第一双极型晶体管Q1集电极、第一电阻R1另一端和第三双极型晶体管Q3基极相连;第一双极型晶体管Q1发射极、第二双极型晶体管Q2集电极和第五双极型晶体管Q5基极相连;
第二双极型晶体管Q2基极、第四双极型晶体管Q4发射极和第五双极型晶体管Q5集电极相连;第二双极型晶体管Q2发射极接地;
第三双极型晶体管Q3集电极与第二电阻R2一端相连;
第五双极型晶体管Q5发射极与第三电阻R3一端相连;
第六双极型晶体管Q6基极、第六电阻R6一端、第七双极型晶体管Q7集电极相连;第六双极型晶体管Q6发射极接地;
第七双极型晶体管Q7发射极接电源VCC,第二电阻R2另一端接电源VCC,第四电阻R4另一端接电源VCC,第五电阻R5另一端接电源VCC,第三电阻R3另一端接地,第六电阻R6另一端接地;
第一反相器INV1输出端与第二反相器INV2输入端相连,第二反相器INV2输出端记为Vout。
如图1中,设Q7阈值电压VTH7,MN2的栅极电压记为VMN2-g。常温下,VMN2-g相对电源高电位,即VCC-VMN2-g小于VTH7,所以Q7 关闭,相当于没有电流通过Q6的基极,即Q6没有导通,所以C1 为高电平,为VCC,而VMN2-g小于VCC,所以MN2关闭,保护电路关闭。
如图1中,芯片正常工作,令I3为流过R3电流,I4为流过R4电流,IMN2为流过MN2电流,VA为A点电压,Vbe为三极管基极-发射极电压,VT为热电压,q为电子电荷量,k为玻尔兹曼常数,T为热力学温度,IC为三极管集电极电流,IB为三极管基极电流,IE为三极管发射极电流,令Q1、Q2、Q3、Q4、Q5都导通,IS为三极管饱和电流,β为电流放大系数。
则,IC=IE=βIB=IS
在图A点电压:
I3=[(Vbe2-Vbe5)+(Vbe4-Vbe1)]÷R3
Vbe=VTln(IC/IS)
VT=KT/q
ΔVbe=VTln[(IC2/IS2)(IS5/IC5)]+VTln[(IC4/IS4)(IS1/IC1)]
=VTln[(IC2/IS2)(IS5/IC5)(IC4/IS4)(IS1/IC1)]
因为,在图1中,可以得到如下电流关系:
IB1=IB4IE4=IB2IE1=IB5
(IC2/IS2)(IS5/IC5)]+VTln[(IC4/IS4)(IS1/IC1)
=(β2IB1/IS2)(IS5/β2IB1)(βIB1/IS4)(IS1/βIB1)
=(IS5/IS2)(IS1/IS4)
所以:ΔVbe=VTln[(IS5/IS2)(IS1/IS4)]=VTln(MN)为正比于温度的量,
其中M为Q2和Q5的发射极面积之比,N为Q4和Q1的发射极面积比,
则
温度升高,I3增大,VMN2-g减小,VCC-VMN2-g增大;
当Q7处于导通临界条件时,求得的温度T为过温阈值TH。
即Q7导通临界为VTH7=VCC-VMN2-g
所以:
温度高于TH时,VCC-VMN2-g大于VTH,Q7开启,电流流过Q6的基极, Q6开启,产生过温保护信号,启动保护电路,减小功耗,温度下降,且温度检测信号C1由高电平变为低电平,即温度输出信号Vout也是高电平转变为低电平。
温度下降过程中,开始时Q7、Q6导通,温度检测信号C1为低电平,MN2打开,保护电路开启。令IMN2为流过MN2电流,VTH2为MN2 阈值电压,COX为MN2单位面积的栅氧化层电容,W为MN2有效部分的栅宽,L为MN2有效部分的栅长,VGS为MN2的栅-源端电压, un为电子迁移率,
令MN2工作在饱和区,则IMN2=(1/2)unCOX(W/L)MN2(VGS-VTH2)2
在图1中,A点电压:
I3=[(Vbe2-Vbe5)+(Vbe4-Vbe1)]÷R3
Vbe=VTln(IC/IS)
VT=KT/q
ΔVbe=VTln[(IC2/IS2)(IS5/IC5)]+VTln[(IC4/IS4)(IS1/IC1)]
=VTln[(IC2/IS2)(IS5/IC5)(IC4/IS4)(IS1/IC1)]
因为,在图1中可以得到的电流关系为:
IB1=IB4IE4=IB2IE1=IB5
(IC2/IS2)(IS5/IC5)]+VTln[(IC4/IS4)(IS1/IC1)
=(β2IB1/IS2)(IS5/β2IB1)(βIB1/IS4)(IS1/βIB1)
=(IS5/IS2)(IS1/IS4)
所以:ΔVbe=VTln[(IS5/IS2)(IS1/IS4)]=VTln(MN)为正比于温度的量;
则
I4=I3+IMN2
所以:VMN2-g=VCC-I4R4
当Q7临界闭合时,求得的温度T为恢复阈值TL,
Q7临界闭合条件,即为VCC-VMN2-g=VTH7
所以,
可以得到,根据式子调整R3和R4值,以及MN2的(W/L),即可得到恢复阈值TL,温度下降过程中,TL为Q7将要闭合的临界所求,所以当温度下降到低于TL,VCC-VMN2-g小于VTH,Q7关闭,导致Q6关闭,温度检测C1输出由低电平转为高电平,即Vout输出为由低电平翻转为高电平,MN2关闭,保护电路关闭,减小了功耗。
由于温度检测信号的翻转瞬间,会使得电流过大,三极管Q7在温度高于TH导通后的发射极-基极电压VEB7的负温度特性,温度升高, VEB7减小,所以Q7基极电压增大,因为I4电流无法确定,所以VMN2-g电压只能根据VEB7来确定,即VMN2-g增大,导致Q7基极电流IB7减小,使R6上压降减小,即UBE6减小,导致Q6的基极电流IB6减小,集电极电流IC6=βIB6减小,导致VMN2-g下降,又减小了Q7基极电流IB7,电路形成正反馈,形成自锁,减小了电流,防止器件被烧坏,保护了芯片。由于自锁电路的存在,加速了温度检测信号的翻转,提高了灵敏度,以防温度检测信号长时间处于中间值,导致反相器 INV1和INV2中PMOS和NMOS同时导通,致使器件损坏。
两个反相器的输出信号电路隔离了外部信号,以防外部信号对过温检测电路输出信号影响,提高了电路性能。
反馈信号,实现了温度的迟滞,保持了一定的迟滞量(TH-TL),达到了有效的仿真温度的目的,防止在某个温度点工作时,频繁的开启和关断***,对***造成不利影响。
开关的工作状态为:电路正常工作时,低电平,第一PMOS管 MP1的栅极接收信号,作为开关开启,第一NMOS管MN1作为开关关闭,过温保护电路正常工作,高电平,第一PMOS管MP1作为开关关闭,第一NMOS管MN1作为开关开启,使得双极型晶体管产生的电动势通过开关三极管和双极型晶体管构成的回路消耗掉,从而起到了泄流的作用,可以快速关闭整个电路,降低温度,减小功耗。
本发明提供一种带有过流保护的过温保护电路,即达到了基本的过温保护和迟滞设置的目的,又利用逻辑电平开关起到了泄流的作用,可以快速关闭整个电路,减小了功耗,在电流过大时,电路形成正反馈,形成自锁,减小电流,自锁电路也加速了温度检测信号的翻转,提高了灵敏度,防止器件被烧坏,保护了芯片,而信号输出电路隔离外部信号,防止外部信号干扰温度检测电路,提高了电路性能,解决了现有技术的存在的问题,提供的是一种结构简单、元器件少、功耗小、灵敏度高、性能高、电路开闭可控的过温保护电路,能够很好的检测芯片温度的变化,并通过控制芯片部分模块的工作达到降低温度的效果,保护芯片不被热损坏,设置的迟滞功能保证电路不发生热振荡,无需电压比较器以及基准电压,设计难度低,可方便调节过温保护阈值,实现温度迟滞设置等,也保证了芯片的使用寿命,具有良好的应用前景。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解,以上过温保护电路仅仅是示例性的,但是,熟悉本技术领域的人员员能够根据前面内容的介绍进行次要器件的修改和替换,上述示例不以任何形式限制本发明,凡采用等同修改或等效变换所获得的技术方案,均落在本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.一种带有过流保护的过温保护电路,包括:电源VCC、第一PMOS管MP1,第一NMOS管MN1、第二NMOS管MN2,第一双极型晶体管Q1、第二双极型晶体管Q2、第三双极型晶体管Q3、第四双极型晶体管Q4、第五双极型晶体管Q5、第六双极型晶体管Q6、第七双极型晶体管Q7,第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6,第一反相器INV1、第二反相器INV2;
第一PMOS管MP1的漏端和第一电阻R1一端相连;第一PMOS管MP1栅极和第一NMOS管MN1的栅极记为MP1-g;第一PMOS管MP1源端和衬底接电源VCC;
第一NMOS管MN1漏端、第一双极型晶体管Q1基极、第三双极型晶体管Q3发射极和第四双极型晶体管Q4基极相连,交点为A;第一NMOS管MN1源端及衬底接地;
第二NMOS管MN2的源端、第六双极型晶体管Q6集电极、第五电阻R5一端和第一反相器INV1输入端相连,记为C1;第二NMOS管MN2漏端、第二NMOS管MN2栅极、第四双极型晶体管Q4集电极、第七双极型晶体管Q7基极和第四电阻R4一端相连,记为MN2-g;第二NMOS管MN2的衬底接地;
第一双极型晶体管Q1集电极、第一电阻R1另一端和第三双极型晶体管Q3基极相连;第一双极型晶体管Q1发射极、第二双极型晶体管Q2集电极和第五双极型晶体管Q5基极相连;
第二双极型晶体管Q2基极、第四双极型晶体管Q4发射极和第五双极型晶体管Q5集电极相连;第二双极型晶体管Q2发射极接地;
第三双极型晶体管Q3集电极与第二电阻R2一端相连;
第五双极型晶体管Q5发射极与第三电阻R3一端相连;
第六双极型晶体管Q6基极、第六电阻R6一端、第七双极型晶体管Q7集电极相连;第六双极型晶体管Q6发射极接地;
第七双极型晶体管Q7发射极接电源VCC,第二电阻R2另一端接电源VCC,第四电阻R4另一端接电源VCC,第五电阻R5另一端接电源VCC,第三电阻R3另一端接地,第六电阻R6另一端接地;
第一反相器INV1输出端与第二反相器INV2输入端相连,第二反相器INV2输出端记为Vout。
2.根据权利要求1所述的一种带有过流保护的过温保护电路,其特征在于,所述第一反相器INV1和第二反相器INV2为PMOS管和NMOS管构成的信号反相器。
3.根据权利要求1所述的一种带有过流保护的过温保护电路,其特征在于,所述第二反相器INV2输出端Vout,和过温检测电路的输出端输出的过温检测信号C1一致,表征温度变化的过温检测信号,温度升高过程,当温度超过过温阈值TH,信号输出由高电平变为低电平,温度下降过程,温度低于恢复阈值TL,信号输出由低电平转变为高电平。
4.根据权利要求1所述的一种带有过流保护的过温保护电路,其特征在于,所述第一反相器INV1和第二反相器INV2的输出信号电路隔离外部信号,以防止过温检测信号C1受外部信号干扰,提高电路性能。
5.根据权利要求1所述的一种带有过流保护的过温保护电路,其特征在于,所述过温保护电路工作的直流电压为:3.3V~5V。
6.根据权利要求1所述的一种带有过流保护的过温保护电路,其特征在于,所述第一双极型晶体管Q1、第二双极型晶体管Q2、第三双极型晶体管Q3、第四双极型晶体管Q4、第五双极型晶体管Q5和第六双极型晶体管Q6为NPN型三极管,所述第七双极型晶体管Q7为PNP型三极管。
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