用于音频功放过温保护的PCB电路设计

　　在集成电路芯片工作的过程中，不可避免地会有功率损耗，而这些功率损耗中的绝大部分将转换成热能散出。在环境过高、短路等异常情况下，会导致芯片内部的热量不能被及时散出，从而不可避免地使芯片工作温度上升。过高的工作温度对芯片工作性能、可靠性和安全性都有很大的影响。研究表明，芯片温度每升高1℃，mos管的驱动能力将下降约为4%，连线延迟增加5%，集成电路失效率增加一倍，因此芯片内部必须要有过温保护电路来保障芯片安全。

　　文中将介绍一种可用标准cmos工艺实现的过温保护电路。在PCB电路设计上，使用了与温度成正比的电流源（ptat电流）和具有负温度系数的pnp管（cmos工艺中寄生）结电压作为两路差动的感温单元。这种差动的传感方式，可以提高电路对温度变化反应的灵敏度，同时，其具有的迟滞功能，可以有效的避免热振荡对芯片的损坏。

　　1 PCB电路架构原理分析

　　1.1 工作原理分析

　　q1为nwellcmos工艺中寄生pnp三极管，其集电极是必须与地点位连接，为了利用寄生pn结导通正向导通电压的负温度特性，把q1做二极管连接（基集也接到地），这样a点和地之间的电压va就具有了pn结正向电压的与温度成反比的性质。由于基准电路输出的偏置电压加在m0、m1、m5的栅极上，则其所在支路上都会产生ptat电流（proportional to abso-lutetemperature）;在提供偏置的同时，也在电阻r0上产生了与温度成正比的电压vb即b点电压随之增大。当达到某一温度th（设定的关断温度）后，vh≥va、比较器comp输出高电平，经过倒相器inv后，输出tsd为低电平;此信号作用于电路的其它模块后，使整个芯片停止工作，实现热保护功能。同时，tsd信号正反馈作用于m2栅上，开启m2，加大了电阻r0上电流，使vb更高。

　　在芯片被热保护，停止工作后，芯片上的温度会从th下降，使得a点电压va慢慢上升，b点电压vb慢慢下降。由于先前tsd的正反馈作用已经使vb升高，因此在这种状态下，要出现va≥vb使比较器输出翻转情况就需要a点有比先前的电压va更大的电压，相应地使得下降时翻转点对应的恢复温度tl也会比th低。当温度低于tl后，vb≥va，通过比较器作用后，会使tsd输出高电平，使芯片恢复工作。同时，tsd信号仍然会再次正反馈作用于m2栅上，关断m2，进一步减小了电阻r0上的电流，使vb更低。

　　整个工作过程中，tsd的正反馈起到了迟滞的作用。使得正常工作时，tsd输出高电平作用于电路其它模块。当温度过高时，tsd输出低电平作用于电路其它模块，使芯片停止工作，保护芯片。

　　1.2 温度翻转点的计算

　　a点的电压va为pn结两边电压，pn结电压的表达式可写为式中vg为带隙电压，γ和α为器件参数，a代表了那些方程推到过程中与温度无关的常量。因为vt=kt/q，可以得到vbe随温度上升是降低的。其关于温度变化的方程为

　　如果忽略由温度变化引起lnt项变化对式（2）的影响，dvbe/dt可近似等于常数c0。常温下c0约为-2 mv/k。为了简化计算，则pn结关于温度的变化方程可近似线性为b点的电压为电阻上的电压，可由欧姆定理计算得到。计算温度上升翻转点th，当温度上升时，由前分析可知，tsd为高电平，m2截止。因此流入r0的电流只有i1一路。此状态下vb电压的表达式为翻转（va=vb）时的对应方程为

　　计算温度下降翻转点tl当从高于th温度下降时，由前分析可知，tsd为低电平，m2开启。因此流入电阻r的电流有i1，i2两路。此状态下vb电压的表达式为翻转点（va=vb）时对应方程为 式（10）即为过温保护工作时的迟滞量。

　　2 实际PCB电路设计

　　设计的过热保护电路大体上分为3个部分:

　　启动电路：启动电路只有在刚上电的时候才会工作，当电源电压从0 v慢慢升高，同时输入信号shut为低电平时，开关管m37就会被打开，mos管m38也会导通，这样就会使得在m38这条支路上的电压慢慢升高。以二极管形式连接的m40的栅端也会随之升高，也为右端的m45，m43，m42提供栅极电压，从而破坏了基准电路的平衡，使之能够启动起来。当m40的栅极电压上升到m44的阈值电压时，就会将其导通，使得产生了一个有电源到地的通路，这样也就完成了启动电路的功能。

　　偏着电路：此部分电路的工作原理与产生ptat电流电路的原理基本相同，输出端的电压为其它电路提供偏置。m36、m45、q4组成的支路将在右端支路的电流取出，经过滤波、放大后又镜像回去，在m34、m42、q1的支路上输出一个偏置电压信号。由于电流镜的工作原理，所以要求m34~m36和m42～m45均为相同的对管。另外，此电路中m33作为关断管，当shut信号为高电平时，m33就会处于导通状态，这样这届就会将m34、m35关断，使得整个电路关断。

　　热敏关断保护电路：由于基准电路输出的偏置电压加到m39、m51、m52栅极上，所以在这两条支路上都会产生ptat电流。采用m41、m47、m48、m49、m50构成的两级比较器来实现原理等效图中comp的功能。此比较器的第一级为pmos差动输入。

　　用pmos做差动输人的作用：（1）降低了输入的噪声。正常情况下，温度不可能有很剧烈的变化，因此温度波动的频率不可能很高，所以闪烁噪声1/f将成为噪声的主要成分。由于pmos输入可降低噪声对电路的影响;（2）pmos输入使共模输入范围的下限降低。此电路比较器要比较是接近于pn结vbe的电压，用pmos构成的输入端可更好的满足这种低共模输入电压的要求。比较器的第二级为共源放大器，作为比较器的第二级，其主要作用增大了输出摆幅、提高了增益和输入的分辨率，加快了高低电平的转换速率。电路中电容c0的作用：电容c0可以抑制一些干扰量在比较器通向输入端电阻风上产生的电压波动，以防止系统被扰动引起的误动作。

　　3 PCB电路仿真测试

　　按照以上设计的电路。用cadence specture对其进行仿真，器件的模型参数采用0.35μm cmos工艺。图2为过温保护电路的输出控制信号tsd，随温度上升和下降的曲线。电源电压取3.3 v。从仿真结果可以看出，该电路实现了良好的“温度迟滞”特性。迟滞功能有效的避免了芯片出现热振荡问题。关断温度th160°和恢复温度tl140°。

　　4 结束语

　　文中设计的过热保护电路，利用ptat电流来检测温度的变化，并转换成电压信号输入两级比较器进行比较，从而产生过热保护信号。比较器的迟滞效应能有效防止热振荡现象的发生。该电路对温度感应灵敏度高，非常适合集成在集成电路芯片中。

来源：greattong