赵亚鸽 （电子科技大学物理学院，四川 成都 610054）
摘 要：针对DC-DC开关电源的经典拓扑结构，提出了一种新式的温度检测电路规划。研讨了温度对整个开 关电源体系的影响，以及在必定温度改动规模内，开关电源能否输出安稳电压。在此基础上，本文规划了一种 新式的温度检测电路，并对其进行功用优化，完成温度的准确检测。一起，为避免温度过高对体系形成不可逆 损坏，本文在温度检测电路的研讨基础上，规划了一款新式的过温维护电路。当体系温度高于温度阈值时，温 度检测电路输出发生改动，发动过温维护电路，封闭带隙基准电压电路和上电位，然后到达维护电路的意图。 最终对此结构进行仿真，仿真成果表明在不同工艺角情况下，该体系均具有准确的温度检测功用，且能安稳启 动过温维护完成封闭电源、维护电路的意图。
要害词：DC-DC开关电源；温度检测；过温维护；体系温度阈值；带隙基准电压
0 导言
开关型电源、LDO是现在应用在SoC体系中最常见 的两种电源办理体系[1-2]。其间，依据经典拓扑结构的 开关型电源，具有效率高、功耗低、体积小以及抗干扰 能力强等许多长处，广泛应用于许多高集成度高功用的 SoC体系芯片中[1]。
开关型电源首要是经过操控功率开关管的周期性导 通来输出安稳电压，完成升压、降压、电压回转等功 能，然后为整个电路体系安稳供电[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。相较于其他电源办理体系而言， BUCK型DC-DC开关电源的电源转化效率高，可达 80%以上，关于一些特制的开关电源乃至高达90%；其 次，负载能力强，可接受大电流；别的，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；经过操控开关电源内部功率MOS管（高边管和 低边管）的开关来操控输出电压的增大或减小，完成动 态调理，使得稳压规模较宽[3]。
开关电源往往作业在高电压下，较大功率的开关电 源一起也作业在大电流状况下，较大的电流或许电压容 易烧坏电路[4-5]。为了维护开关电源本身和负载，依据DC-DC直流电源原理，先后规划出了许多维护电路， 如：ESD维护电路、过压维护电路（OVLO）、欠压保 护电路（UVLO）、软发动电路等。本文在上述几种保 护电路的基础上规划出了依据DC-DC开关电源的温度 检测体系，当温度超越作业温度阈值时，关断电路，从 而起到实时维护电路的意图[3,5]。
1 温度检测电路规划原理
规划的温度检测电路如下图2所示。
本模块首要完成的功用是对芯片电源供电体系中的 带隙基准电压进行温度检测。带隙基准电压是电源体系 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，然后在温 度检测模块中引起输出电压状况的改动。所以只需检测 温度检测电路的输出电压就能够直观判别电源温度是否 过高，然后完成温度检测的功用。
如图2所示，VREF1与VREF2是由电路的电压基准电路 VREF发生的基准电压，VREF1为带隙基准发生的基准电 压，可视作没有温度系数，而VREF2为PTAT电压，经过 运放虚短效果，使电阻R1两头的电压别离固定在VREF1和 VREF2，这儿Vx的电压与VREF2的电压值持平。所以流经R1的电流则为（假定电流方向于图中向下）：
Vo1为温度检测模块的输出电压，使用2个基准电压 的差值去除表达式中的高阶项，进步温度线性拟合度。
经过式(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管经过2个Cascode电流镜进行 偏置，其效果为将M1、M4漏极电压别离钳位到VDDVTP和VTN，避免在极点输入情况下，2个差分对的输 出悬空，形成M5或M6的栅极悬空。
2 过温维护电路规划原理
过温维护电路的输入端与温度检测电路的输出端相 连，其意图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改动转化为电压信号，而过 温维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维护电路所检测的电压阈值范 围，过温维护电路的输出会将0转变为1，从而关断其电 源电路，完成维护电路不被烧断。
此电路首要完成的功用为：温度检测电路将芯片温 度转化为电压信号。一旦芯片温度超越某一阈值，温度 传感器（即过温维护电路）便会发动热关断，中止整个 体系的作业输出。当芯片温度降至热滞回带以下时，整 个体系免除热关断，康复正常作业。
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。选用rppolyu低温飘电阻作为栅漏短接的MOS电阻，即 MP1。其间，Q1和Q3的工艺尺度相同，而Q2为8个相同的MOS管并联而成。
此刻，A点的电压为：
其间gmp 和R2的温度系数均小于I0，随温度改动的幅 度也很小。由公式 (6) 可见，I0呈正温系数，温度升高 时，I0增大，此刻A点的电压随温度的上升而下降。当 温度上升至必定阈值时，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，经过 X288_A端向数字电路部分供给过温关断信号。当温度 下降起伏超越迟滞量时，Q3管将从头翻开并拉低B点电压，X288_A信号由高调低，电路重回正常作业状况。
MP1为MOS管衔接的小电阻，意图是将电源与基准 阻隔，进步电源按捺比。
3 仿真成果及剖析
本文仿真选用0.18 µm的BCD工艺，仿真东西为 Cadence Spectre。
3.1 温度检测电路仿真
3.1.1 带隙基准温度仿真
首要对带隙基准电压进行DC温度仿真。如图4所示，带隙基准电压VREF1约为1.26 V，随温度改动并不显着；VREF2为PTAT电压，随温度呈线性趋势改动，满意 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，契合电路基本原理。
3.1.2 输出电压温度仿真
随后验证输出电压Vo1并进行DC温度仿真。仿真结 果如图5，当温度升高时，Vo1线性升高。
在-40~125 ℃时，Vo1的输出电压规模在24.28 mV~ 1.842 V之间。
3.1.3 工艺仿真
温度检测电路要求精密，为确保整个电路的可靠性 和安稳性，在不同工艺角情况下对模块进行工艺仿真。
● MOS工艺角仿真
MOS的工艺角别离为tt_5v，ff_5v，ss_5v， fs_5v，sf_5v。在不同工艺角下对该模块进行仿真，得 到图6。由图中数据可知，在各MOS corner下，输出电 压契合规划要求。
经过图6得到如表1所示的数据。
● 电阻工艺角仿真
电阻res的工艺角别离为tt_res 、ff_res、ss_res。在 不同工艺角下对该模块进行仿真，成果如图7所示，在 各RES corner下，该输出契合规划要求。
经过图7得到如表2所示的数据。
3.2 过温维护电路仿真
3.2.1 PTAT电流温度仿真
本模块的作业机理是使用PTAT电流与温度之间的 联系进行仿真。如公式（5）、公式（6）所述，当温度 升高时，PTAT电流I0增大，A点电压减小，然后使输出 电压由低变高，反之亦然。所以先对I0电流进行温度仿 真，成果如图7所示，仿真成果表明I0与温度成正相关， 契合电路原理。
3.2.2 输出电压温度仿真
随后验证输出电压X288_A并进行DC温度仿真。由 于施密特触发器效果，输出电压的曲线呈现热回滞窗 口，仿真成果如图8所示。
由图可见，该模块大约在170 ℃左右关断芯片， 在146.1℃左右使芯片重回正常作业状况，迟滞量约为 (170-146.1) ℃=23.9 ℃。
4.2.3 工艺仿真
与温度检测电路相似，为进步整个体系的安全性和 可靠性，需对维护电路进行工艺仿真，本文在不同工艺 角情况下对模块进行仿真。三极管和电阻在不同工艺角 下对过温翻转和低温康复这两个要害节点处的仿真图画 如图9、10所示。
仿真成果表明在不同工艺角情况下的温度差错均较 小，阐明在必定差错规模内该电路能够正常作业并能保 持较高精度。
4 结语
本文提出了一种新式的依据BUCK DC-DC开关电 源的温度检测电路结构，并依据此结构进行改善，参加 了一种新式的过温维护机制。经过理论剖析和数学推导 进行电路建立，并用仿真软件进行仿真。因为体系的高精度要求，本文在一般的温度仿真基础上，进行了工艺 角的仿真。仿真成果表明在必定温度规模内，该结构可 实时检测电流并完成过温维护。
参考文献：
[1] RAZAVI B.Design of Analog CMOS Integrated Circuits [M].陈贵灿,程军,张睿智,等,译.西安:西安交通大学出版社, 2002,312-315.
[2] WILLY M,SANSEN C. Analog Design Essentials[M]. 陈 莹梅译.北京:清华大学出版社,2007:103-120.
[3] 童亦斌,吴峂,金新民,等.双向DC/DC变换器的拓扑研讨[J].我国 电机工程学报,2007(13):81-86.
[4] 吴爱国,李际涛.DC-DC变换器操控办法研讨现状[J].电力电子 技能,1999(2):75-78.
[5] 张慕辉,刘诗斌,冯勇.具有滞回功用的过温维护电路[J].外表技 术与传感器,2009(02):94-95,110.
[6] 潘飞蹊,俞铁刚,郭超,等.一种高精度带隙基准 源和过温维护电路[J].微电子学,2005(2):192195.
