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用于音频功放的过温保护电路设计

2012年11月12日 15:10 次阅读

  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 架构原理分析

  1.1 工作原理分析

  

  图1为本设计的原理架构,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-lute Temperature);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

  

  翻转点(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 实际电路设计

  设计的过热保护电路大体上分为3个部分,如图2所示。

  

  

  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 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。

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发表于 2012-07-25 11:12 43823次阅读
工程师电子制作故事:一个简单音频功放电路DIY

自动限流调节保护功率开关

某些负载在启动期间比工作时需要更大的电流;有些负载则可在启动期间将电流限制到较低的功率水平,但在工作...

发表于 2012-07-15 02:09 3568次阅读
自动限流调节保护功率开关

锻压设备红外安全保护电路的设计与制作

本制作利用红外对射检测模块、语音录放模块及双稳态触发器,设计制作了红外安全保护装置。

发表于 2012-07-12 10:24 1731次阅读
锻压设备红外安全保护电路的设计与制作

大功率igbt驱动保护电路的功能解析

大功率igbt驱动保护电路的功能

发表于 2012-07-09 12:02 2382次阅读
大功率igbt驱动保护电路的功能解析

IGBT驱动保护电路的分类

IGBT驱动

发表于 2012-07-09 11:59 963次阅读
IGBT驱动保护电路的分类

电源逆变器基础问题解答

澳门威尼斯人官网手机网: 本文主要记录了一些 电源逆变器 相关的基础知识问答。电源逆变器(车载电源)是一种能够...

发表于 2012-07-03 16:26 893次阅读
电源逆变器基础问题解答

D类音频功放在使用中效率与干扰

由之前 ”如何评估D类音频功放的动态效率” 的讨论,如果Poq代表输出功率Po与静态消耗功率Pq的比...

发表于 2012-06-14 14:12 2853次阅读
D类音频功放在使用中效率与干扰

带保护电路的新型电源插座

实际生活中,由于拔插电源插头不慎触及到插头的金属部分,造成人身伤害或受到电击的事故时有发生,为了保证...

发表于 2012-06-05 15:19 1249次阅读
带保护电路的新型电源插座

典型功率MOSFET驱动保护电路设计方案

率场效应晶体管由于具有诸多优点而得到广泛的应用;但它承受短时过载的能力较弱,使其应用受到一定的限制。...

发表于 2012-05-31 09:33 4920次阅读
典型功率MOSFET驱动保护电路设计方案

D类音频功放动态效率的评估

  D类音频功率放大器最大的特色是高效率,高效率的优点是省电及降低发热量。如果功放的效率是90%而芯...

发表于 2012-05-17 11:59 948次阅读
D类音频功放动态效率的评估

功率MOSFET的锂电池保护电路设计

铅酸电池具有安全、便宜、易维护的特点,因此目前仍然广泛的应用于电动自行车。但是铅酸电池污染大、笨重、...

发表于 2012-05-16 14:35 2872次阅读
功率MOSFET的锂电池保护电路设计

几种实用的直流开关电源保护电路

随着科学技术的发展,电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切,而电子设备都离不开可靠的电源,因此...

发表于 2012-05-16 09:48 1603次阅读
几种实用的直流开关电源保护电路

如何评估D类音频功放的动态效率

D类音频功率放大器最大的特色是高效率,高效率的优点是省电及降低发热量。如果功放的效率是90%而芯片的...

发表于 2012-05-11 10:03 792次阅读
如何评估D类音频功放的动态效率

一种开关电源保护电路的改进

UC3842是美国Unltmde公司生产的一种性能优良的电流控制型脉宽调制芯片,它具有管脚数量少,外...

发表于 2012-05-04 14:04 1429次阅读
一种开关电源保护电路的改进

双二极管保护电路

双二极管 保护电路 :

发表于 2012-04-19 10:45 5248次阅读
双二极管保护电路

红光治疗仪水保护电路

红光治疗仪 水保护电路:

发表于 2012-04-19 10:15 393次阅读
红光治疗仪水保护电路

RS485总线的两级防护澳门威尼斯手机版

以下为RS485总线的两级防护澳门威尼斯手机版。当雷击发生时,感应过电压由两端引入,GDT做一级防护,此时过电...

发表于 2012-04-09 10:37 5093次阅读
RS485总线的两级防护澳门威尼斯手机版

无刷直流电机的保护电路方案

本文给出几种电机的保护方案,它不仅响应速度快,控制可靠,而且大大地降低了保护装置的生产成本。该保护电...

发表于 2012-03-28 14:45 10225次阅读
无刷直流电机的保护电路方案

分析系统优化小电流测量(下)

  保护亦可用于减小电缆连接中的漏流。图12所示为驱动保护防止电缆的漏泄电阻影响小电流测量的原理。在...

发表于 2012-03-28 11:41 962次阅读
分析系统优化小电流测量(下)

继电器电源保护电路原理图

继电器引发机械金属接触器正常运动。接触后连接导线板实际上是小于启动之前。与相反保护器电涌保护电路的机...

发表于 2012-03-15 15:22 3555次阅读
继电器电源保护电路原理图

IGBT过流检测保护澳门威尼斯手机版

当电源输出过载或者短路时,IGBT的Vce值则变大,根据此原理可以对电路采取保护措施。对此通常使用专...

发表于 2012-03-08 10:28 2188次阅读
IGBT过流检测保护澳门威尼斯手机版

开关电源的过流保护电路设计方案

过流检测传感器的工作原理如图1所示。通过变流器所获得的变流器次级电流经I/V转换成电压,该电压直流化...

发表于 2012-03-08 10:15 3963次阅读
开关电源的过流保护电路设计方案

过电压与过放电保护控制电路

过电压保护控制,具体电路如图3所示:整流二极管D4 接过电压保护继电器JDQ1输出。

发表于 2012-03-07 11:41 3526次阅读
过电压与过放电保护控制电路

扬声器保护澳门威尼斯手机版

扬声器保护电路在接通音响电源的瞬间,因电容C3两端电压不能突变,可视为短路。

发表于 2012-02-17 17:18 4328次阅读
扬声器保护澳门威尼斯手机版

给汽车音响加装扬声器保护电路

扬声器保护电路主要由中点电位检测电路、延时电路及继电器等组成。

发表于 2012-02-17 17:15 1898次阅读
给汽车音响加装扬声器保护电路

单相电搭错报警保护电路

正常交流市电为220V.由一根相线L和零线N提供。若在电网或变压器检修时,错将另一根相线作零线接入供...

发表于 2012-02-13 10:30 521次阅读
单相电搭错报警保护电路

调制解调器保护电路

这个保护器使用了一个230V击穿的冲击电压保护器。并且使用一个有效的接地。

发表于 2011-12-26 11:49 821次阅读
调制解调器保护电路

新一代汽车电路保护解决方案

设计工程师面临的一个挑战是保留和/或增加电路保护器件,它们有助于保护汽车电子系统因可能的过载情况而受...

发表于 2011-12-24 00:14 707次阅读
新一代汽车电路保护解决方案

听力保护器电路

听力保护器电路虽是为MC34119放大器设计的,应与同类集成电路设备或应用程序一起使用。

发表于 2011-12-22 16:32 701次阅读
听力保护器电路

防反跳保护电路

此防反跳电路将从达到下一行电路保持由机械开关(S1)所产生的电气噪声。

发表于 2011-12-21 11:24 1379次阅读
防反跳保护电路

热敏打印头过热保护电路

图中VH为7.2V热敏打印头驱动电压,VH的供给与否由常开继电器控制。热敏打印头过热保护电路起到保护...

发表于 2011-12-19 11:21 1934次阅读
热敏打印头过热保护电路