CN104993454B - 过温保护电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种过温保护电路。过温保护电路包括过温检测电路和信号输出电路。过温检测电路包括用于检测温度的双极型晶体管、具有正温度系数的第一电阻和具有负温度系数的二端元器件，当温度未超过温度保护阈值时，第二电压大于第一电压，第二电流小于第一电流；当温度超过温度保护阈值时，第二电压小于第一电压，第二电流大于第一电流；过温检测电路的输出端输出表征温度变化的过温检测信号，所述信号输出电路在所述过温检测信号的驱动下输出表示温度是否超过温度保护阈值的过温保护信号。本发明的电路结构简单，实现了过温保护的功能，电路所需元器件较少，整体功耗低，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。

Description

过温保护电路

技术领域

本发明属于半导体集成电路技术领域，具体涉及一种集成于芯片中的过温保护电路。

背景技术

随着半导体集成电路技术的不断发展以及半导体工艺的进步，集成电路的集成度越来越高，功耗也越来越大从而使得芯片局部温度过高，对芯片损坏较大。为使集成电路芯片免受高温的损坏，需要设计专门的过温保护电路。温度超过一定阈值时，过温保护电路输出关断信号，从而使芯片部分或完全停止工作。

传统的过温保护电路一般通过电压比较器来实现，并需要外部输入基准电压信号，因此结构较为复杂，需要较多的元器件，增加了设计难度，电路功耗也较大。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种结构简单、元器件少、功耗小的过温保护电路。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种过温保护电路，包括过温检测电路和信号输出电路。所述过温检测电路包括第一恒流源、第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管、第一NMOS管、第二NMOS管、用于检测温度的双极型晶体管、具有正温度系数的第一电阻和具有负温度系数的二端元器件，所述第一恒流源的输出端接地，其输入端与第一PMOS管的漏极相连，所述第一PMOS管、第二PMOS管和第三PMOS管的源极均与电源端VDD相连，所述第一PMOS管、第二PMOS管和第三PMOS管的栅极互相连接，所述第一PMOS管的栅极与其漏极相连；第一NMOS管、第二NMOS管的漏极分别与第二PMOS管和第三PMOS管的漏极相连，第一NMOS管和第二NMOS管的栅极互连，第一NMOS管的漏极和栅极相连；所述第一NMOS管的源极与二端元器件的一端相连，所述二端元器件的另一端和第一电阻的一端相连，所述第一电阻的另一端接地；所述第二NMOS管的源极与双极型晶体管的发射极相连，双极型晶体管的集电极与基极相连后接地，第三PMOS管和第二NMOS管之间的连接节点为所述过温检测电路的输出端；所述第一NMOS管的源极电压为第一电压，所述双极型晶体管发射极的电压为第二电压，第三PMOS管所能提供的最大电流为第一电流，流过第二NMOS管上的电流为第二电流；当温度未超过温度保护阈值时，第二电压大于第一电压，第二电流小于第一电流；当温度超过温度保护阈值时，第二电压小于第一电压，第二电流大于第一电流；过温检测电路的输出端输出表征温度变化的过温检测信号，所述信号输出电路在所述过温检测信号的驱动下输出表示温度是否超过温度保护阈值的过温保护信号。优选的，所述信号输出电路包括第四PMOS管、第二恒流源、第一反相器和第二反相器，第四PMOS管的栅极与所述过温检测电路的输出端相连，其源极与所述电源端VDD相连，其漏极与所述第二恒流源的输入端相连，所述第二恒流源的输出端接地；第一反相器的输入端与第四PMOS管和第二恒流源之间的连接节点相连，其输出端与第二反相器的输入端相连，所述第二反相器的输出端与信号输出电路的输出端相连。

具体的，当第二电压大于第一电压时，第二电流小于第一电流，所述过温检测电路的输出端为高电平信号，此时第四PMOS管漏极电位为低电平，第二反相器输出低电平信号，表示温度未超过温度保护阈值；当第二电压小于第一电压时，第二电流大于第一电流，所述过温检测电路的输出端信号会下降以维持电流平衡，此时第四PMOS管漏极电位会升高而超过第一反相器的翻转阈值，第一反相器输出低电平信号，第二反相器输出高电平信号，表示温度超过温度保护阈值。

优选的，所述过温检测电路还包括具有正温度系数的第二电阻和与第二电阻并联的开关器件，所述第二电阻串联在第一电阻和接地端之间；所述开关器件的控制端与第一反相器和第二反相器的连接处相连，在所述信号输出电路输出的过温保护信号表示温度超过温度保护阈值时，所述开关器件导通，在所述信号输出电路输出的过温保护信号表示温度超过温度保护阈值时，所述开关器件截止。

具体的，所述开关器件为第三NMOS管，所述第三NMOS管的栅极与第一反相器和第二反相器的连接处相连，所述第三NMOS管的源级接地，所述第三NMOS管的漏极连接在第一电阻和第二电阻的连接处。

优选的，所述具有负温度系数的二端元器件为负温度系数的第三电阻，所述第三电阻一端与所述第一NMOS管的源极相连，其另一端与所述第一电阻相连。

另一种优选，所述具有负温度系数的二端元器件为呈二极管连接形式的低阈值NMOS管，所述低阈值NMOS管的漏极和栅极连接后与第一NMOS管的源级相连，所述低阈值NMOS管的源级所述第一电阻相连。

优选的，所述双极型晶体管为PNP型双极型晶体管。

本发明的有益效果是，与现有技术相比，本发明中的过温保护电路中设置用于检测温度的双极型晶体管，通过比较双极型晶体管的发射级电压和第一NMOS管的源极电压的大小来判断温度是否超过温度保护的阈值，以实现当芯片温度过高时，输出过温保护信号，控制芯片进入温度保护状态。本发明的电路结构简单，实现了过温保护的功能，电路所需元器件较少，整体功耗低，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。本发明电路应用范围广，可作为过温保护模块用于各种集成电路芯片、MCM模块、开关电源等方面。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的电路原理图；

图2是本发明实施例一的电路原理图；

图3是本发明实施例二的电路原理图。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

如图1所示，本发明所述的一种过温保护电路，包括过温检测电路100和信号输出电路200。所述过温检测电路包括第一恒流源I1、第一PMOS管MP1、第二PMOS管MP2、第三PMOS管MP3、第一NMOS管MN1、第二NMOS管MN2、用于检测温度的双极型晶体管Q1、具有正温度系数的第一电阻R1和具有负温度系数的二端元器件N1。所述双极型晶体管Q1为PNP型双极型晶体管。所述第一恒流源I1的输出端接地，其输入端与第一PMOS管MP1的漏极相连，所述第一PMOS管MP1、第二PMOS管MP2和第三PMOS管MP3的源极均与电源端VDD相连，所述第一PMOS管MP1、第二PMOS管MP2和第三PMOS管MP3的源极的栅极互相连接，所述第一PMOS管MP1的栅极与其漏极相连。第一PMOS管MP1、第二PMOS管MP2和第三PMOS管组成电流镜结构，流过它们各自的电流均与第一恒流源I1的电流成比例。

所述第一NMOS管MN1、第二NMOS管MN2的漏极分别与第二PMOS管MP1和第三PMOS管MP3的漏极相连，第一NMOS管MN1和第二NMOS管MN2的栅极互连，所述第一NMOS管MN1的漏极和栅极连接；所述第一NMOS管MN1的源极与二端元器件Q1的一端相连，所述二端元器件Q1的另一端和第一电阻R1的一端相连，所述第一电阻R1的另一端接地；所述第二NMOS管MN2的源极与双极型晶体管Q1的发射极相连，双极型晶体管Q1的集电极与基极相连后接地，第三PMOS管MP3和第二NMOS管MN2之间的连接节点为所述过温检测电路100的输出端；所述第一NMOS管MN1的源极电压为第一电压V_X，所述双极型晶体管Q1发射极的电压为第二电压V_Y，第三PMOS管MP3所能提供的最大电流为第一电流，流过第二NMOS管MN2上的电流为第二电流；当温度未超过温度保护阈值时，第二电压V_Y大于第一电压V_X，第二电流小于第一电流；当温度超过温度保护阈值时，第二电压V_Y小于第一电压V_X，第二电流大于第一电流；所述过温检测电路的输出端输出表征温度变化的过温检测信号，所述信号输出电路在所述过温检测信号的驱动下输出表示温度是否超过温度保护阈值的过温保护信号。

所述信号输出电路200包括第四PMOS管MP4、第二恒流源I2、第一反相器Inv1和第二反相器Inv2，第四PMOS管MP4的栅极与所述过温检测电路100的输出端相连，其源极与所述电源端VDD相连，其漏极与所述第二恒流源I2的输入端相连，所述第二恒流源I2的输出端接地；第一反相器Inv1的输入端与第四PMOS管MP4和第二恒流源I2之间的连接节点相连，其输出端与第二反相器Inv2的输入端相连，所述第二反相器Inv2的输出端与信号输出电路200的输出端相连。第四PMOS管MP4作为一级共源放大器。第一反相器Inv1和第二反相器Inv2组成的两级反相器起到波形整形的作用。

为了加快过温保护的响应速度并提高本发明的过温保护电路的稳定性，对如图1所示的过温保护电路进行了改进，获得如图2所示的优选实施例一和如图3所示的优选实施例二。

如图2和图3所示，在如图1所示的过温检测电路100中还设置了具有正温度系数的第二电阻R2和与第二电阻并联R2的开关器件，所述开关器件为第三NMOS管MN3。所述第二电阻R2串联在第一电阻R1和接地端之间。所述第三NMOS管MN3的栅极与第一反相器Inv1和第二反相器Inv2的连接处相连，所述第三NMOS管MN3的源级接地，所述第三NMOS管MN3的漏极连接在第一电阻R1和第二电阻R2的连接处。第三NMOS管MN3和第二电阻R2形成的反馈环路具有两个作用：第一加快过温保护电路的响应速度，第二提高电路工作稳定性。在所述信号输出电路200输出的过温保护信号表示温度超过温度保护阈值时，所述第三NMOS管MN3导通，在所述信号输出电路200输出的过温保护信号表示温度超过温度保护阈值时，所述第三NMOS管MN3截止。

如图2所示，本发明的实施例一中，所述具有负温度系数的二端元器件N1为负温度系数的第三电阻R3，所述第三电阻R3一端与所述第一NMOS管MN1的源极相连，其另一端与所述第一电阻R1相连。

双极型晶体管Q1的作用是温度检测。双极型晶体管Q1为PNP型三极管，根据三极管的特性，三极管的基极发射极电压V_BE是负温度系数的。所以，随着温度的升高，双极型晶体管Q1发射极电压即第二电压V_Y会降低。通过对电路中的元器件的选择和调节使在正常温度范围内，第一电压V_X电压小于第二电压V_Y电压。根据电路设计经验，常温下三极管的导通阈值电压一般是0.6V-0.7V，因此，将第一电压V_X设计在0.5V-0.55V就足以满足电路要求。由于第三电阻R3是负温度系数电阻，而第一电阻R1是正温度系数电阻，因此在温度变化时，第一电压V_X几乎不变，即可以获得一个相对稳定的第一电压V_X，又因第一NMOS管MN1所在的支路偏置电流为恒定值，所以，第一NMOS管MN1和第二NMOS管MN2的栅极电压也相对稳定。因此，第二电压V_Y的变化直接影响第二电流的大小。

当温度未超过温度保护阈值，第二电压V_Y大于第一电压V_X，第二电流小于第一电流，所述过温检测电路100的输出端为高电平信号，经过第四PMOS管MP4共源反相放大之后为低电位，第二反相器Inv2输出低电平信号，表示温度未超过温度保护阈值。

随着温度升高，第二电压V_Y逐渐降低，而第一电压V_X几乎不变。当温度超过温度保护阈值时，第二电压V_Y小于第一电压V_X，第二电流大于第一电流，所述过温检测电路100的输出端信号幅值会急剧降低以维持电流平衡，此时第四PMOS管MP4漏极电位会急剧升高以达到第一反相器Inv1的翻转阈值，第一反相器Inv1输出低电平信号，第二反相器Inv2输出高电平信号，表示温度超过温度保护阈值，该高电平输出信号就是过温保护输出的关断信号。

当温度由高温逐渐降低时，第二电压V_Y逐渐升高，同时第一电压V_X几乎不变。当温度低于温度保护阈值时，第二电压V_Y大于第一电压V_X，第二电流小于第一电流，根据上述分析，所述过温检测电路100的输出端为高电平信号，经过第四PMOS管MP4共源反相放大之后为低电位，第二反相器Inv2输出低电平信号。

当温度低于温度保护阈值时，第一反相器Inv1输出高电平，第三NMOS管MN3导通；当温度超过温度保护阈值时，第一反相器Inv1输出低电平，第三NMOS管MN3截止，此时，流过第一NMOS管MN1的电流流过第二电阻R2，这样会瞬间抬高第一电压V_X以及第一NMOS管MN1和第二NMOS管MN2栅极电压，然而第二电压V_Y在随温度升高而下降，由此会继续增大第二电流，从而更快地触发过温保护。第三NMOS管MN3和第二电阻R2的另一个作用是产生温度保护的滞回。当从未过温保护状态进入过温保护状态时，翻转阈值较高，例如温度保护阈值为150℃，当从过温保护状态退出到非过温保护状态(正常工作状态)时，翻转阈值较低，例如温度阈值为130℃。这样的设计被称为迟滞效应，为了防止在温度保护点附近频繁振荡。

如图3所示，本发明的实施例二中，所述具有负温度系数的二端元器件为呈二极管连接形式的低阈值NMOS管NLVT1，所述低阈值NMOS管NLVT1的漏极和栅极连接后与第一NMOS管MN1的源级相连，所述低阈值NMOS管NLVT1的源级所述第一电阻R1相连。其作用与实施例一中的第三电阻R3相同，即与第一电阻R1配合，使第一电压V_X不随温度的变化而变化，从而具有一个相对稳定的第一电压V_X。上述的低阈值NMOS管NLVT1的阈值范围为0.3-0.5V。

本发明中的过温保护电路可以集成于一块芯片中。

在本发明中，“连接”、“相连”、“连”、“接”等表示电性相连的词语，如无特别说明，则表示直接或间接的电性连接。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (6)

1.一种过温保护电路，包括过温检测电路和信号输出电路，其特征是：所述过温检测电路包括第一恒流源、第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管、第一NMOS管、第二NMOS管、用于检测温度的双极型晶体管、具有正温度系数的第一电阻和具有负温度系数的二端元器件，所述第一恒流源的输出端接地，其输入端与第一PMOS管的漏极相连，所述第一PMOS管、第二PMOS管和第三PMOS管的源极均与电源端VDD相连，所述第一PMOS管、第二PMOS管和第三PMOS管的栅极互相连接，所述第一PMOS管的栅极与其漏极相连；第一NMOS管、第二NMOS管的漏极分别与第二PMOS管和第三PMOS管的漏极相连，第一NMOS管和第二NMOS管的栅极互连，第一NMOS管的漏极和栅极相连；所述第一NMOS管的源极与二端元器件的一端相连，所述二端元器件的另一端和第一电阻的一端相连，所述第一电阻的另一端接地；所述第二NMOS管的源极与双极型晶体管的发射极相连，双极型晶体管的集电极与基极相连后接地，第三PMOS管和第二NMOS管之间的连接节点为所述过温检测电路的输出端；

所述信号输出电路包括第四PMOS管、第二恒流源、第一反相器和第二反相器，第四PMOS管的栅极与所述过温检测电路的输出端相连，其源极与所述电源端VDD相连，其漏极与所述第二恒流源的输入端相连，所述第二恒流源的输出端接地；第一反相器的输入端与第四PMOS管和第二恒流源之间的连接节点相连，其输出端与第二反相器的输入端相连，所述第二反相器的输出端与信号输出电路的输出端相连；

所述第一NMOS管的源极电压为第一电压，所述双极型晶体管发射极的电压为第二电压，第三PMOS管所能提供的最大电流为第一电流，流过第二NMOS管上的电流为第二电流；当温度未超过温度保护阈值时，第二电压大于第一电压，第二电流小于第一电流；当温度超过温度保护阈值时，第二电压小于第一电压，第二电流大于第一电流；过温检测电路的输出端输出表征温度变化的过温检测信号，所述信号输出电路在所述过温检测信号的驱动下输出表示温度是否超过温度保护阈值的过温保护信号；

所述过温检测电路还包括具有正温度系数的第二电阻和与第二电阻并联的开关器件，所述第二电阻串联在第一电阻和接地端之间；所述开关器件的控制端与第一反相器和第二反相器的连接处相连，在所述信号输出电路输出的过温保护信号表示温度未超过温度保护阈值时，所述开关器件导通，在所述信号输出电路输出的过温保护信号表示温度超过温度保护阈值时，所述开关器件截止。

2.根据权利要求1所述的过温保护电路，其特征是：当第二电压大于第一电压时，第二电流小于第一电流，所述过温检测电路输出高电平信号，此时第四PMOS管漏极电位为低电平，第一反相器输出高电平信号，第二反相器输出低电平信号，表示温度未超过温度保护阈值；当温度不断升高使第二电压小于第一电压时，第二电流大于第一电流，所述过温检测电路的输出端信号幅值会降低以维持电流平衡，此时第四PMOS管漏极电位会升高从而超过第一反相器的翻转阈值，第一反相器输出低电平信号，第二反相器输出高电平信号，表示温度超过温度保护阈值。

3.根据权利要求1所述的过温保护电路，其特征是：所述开关器件为第三NMOS管，所述第三NMOS管的栅极与第一反相器和第二反相器的连接处相连，所述第三NMOS管的源级接地，所述第三NMOS管的漏极连接在第一电阻和第二电阻的连接处。

4.根据权利要求1所述的过温保护电路，其特征是：所述具有负温度系数的二端元器件为负温度系数的第三电阻，所述第三电阻一端与所述第一NMOS管的源极相连，其另一端与所述第一电阻相连。

5.根据权利要求1所述的过温保护电路，其特征是：所述具有负温度系数的二端元器件为呈二极管连接形式的低阈值NMOS管，所述低阈值NMOS管的漏极和栅极连接后与第一NMOS管的源级相连，所述低阈值NMOS管的的源级所述第一电阻相连。

6.根据权利要求1所述的过温保护电路，其特征是：所述双极型晶体管为PNP型双极型晶体管。