一种基于DC-DC 开关电源的温度检测电路设计
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，提出了一种新型的温度检测电路设计。研究了温度对整个开 关电源系统的影响，以及在一定温度变化范围内，开关电源能否输出稳定电压。在此基础上，本文设计了一种 新型的温度检测电路，并对其进行功能优化，实现温度的精确检测。同时，为防止温度过高对系统造成不可逆 破坏，本文在温度检测电路的研究基础上，设计了一款新型的过温保护电路。当系统温度高于温度阈值时，温 度检测电路输出发生变化，启动过温保护电路，关闭带隙基准电压电路和上电位，从而达到保护电路的目的。 最后对此结构进行仿真，仿真结果表明在不同工艺角情况下，该系统均具有精确的温度检测性能，且能稳定启 动过温保护实现关闭电源、保护电路的目的。
关键词：DC-DC开关电源；温度检测；过温保护；系统温度阈值；带隙基准电压
0 引言
开关型电源、LDO是目前应用在SoC系统中最常见 的两种电源管理系统[1-2]。其中，基于经典拓扑结构的 开关型电源，具有效率高、功耗低、体积小以及抗干扰 能力强等诸多优点，广泛应用于许多高集成度高性能的 SoC系统芯片中[1]。
开关型电源主要是通过控制功率开关管的周期性导 通来输出稳定电压，实现升压、降压、电压反转等功 能，从而为整个电路系统稳定供电[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。相较于其他电源管理系统而言， BUCK型DC-DC开关电源的电源转换效率高，可达 80%以上，对于一些特制的开关电源甚至高达90%；其 次，负载能力强，可承受大电流；另外，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；通过控制开关电源内部功率MOS管（高边管和 低边管）的开关来控制输出电压的增大或减小，实现动 态调节，使得稳压范围较宽[3]。
开关电源往往工作在高电压下，较大功率的开关电 源同时也工作在大电流状态下，较大的电流或者电压容 易烧坏电路[4-5]。为了保护开关电源自身和负载，根据DC-DC直流电源原理，先后设计出了许多保护电路， 如：ESD保护电路、过压保护电路（OVLO）、欠压保 护电路（UVLO）、软启动电路等。本文在上述几种保 护电路的基础上设计出了基于DC-DC开关电源的温度 检测系统，当温度超过工作温度阈值时，关断电路，从 而起到实时保护电路的目的[3,5]。
1 温度检测电路设计原理
设计的温度检测电路如下图2所示。
本模块主要实现的功能是对芯片电源供电系统中的 带隙基准电压进行温度检测。带隙基准电压是电源系统 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，从而在温 度检测模块中引起输出电压状态的改变。所以只需检测 温度检测电路的输出电压就可以直观判断电源温度是否 过高，从而实现温度检测的功能。
如图2所示，VREF1与VREF2是由电路的电压基准电路 VREF产生的基准电压，VREF1为带隙基准产生的基准电 压，可视作没有温度系数，而VREF2为PTAT电压，通过 运放虚短作用，使电阻R1两端的电压分别固定在VREF1和 VREF2，这里Vx的电压与VREF2的电压值相等。所以流经R1的电流则为（假设电流方向于图中向下）：
Vo1为温度检测模块的输出电压，利用2个基准电压 的差值去除表达式中的高阶项，提高温度线性拟合度。
通过式(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管通过2个Cascode电流镜进行 偏置，其作用为将M1、M4漏极电压分别钳位到VDDVTP和VTN，防止在极端输入情况下，2个差分对的输 出悬空，造成M5或M6的栅极悬空。
2 过温保护电路设计原理
过温保护电路的输入端与温度检测电路的输出端相 连，其目的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变化转换为电压信号，而过 温保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保护电路所检测的电压阈值范 围，过温保护电路的输出会将0转变为1，进而关断其电 源电路，实现保护电路不被烧断。
此电路主要实现的功能为：温度检测电路将芯片温 度转换为电压信号。一旦芯片温度超过某一阈值，温度 传感器（即过温保护电路）便会启动热关断，停止整个 系统的工作输出。当芯片温度降至热滞回带以下时，整 个系统解除热关断，恢复正常工作。
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。采用rppolyu低温飘电阻作为栅漏短接的MOS电阻，即 MP1。其中，Q1和Q3的工艺尺寸相同，而Q2为8个相同的MOS管并联而成。
此时，A点的电压为：
其中gmp 和R2的温度系数均小于I0，随温度变化的幅 度也很小。由公式 (6) 可见，I0呈正温系数，温度升高 时，I0增大，此时A点的电压随温度的上升而下降。当 温度上升至一定阈值时，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，通过 X288_A端向数字电路部分提供过温关断信号。当温度 下降幅度超过迟滞量时，Q3管将重新打开并拉低B点电压，X288_A信号由高调低，电路重回正常工作状态。
MP1为MOS管连接的小电阻，目的是将电源与基准 隔离，提高电源抑制比。
3 仿真结果及分析
本文仿真采用0.18 µm的BCD工艺，仿真工具为 Cadence Spectre。
3.1 温度检测电路仿真
3.1.1 带隙基准温度仿真
首先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，随温度变化并不明显；VREF2为PTAT电压，随温度呈线性趋势变化，满足 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，符合电路基本原理。
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的输出电压范围在24.28 mV~ 1.842 V之间。
3.1.3 工艺仿真
温度检测电路要求精细，为保证整个电路的可靠性 和稳定性，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的工艺角分别为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 压符合设计要求。
通过图6得到如表1所示的数据。
● 电阻工艺角仿真
电阻res的工艺角分别为tt_res 、ff_res、ss_res。在 不同工艺角下对该模块进行仿真，结果如图7所示，在 各RES corner下，该输出符合设计要求。
通过图7得到如表2所示的数据。
3.2 过温保护电路仿真
3.2.1 PTAT电流温度仿真
本模块的工作机理是利用PTAT电流与温度之间的 关系进行仿真。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，从而使输出 电压由低变高，反之亦然。所以先对I0电流进行温度仿 真，结果如图7所示，仿真结果表明I0与温度成正相关， 符合电路原理。
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 于施密特触发器作用，输出电压的曲线出现热回滞窗 口，仿真结果如图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工作状态，迟滞量约为 (170-146.1) ℃=23.9 ℃。
4.2.3 工艺仿真
与温度检测电路类似，为提高整个系统的安全性和 可靠性，需对保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恢复这两个关键节点处的仿真图像 如图9、10所示。
仿真结果表明在不同工艺角情况下的温度误差均较 小，说明在一定误差范围内该电路可以正常工作并能保 持较高精度。
4 结语
本文提出了一种新型的基于BUCK DC-DC开关电 源的温度检测电路结构，并基于此结构进行改进，加入 了一种新型的过温保护机制。通过理论分析和数学推导 进行电路搭建，并用仿真软件进行仿真。由于系统的高精度要求，本文在一般的温度仿真基础上，进行了工艺 角的仿真。仿真结果表明在一定温度范围内，该结构可 实时检测电流并实现过温保护。
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变换器的拓扑研究[J].中国 电机工程学报,2007(13):81-86.
[4] 吴爱国,李际涛.DC-DC变换器控制方法研究现状[J].电力电子 技术,1999(2):75-78.
[5] 张慕辉,刘诗斌,冯勇.具有滞回功能的过温保护电路[J].仪表技 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 源和过温保护电路[J].微电子学,2005(2):192195.
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