一種應用于LDO 的溫度保護電路設計

龍泳希，李伙生，段志奎，*于昕梅

（佛山科學技術學院 電子信息工程學院，廣東 佛山 528225）

隨著電子信息技術和通信產業發展迅速，便攜電子設備［1-2］對電源性能與保護要求日益提高，低功耗、高效率、高可靠性成為了電子產品在市場上競爭的核心指標。便攜式電子設備中，一個重要的組成部分就是電源管理芯片（Power Management Integrated Circuits，PMIC），它承擔著對電能的轉換、分配等功能。在眾多電源管理芯片中，低壓降線性穩壓器（LDO，LowDropout Regulator）是一種常見的供電電路芯片，由于其具有響應速度快、低噪音、低功耗等優勢而應用廣泛［3-4］。LDO 由調整管、誤差放大器、帶隙基準和反饋網絡等模塊組成，其中調整管負責驅動負載，是芯片中主要的發熱模塊。隨著芯片集成度和工作電流的不斷提高，芯片中集成的元器件數量非常大，排列十分緊湊，當溫度升高時元器件會發生膨脹，元器件之間會互相擠壓而可能使芯片發生裂紋。而且芯片的電氣特性會隨溫度升高而改變，內部的電容和電阻的參數改變了會導致芯片的工作性能變差。芯片長期高溫工作會導致內部元器件加速老化從而降低芯片的使用壽命，更嚴重的是可能會激發高能載流子，擊穿晶體管進而燒毀芯片。為了保證LDO 穩定工作，芯片應具有溫度保護電路，所以研究溫度保護電路對LDO 具有重要意義。

針對LDO 的溫度保護電路，國內學者進行了大量的研究，主要的原理是利用PN 結正向導通電壓具有負溫度系數和電壓基準源提供的偏置電流具有正溫度系數來實現的，利用遲滯比較器比較兩個與溫度有關的電壓，輸出溫度控制信號［5-6］。

本文結合LDO 穩壓器的結構特點和功能要求，提出一種應用于LDO 的溫度保護電路?；陔p極晶體管的基極-集電極電壓具有負溫度系數的特點，利用電壓比較器和電壓基準比較，比較結果經過緩沖器和施密特觸發器，輸出數字控制信號。當芯片溫度過高時能關斷電路，防止芯片過熱造成永久性損壞，直至溫度下降到安全區后電路重新工作。

1 溫度保護電路工作流程

溫度保護電路的控制流程原理如圖1 所示，電壓比較器將與溫度負相關的電壓和參考電壓比較，判斷溫度是否高于安全值，如果低于安全值，則溫度保護電路輸出高電平信號，LDO 正常工作；如果高于安全值，則比較器翻轉，再經過緩沖器和施密特觸發器，輸出低電平信號，使LDO 關斷。LDO 關斷后，溫度下降，如果檢測到溫度降低至安全值，則溫度保護電路輸出高電平信號，LDO 重新開啟。

圖1 溫度保護電路控制流程

2 溫度保護電路設計與分析

2.1 總體電路結構

帶溫度保護的LDO 結構如圖2 所示，當溫度過高時，溫度保護模塊輸出低電壓到控制管MCTRL的柵極，控制管MCTRL 是虛線框中兩個串聯的PMOS。低電壓使控制管導通，將調整管MP 柵極電壓拉高到接近電源電壓，使調整管截止，LDO 環路被切斷［7-8］。

圖2 帶溫度保護的LDO 結構

2.2 溫度保護電路

溫度保護電路是基于PN 結正向導通電壓是負溫度系數實現的［9］，本文利用雙極晶體管BJT（Bipolar Junction Transistor）作為溫度檢測器件。BJT 的基極-發射極電壓VBE是與絕對溫度成反比的電壓（Complementary To Absolute Temperature，CTAT），VBE=VTln（IC/IS），其中熱電壓VT=kT/q，飽和電流IS正比于，這些參數和溫度的關系可以表示為μ∞μ0Tm，其中m≈-3/2，并且，∞T3exp［-Eg（/kT）］，其中硅的帶隙能量Eg≈1.12 eV。所以

對VBE求偏導，得

對式（1）求偏導，得

所以

由式（2）和（4）可得

式（5）是溫度T 下VBE的溫度系數。一般情況下溫度特性近似-1.5 mV/℃，圖3 為CTAT 電壓產生電路。

圖3 CTAT 電壓產生電路

圖4 為溫度保護電路圖，其中M1～M7 是運算放大器，作用是比較溫度差并放大，M1～M5 是差分放大器，作為第1 級，M6 和M7 是共源級放大器，作為第2 級。M1 和M2 是PMOS 輸入管，M1 接輸入電壓VCTAT，M2 接比較電壓V1 或V2（V1＜V2）。V1 和V2 是由帶隙基準通過電阻分壓得到的，確定溫度保護電路熱關斷和熱開啟的溫度，可通過VCTAT 溫度特性曲線選取。當LDO 工作在正常溫度時，VCTAT比V1、V2 都高，A 點為高電壓，使M7 導通，B 點電壓拉低。經過INV1、INV2 兩個反相器，C 點為低電壓。M8～M13 為施密特觸發器，作用是將一個有噪聲的輸入信號變成一個“干凈”的數字輸出信號［10］。C點電壓經過施密特觸發器，輸出一個接近電源的電壓，控制管MCTRL 截止，LDO 正常工作。

圖4 溫度保護電路圖

當溫度過高時，VCTAT 會降低，比V1 和V2 更低，A 點為低電壓，M7 截止，B 點電壓被拉高，經過兩個反相器C 點為高電壓，經過施密特觸發器輸出接近GND 電壓，使控制管MCTRL 導通，產生很大的上拉電流，將調整管MP 柵極電壓拉到接近電源電壓，MP 截止，LDO 暫停工作。

溫度保護電路需要具備遲滯特性，目的是為了防止溫度在閾值溫度附近小范圍波動導致調整管頻繁關斷或開啟，產生熱振蕩［11］。圖4 中，M14 和M15 起到溫度遲滯的作用，M14 和M15 都是NMOS，柵極分別連接反相器INV2 的輸入和輸出，即每個時刻一個晶體管導通，另一個晶體管截止。導通的管將V1 或V2 的電壓傳到M2 的柵極，正常溫度時，M14 導通，V1 和VCTAT 比較。當溫度過高，反相器INV2狀態翻轉，M14 截止M15 導通，V2 和VCTAT 比較。溫度下降至安全區間，VCTAT 比V2 大時，LDO 重新工作。溫度保護電路的遲滯特性如圖5 所示。

圖5 溫度遲滯特性

3 仿真驗證

本文所提溫度保護電路基于0.18 μmCMOS工藝進行設計并仿真驗證，仿真的溫度范圍是20～150 ℃，對電路進行直流分析。

圖6 為VCTAT 溫度特性曲線，VCTAT 隨著溫度增大而線性減小，通過計算斜率可得溫度特性為-1.467 mV/℃，接近理論值。并根據該溫度曲線選取溫度保護電路的比較電壓V1、V2，得知溫度130 ℃時，VCTAT 約為0.64 V，若考慮比較器差分輸入需要有一定差值才能進行翻轉，故選取比較電壓V1 為0.65 V，意義是VCTAT 低于V1 時比較器開始翻轉，最終實現130 ℃暫停LDO 工作。相同的，選取比較電壓V2 為0.67 V，VCTAT 高于V2 時比較器開始翻轉，實現105 ℃恢復LDO 工作。

圖6 VCTAT 溫度特性

由于比較電壓和VCTAT 的差值很小，所以要求比較器具有較高增益，圖7 為比較器AC 增益仿真，低頻增益達到26 dB，具有足夠的放大能力，3 dB 帶寬為1.5 MHZ，相位裕度為93°穩定性良好。

圖7 比較器AC 仿真

圖8 為輸入、輸出響應曲線，當溫度升高，VCTAT 下降至低于V1 時，比較器狀態開始翻轉，輸出電壓由1.8 V 下降為0 V。當溫度上升，VCTAT 上升至高于V2 時，比較器狀態開始翻轉，輸出電壓由0 V 上升到1.8 V。

圖8 輸入、輸出響應曲線

圖9 為溫度遲滯輸出，并對三種工藝角TT、SS、FF 進行仿真，過溫點在130 ℃附近，溫度高于過溫點，溫度保護電路輸出接近GND 電壓，使控制管MCTRL 開啟，拉高MP 柵極電壓使之截止，LDO 停止工作。溫度下降到105 ℃附近后，溫度保護電路輸出接近電源電壓使控制管MCTRL 截止，LDO 恢復工作狀態，遲滯溫度差為25 ℃。溫度響應靈敏，在3 ℃內實現電壓從1.8 V 到接近0 V 跳變。在不同工藝角下過溫點偏差不超過3 ℃，工藝穩定性好。仿真結果證明，該溫度保護電路能滿足多種芯片的工作溫度要求。

圖9 溫度遲滯輸出（TT、SS、FF）

表1 將本文和其他文獻的溫度保護電路進行比較，可以看出本文基于0.18 μm CMOS 制程工藝，相比于其他文獻，更小的制程工藝可以實現更少的發熱和更好的能效比，也能應用于更先進工藝的芯片中。本文的溫度保護電路的關斷溫度比其他文獻的更低，能夠在溫度達到130 ℃時關斷LDO，更有效地保護電路芯片。

表1 與其他文獻性能對比

4 結語

針對LDO 在工作中可能出現溫度過高的問題，本文提出一種應用于LDO 的溫度保護電路。該電路通過雙極晶體管的基極-發射極電壓具有負溫度特性的原理檢測溫度變化，利用電壓比較器將與絕對溫度成反比的CTAT 電壓和參考電壓比較，比較器輸出電壓信號經過緩沖器和施密特觸發器輸出一個接近電源和地的電壓信號，用作控制LDO 調整管MP 柵極電壓，最終實現溫度保護。從仿真結果來看，溫度保護電路在130 ℃附近跳變，輸出接近地的電壓關斷LDO，溫度下降到105 ℃附近跳變到接近電源電壓使LDO 重新開啟，溫度遲滯為25 ℃，溫度過熱時在3 ℃內完成跳變，靈敏度高。三個工藝角仿真結果證明該溫度保護電路工藝穩定性好。該電路的不足之處是，所有晶體管都是使用1.8 V 電壓供電，后續研究可以使用低于1.8 V 的電壓為溫度保護電路供電，實現低電壓工作，滿足低功耗應用需求。