Схемы защиты импульсных преобразователей напряжения от превышения температуры

УДК 621.382.2

Микроэлектроника

СХЕМЫ ЗАЩИТЫ ИМПУЛЬСНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ НАПРЯЖЕНИЯ ОТ ПРЕВЫШЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

Е.Д. Алперин, А.В. Белявцев, В.П. Крюков, И.А. Суров

В статье рассматриваются схемы защиты интегральных импульсных преобразователей напряжения со встроенным силовым транзистором от превышения температуры. Показаны способы измерения температуры в интегральных схемах. Приведены схемы датчиков температуры, формирующие выходной сигнал при достижении заданной температуры. Представлены схемы защиты от превышения температуры и результаты моделирования их работы

Ключевые слова: защита от превышения температуры, интегральный датчик температуры

Большинство современных электронных приборов имеют в своем составе интегральные микросхемы (ИМС) импульсных преобразователей напряжения (ИПН). Современные ИМС ИПН имеют встроенные силовые элементы, которые являются основными источниками тепла в таких микросхемах. Поэтому для предотвращения превышения максимальной рабочей температуры кристалла в состав ИМС ИПН входит схема защиты от перегрева. Разработка схем защиты от превышения температуры кристалла актуальна не только для ИМС ИПН, но и для всех остальных силовых микросхем т. к. превышение максимально допустимой рабочей температуры приводит не только к изменению электрических параметров, но и к деградации элементов. Повышение температуры кристалла может быть следствием работы при повышенном токе нагрузки, недостаточного охлаждения печатной платы или высокой температуры окружающей среды. Наиболее часто за максимальную рабочую температуру кристалла принимается величина 150 °С.[1]

Схема защиты от превышения температуры ИМС ИПН (схема тепловой защиты) отслеживает состояние температуры кристалла микросхемы, т. е. преобразует скалярную физическую величину температуру в электрическую величину, обычно это напряжение. Если температура кристалла превысит максимально допустимую рабочую температуру, то схема тепловой защиты сформирует сигнал отключения силового транзистора. Схема тепловой защиты имеет гистерезис. Значение температуры при которой происходит возврат к нормальному режиму работы (снятию сигнала отключения силового ключа) на 15 °С ^ 20 °С ниже максимальной допустимой рабочей температуры. Температурный ги-

Алперин Евгений Данилович - ВГТУ, канд. техн. наук, доцент, тел. (473) 243-77-65

Белявцев Андрей Владимирович - НИИЭТ, инженер, тел. (473) 226-29-37

Крюков Валерий Петрович - НИИЭТ, канд. техн. наук, гл. конструктор, тел. (473) 232-02-72 Суров Илья Александрович - НИИЭТ, инженер, тел. (473) 226-29-37

стерезис необходим, чтобы не допустить циклического срабатывания схемы защиты. [2]

Для измерения температуры в ИМС могут использоваться: резисторы с положительным или отрицательным температурным коэффициентом сопротивления (ТКС), биполярные транзисторы с отрицательным температурным коэффициента напряжения (ТКН) перехода база-эмиттер ТКН иБЭ 2 мВ/°К .[3] Так же для измерения температуры можно использовать источники тока пропорциональные абсолютной температуре (PTAT ИТ) рис. 1. PTAT ИТ строятся на парах кремниевых биполярных транзисторов в диодном или в транзисторном включении. В КМОП-микросхемах возможно применение, как биполярных транзисторов, так и

МОП-транзисторов в режиме слабой инверсии. В этом режиме вольт-амперная характеристика (ВАХ) МОП-транзистора экспоненциально возрастает с ростом напряжения, аналогично ВАХ обычного диода. [4]

Рис. 1. PTAT источник тока: а- на биполярных транзисторах; б- на МОП транзисторах

Чаще всего PTAT ИТ используются для производства напряжения пропорционального абсолютной температуре. Для схемы рис. 1 а напряжение пропорциональное абсолютной температуре будет равно: и ----1п N , где и Я2

сопротивление резисторов R1и И2 соответственно, к- постоянная Больцмана, Т- абсолютная температура, q- заряд электрона, N отношение площадей транзисторов = A4/A5, где A4 и А5 площадь

эмиттерных областей транзисторов Q4 и Q5 соответственно).

Зависимость напряжение иРТАТ схемы рис. 1а, разработанной по технологии 8М088МУ, от температуры представлена на рис. 2. [5]

-60 -20 20 60 100 140 180 Т, °С

Рис. 2. Зависимость напряжения иРТАТ от температуры

ТКН иР1А1 схемы рис. 1а можно задавать, как выходным током РТАТ ИТ, так и значением сопротивления Я2.

На рис. 3 приведены наиболее часто применяемые схемы формирования выходного сигнала при достижении заданной температуры.

О +Усс

Выход

О +Усс

Выход

а)

б)

Рис. 3. Схемы датчиков температуры, формирующие выходной сигнал при достижении заданной температуры

и, мВ

/

900

800 700 600 500

400

ЧцЦбЭ

ик^

' : Ч

-60

-20

20

60

100

140

180 Т, °С

и, В

иоит

-60 -20 20 60 100 140 180 Т, °С Рис. 4. График работы схемы датчика температуры с использованием температурной зависимости напряжения перехода база-эмиттер рис. 3 а

Схема, представленная на рис. 3 а, состоит из: источника опорного напряжения (ИОН), подключенного через резистивный делитель к базе транзистора Q1, и источника тока (ИТ), независимого от температуры, подключенного к коллектору транзистора Q1. Этот датчик температуры использует температурную зависимость напряжения перехода база-эмиттер транзистора Q1. Когда температура повышается то напряжение перехода база-эмиттер транзистора Q1 начинает уменьшаться. График, показывающий работу схемы, приведен на рис. 4.[6]

Схема на рис. 3б состоит из: РТАТ ИТ, подключенного к базе транзистора Q1 и резистору Ю; ИТ, независимого от температуры, подключенного к коллектору транзистора Q1. Этот датчик использует температурную зависимость РТАТ ИТ - с ростом температуры повышается ток РТАТ ИТ. График, показывающий работу схемы, приведен на рис. 5.[7]

и, мВ

т, °с

и, в

I

5

2.5

-60 -20 20 60 100 140 180 Т, °С Рис. 5. График работы схемы датчика температуры с использованием температурной зависимости РТАТ ИТ рис. 3б

На рис. 6 представлена схема защиты от превышения температуры с использованием температурной зависимости напряжения перехода база-эмиттер. [6] Схема защиты имеет температурный порог отключения 150 С и температурный гистерезис 15 С.

Рис. 6. Схема защиты от превышения температуры с использованием температурной зависимости напряжения перехода база-эмиттер

Транзистор M4 схемы защиты рис. 6 обеспечивает гистерезисную характеристику, внося дополнительный ток. Напряжение на базе транзистора Q1 устанавливается ИОН через резистивный делитель R1, R2 (кривая Uref(63) рис. 7). При комнатной температуре напряжение ибэ транзистора Q1 больше напряжения и№^бэ), транзистор Q1 закрыт - на выходе схемы защиты низкий потенциал, транзистор M4 открыт. С ростом температуры напряжение ибэ транзистора Q1 начинает уменьшаться (кривая ибэ(1к=з0мкА) рис. 7), как только напряжение ибэ(ь=зомкА) станет ниже Uref^) - транзистор Q1 откроется, транзистор M4 закроется и на выходе схемы защиты сформируется высокий уровень, сообщающий о превышение температуры.

Недостатком схемы на рис. 6 является использование ИОН. Для формирования опорного напряжения чаще всего применяются ИОН на ширине запрещенной зоны. Проблемы в работе схемы могут возникнуть, если опорное напряжение ИОН на ширине запрещенной зоны не остается постоянным в диапазоне высоких температур. В диапазоне высоких температур опорное напряжение ИОН на ширине запрещенной зоны чаще всего уменьшается, по этому, температурный порог отключения, может сдвинуться до очень высокой температуры.

На рис. 7 показан график работы схемы рис. 6, разработанной по технологии SMOS8MV. Все представленные графики получены c использованием платформы проектирования интегральных схем Virtuoso.

ь Uout

0

-60 -20 20 60 100 140 180 Т, °С

Рис. 7. График работы схемы защиты от превышения температуры с использованием температурной зависимости напряжения перехода база-эмиттер

На рис.8 представлена схема защиты от превышения температуры с использованием РТАТ ИТ.[7] Схема защиты имеет температурный порог отключения 150 С и температурный гистерезис 15 С.

Транзистор М3 схемы защиты рис. 8 обеспечивает гистерезисную характеристику, подключая дополнительный резистор Я2 последовательно резистору Ю. Ток РТАТ ИТ, протекая через рези-

стивную цепочку, создает напряжение на базе транзистора Q6 прямо пропорциональное абсолютной температуре (иРТАТ). При комнатной температуре напряжение иРТАТ меньше напряжения ибэ транзистора Q6, транзистор Q6 закрыт - на выходе схемы защиты низкий потенциал, транзистор М3 открыт. С ростом температуры напряжение иРТАТ начинает расти, а напряжение ибэ транзистора Q6 начинает уменьшаться (кривая ибэ(1к=10мкА) рис. 9), как только напряжение иРТАТ2 станет больше напряжения ибэ(1к=10мкА) транзистор Q6 откроется, транзистор М3 закроется и на выходе схемы защиты сформируется высокий уровень, сообщающий о превышение температуры.

с использованием РТАТ источника тока

На рис. 9 приведен график работы схемы рис. 8, также разработанной по технологии 8М088МУ.

и, мВ.

ибэ (|к = 10

: Uptati  I UPTAT2

-60 -20 20 60 100 140 180 Т, °С

Uout

-60 -20 20 60 100 140 180 Т, °С Рис. 9. График работы схемы защиты от превышения температуры с использованием РТАТ источника тока

Достоинством схемы на рис. 8 является использование напряжения пропорционального абсолютной температуре, возрастающего в диапазоне высоких температур. Для нормальной работы схемы все компоненты должны иметь одинаковую температуру.

и, мВ

4

900 800 700 600 500 400 300

и, В

U tin wcs

U63_w

U63_typ(lK = 10inKA) '''^T'fcgL : : U6s bcs (Ik = 10 mhA) ^^ ! '

: : : ^^

-20

140

180 Т, °С

UOUT_bcs UOUT.lyp.

Uout_«s

-60 -20 20 60 100 140 180 Т, °С Рис. 10. График зависимости температурного порога отключения и температурного гистерезиса от отклонений технологического процесса схемы рис. 6

и, мВ

200

и, В

! U63_WCS ----  typ U63_bcs

; ;

UPTÄT1_bEs ЦРТАТ1 ttp^^J

U ........... i

......^¿sS^ÉS UPTAT2 bás

: ; \ UPTAT2 wis

-20

180 Т, °С

ÜOUT.hs UOUT.typ 1 1 I ! 1

.......n I I i: 1 —

UOUT_WCS

-60 -20 20 60 100 140 180 Т, °С Рис. 11. График зависимости температурного порога отключения и температурного гистерезиса от отклонений технологического процесса схемы рис. 8

отключения и гистерезиса, схем защиты рис. 6 и рис. 8 с использованием spice моделей биполярного транзистора технологии SMOS8MV: typ (typical case - типичные случаи), wcs (worst case - наихудший случай) и bcs (best case - наилучшие случаи).

Результаты моделирования схем с использованием spice моделей биполярного транзистора (typ, bcs и wcs) показывают, зависимость параметров этих схем от изменения напряжения перехода база-эмиттер. Прямое падение напряжения на переходе база-эмиттер может изменяться от кристалла к кристаллу, поэтому измерение температуры с использованием биполярного транзистора лучше применять в случаях, когда не требуется высокой точности измерения температуры.

Подводя итог нужно отметить: схемы тепловой защиты нужно размещать компактно и как можно ближе к силовому элементу кристалла ИС -так как там будет самая высокая температура; среди рассмотренных схем защиты, схемы с использованием напряжения пропорционального абсолютной температуре обладают наиболее простым и предсказуемым способом установки температурного порога срабатывания схемы защиты.

Литература

1. Адамов Ю.Ф., Шишина Л.Ю. Проектирование систем на кристалле. - М.: МИЭТ, 2005. - 112 с.

2. Datasheet LM22675 "1A SIMPLE SWITCH, Step-Down Voltage Regulator with Precision Enable".

3. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. 12-е изд. М.: ДМК Пресс, 2008. - 832 с.

4. http://ru.wikipedia.org/wiki/Бандгап

5. SMOS8MV Device Performance Targets, Freescale Semiconductor, April 2006, 28 p.

6. H.Zitta, "Smart Power Circuits for Power Switches Inc1uding Diagnostic Functions", Analog Circuit Design, K1uwer Academic Publisher 1995, p.249.

7. Gabriel Rincon-Mora Analog IC Design with Low-Dropout Regulators (LDOs), McGraw-Hill, Inc. New York, NY 2009.- 400 p.

На рис. 10 и рис. 11 представлены графики, показывающие зависимости температурного порога

Воронежский государственный технический университет Научно-исследовательский институт электронной техники, г. Воронеж

OVERTEMPERATURE PROTECTION VOLTAGE REGULATOR

E.D. Alperin, A.V. Belyavtcev, V.P. Krukov, I.A. Surov

The article deals with the overtemperature protection voltage regulator with integrated power transistor. Shows how to measure temperature in integrated circuits. The circuit of temperature sensors forming an output signal upon reaching a predetermined temperature. Schemes overtemperature protection and simulation results of their work

Key words: overtemperature protection, integral temperature sensor