一、功率集成電路與過熱保護(hù)概述
功率集成電路作為電子技術(shù)領(lǐng)域的關(guān)鍵元件，具備一定的負(fù)載能力，能夠處理較高電壓的輸入與輸出，廣泛應(yīng)用于電氣照明設(shè)備等眾多場(chǎng)景。與常規(guī)芯片不同，它將低壓數(shù)字或模擬電路與高壓功率輸出電路集成在同一芯片上。由于集成高壓功率輸出部分，功率集成電路在運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生較大熱量，若不加以有效控制，容易導(dǎo)致芯片燒毀。因此，過熱保護(hù)電路對(duì)于功率集成電路而言至關(guān)重要，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)芯片溫度，防止因過熱而引發(fā)的損壞，保障設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。
二、過熱保護(hù)電路設(shè)計(jì)關(guān)鍵
將溫度信號(hào)準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)是設(shè)計(jì)過熱保護(hù)電路的核心環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)傳感器，如熱電偶和熱電阻，因其難以集成到集成電路中的局限性，無法滿足實(shí)際應(yīng)用需求。在集成電路領(lǐng)域，通常采用二極管、三極管的溫度特性作為傳感器，實(shí)現(xiàn)溫度監(jiān)測(cè)與信號(hào)轉(zhuǎn)換。
三、二極管溫度檢測(cè)電路及其工作原理
二極管的伏安特性對(duì)溫度變化較為敏感，使其成為理想的溫度傳感器選擇。根據(jù)二極管特性曲線，隨著溫度升高，正向特性曲線向左移動(dòng)，反向特性曲線向下移動(dòng)。具體表現(xiàn)為：在室溫附近，溫度每上升 1℃，正向壓降降低 2～2.5mV；溫度每升高 10℃，反向電流大約增加 1 倍，呈現(xiàn)出負(fù)溫度特性。在 20～150℃的溫度區(qū)間內(nèi)，二極管能穩(wěn)定保持這一特性。經(jīng)過大量試驗(yàn)與統(tǒng)計(jì)分析，確定其正向電壓隨溫度變化的速率為 - 2.2mV/℃，即溫度每上升 1℃，正向電壓下降 2.2mV，反之則上升 2.2mV。
基于二極管的這一特性，設(shè)計(jì)了二極管溫度檢測(cè)電路，通過測(cè)量二極管正向電壓的變化來計(jì)算溫度變化，進(jìn)而控制過熱保護(hù)電路。電路中采用 4 個(gè)二極管串聯(lián)作為溫度傳感器，形成 - 8.8mV/℃的溫度系數(shù)。M9、M10、M11 組成的鏡像電流源為 4 個(gè)二極管提供穩(wěn)定的電流。在芯片工作過程中，溫度升高時(shí)，V 點(diǎn)電壓隨之下降，通過檢測(cè) V 點(diǎn)電壓即可獲知當(dāng)前溫度狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)溫度到電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)換。
仿真結(jié)果顯示，溫度為 50℃時(shí)，V 點(diǎn)電壓為 2.4V；溫度為 120℃時(shí)，V 點(diǎn)電壓為 1.78V?；诖耍O(shè)計(jì)遲滯比較器，當(dāng)輸入端電壓低于 1.78V 時(shí)輸出高電平信號(hào)（定義為保護(hù)信號(hào)），高于 2.4V 時(shí)輸出低電平信號(hào)（解除保護(hù)）。從而實(shí)現(xiàn)溫度超過 120℃時(shí)啟動(dòng)保護(hù)，溫度回落至 50℃時(shí)解除保護(hù)，恢復(fù)工作。在遲滯比較器的選擇上，建議采用模擬式，相較于數(shù)字式施密特觸發(fā)器，其回差電壓值僅與參考電壓和內(nèi)部 MOS 管尺寸相關(guān)，不受溫度影響，更易于調(diào)節(jié)。過熱保護(hù)電路的方框圖清晰展示了各部分的功能與相互關(guān)系。
四、仿真結(jié)果與電路優(yōu)化
仿真結(jié)果表明，該過熱保護(hù)電路性能優(yōu)異，信號(hào)轉(zhuǎn)換精準(zhǔn)。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，電路可能受到電壓波動(dòng)的影響。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電壓源在 4～6V 范圍內(nèi)變化時(shí)，120℃和 50℃的溫度曲線分別出現(xiàn) 10℃和幾十?dāng)z氏度的誤差，這凸顯了電路對(duì)電壓變化的敏感性，需要進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化。
針對(duì)電壓波動(dòng)問題，常用解決方法是在電路中添加穩(wěn)壓管?？紤]到硅穩(wěn)壓管在 4～7V 電壓范圍內(nèi)的溫度系數(shù)極小，可近似忽略不計(jì)，改進(jìn)后的電路在該電壓區(qū)間內(nèi)能有效抑制電壓變化對(duì)溫度檢測(cè)的影響。仿真結(jié)果驗(yàn)證了改進(jìn)效果，加入穩(wěn)壓管后，電路性能顯著提升，50℃時(shí) V 點(diǎn)電壓為 2.16V，120℃時(shí)為 1.535V，成功解決了電壓波動(dòng)帶來的誤差問題，提高了過熱保護(hù)電路的可靠性和準(zhǔn)確性。
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