一種用於智能功率晶片的溫度遲滯保護電路的製作方法
2023-07-07 01:26:11
本發明涉及集成電路技術領域，特別涉及一種用於智能功率晶片的溫度遲滯保護電路。
背景技術：
眾所周知，智能功率晶片正以其體積小、功耗低、可靠性高等優點，逐漸應用於電機驅動系統中以實現節能環保和緊湊型電機驅動，然而智能功率晶片集成的功率器件通常工作於高壓大電流下，具有較大的開關損耗和導通損耗，易使晶片溫度上升，而晶片溫度的上升，又會增加功率器件的導通電阻，進而導致損耗增加，形成正反饋，嚴重情況下會造成熱失控，導致晶片失效，並嚴重影響了變頻電機驅動系統的可靠性。
目前過溫保護的種類主要分為：保持行過熱保護和遲滯型過熱保護。由於遲滯型有效的避免了熱振蕩的問題，保證了晶片的效率與可靠性，成為了人們最常採用的保護策略。不過在傳統的BTJ滯回電路中，存在對溫度靈敏度不夠、以及工藝要求較高等問題。
技術實現要素：
為了解決以上技術問題，本發明提供一種用於智能功率晶片溫度的遲滯保護電路。
一種用於智能功率晶片的溫度遲滯保護電路，包括帶隙基準單元和溫度感應與遲滯模塊；
所述帶隙基準單元包括第一絕緣柵雙極P型電晶體MP1、第二絕緣柵雙極P型電晶體MP2、第三絕緣柵雙極P型電晶體MP3、第一三極體Q1、第二三極體Q2、第三三極體Q3、第一運算放大器A1、第一電阻R1和第二電阻R2；
第一絕緣柵雙極P型電晶體MP1的源極接電源，其柵極接第一運算放大器A1的輸出端；
第二絕緣柵雙極P型電晶體MP2的源極接電源，其柵極接第一運算放大器A1的輸出端；
第三絕緣柵雙極P型電晶體MP3的源極接電源，其柵極接第一運算放大器A1的輸出端；
第一運算放大器A1的同相輸入端接第一絕緣柵雙極P型電晶體MP1的漏極，第一運算放大器A1的反相輸入端接第二絕緣柵雙極P型電晶體MP2的漏極；
第一三極體Q1的發射極接第一絕緣柵雙極P型電晶體MP1漏極和第一運算放大器A1同相輸入端的連接點，第一三極體Q1的集電極和基極接地；
第二三極體Q2的發射極通過第一電阻R1後接第二絕緣柵雙極P型電晶體MP2漏極和第一運算放大器A1反相輸入端的連接點，第二三極體Q2的集電極和基極接地；
第三三極體Q3的發射極通過第二電阻R2後接第三絕緣柵雙極P型電晶體MP3的漏極，第三三極體Q3的集電極和基極接地；
所述溫度感應與遲滯模塊包括第四絕緣柵雙極P型電晶體MP4、第五絕緣柵雙極P型電晶體MP5、第一絕緣柵雙極N型電晶體MN1、第一比較器A2、第二比較器A3、第三電阻R3、輸入電阻Ri、反饋電阻Rf、第一反相器INV1和第二反相器INV2；
第四絕緣柵雙極P型電晶體MP4的源極接電源，其柵極接第一運算放大器A1的輸出端，其漏極通過第三電阻R3後接地；
第五絕緣柵雙極P型電晶體MP5的源極接電源，其柵極接第一運算放大器A1的輸出端；
第一絕緣柵雙極N型電晶體MN1的漏極接第五絕緣柵雙極P型電晶體MP5的漏極，第一絕緣柵雙極N型電晶體MN1的柵極接第一反相器INV1的輸出端，第一絕緣柵雙極N型電晶體MN1的源極通過第三電阻R3後接地；
第一比較器A2的同相輸入端接第四絕緣柵雙極P型電晶體MP4漏極、第三電阻R3和第一絕緣柵雙極N型電晶體MN1源極的連接點，第一比較器A2的反相輸入端與其輸出端互連；
第二比較器A3的同相輸入端接第三絕緣柵雙極P型電晶體MP3漏極和第二電阻R2的連接點，第二比較器A3的反相輸入端通過輸入電阻Ri後接第一比較器A2的輸出端，第二比較器A3的反相輸入端還通過反饋電阻Rf後與其輸出端互連；
第一反相器INV1的輸入端接第二比較器A3的輸出端，第二反相器INV2的輸入端接第一反相器INV1的輸出端，第二反相器INV2的輸出端為溫度遲滯保護電路的輸出端。
本發明總的技術方案，在上述方案中，帶隙基準單元包括正溫度係數電流產生電路、運算放大器、電流鏡以及負溫度係數電流產生電路，產生了一個與溫度無關的基準電壓；所述的溫度感應與遲滯模塊包括溫度感應單元、減法器單元、滯回控制單元，溫度感應單元包括正溫度係數電流產生電路、電流鏡、第三電阻，構成一個與溫度正相關的模塊，減法器單元包括第一比較器、第二比較器、輸入電阻、反饋電阻，使信號既能隔離緩衝、增加負載能力又可以提高電路對溫度的靈敏度，滯回控制單元包括第五絕緣柵雙極性P型電晶體、第一絕緣柵雙極性N型電晶體和第三電阻，通過電流正反饋來產生溫度滯回，防止熱振蕩；其中所述的第三電阻R3由N阱電阻和多晶矽電阻串聯組成。負溫度係數的N阱電阻和正溫度係數的多晶矽電阻相互組合成與溫度無關的電阻。
本發明的有益效果為，與傳統的結構比較，本發明增加了減法器結構，起到了隔離緩衝的作用，使信號抗幹擾能力增強，同時增加了電路靈敏性；外部正反饋實現的遲滯比較器，使閾值電壓更加精確，且容易實現；本發明尤其適用於功率集成電路中的對溫度要求較高的保護。
附圖說明
圖1為本發明電路結構示意圖；
圖2為本發明的減法器結構示意圖；
圖3為本發明的拓撲結構示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明進行詳細的描述。
如圖1所示，本發明的用於智能功率晶片的溫度遲滯保護電路，包括帶隙基準單元和溫度感應與遲滯模塊；
所述帶隙基準單元包括第一絕緣柵雙極P型電晶體MP1、第二絕緣柵雙極P型電晶體MP2、第三絕緣柵雙極P型電晶體MP3、第一三極體Q1、第二三極體Q2、第三三極體Q3、第一運算放大器A1、第一電阻R1和第二電阻R2；
第一絕緣柵雙極P型電晶體MP1的源極接電源，其柵極接第一運算放大器A1的輸出端；
第二絕緣柵雙極P型電晶體MP2的源極接電源，其柵極接第一運算放大器A1的輸出端；
第三絕緣柵雙極P型電晶體MP3的源極接電源，其柵極接第一運算放大器A1的輸出端；
第一運算放大器A1的同相輸入端接第一絕緣柵雙極P型電晶體MP1的漏極，第一運算放大器A1的反相輸入端接第二絕緣柵雙極P型電晶體MP2的漏極；
第一三極體Q1的發射極接第一絕緣柵雙極P型電晶體MP1漏極和第一運算放大器A1同相輸入端的連接點，第一三極體Q1的集電極和基極接地；
第二三極體Q2的發射極通過第一電阻R1後接第二絕緣柵雙極P型電晶體MP2漏極和第一運算放大器A1反相輸入端的連接點，第二三極體Q2的集電極和基極接地；
第三三極體Q3的發射極通過第二電阻R2後接第三絕緣柵雙極P型電晶體MP3的漏極，第三三極體Q3的集電極和基極接地；
所述溫度感應與遲滯模塊包括第四絕緣柵雙極P型電晶體MP4、第五絕緣柵雙極P型電晶體MP5、第一絕緣柵雙極N型電晶體MN1、第一比較器A2、第二比較器A3、第三電阻R3、輸入電阻Ri、反饋電阻Rf、第一反相器INV1和第二反相器INV2；
第四絕緣柵雙極P型電晶體MP4的源極接電源，其柵極接第一運算放大器A1的輸出端，其漏極通過第三電阻R3後接地；
第五絕緣柵雙極P型電晶體MP5的源極接電源，其柵極接第一運算放大器A1的輸出端；
第一絕緣柵雙極N型電晶體MN1的漏極接第五絕緣柵雙極P型電晶體MP5的漏極，第一絕緣柵雙極N型電晶體MN1的柵極接第一反相器INV1的輸出端，第一絕緣柵雙極N型電晶體MN1的源極通過第三電阻R3後接地；
第一比較器A2的同相輸入端接第四絕緣柵雙極P型電晶體MP4漏極、第三電阻R3和第一絕緣柵雙極N型電晶體MN1源極的連接點，第一比較器A2的反相輸入端與其輸出端互連；
第二比較器A3的同相輸入端接第三絕緣柵雙極P型電晶體MP3漏極和第二電阻R2的連接點，第二比較器A3的反相輸入端通過輸入電阻Ri後接第一比較器A2的輸出端，第二比較器A3的反相輸入端還通過反饋電阻Rf後與其輸出端互連；
第一反相器INV1的輸入端接第二比較器A3的輸出端，第二反相器INV2的輸入端接第一反相器INV1的輸出端，第二反相器INV2的輸出端為溫度遲滯保護電路的輸出端。
本發明的工作原理為：
帶隙基準模塊中，所述運算放大器A1是A和B兩點的電壓相等，並產生正溫度係數電流：
再由於電流鏡作用，使流過R1、R2、R3的電流成比例，
其中：
因為VBE具有負溫度係數，而具有正溫度係數。可以通過調節R1和R2的比值。使VS作為一個與溫度無關的基準電壓。
而流過R3的電壓則：
因為具有正溫度係數，所以VR3也是一個具有正溫度係數的參數。
同時考慮到原始結構的溫度敏感度不高，故通過減法器結構來增加其敏高度，提高速度，如圖2所示：合理設置Ri和Rf的值，大大提高其靈敏度，並且單位增益緩衝器起到了隔離緩衝的作用，使信號抗幹擾能力增強。
溫度判斷以及遲滯模塊工作原理如下：電路在正常工作溫度範圍內，Vs大於Vr，減法器輸出高電平，並通過反饋，使所述第一絕緣柵雙極N型電晶體MN1處於截止狀態，則Vr＝I4*R3；當溫度高於閾值溫度時，由於正溫度係數使Vr升高，Vs小於Vr，減法器輸出低電平，並通過正反饋，使所述第一絕緣柵雙極N型電晶體MN1處於導通狀態Vr＝(I3+I4)*R3，故只有當溫度降得更低時，輸出信號才會恢復正常，從而實現遲滯的功能。在此電路中，可以通過調節第四絕緣柵雙極P型電晶體MP4和第五絕緣柵雙極P型電晶體MP5的寬長比來調劑溫度閾值，大大優化了其可靠性。