IC-保护点路原理2

IC保护电路RockMay24th,2014.CONFIDENTIAL2AnalogblockOVP——OverVoltageProtection过电压保护OCP——OverCurrentProtection过电流保护OLP——OverLoadProtection过负载保护OTP——OverTemperatureProtection过温度保护POR——PowerOnReset欠压保护这些都是电路的反馈保护机制，在电路某一项参数超出额定参数后，电路会自动切断以保护电路。CONFIDENTIAL3一OTP过温保护电路随着IC芯片集成密度和功率密度的不断提高，功耗不断增大。由于功耗增大，引起芯片温度上升，当超过极限温度时，根据半导体物理学中本征半导体载流子随温度变化的规律，对本征半导体，在室温附近时，温度每升高8度，本征载流子浓度增加约1倍。温度足够高时，本征载流子激发占主导，器件失效。因此，必须对芯片设计热关断电路，特别是在集成功率器件的功率集成电路中。当芯片超过警戒温度时，电路提供一个热关断信号，禁止芯片工作；当芯片温度降到滞回区间外时，恢复芯片工作。过温保护电路的设计思路是利用二极管或三极管的温度特性来检测芯片内部温度的变化，当温度超过设定值时，保护电路工作，将系统关断，以防其损坏。热关断电路设计的关键是将温度信号精确的转变为电压信号。传统的方法是用热电偶和热电感来检测温度，但是这些方法不适合芯片的设计。因此，必须利用集成电路中各种器件的温度特性来设计热关断电路。CONFIDENTIAL4一OTP过温保护电路本征载流子（Intrinsiccarrier）就是本征半导体中的载流子（电子和空穴），即不是由掺杂所产生出来的载流子。也就是说，本征载流子是由热激发——本征激发所产生出来的，即是价电子从价带跃迁到导带而产生出来的；它们是成对产生的，所以电子和空穴的浓度始终相等。本征半导体，从物理本质上来说，也就是两种载流子数量相等、都对导电起同样大小的半导体。因此，未掺杂的半导体是本征半导体，但是掺有杂质的半导体在一定条件下也可能成为本征半导体（只要两种载流子的浓度相等）。对于掺有杂质的n型或p型半导体，其中的多数载流子主要就是由杂质电离所提供，而其中的少数载流子则是由本征激发所产生的。因此，在杂质全电离情况下，多数载流子浓度基本上与温度无关，但少数载流子则随着温度将指数式增大。与温度的关系：因为本征载流子是由本征激发所产生的，则它的产生与热激发有关，也与禁带宽度有关，所以具有以下特点：一是电子浓度=空穴浓度；二是载流子浓度随着温度的升高而指数式增大；三是与禁带宽度有指数函数关系（不同半导体的本征载流子浓度不同）。本征载流子浓度ni与温度T和禁带宽度Eg的关系为（与杂质无关）ni=(NcNv)^(1/2)exp[－Eg/(2kT)]在室温下，Si的ni=1.45×10^10cm-3，GaAs的ni=1.79×10^10cm-3。(N阱注入3×10^12cm-3，阱外1×10^12cm-3)由于本征载流子浓度ni随着温度的升高而指数式增大，故在足够高的温度下，对于掺杂的半导体，在较高温度下，本征载流子浓度也都将大于杂质所提供的载流子浓度——多数载流子浓度。这就是说，即使是掺杂的半导体（除非掺杂浓度异常高），都将随着温度的升高而逐渐转变为本征半导体（两种载流子浓度相等）。这种半导体本征化的作用，即将导致pn结失效，所以这实际上也就是限制所有半导体器件及其集成电路的最高工作温度的根本原因；也因此，半导体器件的最高工作温度也就由半导体的本征化温度来稳定。CONFIDENTIAL5一OTP过温保护电路1两种典型的过热保护电路1.1利用齐纳二极管的传统过热保护电路如图1所示,三极管Q2的基极电压为:我们知道,三极管Q1的VBE具有负温度系数,而齐纳二极管DZ的VZ具有正的温度系数。在常温下,VB2小于三极管Q2的导通电压,Q2不导通,输出电压VOUT为高电平;当温度升高时,VZ增加,VBE1减小,使VB2增加,当温度升到一定值时,Q2导通,使输出VOUT翻转,变为低电平。在双极性工艺中,VBE和VZ的温度性能是可靠的,该电路性能是比较高的,但在稳定电压大于7V时齐纳二极管才具有正的温度系数,在CMOS工艺中很难产生这么高的电压。更重要的是该过热保护电路功耗很大,偏离了低功耗的发展趋势。图1典型的传统过热保护电路CONFIDENTIAL6一OTP过温保护电路•1.2利用PTAT电流源的过热保护电路图2为该类型OTP的示意图,电流源IPTAT对温度很敏感,能表征温度变化,和绝对温度成比例,令:IPTAT1=K1·T(2)IPTAT2=K2·T(3)其中K1和K2是正比例系数,T是绝对温度。当温度升高的时候,电流也随之成比例增加,在PTAT点以及降在R2上的电压也升高,但不随电源电压VDD变化,而Q1上的结压VBE随着温度的升高而降低。调整参数就可以使base点的电压成为不随温度和电源电压变化的基准电压。由式(2),式(3)得PTAT点和Vbase点的电压分别为:VPTAT=K1·R1·T(4)Vbase=K2·R2·T+VBE(5)所以在某个温度点上,VPTAT与Vbase相等,此温度点为过热温度点。由于其较为优越的性能表现,这种类型的OTP应用比较广泛。图2PTAT电流源型OTP电路示意图CONFIDENTIAL7一OTP过温保护电路•1.3带迟滞延时的过温保护电路该电路具有75度的温度滞回区间，热关断点温度142度CONFIDENTIAL8一OTP过温保护电路•2.OTP在IC中的具体应用示例：•TC0408BOTPblock•COMP的Vout给PWM控制调频信号，控制IC的工作和截止。(在layout中感温bjt最好放到BIGMOS附近或者chip中间)CONFIDENTIAL9二COMP比较器简单地说，电压比较器是对两个模拟电压比较其大小(也有两个数字电压比较的，这里不介绍)，并判断出其中哪一个电压高，如图1所示。图1(a)是比较器，它有两个输入端：同相输入端(“+”端)及反相输入端(“-”端)，有一个输出端Vout(输出电平信号)。另外有电源V+及地(这是个单电源比较器)，同相端输入电压VA，反相端输入VB。VA和VB的变化如图1(b)所示。在时间0～t1时，VAVB；在t1～t2时，VBVA；在t2～t3时，VAVB。在这种情况下，Vout的输出如图1(c)所示：VAVB时，Vout输出高电平(饱和输出)；VBVA时，Vout输出低电平。根据输出电平的高低便可知道哪个电压大。（Vout具有施密特触发特性)CONFIDENTIAL10二COMP比较器如果把VA输入到反相端，VB输入到同相端，VA及VB的电压变化仍然如图1(b)所示，则Vout输出如图1(d)所示。与图1(c)比较，其输出电平倒了一下。输出电平变化与VA、VB的输入端有关。图2(a)是双电源(正负电源)供电的比较器。如果它的VA、VB输入电压如图1(b)那样，它的输出特性如图2(b)所示。VBVA时，Vout输出饱和负电压。（Vout具有施密特触发特性)CONFIDENTIAL11二COMP比较器电路结构COMP在layout中要注意matchingCONFIDENTIAL三OVP过压保护电路•输出过压保护电路的作用是：当输出电压超过设计值时，把输出电压限定在一安全值的范围内。当开关电源内部稳压环路出现故障或者由于用户操作不当引起输出过压现象时，过压保护电路进行保护以防止损坏后级用电设备。在测试与测量应用中，必须为放大器、电源以及类似部件的输出端提供过压保护。实现这一任务的传统方式是在输出节点中增加串联电阻，并在电源线路或其它阈值电压上增加箝位二极管（图1）。这个电阻大大减小了电流输出的能力，以及低阻负载的输出电压摆幅。另外一种方案是用保险丝或其它限流器件，它优于这些箝位电路的高吸能能力。当源电阻R6上的压降大于耗尽型MOSFETQ1与Q2的栅极阈值电压时，图2电路是作为一个双极电流源，从而限制了通过箝位二极管的电流。这种方案的缺点是在过载条件下，串联元件上有大的功耗。12CONFIDENTIAL三OVP过压保护电路•有一种合理的方案是当输出端子上存在过载电压时，将放大器输出节点与输出端子断开一段时间。几十年来，工程师都在音响功率放大器中使用机电继电器完成这种串联断接，不过原因不同，他们是用于扬声器保护。SSR（固态继电器）（包括光电子、光伏电池、OptoMOS和hotoMOS器件）适合完成中等强度电流的负载断接任务，因为其控制端与负载端之间有电流绝缘。13CONFIDENTIAL三OVP过压保护电路•图3中的串联保护电路使用一只串接的大电压SSR，切断放大器的输出端。当输出电压升高到正基准电压以上或低于负基准电压阈值时，就会使IC2或IC3比较器变换自己的输出状态，通过与逻辑器件IC5关断SSRIC4。图4显示了实现这种方案的简单电路。图4中的电路只需要少量外接元件，使用一只SSR作输出过压保护。上升的过压使IC2中的两只晶体管截止，切断了流经IC3控制LED的电流。继电器IC3打开，保护放大器与箝位二极管。该电路经过了一系列Clare、MatsushitaElectronicWorks和PanasonicSSR的测试，它们有的带内部电流保护，有的不带。电源线路电压是±15V；R10、R11和R12设定触发电平为±16V。省略R11可将触发电平移至±14.5V。在保护电路工作时，针对0.5V过压保护继电器，SSR的关断延迟为100μs~200μs，较高过压下延迟会更短些。注意在使用低导通电阻SSR时，通过箝位二极管的峰值电流可能会相当大。14CONFIDENTIAL三OVP过压保护电路15图4CONFIDENTIAL16RES_S1_S4是对检测电压进行降压处理，产生R_S1----R_S4四个电压送给比较器的PIN端。SWCOMS为2选1电路，将bandgap产生的两个基准电压V1D75、V0D8选择一个给比较器的NIN端。当检测信号R_S1----R_S4大于VREF电位，比较器输出结果翻转，给出一个IC关断信号。这边选择信号VIN220最后接到fuse上，最后测试通过切断fuse，选择V1D75、V0D8中的一个电位给VREF做为比较器基准电压。三OVP过压保护电路CONFIDENTIAL17三OVP过压保护电路OVP过压保护电路RES_S1_S4是对检测电压进行降压处理，送给比较器CMP_2SP_OVP电压比较器后，接一些对翻转信号进行处理的电路CONFIDENTIAL三OVP过压保护电路•TKA050COVPblocklayout比较器和降压电阻18CONFIDENTIAL四POR欠压保护电路1双极型输入欠压保护电路。当输入电压低于设定欠压值时，关闭输出；当输入电压升高到设定恢复值时，输出自动恢复正常。191234ABCD4321DCBATitleNumberRevisionSizeA4Date:18-Oct-2007SheetofFile:F:\工作文件夹\SR系列电路库\dl.DDBDrawnBy:R1R17VT4VT5R19VD4VT6R21R2R22R23C11R2'COMP(IC的1脚）+VinCONFIDENTIAL四POR欠压保护电路•工作原理分析:20•电路的优缺点•优点：电路形式简单，成本较低。•缺点：因稳压管VD4批次间稳压值的差异，导致欠压保护点上下浮动，大批量生产时需经常调试相关参数。CONFIDENTIAL四POR输出过压、欠压保护电路2过压、欠压状态的判断*比较器A用于输出过压判断。*比较器B用于输出欠压判断。*调整电阻R1、R2、R3可改变保护点。、*正常时，UB=“0”；保护时，UB=“1”。上限下限CONFIDENTIAL五OCP过流保护电路1过流保护电路的功能和组成*功能发生过流时，立即某种方式消除过流，保护电路器件不会损坏。*产生过流的原因①负载过载或输出短路②整流器件失效③开关管失效④干扰等因素造