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TWI686030B - 過熱檢測電路以及電源裝置 - Google Patents

過熱檢測電路以及電源裝置 Download PDF

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TWI686030B TW105102770A TW105102770A TWI686030B TW I686030 B TWI686030 B TW I686030B TW 105102770 A TW105102770 A TW 105102770A TW 105102770 A TW105102770 A TW 105102770A TW I686030 B TWI686030 B TW I686030B
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坂口薫
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Abstract

本發明提供一種電路規模小、低成本且消耗電力小的過熱檢測電路。過熱檢測電路是構成於CMOS裝置中，且包括：基準電壓電路，連接於寄生雙極電晶體的基極與射極間；以及電流檢測電路，連接於寄生雙極電晶體的射極，電流檢測電路對電流流經寄生雙極電晶體的情況進行檢測，並輸出過熱檢測信號。

Description

過熱檢測電路以及電源裝置
本發明是有關於一種被用於電源裝置等中的過熱檢測電路。
圖7是表示被用於電源裝置等中的習知的過熱檢測電路的電路圖。
習知的過熱檢測電路包括基準電壓電路201、感溫電路202、比較器(comparator)電路203、電源端子300及接地端子301。
基準電壓電路201包括N通道金屬氧化物半導體(N-channel Metal Oxide Semiconductor，NMOS)電晶體(transistor)101、102、P通道金屬氧化物半導體(P-channel Metal Oxide Semiconductor，PMOS)電晶體103、104、105以及電阻110、111。感溫電路202包括PMOS電晶體106及二極體(diode)120。
NMOS電晶體101使閘極(gate)與汲極(drain)連接，源極(source)連接於接地端子301。NMOS電晶體102將閘極連接於NMOS電晶體101的閘極。電阻110連接於NMOS電晶體102的源極與接地端子301之間。PMOS電晶體103、104、105構成電流鏡(current mirror)電路。電阻111連接於PMOS電晶體105 的汲極與接地端子301之間。並且，從電阻111與PMOS電晶體105的連接點(基準電壓輸出端子)輸出基準電壓Vref。此處，電阻110與電阻111具有相同的溫度係數。
PMOS電晶體106與PMOS電晶體103構成電流鏡電路。作為感熱元件的二極體120連接於PMOS電晶體106的汲極與接地端子301之間。並且，從二極體120與PMOS電晶體106的連接點(溫度電壓輸出端子)輸出二極體120的順向電壓即溫度電壓Vf。
對比較器電路203的反相輸入端子輸入基準電壓Vref，對非反相輸入端子輸入溫度電壓Vf。一般而言，二極體的順向電壓即溫度電壓Vf在使用互補金屬氧化物半導體(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，CMOS)製程(process)的寄生二極體的情況下，具有大致-2mV/℃的負溫度係數。基準電壓Vref被設定為與欲檢測的溫度時的溫度電壓Vf相等。過熱檢測電路藉由比較器電路203來比較基準電壓Vref與溫度電壓Vf的大小關係，從而檢測過熱。
比較器電路203在檢測過熱時輸出檢測信號Vdet，根據該檢測信號Vdet來控制電源裝置的輸出電晶體等，以保護電源裝置不受過熱損害。
現有技術文獻
專利文獻
專利文獻1：日本專利特開2011-24405號公報
然而，習知技術的過熱檢測電路中，由於需要基準電壓電路、感溫電路及比較器電路，因此電路規模大。而且，由於各電路會恆定地消耗電流，因此存在難以削減消耗電力的課題。
本發明是為了解決如上所述的課題而創作，提供一種電路規模小且可實現低消耗電力化的過熱檢測電路。
本發明中的過熱檢測電路是構成於CMOS裝置中，且包括：寄生雙極電晶體(bipolar transistor)；基準電壓電路，連接於寄生雙極電晶體的基極(base)與射極(emitter)間；以及電流檢測電路，連接於寄生雙極電晶體的射極，對集極(collector)電流流經寄生雙極電晶體的情況進行檢測，並輸出過熱檢測信號。
根據本發明的過熱檢測電路，具有下述效果：可縮小電路規模，且恆定地有電流流經的路徑在未進行過熱檢測時僅為一條，因此可容易地削減消耗電力。
而且，藉由使用寄生雙極電晶體，從而可使用廉價的CMOS製程，可將成本抑制得低。
1、11、110、111‧‧‧電阻
2‧‧‧恆電流源
3‧‧‧齊納二極體
12、103、104、105、106‧‧‧PMOS電晶體
101、102‧‧‧NMOS電晶體
120‧‧‧二極體
200‧‧‧過熱檢測電路
201‧‧‧基準電壓電路
202‧‧‧感溫電路
203‧‧‧比較器電路
204‧‧‧寄生雙極電晶體
205‧‧‧電流檢測電路
300‧‧‧電源端子
301‧‧‧接地端子
B‧‧‧基極
C‧‧‧集極
E‧‧‧射極
Vbias‧‧‧恆電壓
Vdet‧‧‧檢測信號(過熱檢測電壓)
Vf‧‧‧溫度電壓
Vref‧‧‧基準電壓
圖1是表示本實施形態的過熱檢測電路的方塊圖。
圖2是表示本實施形態的過熱檢測電路的寄生雙極電晶體的剖面結構的一例的圖。
圖3是表示本實施形態的過熱檢測電路的一例的電路圖。
圖4是表示本實施形態的過熱檢測電路的另一例的電路圖。
圖5是表示本實施形態的過熱檢測電路的另一例的電路圖。
圖6是表示本實施形態的過熱檢測電路的另一例的電路圖。
圖7是用於對習知的過熱檢測電路進行說明的圖。
圖1是表示本實施形態的過熱檢測電路的方塊圖。
本實施形態的過熱檢測電路200包括基準電壓電路201、寄生雙極電晶體204及電流檢測電路205。本實施形態的過熱檢測電路是藉由在CMOS製程中積極地活用寄生雙極來作為感溫元件而實現。
基準電壓電路201連接於寄生雙極電晶體204的基極(B)與射極(E)間。PNP型的寄生雙極電晶體204的集極(C)與P型基板電性導通(ON)。亦可經由擴散電阻、阱(Well)電阻。
圖2是表示本實施形態的過熱檢測電路200的寄生雙極電晶體的剖面結構的一例的圖。電流檢測電路205連接於寄生雙極電晶體204的射極。
對本實施形態的過熱檢測電路200的動作進行說明。
基準電壓電路201輸出基準電壓Vref。基準電壓Vref被施加至寄生雙極電晶體204的基極與射極間。一般而言，用於使雙極電晶體導通的基極與射極間電壓具有大致-2mV/℃的負溫度係數。基準電壓Vref是以在常溫下小於使寄生雙極電晶體204導通的基極與射極間電壓的方式而設定。當溫度低於規定時，基準電壓Vref小於使寄生雙極電晶體204導通的基極與射極間電壓Vbe，因此寄生雙極電晶體204斷開(OFF)。當溫度上升，基準電壓Vref成為使寄生雙極電晶體204導通的基極與射極間電壓Vbe以上時，寄生雙極電晶體204導通，寄生雙極電晶體204的集極電流Ic流動。電流檢測電路205包含阻抗元件與輸出端子，根據寄生雙極電晶體204的集極電流Ic的增加來檢測過熱。
以下，對於本實施形態的過熱檢測電路200，列舉具體的電路例來進行說明。
圖3是表示本實施形態的過熱檢測電路的一例的電路圖。
圖3的過熱檢測電路200包括基準電壓電路201、寄生雙極電晶體204及電流檢測電路205。基準電壓電路201包括恆電流源2與電阻1。電流檢測電路205包括電阻11。
基準電壓電路201中，電阻1連接於寄生雙極電晶體204的基極與射極間，恆電流源2連接於寄生雙極電晶體204的基極與接地端子301之間。電流檢測電路205串聯連接於電源端子300與寄生雙極電晶體204的射極間。
接下來，對圖3的過熱檢測電路200的動作進行說明。
基準電壓電路201輸出基準電壓Vref。若設電阻1的電阻值為R1、恆電流源2的電流值為Iref、使寄生雙極電晶體204導通的基極與射極間電壓為Vbe，則基準電壓Vref以數式1而給出。
Vref=Iref‧R1 (1)
當溫度低於規定時，Vref<Vbe，寄生雙極電晶體204斷開。當溫度上升而成為Vref=Vbe時，寄生雙極電晶體204導通，集極電流Ic流動。若設寄生雙極電晶體204的電流放大率為hFE，則集極電流Ic藉由數式2而給出。
Ic=hFE‧(Iref-Vbe/R1) (2)
電流檢測電路205對寄生雙極電晶體204的集極電流Ic的增大進行檢測，並輸出過熱檢測電壓(檢測信號)Vdet。若設電源端子300的電壓為Vdd、電阻11的電阻值為R11，則過熱檢測電壓Vdet藉由數式(3)而給出。
Vdet=Vdd-R11‧Ic (3)
過熱檢測電壓Vdet在溫度低於規定時成為高位準(high level)，在達到規定溫度時成為低位準(low level)，從而檢測過熱。
如以上所說明般，藉由在CMOS製程中活用寄生雙極電晶體來作為感溫元件，從而可構成本實施形態的溫度檢測電路， 因此可縮小電路規模。
圖4是表示本實施形態的過熱檢測電路的另一例的電路圖。
與圖3的過熱檢測電路的不同之處在於，將電流檢測電路205的電阻11變更為PMOS電晶體12。
PMOS電晶體12的源極連接於電源端子300，汲極連接於寄生雙極電晶體204的射極。
PMOS電晶體12的閘極與源極間以恆電壓Vbias而偏壓，作為恆電流源進行動作。過熱檢測電壓Vdet是由PMOS電晶體12的汲極電流Id與寄生雙極電晶體204的集極電流Ic的大小關係來決定。當低於規定溫度時，為Ic<Id，過熱檢測電壓Vdet成為高位準。當溫度上升而成為Ic>Id時，Vdet成為低位準，從而檢測過熱。
圖5是表示本實施形態的過熱檢測電路的另一例的電路圖。
與圖3的過熱檢測電路的不同之處在於，將基準電壓電路201的電阻1變更為齊納二極體(Zener diode)3。
齊納二極體3的陽極(anode)連接於寄生雙極電晶體204的基極，陰極(cathode)連接於寄生雙極電晶體的射極。
基準電壓Vref成為齊納二極體3兩端的電壓即齊納電壓Vz。當溫度上升而成為Vref>Vbe時，進行過熱檢測。
圖6是表示本實施形態的過熱檢測電路的另一例的電路 圖。
與圖3的過熱檢測電路的不同之處在於，寄生雙極電晶體204為對多個寄生雙極電晶體進行達林頓(Darlington)連接的結構。圖6表示了對兩個寄生雙極電晶體進行達林頓連接的示例，但亦可對更多的寄生雙極電晶體進行達林頓連接。
另外，電流檢測電路201亦可利用雷射修整(laser trimming)等方法，來使電阻1的電阻值可變，從而可調整過熱檢測溫度。
而且，亦可使基準電壓電路201的電阻1或者恆電流源2、電流檢測電路205的電阻11等構成為根據過熱檢測信號而可變，從而對過熱檢測溫度設置遲滯(hysteresis)。
而且，以寄生雙極電晶體204為PNP型進行了說明，但亦可為NPN型，只要使極性反相地構成即可，可獲得同樣的效果。
如以上所說明般，根據本實施形態的過熱檢測電路，藉由在CMOS製程中活用寄生雙極電晶體來作為感溫元件，從而具有下述效果：可縮小電路規模，且恆定地有電流流經的路徑在未進行過熱檢測時僅為一條，因此可削減消耗電力。
而且，本發明並不限定於本實施形態所示的電路結構，當然涵蓋本領域技術人員可根據周知技術而容易地類推的範圍。
進而，本實施形態的過熱檢測電路只要構成為對電源裝置的過熱進行檢測，並利用該檢測信號來控制電源裝置的輸出電晶體的閘極，便可構成電路規模小且消耗電流少的過熱保護電路。
200‧‧‧過熱檢測電路
201‧‧‧基準電壓電路
204‧‧‧寄生雙極電晶體
205‧‧‧電流檢測電路
300‧‧‧電源端子
301‧‧‧接地端子
B‧‧‧基極
C‧‧‧集極
E‧‧‧射極
Vdet‧‧‧檢測信號(過熱檢測電壓)

Claims (5)

  1. 一種過熱檢測電路，構成於互補金屬氧化物半導體裝置中，所述過熱檢測電路的特徵在於包括：寄生雙極電晶體；基準電壓電路，包括齊納二極體及恆電流源，所述齊納二極體的陽極連接於所述寄生雙極電晶體的基極，所述齊納二極體的陰極連接於所述寄生雙極電晶體的射極，所述恆電流源連接於所述寄生雙極電晶體的基極與接地端子之間；以及電流檢測電路，連接於所述寄生雙極電晶體的射極，包含阻抗元件與輸出端子，所述電流檢測電路對集極電流流經所述寄生雙極電晶體的情況進行檢測，並輸出過熱檢測信號。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的過熱檢測電路，其中所述基準電壓電路將在規定溫度以下不會有集極電流流經所述寄生雙極電晶體的電壓，施加至所述寄生雙極電晶體的基極與射極間。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的過熱檢測電路，其中所述電流檢測電路的所述阻抗元件為電阻。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的過熱檢測電路，其中所述電流檢測電路的所述阻抗元件是閘極被施加有偏壓電壓的金屬氧化物半導體電晶體。
  5. 一種電源裝置，其特徵在於包括如申請專利範圍第1 項至第4項中任一項所述的過熱檢測電路來作為過熱保護電路。
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