專利名稱：利用集電極穿透電流監(jiān)測功率管結(jié)溫進(jìn)行過溫保護(hù)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種利用集電極穿透電流監(jiān)測大功率管結(jié)溫進(jìn)行過溫保護(hù)，屬于集成電路設(shè)計技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：
大功率功放失效的重要原因之一是輸出管通過大電流而引起結(jié)溫超過允許值。在集成功率放大器中，輸出管的結(jié)溫決定芯片的溫度。為此，常利用二極管或晶體管的結(jié)溫升作為測溫元件，讓它們靠近輸出管，從而反應(yīng)輸出管的溫升情況，當(dāng)輸出管溫升超過允許值時，測溫二極管(或晶體管)啟動一個電路，，輸出管驅(qū)動電流減小，使芯片溫度下降至安全值。
傳統(tǒng)的過熱保護(hù)電路如圖1示，設(shè)保護(hù)溫度為Ts＝150℃。
由于Vz和VBE的溫度系數(shù)分別為


如果忽略電阻比的溫度系數(shù)，則


于是QH導(dǎo)通，偏置電流減小，輸出管驅(qū)動電流減小，亦即輸出管發(fā)熱減小，芯片溫度下降。隨著芯片溫度的下降，VBEH隨之升高，VH跟著下降，QH截止，偏置電流恢復(fù)，芯片溫度又會上升。這樣，就會在在過熱保護(hù)溫度附近產(chǎn)生熱振蕩。這種熱振蕩一方面會破壞電路正常工作，另一方面由于硅片和封裝管殼各部分的溫度系數(shù)不同，還會在硅片和管殼的連接處產(chǎn)生附加的應(yīng)力。


發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的是提供一種利用集電極穿透電流監(jiān)測大功率功放輸出管結(jié)溫進(jìn)行過溫保護(hù)的方法，ICEO(即穿透電流)隨溫度成2的次方形式遞增，能夠及時監(jiān)測到輸出管結(jié)溫，即大部分時間處于關(guān)閉狀態(tài)，非常有效地提高了電路的可靠性。
技術(shù)方案本發(fā)明的過熱保護(hù)熱采樣用的是ICEO(穿透電流)。電路內(nèi)部可設(shè)計測試多種溫度來保護(hù)電路的過溫保護(hù)模塊，一部分基極開路的三極管均勻分布在輸出管里面，另一部分基極開路的三極管在輸出管外部用來測試整個芯片溫度。兩者產(chǎn)生啟動脈沖信號的溫度不同。當(dāng)輸出對地、對電源及負(fù)載短路時，因輸出管溫度上升最快，所以先啟動輸出管里的保護(hù)電路。如果溫度不能及時消散，隨后啟動另一個保護(hù)電路。在開始電路不是非常熱時，電路啟動過熱保護(hù)時，會出現(xiàn)2ms左右的閃爍波形，如果溫度還不能及時消散，電路就一直保持在高輸出阻抗?fàn)顟B(tài)，沒有輸出波形。
再來討論ICEO，它是基極開路(即IB＝0)時由集電極直通到發(fā)射極的電流，如圖2所示，基極開路時，加在集電極和發(fā)射極間的正值電壓VCE被分配到兩個結(jié)點(diǎn)上，即VCE＝VCB+VBE，其中VCB為正值(或VBC為負(fù)值)，集電結(jié)上加的是反偏；VBE為正值，發(fā)射結(jié)上加的是正偏，晶體管仍工作在放大模式，具有正向受控作用。由于IB＝0，IB中的受控成分〔IEP+(IEN-ICNI)〕等于ICBO，其值被放大β倍，再加上集電極本身的ICBO。因而ICEO＝ICBO+βICEO＝(1+β)ICBO，顯然ICEO遠(yuǎn)大于ICBO。不過，在常溫下，ICBO很小，因而ICEO仍是一個很小的值，一般可以忽略不計。
IEP是基區(qū)中多子空穴通過發(fā)射結(jié)源源不斷地注入到發(fā)射區(qū)而形成的空穴電流。
(IEN-ICNI)是基區(qū)中非平衡少子在向集電結(jié)擴(kuò)散過程中被復(fù)合而形成的復(fù)合電流。
β為共發(fā)射極(簡稱為共發(fā)或共射)電流放大系數(shù)(Common Emitter CurrentCain)其值大于1。
ICEO是基極開路時(IB＝0)的集電結(jié)電流，稱為穿透電流。
β，ICBO均是溫度敏感的參數(shù)，工程分析時，可近似為 每升高1℃，Δβ/β增大(0.5~1)％，即Δβ/(βT)＝(0.005~0.01)/℃ 每升高10℃，ICBO增大一倍，即ICBO(T2)＝ICBO(T1)*2*(T2-T1)/10 如在室溫下，β＝100，ICBO＝10-12A，溫度由室溫升高到40℃時， 則Δβ/β＝(0.5~1)％*40＝(20~40)％，即β＝120~140 ICBO增大24倍，即ICBO＝1.6*10-11A，ICEO＝(1+β)ICBO＝2.24*10-9A，所以說ICEO(即穿透電流)能夠及時監(jiān)測到輸出管結(jié)溫。
利用三極管的ICEO即漏電流隨溫度成2的次方形式遞增的原理來進(jìn)行過溫保護(hù)，正常工作時，充電管對振蕩電容充電至電源，平時振蕩電容上極板為正電荷，下極板為負(fù)電荷，充電管充電時對下極板充正電荷，充至下極板同上極板同電位，放電管一直有電流，對振蕩電容充電時，放電電流ic3忽略不計，放電時對放電管放電，放電管電流很小，整個周期主要由放電時間決定； 利用集電極穿透電流監(jiān)測大功率管結(jié)溫進(jìn)行過溫保護(hù)的方法利用三極管的ICEO即漏電流隨溫度成2的次方形式遞增的原理來進(jìn)行過溫保護(hù)，正常工作時，充電管對振蕩電容充電至電源，平時振蕩電容上極板為正電荷，下極板為負(fù)電荷，充電管充電時對下極板充正電荷，充至下極板同上極板同電位，放電管一直有電流，對振蕩電容充電時，放電電流ic3忽略不計，放電時對放電管放電，放電管電流很小，整個周期主要由放電時間決定； 在電容對放電管放電過程中，第一電平比較器、第二電平比較器導(dǎo)通，第三電平比較器截止，第一恒流源中的第一恒流管、第二恒流管、第三恒流管截止，第二恒流源中的第四恒流管、第五恒流管截止；當(dāng)過溫保護(hù)點(diǎn)被置低時，第三恒流源中的第六恒流管、第七恒流管導(dǎo)通，有70uA電流，第九恒流管恒流，第八恒流管的集電極約拉掉20uA電流，第七恒流管剩余電流流至第十恒流管的基極，第十恒流管飽和；當(dāng)電容放電放至第三電平比較器的基極電位為高時，第三電平比較器導(dǎo)通，第一恒流源中的第一恒流管、第二恒流管、第三恒流管導(dǎo)通，第二恒流源中的第四恒流管、第五恒流管導(dǎo)通，恒流源2飽和；第四電平比較器的基極置低時，過溫保護(hù)點(diǎn)被置高；當(dāng)過溫保護(hù)點(diǎn)一被置高時第五電平比較器被關(guān)斷，第五電平比較器關(guān)斷后，它的基極立即被置低，2ms后，過溫保護(hù)點(diǎn)的電位仍與第五電平比較器的基極電位比較；一旦進(jìn)入過溫保護(hù)狀態(tài)后，第六電平比較器的基極拉低，第五電平比較器導(dǎo)通，其基極電位被迅速置高，在2ms期間，若溫度下降一點(diǎn)點(diǎn)，過溫保護(hù)上升一點(diǎn)點(diǎn)，如果仍和1.35V比較的話，則電路可能一直處于保護(hù)和不保護(hù)狀態(tài)之間；電平比較器第五電平比較器的基極電平變高，即比較基極電平置高，即保護(hù)住的時間加長，電路的可靠性變好；一部分基極開路的三極管即輸出管的第一溫度檢測管、第二溫度檢測管、第三溫度檢測管、第四溫度檢測管均勻分布在輸出管里面，另一個基極開路的三極管即前置部分溫度檢測管分布在輸出管外部用來測試整個芯片溫度，兩個不同位置的基極開路的三極管產(chǎn)生啟動脈沖信號的溫度不同，當(dāng)溫度檢測管、第一溫度檢測管、第二溫度檢測管、第三溫度檢測管、第四溫度檢測管高溫時的集電極穿透電流增大至足以使第一開關(guān)管、第二開關(guān)管、第三開關(guān)管、第四開關(guān)管、第五開關(guān)管導(dǎo)通，電路進(jìn)入過溫保護(hù)狀態(tài)； 大功率功放電路正常工作時，當(dāng)輸出端對地、對電源及負(fù)載短路時，輸出管溫度上升得非?？欤韵葐虞敵龉芾锏谋Ｗo(hù)電路；如果溫度不能及時消散，隨后啟動另一個保護(hù)電路； 當(dāng)大功率功放電路的溫度非常高時(一般電路表面溫度超過130攝氏度)，電路啟動過熱保護(hù)時，會出現(xiàn)2ms左右的閃爍波形，如果溫度還不能及時消散，電路就一直保持在高輸出阻抗?fàn)顟B(tài)，沒有輸出波形。大大提高了大功率功放電路的可靠性。
有益效果大功率功放電路的負(fù)載對地、對電源交流短路保護(hù)一直是設(shè)計的一大難點(diǎn)。因為負(fù)載對電源、對地交流短路保護(hù)瞬間會產(chǎn)生非常大的電流導(dǎo)致輸出管結(jié)溫迅速上升，而傳統(tǒng)的過溫保護(hù)電路反應(yīng)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上結(jié)溫的上升速度。綜上分析，利用穿透電流來監(jiān)測輸出管的結(jié)溫可以完美地完成負(fù)載對地、對電源的交流短路保護(hù)。ICEO(即穿透電流)隨溫度成2的次方形式遞增，能夠及時監(jiān)測到輸出管結(jié)溫，保護(hù)之后，電路的工作狀態(tài)為檢測-→保護(hù)(2ms)-→檢測，即大部分時間處于關(guān)閉狀態(tài)，非常有效地提高了電路的可靠性。



圖1是傳統(tǒng)的過熱保護(hù)電路示意圖， 圖2是集電極穿透電流的示意圖， 圖3是利用集電極穿透電流監(jiān)測功放輸出管結(jié)溫進(jìn)行過溫保護(hù)示意圖，其中圖3a是圖3的右邊部分，圖3b是圖3的中間部分，圖3c是圖3的左邊部分。
圖4是利用集電極穿透電流監(jiān)測功放輸出管結(jié)溫進(jìn)行過溫保護(hù)后的輸出波形示圖。

具體實施例方式 熱采樣用的是，ICEO的漏電流隨溫度成2的次方形式遞增。溫度上升100度電流可以增加1000倍，此時漏電流不容忽視，可以達(dá)到uA級電流。
正常工作時，充電管Q222對振蕩電容C7充電至電源，平時振蕩電容C7上極板為正電荷，下極板為負(fù)電荷，充電管Q222充電時對下極板充正電荷，充至下極板同上極板同電位，放電管Q207一直有電流，對振蕩電容C7充電時，放電電流ic3忽略不計，放電時對放電管Q207放電，放電管Q207電流很小，整個周期主要由放電時間決定。
在電容對放電管Q207放電過程中，第一電平比較器Q210、第二電平比較器Q209導(dǎo)通，第三電平比較器Q208截止，恒流源1中的第一恒流管Q204、第二恒流管Q202、第三恒流管Q203截止，恒流源2中的第四恒流管Q186、第五恒流管Q189截止；當(dāng)過溫保護(hù)點(diǎn)被置低時，恒流源3中的第六恒流管Q201、第七恒流管Q200導(dǎo)通，大約有70uA電流，第九恒流管Q190恒流，第八恒流管Q187的集電極約拉掉20uA電流，第七恒流管Q200剩余電流流至第十恒流管Q188的基極，第十恒流管Q188飽和。當(dāng)電容放電放至第三電平比較器Q208的基極電位為高時，第三電平比較器Q208導(dǎo)通，恒流源1導(dǎo)通，恒流源2導(dǎo)通，恒流源2 Q189飽和。第四電平比較器Q180的基極置低時，過溫保護(hù)點(diǎn)被置高。當(dāng)過溫保護(hù)點(diǎn)一被置高時第五電平比較器Q237被關(guān)斷，第五電平比較器Q237關(guān)斷后，它的基極立即被置低，2ms后，過溫保護(hù)點(diǎn)的電位仍與第五電平比較器Q237的基極電位比較。一旦進(jìn)入過溫保護(hù)狀態(tài)后，第六電平比較器Q238的基極拉低，第五電平比較器Q237導(dǎo)通，其基極電位被迅速置高，在2ms期間，若溫度下降一點(diǎn)點(diǎn)，過溫保護(hù)上升一點(diǎn)點(diǎn)，如果仍和1.35V比較的話，則電路可能一直處于保護(hù)和不保護(hù)狀態(tài)之間。電平比較器第五電平比較器Q237的基極電平變高，即比較基極電平置高，即保護(hù)住的時間加長，電路的可靠性變好。
下面計算電容放電時間 流經(jīng)第一充電管Q223，第二充電管Q224，第三充電管Q225的電流為I1，流經(jīng)第四充電管充電管Q228，第五充電管Q229，第六充電管Q230的電流為I2。很容易得出I2/I1＝12。
VB215-VB216＝3VT×1n12 IC215/IC216＝12×12×12＝1728 所以I×T＝C7*4 T＝C7*4/(I0/1728)＝2m。
權(quán)利要求
1.一種利用集電極穿透電流監(jiān)測大功率管結(jié)溫進(jìn)行過溫保護(hù)的方法，其特征在于利用三極管的ICEO即漏電流隨溫度成2的次方形式遞增的原理來進(jìn)行過溫保護(hù)，正常工作時，充電管(Q222)對振蕩電容(C7)充電至電源，平時振蕩電容(C7)上極板為正電荷，下極板為負(fù)電荷，充電管(Q222)充電時對下極板充正電荷，充至下極板同上極板同電位，放電管(Q207)一直有電流，對振蕩電容(C7)充電時，放電電流ic3忽略不計，放電時對放電管(Q207)放電，放電管(Q207)電流很小，整個周期主要由放電時間決定；
在電容對放電管(Q207)放電過程中，第一電平比較器(Q210)、第二電平比較器(Q209)導(dǎo)通，第三電平比較器(Q208)截止，第一恒流源中的第一恒流管(Q204)、第二恒流管(Q202)、第三恒流管(Q203)截止，第二恒流源中的第四恒流管(Q186)、第五恒流管(Q189)截止；當(dāng)過溫保護(hù)點(diǎn)被置低時，第三恒流源中的第六恒流管(Q201)、第七恒流管(Q200)導(dǎo)通，有70uA電流，第九恒流管(Q190)恒流，第八恒流管(Q187)的集電極約拉掉20uA電流，第七恒流管(Q200)剩余電流流至第十恒流管(Q188)的基極，第十恒流管(Q188)飽和；當(dāng)電容放電放至第三電平比較器(Q208)的基極電位為高時，第三電平比較器(Q208)導(dǎo)通，第一恒流源中的第一恒流管(Q204)、第二恒流管(Q202)、第三恒流管(Q203)導(dǎo)通，第二恒流源中的第四恒流管(Q186)、第五恒流管(Q189)導(dǎo)通，恒流源2Q189飽和；第四電平比較器(Q180)的基極置低時，過溫保護(hù)點(diǎn)被置高；當(dāng)過溫保護(hù)點(diǎn)一被置高時第五電平比較器(Q237)被關(guān)斷，第五電平比較器(Q237)關(guān)斷后，它的基極立即被置低，2ms后，過溫保護(hù)點(diǎn)的電位仍與第五電平比較器(Q237)的基極電位比較；一旦進(jìn)入過溫保護(hù)狀態(tài)后，第六電平比較器(Q238)的基極拉低，第五電平比較器(Q237)導(dǎo)通，其基極電位被迅速置高，在2ms期間，若溫度下降一點(diǎn)點(diǎn)，過溫保護(hù)上升一點(diǎn)點(diǎn)，如果仍和1.35V比較的話，則電路可能一直處于保護(hù)和不保護(hù)狀態(tài)之間；電平比較器第五電平比較器(Q237)的基極電平變高，即比較基極電平置高，即保護(hù)住的時間加長，電路的可靠性變好；一部分基極開路的三極管即輸出管的第一溫度檢測管(T121)、第二溫度檢測管(T120)、第三溫度檢測管(T121a)、第四溫度檢測管(T120a)均勻分布在輸出管里面，另一個基極開路的三極管即前置部分溫度檢測管(Q226)分布在輸出管外部用來測試整個芯片溫度，兩個不同位置的基極開路的三極管產(chǎn)生啟動脈沖信號的溫度不同，當(dāng)溫度檢測管(Q226)、第一溫度檢測管(T121)、第二溫度檢測管(T120)、第三溫度檢測管(T121a)、第四溫度檢測管(T120a)高溫時的集電極穿透電流增大至足以使第一開關(guān)管(Q177)、第二開關(guān)管(Q164)、第三開關(guān)管(Q165)、第四開關(guān)管(Q170)、第五開關(guān)管(Q171)導(dǎo)通，電路進(jìn)入過溫保護(hù)狀態(tài)。
全文摘要
利用集電極穿透電流監(jiān)測大功率管結(jié)溫進(jìn)行過溫保護(hù)的方法利用三極管的ICEO即漏電流隨溫度成2的次方形式遞增的原理來進(jìn)行過溫保護(hù)，正常工作時，充電管(Q222)對振蕩電容(C7)充電至電源，平時振蕩電容(C7)上極板為正電荷，下極板為負(fù)電荷，充電管(Q222)充電時對下極板充正電荷，充至下極板同上極板同電位，放電管(Q207)一直有電流，對振蕩電容(C7)充電時，放電電流ic3忽略不計，放電時對放電管(Q207)放電，放電管(Q207)電流很小，整個周期主要由放電時間決定；ICEO(即穿透電流)隨溫度成2的次方形式遞增，能夠及時監(jiān)測到輸出管結(jié)溫，即大部分時間處于關(guān)閉狀態(tài)，非常有效地提高了電路的可靠性。
文檔編號H03F1/52GK101345512SQ200810124480
公開日2009年1月14日 申請日期2008年7月8日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月8日
發(fā)明者朱偉民, 卜惠琴, 聶衛(wèi)東 申請人:無錫友達(dá)電子有限公司