IC保護(hù)點(diǎn)路原理課件

IC保護(hù)電路RockMay24th,2014.IC保護(hù)電路RockMay24th,2014.2AnalogblockOVP——OverVoltageProtection

過(guò)電壓保護(hù)OCP——OverCurrentProtection

過(guò)電流保護(hù)OLP——OverLoadProtection

過(guò)負(fù)載保護(hù)OTP——OverTemperatureProtection

過(guò)溫度保護(hù)POR——PowerOnReset欠壓保護(hù)這些都是電路的反饋保護(hù)機(jī)制，在電路某一項(xiàng)參數(shù)超出額定參數(shù)后，電路會(huì)自動(dòng)切斷以保護(hù)電路。2AnalogblockOVP——OverVoltag3一OTP過(guò)溫保護(hù)電路

隨著IC芯片集成密度和功率密度的不斷提高，功耗不斷增大。由于功耗增大，引起芯片溫度上升，當(dāng)超過(guò)極限溫度時(shí)，根據(jù)半導(dǎo)體物理學(xué)中本征半導(dǎo)體載流子隨溫度變化的規(guī)律，對(duì)本征半導(dǎo)體，在室溫附近時(shí)，溫度每升高8度，本征載流子濃度增加約1倍。溫度足夠高時(shí)，本征載流子激發(fā)占主導(dǎo)，器件失效。因此，必須對(duì)芯片設(shè)計(jì)熱關(guān)斷電路，特別是在集成功率器件的功率集成電路中。當(dāng)芯片超過(guò)警戒溫度時(shí)，電路提供一個(gè)熱關(guān)斷信號(hào)，禁止芯片工作；當(dāng)芯片溫度降到滯回區(qū)間外時(shí)，恢復(fù)芯片工作。過(guò)溫保護(hù)電路的設(shè)計(jì)思路是利用二極管或三極管的溫度特性來(lái)檢測(cè)芯片內(nèi)部溫度的變化，當(dāng)溫度超過(guò)設(shè)定值時(shí)，保護(hù)電路工作，將系統(tǒng)關(guān)斷，以防其損壞。熱關(guān)斷電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是將溫度信號(hào)精確的轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)。傳統(tǒng)的方法是用熱電偶和熱電感來(lái)檢測(cè)溫度，但是這些方法不適合芯片的設(shè)計(jì)。因此，必須利用集成電路中各種器件的溫度特性來(lái)設(shè)計(jì)熱關(guān)斷電路。3一OTP過(guò)溫保護(hù)電路隨著IC芯片4一OTP過(guò)溫保護(hù)電路

本征載流子（Intrinsiccarrier）就是本征半導(dǎo)體中的載流子（電子和空穴），即不是由摻雜所產(chǎn)生出來(lái)的載流子。也就是說(shuō)，本征載流子是由熱激發(fā)——本征激發(fā)所產(chǎn)生出來(lái)的，即是價(jià)電子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶而產(chǎn)生出來(lái)的；它們是成對(duì)產(chǎn)生的，所以電子和空穴的濃度始終相等。本征半導(dǎo)體，從物理本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，也就是兩種載流子數(shù)量相等、都對(duì)導(dǎo)電起同樣大小的半導(dǎo)體。因此，未摻雜的半導(dǎo)體是本征半導(dǎo)體，但是摻有雜質(zhì)的半導(dǎo)體在一定條件下也可能成為本征半導(dǎo)體（只要兩種載流子的濃度相等）。對(duì)于摻有雜質(zhì)的n型或p型半導(dǎo)體，其中的多數(shù)載流子主要就是由雜質(zhì)電離所提供，而其中的少數(shù)載流子則是由本征激發(fā)所產(chǎn)生的。因此，在雜質(zhì)全電離情況下，多數(shù)載流子濃度基本上與溫度無(wú)關(guān)，但少數(shù)載流子則隨著溫度將指數(shù)式增大。

與溫度的關(guān)系：

因?yàn)楸菊鬏d流子是由本征激發(fā)所產(chǎn)生的，則它的產(chǎn)生與熱激發(fā)有關(guān)，也與禁帶寬度有關(guān)，所以具有以下特點(diǎn)：一是電子濃度=空穴濃度；二是載流子濃度隨著溫度的升高而指數(shù)式增大；三是與禁帶寬度有指數(shù)函數(shù)關(guān)系（不同半導(dǎo)體的本征載流子濃度不同）。本征載流子濃度ni與溫度T和禁帶寬度Eg的關(guān)系為（與雜質(zhì)無(wú)關(guān)）ni=(NcNv)^(1/2)exp[－Eg/(2kT)]在室溫下，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)由于本征載流子濃度ni隨著溫度的升高而指數(shù)式增大，故在足夠高的溫度下，對(duì)于摻雜的半導(dǎo)體，在較高溫度下，本征載流子濃度也都將大于雜質(zhì)所提供的載流子濃度——多數(shù)載流子濃度。這就是說(shuō)，即使是摻雜的半導(dǎo)體（除非摻雜濃度異常高），都將隨著溫度的升高而逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楸菊靼雽?dǎo)體（兩種載流子濃度相等）。這種半導(dǎo)體本征化的作用，即將導(dǎo)致pn結(jié)失效，所以這實(shí)際上也就是限制所有半導(dǎo)體器件及其集成電路的最高工作溫度的根本原因；也因此，半導(dǎo)體器件的最高工作溫度也就由半導(dǎo)體的本征化溫度來(lái)穩(wěn)定。4一OTP過(guò)溫保護(hù)電路本征5一OTP過(guò)溫保護(hù)電路1兩種典型的過(guò)熱保護(hù)電路1利用齊納二極管的傳統(tǒng)過(guò)熱保護(hù)電路如圖1所示,三極管Q2的基極電壓為:我們知道,三極管Q1的VBE

具有負(fù)溫度系數(shù),而齊納二極管DZ

的VZ

具有正的溫度系數(shù)。在常溫下,VB2

小于三極管Q2的導(dǎo)通電壓,Q2不導(dǎo)通,輸出電壓VOUT

為高電平;當(dāng)溫度升高時(shí),VZ

增加,VBE1

減小,使VB2

增加,當(dāng)溫度升到一定值時(shí),Q2導(dǎo)通,使輸出VOUT

翻轉(zhuǎn),變?yōu)榈碗娖?。在雙極性工藝中,VBE

和V

Z

的溫度性能是可靠的,該電路性能是比較高的,但在穩(wěn)定電壓大于7V時(shí)齊納二極管才具有正的溫度系數(shù),在CMOS工藝中很難產(chǎn)生這么高的電壓。更重要的是該過(guò)熱保護(hù)電路功耗很大,偏離了低功耗的發(fā)展趨勢(shì)。圖1典型的傳統(tǒng)過(guò)熱保護(hù)電路5一OTP過(guò)溫保護(hù)電路1兩種典型的過(guò)熱保護(hù)電路6一OTP過(guò)溫保護(hù)電路1.2利用PTAT電流源的過(guò)熱保護(hù)電路圖2為該類(lèi)型OTP的示意圖,電流源IPTAT對(duì)溫度很敏感,能表征溫度變化,和絕對(duì)溫度成比例,令:IPTAT1=K1·T(2)IPTAT2=K2·T(3)其中K1和K2是正比例系數(shù),T是絕對(duì)溫度。當(dāng)溫度升高的時(shí)候,電流也隨之成比例增加,在PTAT點(diǎn)以及降在R2上的電壓也升高,但不隨電源電壓VDD變化,而Q1上的結(jié)壓VBE隨著溫度的升高而降低。調(diào)整參數(shù)就可以使base點(diǎn)的電壓成為不隨溫度和電源電壓變化的基準(zhǔn)電壓。由式(2),式(3)得PTAT點(diǎn)和V

base點(diǎn)的電壓分別為:V

PTAT=K1·R1·T(4)V

base=K2·R2·T+VBE

(5)所以在某個(gè)溫度點(diǎn)上,VPTAT與Vbase相等,此溫度點(diǎn)為過(guò)熱溫度點(diǎn)。由于其較為優(yōu)越的性能表現(xiàn),這種類(lèi)型的OTP應(yīng)用比較廣泛。圖2

PTAT電流源型OTP電路示意圖6一OTP過(guò)溫保護(hù)電路1.2利用PTAT電流7一OTP過(guò)溫保護(hù)電路1.3帶遲滯延時(shí)的過(guò)溫保護(hù)電路該電路具有75度的溫度滯回區(qū)間，熱關(guān)斷點(diǎn)溫度142度7一OTP過(guò)溫保護(hù)電路1.3帶遲滯延時(shí)的過(guò)溫保護(hù)電8一OTP過(guò)溫保護(hù)電路2.OTP在IC中的具體應(yīng)用示例：

TC0408BOTPblockCOMP的Vout給PWM控制調(diào)頻信號(hào)，控制IC的工作和截止。(在layout中感溫bjt最好

放到BIGMOS附近或者chip中間)8一OTP過(guò)溫保護(hù)電路2.OTP在IC中的具體應(yīng)用示例9二COMP比較器

簡(jiǎn)單地說(shuō)，電壓比較器是對(duì)兩個(gè)模擬電壓比較其大小(也有兩個(gè)數(shù)字電壓比較的，這里不介紹)，并判斷出其中哪一個(gè)電壓高，如圖1所示。圖1(a)是比較器，它有兩個(gè)輸入端：同相輸入端(“+”端)及反相輸入端(“-”端)，有一個(gè)輸出端Vout(輸出電平信號(hào))。另外有電源V+及地(這是個(gè)單電源比較器)，同相端輸入電壓VA，反相端輸入VB。VA和VB的變化如圖1(b)所示。在時(shí)間0～t1時(shí)，VA>VB；在t1～t2時(shí)，VB>VA；在t2～t3時(shí)，VA>VB。在這種情況下，Vout的輸出如圖1(c)所示：VA>VB時(shí)，Vout輸出高電平(飽和輸出)；VB>VA時(shí)，Vout輸出低電平。根據(jù)輸出電平的高低便可知道哪個(gè)電壓大。（Vout具有施密特觸發(fā)特性)9二COMP比較器

簡(jiǎn)單地說(shuō)，電10二COMP比較器

如果把VA輸入到反相端，VB輸入到同相端，VA及VB的電壓變化仍然如圖1(b)所示，則Vout輸出如圖1(d)所示。與圖1(c)比較，其輸出電平倒了一下。輸出電平變化與VA、VB的輸入端有關(guān)。

圖2(a)是雙電源(正負(fù)電源)供電的比較器。如果它的VA、VB輸入電壓如圖1(b)那樣，它的輸出特性如圖2(b)所示。VB>VA時(shí)，Vout輸出飽和負(fù)電壓。（Vout具有施密特觸發(fā)特性)10二COMP比較器如果把VA輸11二COMP比較器電路結(jié)構(gòu)COMP在layout中要注意matching11二COMP比較器電路結(jié)構(gòu)COMP在layout中要三OVP過(guò)壓保護(hù)電路輸出過(guò)壓保護(hù)電路的作用是：當(dāng)輸出電壓超過(guò)設(shè)計(jì)值時(shí)，把輸出電壓限定在一安全值的范圍內(nèi)。當(dāng)開(kāi)關(guān)電源內(nèi)部穩(wěn)壓環(huán)路出現(xiàn)故障或者由于用戶(hù)操作不當(dāng)引起輸出過(guò)壓現(xiàn)象時(shí)，過(guò)壓保護(hù)電路進(jìn)行保護(hù)以防止損壞后級(jí)用電設(shè)備。在測(cè)試與測(cè)量應(yīng)用中，必須為放大器、電源以及類(lèi)似部件的輸出端提供過(guò)壓保護(hù)。實(shí)現(xiàn)這一任務(wù)的傳統(tǒng)方式是在輸出節(jié)點(diǎn)中增加串聯(lián)電阻，并在電源線路或其它閾值電壓上增加箝位二極管（圖1）。這個(gè)電阻大大減小了電流輸出的能力，以及低阻負(fù)載的輸出電壓擺幅。另外一種方案是用保險(xiǎn)絲或其它限流器件，它優(yōu)于這些箝位電路的高吸能能力。當(dāng)源電阻R6上的壓降大于耗盡型MOSFET

Q1與Q2的柵極閾值電壓時(shí)，圖2電路是作為一個(gè)雙極電流源，從而限制了通過(guò)箝位二極管的電流。這種方案的缺點(diǎn)是在過(guò)載條件下，串聯(lián)元件上有大的功耗。12三OVP過(guò)壓保護(hù)電路輸出過(guò)壓保護(hù)電路的作用是：當(dāng)輸出電壓超過(guò)三OVP過(guò)壓保護(hù)電路有一種合理的方案是當(dāng)輸出端子上存在過(guò)載電壓時(shí)，將放大器輸出節(jié)點(diǎn)與輸出端子斷開(kāi)一段時(shí)間。幾十年來(lái)，工程師都在音響功率放大器中使用機(jī)電繼電器完成這種串聯(lián)斷接，不過(guò)原因不同，他們是用于揚(yáng)聲器保護(hù)。SSR（固態(tài)繼電器）（包括光電子、光伏電池、OptoMOS和hotoMOS器件）適合完成中等強(qiáng)度電流的負(fù)載斷接任務(wù)，因?yàn)槠淇刂贫伺c負(fù)載端之間有電流絕緣。13三OVP過(guò)壓保護(hù)電路有一種合理的方案是當(dāng)輸出端子上存在過(guò)載電三OVP過(guò)壓保護(hù)電路圖3中的串聯(lián)保護(hù)電路使用一只串接的大電壓SSR，切斷放大器的輸出端。當(dāng)輸出電壓升高到正基準(zhǔn)電壓以上或低于負(fù)基準(zhǔn)電壓閾值時(shí)，就會(huì)使IC2或IC3比較器變換自己的輸出狀態(tài)，通過(guò)與邏輯器件IC5關(guān)斷SSR

IC4。圖4顯示了實(shí)現(xiàn)這種方案的簡(jiǎn)單電路。

圖4中的電路只需要少量外接元件，使用一只SSR作輸出過(guò)壓保護(hù)。上升的過(guò)壓使IC2中的兩只晶體管截止，切斷了流經(jīng)IC3控制LED的電流。繼電器IC3打開(kāi)，保護(hù)放大器與箝位二極管。該電路經(jīng)過(guò)了一系列Clare、Matsushita

Electronic

Works和Panasonic

SSR的測(cè)試，它們有的帶內(nèi)部電流保護(hù)，有的不帶。電源線路電壓是±15V；R10、R11和R12設(shè)定觸發(fā)電平為±16

V。省略R11可將觸發(fā)電平移至±14.5V。在保護(hù)電路工作時(shí)，針對(duì)0.5V過(guò)壓保護(hù)繼電器，SSR的關(guān)斷延遲為100μs~200μs，較高過(guò)壓下延遲會(huì)更短些。注意在使用低導(dǎo)通電阻SSR時(shí)，通過(guò)箝位二極管的峰值電流可能會(huì)相當(dāng)大。14三OVP過(guò)壓保護(hù)電路圖3中的串聯(lián)保護(hù)電路使用一只串接的大電壓三OVP過(guò)壓保護(hù)電路15圖4三OVP過(guò)壓保護(hù)電路15圖416RES_S1_S4是對(duì)檢測(cè)電壓進(jìn)行降壓處理，

產(chǎn)生R_S1----R_S4四個(gè)電壓送給比較器的PIN端。SWCOMS為2選1電路，將bandgap產(chǎn)生的兩個(gè)基準(zhǔn)電壓V1D75、V0D8選擇一個(gè)給比較器的NIN端。當(dāng)檢測(cè)信號(hào)R_S1----R_S4大于VREF電位，比較器輸出結(jié)果翻轉(zhuǎn)，給出一個(gè)IC關(guān)斷信號(hào)。這邊選擇信號(hào)VIN220最后接到fuse上，最后測(cè)試通過(guò)切斷fuse，選擇V1D75、V0D8中的一個(gè)電位給VREF做為比較器基準(zhǔn)電壓。三OVP過(guò)壓保護(hù)電路16RES_S1_S4是對(duì)檢測(cè)電壓進(jìn)行降壓處理，產(chǎn)生R_S17三OVP過(guò)壓保護(hù)電路OVP過(guò)壓保護(hù)電路RES_S1_S4是對(duì)檢測(cè)電壓進(jìn)行降壓處理，送給比較器CMP_2SP_OVP電壓比較器后，接一些對(duì)翻轉(zhuǎn)信號(hào)進(jìn)行處理的電路17三OVP過(guò)壓保護(hù)電路OVP過(guò)壓保護(hù)電路三OVP過(guò)壓保護(hù)電路TKA050COVPblocklayout比較器和降壓電阻18三OVP過(guò)壓保護(hù)電路TKA050COVPblockla四POR欠壓保護(hù)電路1雙極型

輸入欠壓保護(hù)電路。當(dāng)輸入電壓低于設(shè)定欠壓值時(shí)，關(guān)閉輸出；當(dāng)輸入電壓升高到設(shè)定恢復(fù)值時(shí)，輸出自動(dòng)恢復(fù)正常。

19四POR欠壓保護(hù)電路1雙極型19四POR欠壓保護(hù)電路工作原理分析:20電路的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：電路形式簡(jiǎn)單，成本較低。缺點(diǎn)：因穩(wěn)壓管VD4批次間穩(wěn)壓值的差異，導(dǎo)致欠壓保護(hù)點(diǎn)上下浮動(dòng)，大批量生產(chǎn)時(shí)需經(jīng)常調(diào)試相關(guān)參數(shù)。四POR欠壓保護(hù)電路工作原理分析:20電路的優(yōu)缺點(diǎn)四POR輸出過(guò)壓、欠壓保護(hù)電路2過(guò)壓、欠壓狀態(tài)的判斷*比較器A用于輸出過(guò)壓判斷。*比較器B用于輸出欠壓判斷。*調(diào)整電阻R1、R2、R3可改變保護(hù)點(diǎn)。、*正常時(shí)，UB=“0”；保護(hù)時(shí)，UB=“1”。上限下限四POR輸出過(guò)壓、欠壓保護(hù)電路2過(guò)壓、欠壓五OCP過(guò)流保護(hù)電路1過(guò)流保護(hù)電路的功能和組成

*功能發(fā)生過(guò)流時(shí)，立即某種方式消除過(guò)流，保護(hù)電路器件不會(huì)損壞。*產(chǎn)生過(guò)流的原因①負(fù)載過(guò)載或輸出短路②整流器件失效③開(kāi)關(guān)管失效④干擾等因素造成的誤導(dǎo)通五OCP過(guò)流保護(hù)電路1過(guò)流保護(hù)電路的功能和組