一、功率集成電路與過熱保護概述

功率集成電路作為電子技術領域的關鍵元件，具備一定的負載能力，能夠處理較高電壓的輸入與輸出，廣泛應用于電氣照明設備等眾多場景。與常規芯片不同，它將低壓數字或模擬電路與高壓功率輸出電路集成在同一芯片上。由于集成高壓功率輸出部分，功率集成電路在運行過程中會產生較大熱量，若不加以有效控制，容易導致芯片燒毀。因此，過熱保護電路對于功率集成電路而言至關重要，能夠實時監測芯片溫度，防止因過熱而引發的損壞，保障設備的穩定運行。

二、過熱保護電路設計關鍵

將溫度信號準確地轉換為電壓信號是設計過熱保護電路的核心環節。傳統傳感器，如熱電偶和熱電阻，因其難以集成到集成電路中的局限性，無法滿足實際應用需求。在集成電路領域，通常采用二極管、三極管的溫度特性作為傳感器，實現溫度監測與信號轉換。

三、二極管溫度檢測電路及其工作原理

二極管的伏安特性對溫度變化較為敏感，使其成為理想的溫度傳感器選擇。根據二極管特性曲線，隨著溫度升高，正向特性曲線向左移動，反向特性曲線向下移動。具體表現為：在室溫附近，溫度每上升 1℃，正向壓降降低 2～2.5mV；溫度每升高 10℃，反向電流大約增加 1 倍，呈現出負溫度特性。在 20～150℃的溫度區間內，二極管能穩定保持這一特性。經過大量試驗與統計分析，確定其正向電壓隨溫度變化的速率為 - 2.2mV/℃，即溫度每上升 1℃，正向電壓下降 2.2mV，反之則上升 2.2mV。

基于二極管的這一特性，設計了二極管溫度檢測電路，通過測量二極管正向電壓的變化來計算溫度變化，進而控制過熱保護電路。電路中采用 4 個二極管串聯作為溫度傳感器，形成 - 8.8mV/℃的溫度系數。M9、M10、M11 組成的鏡像電流源為 4 個二極管提供穩定的電流。在芯片工作過程中，溫度升高時，V 點電壓隨之下降，通過檢測 V 點電壓即可獲知當前溫度狀態，實現溫度到電壓信號的轉換。

仿真結果顯示，溫度為 50℃時，V 點電壓為 2.4V；溫度為 120℃時，V 點電壓為 1.78V。基于此，設計遲滯比較器，當輸入端電壓低于 1.78V 時輸出高電平信號（定義為保護信號），高于 2.4V 時輸出低電平信號（解除保護）。從而實現溫度超過 120℃時啟動保護，溫度回落至 50℃時解除保護，恢復工作。在遲滯比較器的選擇上，建議采用模擬式，相較于數字式施密特觸發器，其回差電壓值僅與參考電壓和內部 MOS 管尺寸相關，不受溫度影響，更易于調節。過熱保護電路的方框圖清晰展示了各部分的功能與相互關系。

四、仿真結果與電路優化

仿真結果表明，該過熱保護電路性能優異，信號轉換精準。然而，在實際應用中，電路可能受到電壓波動的影響。經分析發現，當電壓源在 4～6V 范圍內變化時，120℃和 50℃的溫度曲線分別出現 10℃和幾十攝氏度的誤差，這凸顯了電路對電壓變化的敏感性，需要進行改進優化。

針對電壓波動問題，常用解決方法是在電路中添加穩壓管。考慮到硅穩壓管在 4～7V 電壓范圍內的溫度系數極小，可近似忽略不計，改進后的電路在該電壓區間內能有效抑制電壓變化對溫度檢測的影響。仿真結果驗證了改進效果，加入穩壓管后，電路性能顯著提升，50℃時 V 點電壓為 2.16V，120℃時為 1.535V，成功解決了電壓波動帶來的誤差問題，提高了過熱保護電路的可靠性和準確性。
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