一种用于LDO系统的过温保护电路、方法及装置

技术领域

本发明涉及保护电路技术领域，尤其涉及一种用于LDO系统的过温保护电路、方法及装置。

背景技术

近十年来，随着便携类电子产品如手机、笔记本电脑、MP3等不断涌入人们的日常生活，这些电子产品如何有效地进行电源管理成为研究热点。特别是在新兴电子产品风靡全球的趋势下，由于其具有较大的显示屏且功能较为完善，因此对电源管理芯片(PMC)提出了更大的挑战。现如今，该市场有多达十余种类别的芯片。最为常见的有电荷泵、开关稳压器、线性稳压器(LDO)、功率因数校正(PFC)预调器、脉宽调制控制器(PWM Controller)与脉频调制控制器(PFM Controller)、电源管理单元(PMU)这几类芯片，而在这些芯片当中，前三者的应用较为广泛，占据了较大的市场份额。

在某些方面，LDO则具有得天独厚的优势。如芯片外观体积小、输出噪声较小、造价较低等。而目前的便携类电子产品又普遍要求电源管理芯片具有体积小、外围电路少、无纹波、无电磁干扰等优点。据此可以看出，在未来的电源管理芯片市场，线性变换器LDO将独占鳌头。由于传统的LDO系统中存在两个电流偏置电路，具有较大的消耗，导致LDO的工作效率降低，同时采用了大量的器件，集成度不高，生产和制造成本较高。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种只需要一个偏置电路、低能耗的用于LDO系统的过温保护电路、方法及装置，采用简单的过温保护器件，使得系统结构简单和高可靠性，可以解决上述存在的技术问题，具体采用以下的技术方案来实现。

第一方面，本发明提供了一种用于LDO系统的过温保护电路，包括偏置电路、比较器和过温保护器件，所述比较器、所述过温保护器件与所述偏置电路连接；

所述比较器包括与所述偏置电路的输出端连接的第一输入端、用于设置基准参数的第二输入端、以及连接至所述过温保护器件的比较器输出端；

所述过温保护器件包括与所述偏置电路连接的第一端口、与所述比较器输出端连接的第二端口、用于接地的第三端口以及用于调整所述比较器输出端的电位状态的半导体器件，所述半导体器件包括第一导电类型的衬底、形成在所述衬底上的第二导电类型的外延层、以及形成在所述外延层上依次连接的第一注入区、第一导电类型的第二注入区和第三注入区；

所述第一注入区包括第一导电类型的第一注入子区和与所述第二注入区连接的第二导电类型的第二注入子区，所述第三注入区包括多组间隔排列的第二导电类型的第三注入子区和第一导电类型的第四注入子区，其中，所述第一注入子区用于连接所述第一端口，所述第二注入区用于连接所述第二端口，远离所述第二注入区并位于所述外延层上边缘的第四注入子区、所述衬底用于连接所述第三端口，所述第一注入子区和所述第二注入子区的掺杂浓度相等，所述第二注入子区的掺杂浓度小于所述第二注入区的掺杂浓度，所述外延层的掺杂浓度小于所述第二注入子区的掺杂浓度，所述第三注入子区的掺杂浓度大于所述外延层的掺杂浓度。

作为上述技术方案的进一步改进，所述第一注入子区、所述第二注入子区和所述第二注入区的横向宽度相等，所述第二注入区的横向宽度大于所述第三注入子区、所述第四注入子区的横向宽度，所述第三注入子区和所述第四注入子区的横向宽度相等。

作为上述技术方案的进一步改进，所述第一注入区、所述第二注入区和所述第三注入区的厚度相等，所述第一注入区的厚度小于所述外延层的厚度，所述外延层的厚度大于所述第三注入区的横向宽度。

作为上述技术方案的进一步改进，所述第一注入区、所述第二注入区和所述第三注入区采用光刻刻蚀形成，所述第一导电类型为P型，所述第二导电类型为N型。

作为上述技术方案的进一步改进，所述基准参数为LDO系统输出的基准电压，当所述偏置电路的输入电流的压降为高电位时，所述比较器输出端的电位状态为低电压，所述LDO系统正常工作；

当所述输入电流的压降为低电位时，所述比较器输出端的电位状态为高电压，所述LDO系统停止工作。

作为上述技术方案的进一步改进，在所述LDO系统正常工作时，所述过温保护器件的压降是高导通压降，所述输入电流流过所述第一端口为高电位；

当所述过温保护器件的压降为低导通压降时，所述输入电流流过所述第一端口为低电位。

第二方面，本发明还提供了一种用于LDO系统的过温保护方法，应用于上述的用于LDO系统的过温保护电路，包括：

获取所述LDO系统的温度值，判断所述温度值是否超过所述LDO系统正常工作的安全工作温度；

若是，所述第二端口与所述比较器输出端连接的通路开启，所述比较器输出端的电位状态为高电压状态，维持所述通路导通；

若否，所述半导体器件的开启电压超过所述第二端口的电压，所述通路截止，所述比较器输出端的电位状态为低电压状态。

作为上述技术方案的进一步改进，通过调整所述半导体器件的横向多组PN结的掺杂浓度、横向宽度改变所述通路的开启电压。

第三方面，本发明还提供了一种用于LDO系统的过温保护装置，应用于上述的用于LDO系统的过温保护电路，包括：

获取模块，用于获取所述LDO系统的温度值；

判断模块，用于判断所述温度值是否超过所述LDO系统正常工作的安全工作温度；

处理模块，用于当所述温度值超过所述安全工作温度，所述比较器输出端的电位状态为高电压状态，维持所述第二端口与所述比较器输出端连接的通路导通；还用于当所述温度值未超过所述安全工作温度，所述半导体器件的开启电压超过所述第二端口的电压，所述通路截止，所述比较器输出端的电位状态为低电压状态。

作为上述技术方案的进一步改进，所述的用于LDO系统的过温保护装置还包括调整模块，用于通过调整所述半导体器件的横向多组PN结的掺杂浓度、横向宽度改变所述通路的开启电压。

本发明提供了一种用于LDO系统的过温保护电路、方法及装置的有益效果为：通过将偏置电路、比较器和过温保护器件连接，将比较器的第一输入端与偏置电路的输出端连接，第二输入端用于设置基准参数，比较器输出端与过温保护器件连接，以确保LDO系统的工作安全性。在过温保护器件中加入半导体器件，通过半导体器件的外延层上的第一注入区、第二注入区和第三注入区形成多组PN结，LDO系统温度升高后，横向的多组PN结随温度上升，半导体器件的开启电压降低，通路开启，导通压降比正常温度的电流通路要低，比较器输出变为高电压状态，维持该通路导通。系统温度降低到安全工作温度后多组PN结的开启电压上升，但由于第二端口的高压存在该通路会一直导通，直到系统温度降低到比安全温度更低的恢复工作温度时，多组PN结的开启电压超过第二端口的高压，该电流通路才会截止。该通路截止后，比较器输出低电压，LDO系统正常工作，从而提高了LDO系统的工作稳定性，加入了半导体器件简化了传统的LDO过温保护结构，提高了集成度，同时也降低了制备成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的用于LDO系统的过温保护电路的电路图；

图2为本发明实施例提供的半导体器件的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的过温保护器件的工作原理图；

图4为本发明另一实施例提供的过温保护器件的工作原理图；

图5为本发明实施例提供的用于LDO系统的过温保护方法的流程图；

图6为本发明实施例提供的用于LDO系统的过温保护装置的结构框图；

主要元件符号说明：

100-用于LDO系统的过温保护电路；110-偏置电路；120-比较器；121-第一输入端；122-第二输入端；123-比较器输出端；130-过温保护器件；131-第一端口；132-第二端口；133-第三端口；140-半导体器件；141-衬底；142-外延层；143-第一注入区；144-第二注入区；145-第三注入区；146-第一注入子区；147-第二注入子区；148-第三注入子区；149-第四注入子区；200-用于LDO系统的过温保护装置；210-获取模块；220-判断模块；230-处理模块；240-调整模块。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。相反，当元件被称作“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参阅图1及图2，本发明提供了一种用于LDO系统的过温保护电路100，包括偏置电路110、比较器120和过温保护器件130，所述比较器120、所述过温保护器件130与所述偏置电路110连接；

所述比较器120包括与所述偏置电路110的输出端连接的第一输入端121、用于设置基准参数的第二输入端122、以及连接至所述过温保护器件130的比较器输出端123；

所述过温保护器件130包括与所述偏置电路110连接的第一端口131、与所述比较器输出端123连接的第二端口132、用于接地的第三端口133以及用于调整所述比较器输出端123的电位状态的半导体器件140，所述半导体器件140包括第一导电类型的衬底141、形成在所述衬底141上的第二导电类型的外延层142、以及形成在所述外延层142上依次连接的第一注入区143、第一导电类型的第二注入区144和第三注入区145；

所述第一注入区143包括第一导电类型的第一注入子区146和与所述第二注入区144连接的第二导电类型的第二注入子区147，所述第三注入区145包括多组间隔排列的第二导电类型的第三注入子区148和第一导电类型的第四注入子区149，其中，所述第一注入子区146用于连接所述第一端口131，所述第二注入区144用于连接所述第二端口132，远离所述第二注入区144并位于所述外延层142上边缘的第四注入子区149、所述衬底141用于连接所述第三端口133，所述第一注入子区146和所述第二注入子区147的掺杂浓度相等，所述第二注入子区147的掺杂浓度小于所述第二注入区144的掺杂浓度，所述外延层142的掺杂浓度小于所述第二注入子区147的掺杂浓度，所述第三注入子区148的掺杂浓度大于所述外延层142的掺杂浓度。

在本实施例中，LDO即low dropout regulator，是一种低压差线性稳压器，LDO低压差线性稳压器的结构主要包括启动电路、恒流源偏置单元、使能电路、调整元件、基准源、误差放大器、反馈电阻网络和保护电路等。基本工作原理是这样的：系统加电，如果使能脚处于高电平时，电路开始启动，恒流源电路给整个电路提供偏置，基准源电压快速建立，输出随着输入不断上升，当输出即将达到规定值时，由反馈网络得到的输出反馈电压也接近于基准电压值，此时误差放大器将输出反馈电压和基准电压之间的误差小信号进行放大，再经调整管放大到输出，从而形成负反馈，保证了输出电压稳定在规定值上，同理如果输入电压变化或输出电流变化，这个闭环回路将使输出电压保持不变。偏置电路的作用是向各放大级提供合适的偏置电流，确定各级静态工作点，各个放大级对偏置电流的要求各不相同，对于输入级，通常需要提供一个比较小(一般为微安级)的偏置电流，而且应该非常稳定，以便提高集成运放的输入电阻，降低输入偏置电流、输入失调电流等。比较器有两个输入端，可选择其中有个输入端作为参考点来比较，当另一输入端电压小于参考电压时比较器输出低电平，反之输出高电平。将第一输入端记为V1即正输入端,、第二输入端记为V2即负输入端、比较器输出端记为Vout，选择负输入端作为参考，当正输入端V1大于V2时，Vout输出高电平；当V1小于V2时，Vout输出低电平。优选比较器的第一输入端连接，比较器的第二输入端用于设定基准电压，比较器的输出端与过温保护器件的第二端口连接，过温保护器件的第一端口与偏置电路连接，过温保护器件的第三端口接地，这样只需一个偏置电路提供输入电流，简化了用于LDO系统的过温保护电路，提高了集成度。

需要说明的是，半导体器件140包括衬底141，形成在衬底141上的外延层142、以及形成在外延层142上的第一注入区143、第二注入区144和第三注入区145，第一注入区143包括导电类型不同的第一注入子区146和第二注入子区147，第二注入区144与第一注入子区146的导电类型相同，第三注入区145包括多组导电类型不同的第三注入子区148和第四注入子区149，第一注入区143、第二注入区144和第三注入区145采用光刻刻蚀形成，便于理解，优选第三注入子区148和第四注入子区149的数量均为三，第一注入子区143与第二注入子区144的掺杂浓度相等，第二注入子区147的掺杂浓度小于第二注入区144的掺杂浓度，外延层142的掺杂浓度小于第二注入子区147的掺杂浓度，第三注入子区148的掺杂浓度大于外延层142的掺杂浓度，这样可以形成多个不同的PN结。将半导体器件140的第一注入子区146连接第一端口131，半导体器件140的第二注入区144与第二端口132连接，远离第二注入区144并位于外延层142边缘的第四注入子区149与第三端口133连接，衬底141的下表面与第三端口133连接。在平行于衬底141上表面的方向上，第一注入子区146、第二注入子区147和第二注入区144的横向宽度相等，第二注入区144的横向宽度大于第三注入子区148、第四注入子区149的横向宽度，第三注入子区148和第四注入子区149的横向宽度相等。第一注入区143、第二注入区144和第三注入区145的厚度相等，第一注入区143的厚度小于所述外延层142的厚度，外延层142的厚度大于第三注入区145的横向宽度。这样可以调整横向多组PN结的掺杂浓度、宽度使半导体器件140的开启电压、LDO系统的安全工作温度和恢复工作温度，

参阅图3，在LDO系统的正常工作温度下，半导体器件140所在的通路的开启电压高(有多组PN结)，第二端口132是低电压状态，该通路不会开启。系统温度(T)升高后，横向的多组PN结随温度上升，载流子增多，漏电流增大，超过安全工作温度(T1)后，高温导致载流子大幅增多，PN结击穿，开启电压降低，通路开启，导通压降比正常温度的电流通路要低，比较器输出端133变为高电压状态，维持该通路导通。系统温度降低到安全工作温度(T1)后多组PN结的开启电压上升，但由于第二端口132的高压存在该通路会一直导通，直到系统温度(T)降低到比安全温度(T1)更低的恢复工作温度(T2)时，多组PN结的开启电压超过第二端口132的高压，该电流通路才会截止。该通路截止后，比较器120输出低电压，LDO系统正常工作，T1>T2是必须的，这样能保证系统过温后，温度降低到更低的成都，系统才会恢复运行，增大了系统的可靠性和安全冗余，提高了LDO系统的工作可靠性。

参阅图4，当LDO系统温度正常时，第二端口132输入低电压，电流通过的通路导通，该通路由1组PN结组成，开启电压(V2)低，开启后由于掺杂浓度低，导通后的压降高，只要工作在正常温度范围内，且第二端口132的输入低电压该通路会一直保持开启。

可选地，所述基准参数为LDO系统输出的基准电压，当所述偏置电路110的输入电流的压降为高电位时，所述比较器输出端123的电位状态为低电压，所述LDO系统正常工作；

当所述输入电流的压降为低电位时，所述比较器输出端123的电位状态为高电压，所述LDO系统停止工作。

在本实施例中，基准电压是指传感器置于0℃的温场(冰水混合物)，在通以工作电流(100μA)的条件下，传感器上的电压值。实际上就是0点电压。其表示符号为V(0)，该值出厂时标定，由于传感器的温度系数S相同，则只要知道基准电压值V(0)，即可求知任何温度点上的传感器电压值，而不必对传感器进行分度。比较器120的第二输入端122用于设置基准电压，比较器120可用作模拟电路和数字电路的接口，还可用作波形产生和变换电路等。比较器120的工作原理为：当偏置电路110的输入电流的压降为高电位时，比较器输出端123的电位状态为低电位，LDO系统正常工作；当输入电流的压降为低电位时，比较器输出端123的电位状态为高电压，LDO系统停止工作。

需要说明的是，将过温保护器件130接入用于LDO系统的过温保护电路100中，在LDO系统正常工作时，过温保护器件130的压降是搞到通压降，输入电流流过第一端口131为高电位；当过温保护器件130的压降为低导通压降时，输入电流流过第一端口131为低电位。

参阅图5，本发明提供了一种用于LDO系统的过温保护方法，应用于如上述的用于LDO系统的过温保护电路，包括：

S10：获取所述LDO系统的温度值，判断所述温度值是否超过所述LDO系统正常工作的安全工作温度；

S20：若是，所述第二端口与所述比较器输出端连接的通路开启，所述比较器输出端的电位状态为高电压状态，维持所述通路导通；

S30：若否，所述半导体器件的开启电压超过所述第二端口的电压，所述通路截止，所述比较器输出端的电位状态为低电压状态。

在本实施例中，通过实时获取LDO系统的工作温度值，将温度值与LDO系统正常工作的安全工作温度进行比较，当温度值超过安全工作恩度时，第二端口与比较器输出端连接的通路开启，比较器输出端的电位状态为高电压状态，维持通路导通，LDO系统在工作过程中的温度是变化的，半导体器件导通可以进行分压，直到LDO系统的温度降低。当温度值未超过LDO系统安全工作的安全工作温度时，半导体器件的开启电压超过第二端口的电压，第二端口与比较器输出端连接的通路截止，比较器输出端的电位状态为低电压状态。通过调整所述半导体器件的横向多组PN结的掺杂浓度、横向宽度改变所述通路的开启电压，以提高LDO系统的过温保护功能。

参阅图6，本发明还提供了一种用于LDO系统的过温保护装置200，应用于上述的用于LDO系统的过温保护电路，包括：

获取模块210，用于获取所述LDO系统的温度值；

判断模块220，用于判断所述温度值是否超过所述LDO系统正常工作的安全工作温度；

处理模块230，用于当所述温度值超过所述安全工作温度，所述比较器输出端的电位状态为高电压状态，维持所述第二端口与所述比较器输出端连接的通路导通；还用于当所述温度值未超过所述安全工作温度，所述半导体器件的开启电压超过所述第二端口的电压，所述通路截止，所述比较器输出端的电位状态为低电压状态。

可选地，所述用于LDO系统的过温保护装置200还包括调整模块240，用于通过调整所述半导体器件的横向多组PN结的掺杂浓度、横向宽度改变所述通路的开启电压。

本发明提供了一种用于LDO系统的过温保护电路、方法及装置，通过将偏置电路、比较器和过温保护器件连接，将比较器的第一输入端与偏置电路的输出端连接，第二输入端用于设置基准参数，比较器输出端与过温保护器件连接，以确保LDO系统的工作安全性。在过温保护器件中加入半导体器件，通过半导体器件的外延层上的第一注入区、第二注入区和第三注入区形成多组PN结，LDO系统温度升高后，横向的多组PN结随温度上升，半导体器件的开启电压降低，通路开启，导通压降比正常温度的电流通路要低，比较器输出变为高电压状态，维持该通路导通。系统温度降低到安全工作温度后多组PN结的开启电压上升，但由于第二端口的高压存在该通路会一直导通，直到系统温度降低到比安全温度更低的恢复工作温度时，多组PN结的开启电压超过第二端口的高压，该电流通路才会截止。该通路截止后，比较器输出低电压，LDO系统正常工作，从而提高了LDO系统的工作稳定性，加入了半导体器件简化了传统的LDO过温保护结构，提高了集成度，同时也降低了制备成本。

在这里示出和描述的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制，因此，示例性实施例的其他示例可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。