摘要：功率集成电路的功率密度越来越高，发热问题越来越严重，为现代传热技术在电子冷却领域的应用提出了新的课题。论文分析了半导体器件的温度特性，提出了一种通过电路自身的特性来测量基片温度，并利用电路结构进行散热的热疏导电路结构，提高了大功率电路系统的集成度及散热效率。

关键词：功率输出级；副模块；热疏导；仿真分析

Abstract: The higher power density of the power IC the more serious heat –generating problems,that brings forward a new question of electronic heat cooling for discussion.This article analyzes the temperature characteristic of the semiconductor devices,puts forward the design of a kind of heat leading circuit whichcan measure the temperature of the chip and lead the heat itself,so it enhances the integration and the cooling efficiency of the high power circuit system.

Key words: power output; auxiliary module; heat leading; simulation analysis

引言

任何器件在工作时都有一定的损耗，大部分的损耗变成热量。大功率器件损耗大，若不采取散热措施，则管芯的温度可达到或超过允许的结温，器件将受到损坏。因此必须加散热装置，最常用的就是将功率器件安装在散热器上，利用散热器将热量散发到周围空间，必要时再加上散热风扇，以一定的风速加强冷却散热。目前，电子元器件向着小型化和集成化飞速发展，功率集成电路的功率密度越来越高，发热问题越来越严重，对于各种散热手段要求其具有紧凑性、可靠性、灵活性、高散热效率、不需要维修等特点，从而为现代传热技术在电子冷却领域的应用提出了新的课题。

本文提出了一种热疏导电路结构，通过电路自身的特性来测量基片温度，并利用电路结构进行散热，大大提高了电路系统的集成度及散热效率。

1、散热的基本原理

耗散功率PC 的增加不是无限制的。上面讲到集电结温度随着耗散功率的增加而上升，当温度升高到基区的本征载流子浓度接近其杂质浓度时，PN结的单向导电性被破坏，晶体

利用晶体管和具有正温度系数的热敏电阻的温度特性检测芯片的温度。晶体管的重要特点之一是其参数对于温度的变化很敏感，主要参数随温度的变化率如表1所示[2]，其外特征的主要表现是工作电流随温度升高而增大。温度检测电路就是利用晶体管的温度特性来检测芯片的温度，利用温度与晶体管参数的关系，确定芯片达到某一温度时自动启动输出级副电路模块工作。

表1 硅NPN双极型晶体管参数随温度的变化

Table1 The parameter change along with temperature of silicon npn ambipolar transistor

2、热疏导电路结构

为了进一步提高散热速度，并使功率输出级能够连续不间断工作，本文设计了热疏导电路结构。本结构的功率输出级主要包括主电路模块和冗余备用副电路模块，采用过热过流检测电路来检测芯片温度，担当主、副模块交替开启工作的开关。

热疏导结构正半周信号的功率输出级电路如图1所示。

图1 正半周信号的热疏导电路

Fig1 Heat-leading circuit of positive wave

对正半周信号的工作分析如下：

晶体管Q1和Q2组成达林顿连接的主电路模块，Q3和Q4组成达林顿连接的副电路模块，主、副模块是采用完全对称的结构形式。晶体管Q5、Q6是热敏感晶体管，构成过热过流检测电路。在电路正常工作，即基片温度不高时，电阻R6上的压降小于Q5管的阀值电压 ，这时Q5、Q6处于截止状态，副模块不工作。当温度升高时，BE结正向压降具有负温度特性，Q5管的BE结正向压降 下降，当电阻R6上的压降 大于 时，Q5和Q6管导通，因Q6管的发射极接副电路模块中晶体管Q3的基极，随着过载电流的增加，通过电阻R3和R4的适当偏置，使得副电路模块Q3和Q4开始导通工作，于是就把主电路模块的电流分流，限制了电流的增大，阻止了主电路模块温度的继续升高。其中晶体管Q5同时完成把主模块功率管Q2集电极输出信号进行倒向，以使送到副电路模块的输出信号与主电路模块相同。

电阻R6可以做成正温度系数电阻，当输出主电路模块的温度升高时，电阻会增大，这又促进了晶体管Q5的导通，提高了过热过流检测的灵敏度，使副电路模块更好的起到热疏导的作用，使功率输出级更加安全的工作；电阻R6也可以采用用户外接的形式，根据用户的要求自主设定电阻的大小。

副电路模块启动导通后，在图2中可以看到，二极管D1上开始有电流通过，通过电阻R3和R4的适当偏置，晶体管Q7开始导通。因Q7管的集电极接主电路模块中Q1管的基极，从而使得主模块上的电流被进一步拉走，使主模块上的温度快速下降。当温度降到正常工作状态时，电阻R6上的压降不足以达到Q5管的阀值电压，从而Q5、Q6管重新回到截止状态，冗余副模块Q3和Q4重新回到闲置状态。

负半周电路采用与正半周对称的电路结构，工作原理与正半周是相同的。该热疏导电路结构，利用了功率管在瞬态所承受的功率很大，设计了主、副电路模块交替工作，使主、副电路模块都能工作在最佳状态，未等一模块严重发热，就交由另一模块代替工作。这种工作方式大大提高了电路结构的可靠性及散热效率。

3、仿真验证

通过在功率输出管的集电极放上一个0.3Ω小电阻来检测主电路模块和副电路模块的工作状态。采用Pspice软件，利用电压探针来提取信号。

图2是温度为100℃的环境下，主、副电路模块同时处于工作状态时的输出波形。此时电源为±15V，负载为8Ω，由图可以看出，由于检测电阻为0.3Ω，主、副电路模块一起工作输出峰值电流达到了1.5A.

图3是电源为±15V，负载为8Ω时的直流扫描特性曲线，由图可得其输出动态范围可达12.5V，输出功率达到10W，驱动能力特别强。

图2 主副模块同时工作

Fig2 Main and auxiliary module work together

图3 直流扫描特性曲线

Fig3 Characteristic curve of direct current scan

4、结论

该功率输出级电路可以代替通用集成运放的输出级工作，有较强的强驱动能力；也可以做单独的功放输出扩展模块，应用于多芯片模块（MCM）以及二次集成中。

本文作者创新点：本文提出的热疏导电路结构，设计了冗余副电路模块，采用过热过流检测电路来检测芯片温度，担当主、副模块交替开启工作的开关，实现了利用电路结构进行散热。大大提高了电路系统的集成度及散热效率，使散热具备了高可靠性、灵活性、不需要维修等特点。