一种带热滞回功能的CMOS温度保护电路

汤 洵 张 涛

摘 要:基于 CSMC 0.5 μm CMOS工艺设计了一种带热滞回功能的高精度温度保护电路,利用晶体管PN结和PTAT电流相反的温度特性,极大地提高了温差鉴别的灵敏度。Cadence Spectre 仿真结果表明,该电路对温度灵敏度高,功耗低,且其热滞回功能可有效防止热振荡。比普通单PN结的温度保护电路具有更高的灵敏度和精度,可广泛用于各种功率芯片内部。

关键词:CMOS;温度保护;PTAT电流;热滞回

中图分类号:TN43

0 引 言

随着集成电路技术的广泛应用及集成度的不断增加,超大规模集成电路(VLSI)的功耗、芯片内部的温度不断提高,温度保护电路已经成为了众多芯片设计中必不可少的一部分。本文在CSMC 0.5 μm CMOS工艺下,设计一种适用于音频功放的高精度带热滞回功能温度保护电路。

1 电路结构设计

整个电路结构可分为启动电路、PTAT电流产生电路、温度比较及其输出电路。下面详细介绍各部分电路的设计以及实现。文中所设计的温度保护整体电路图如图1所示。

[BT3]1.1 启动电路

在与电源无关的偏置电路中有一个很重要的问题,那就是“简并”偏置点的存在,每条支路的电流可能为零,即电路不能进入正常工作状态,故必须添加启动电路,以便电源上电时摆脱简并偏置点。上电瞬间,电容獵上无电荷,M7栅极呈现低电压,M7~M9导通,PD(低功耗引脚)为低电平,M3将M6栅压拉高,由于设计中M2宽长比较小,而此时又不导通,Q1~Q4支路导通,电路脱离“简并点”;随着M6栅电位的继续升高,M2导通,M3源电位急剧降低,某时刻M3被关断,启动电路与偏置电路实现隔离,电容獵两端电压恒定,为M7提供合适的栅压,偏置电路正常工作。然而,当PD为高电平时,M4导通,将M6,M10的栅电位拉低,使得整个电路处于低功耗状态。

在这一部分,M11,M12,M14,M15组成低压共源共栅电流镜,并且有相同的宽长比,使两条支路电流相等。该结构与一般的共源共栅结构相比,可以提高等效沟道长度,从而增大输出电阻,提高电路的PSRR性能;并且这种两管组合结构可消耗较低的电压压降,从而增大输出电压摆幅,改善芯片低压工作特性。

与此同时,M7~M10这条支路为偏置电路提供了负反馈,以减小电源电压对偏置电流的影响,使得电路在平衡状态时保证X,Y两点电压相等。然而,反馈的引入也为偏置电路引入了不稳定的因素,这里M13和M7构成了一个两级闭环运放,为保证偏置电路的稳定,必须进行补偿。通过电容獵将主极点设置在第一级运放M13的输出端,从而保证了电路的稳定性[7]。若Q3发射区的面积是Q4发射区面积的玭倍,流过的电流大小均为獻,则:

由式(9)可知,流经R1У牡缌饔氲缭次薰,只与绝对温度成正比,即得到PTAT电流。

[BT3]1.3 温度比较及输出电路[8]

由于晶体管的BE结正向导通电压具有负温度系数;PTAT电流进行獻[CD*2]V变换产生电压具有正温度特性;利用这两路电压不同的温度特性来实现温度检测,产生过温保护信号的输出[9]。

M26獈M30,M33,M34构成一个两级开环比较器,反相器的接入是为了满足高转换速率的要求。M31,M32是低功耗管,M23獈M25的作用是构成一个正反馈回路,以防止在临界状态发生不稳定性,同时又为电路产生了滞回区间。

比较器的两个输入端电压分别记为玍璔和玍璕;玀17獈M22用来镜像基准源电路产生的PTAT电流,这里它们与M14有着相同的宽长比。因此流经这三条支路的电流都为獻㏄TAT。在常温下,M25截止,玆2完成对PTAT电流的獻[CD*2]V变换,即玍璕=2獻㏄TAT玆2,此时玍璕<玍璔,比较器输出为低电平。随着温度的升高,獻㏄TAT不断增大,玍璕也随之增大。与此同时,晶体管BE结正向导通电压玍璔以2.2 mV/℃的速度下降。当玍璕=玍璔的瞬间,比较器发生翻转,使得输出为高电平,从而启动温度保护。在温度保护启动的同时,M25开始导通。此时,流过玆2上的电流变为两部分,一部分是原来就存在的M19獈M22提供的偏置电流,另一部分就是新引入的由㎝23獈狹25提供的电流。这样做的好处是在温度下降时,只有在温度低于开始的关断温度一定值时才能重新工作,相当于在关断点附近形成热迟滞,有效地防止了热振荡现象的发生。

2 仿真结果及分析

以下是对各部分电路进行仿真的结果,仿真工具是Candence Spectre,模型采用华润上华公司的0.5 μm的玭阱CMOS工艺[10]。

图2是PTAT电流随温度变化曲线。仿真结果表明,该曲线线性度较好,符合PTAT电流特性。常温下,在电源为5 V的情况下,功耗仅为0.4mW。可见,其功耗非常低。

[JP2]图4是温度分别从0~150 ℃和150~0 ℃扫描时比较器输出状态的变化。由图可见,当温度由低到高上升至84.1 ℃时,电路输出状态由低电平翻转成高电平,实现了芯片的过温保护;只有当温度回落到72 ℃时,电路才恢复原状态,实现了约12 ℃的滞回温度。改

3 结 语

为保证芯片在工作时不因温度过高而被损坏,温度保护电路是必须的。这里所设计的温度保护电路对温[LL]度灵敏性高,功耗低, 其热滞回功能能有效防止热振荡现象的发生,相比一般单独使用晶体管BE结的温度保护电路具有更高的灵敏度和精度,可广泛用于各种功率芯片内部。

参 考 文 献

[1][美]毕查德•拉扎维.模拟CMOS集成电路设计[M].陈贵灿,译.西安:西安交通大学出版社,2003:309[CD*2]327.

[2]Serra[CD*2]Graells F,Huertas J L.Sub[CD*2]1 V CMOS ㏄roportional[CD*2]猼o[CD*2]Absolute Temperature Reference [J].IEEE Journal on Solid[CD*2]state Circuit,2003,38 (1):84[CD*2]88.

[3]文武,文治平,张永学.一种高精度自偏置共源共栅的CMOS 带隙基准源[J].微电子学与计算机,2008,25(8):711[CD*2]714.

[4]Banba H.A CMOS Bandgap Reference Circuit with Sub[CD*2]1 V Operation[J].IEEE Journal on Solid[CD*2]state Circuit,1999,34:670[CD*2]674.

[5]张孝坤,王继安.一种可用于模块化设计的热关断电路[J].微电子学与计算机,2007,24(6):130[CD*2]136.

[6]潘飞蹊,俞铁刚,郭超,等.一种高精度带隙基准源和过温保护电路[J].微电子学,2005,35(2):192[CD*2]195.

[7]Phillip E Allen,Douglas R Holberg.CMOS模拟集成电路设计[M].北京:电子工业出版社,2005.

[8]石伟韬,蒋国平.一种高稳定低功耗CMOS 过热保护电路的设计[J].电子器件,2006,29(2):330[CD*2]334.

[9]Nagel M H,Fonderie M J.Integrated 1 V Thermal Shutdown Circuit [J].IEEE Electronics Letters,1992,28 (10):969[CD*2]970.

[10]韩雁,洪慧.集成电路设计制造中EDA工具实用教程[M].杭州:浙江大学出版社,2007.