一种高精度阈值可调过温保护电路的设计

张瓷平，冯全源



一种高精度阈值可调过温保护电路的设计

张瓷平，冯全源

（西南交通大学 微电子研究所，四川 成都 611756）

设计了一种高精度阈值可调过温保护电路。该电路利用与温度无关的电压和一个具有负温度系数的电压相比较，实现温度的检测。通过基准分压得到高、低阈值电压可调的迟滞比较器，具有较高的精度。基于0.18 µm BCD工艺模型，利用Hspice软件对电路进行仿真。仿真结果表明，在典型应用下，当温度高于150.5 ℃时，过温保护电路输出高电平，关断电路；当温度低于130.5℃时，电路重新开启，具有20℃迟滞量。在3~5.5 V电源电压范围内，过温电压阈值和迟滞温度最大偏移量小于0.02 ℃。

高精度；阈值可调；过温保护；负温度系数；基准；BCD工艺

随着芯片集成度的提高，系统的功耗增加，导致系统的温度增大，对系统的稳定性和可靠性造成严重的影响。为了保证电路的正常工作和维持系统的稳定性，因此过温保护电路的设计是必要的[1-2]。

过温保护电路主要分为两种类型：基于电压和基于电流比较。前者是基于一个无温度系数的电压和一个具有温度系数的电压相比较实现的[3]；后者是通过产生一个与热力学温度有关的电流并基于电流的比较实现的[4]。传统的过温保护电路受电路结构的限制，过温阈值和迟滞温度的变化范围容易受电源电压的影响。针对这个问题，本文基于由PTAT（与热力学温度成正比的电流）和三极管基极-发射极电压BE的线性组合构成的基准[5]和BE的负温度特性，提出一种高精度阈值可调的过温保护电路，通过基准分压得到无温度系数的过温阈值和恢复阈值，仿真结果表明，两者随电源电压变化的波动较小。因此，迟滞温度变化范围较小，具有较高的精度，并且两者可以根据需要进行调节，适用于多种集成电路。

1 电路结构与原理分析

1.1 典型过温保护电路结构的分析

一种典型过温保护电路架构如图1所示[6]。

该电路利用三极管Q1基极-发射极电压BE具有负温度特性实现温度的检测。正常工作状态时，BE>A，out为高电平，M1开启，电阻R2短路到地，A=PTAT·1；当温度升高到一定值，使得BE

该电路通过调节R1、R2的阻值实现过温阈值和恢复阈值的调节，在不同的电源电压作用下，R1、R2的阻值会发生变化，因此，过温阈值和恢复阈值会随之变化。针对这个问题，本文设计了一种阈值可调的过温保护电路，其受电源电压的影响较小，具有较高的稳定性。

1.2 基准电路设计及其原理分析

本文设计的基准电路如图2所示。图中，左半部分为基准启动电路，右半部分为基准核心电路。当使能信号EN为高电平，电源电压开始上电时，MN10、MN11、MN12为二极管接法，F为高电平，则MN1栅极为高电平，MN1导通，基准电压ref开始缓慢上升，MN7的栅极电位由ref分压得到，当该分压大于MN7阈值电压时，MN7导通，将F拉低，启动电路关断。

基准电压ref产生过程如下：运放使得三极管Q1基极B和集电极C电位相等，以使运放输出稳定，即MN1栅极电位稳定，以稳定输出基准电压ref。三极管Q1和Q2为相同模型，其中，Q1，=，Q2，=1，5=6，根据：

式中：T=/为热电压[7](为波尔兹曼常数，为热力学温度，单位为K（开尔文），为电荷量)，C为三极管Q1和Q2的集电极电流，S为三极管Q1和Q2的发射极饱和电流。可得：

(3)

则计算可得：

(5)

式（5）中，BE2具有负温度系数[8]，在室温下，

T具有正温度系数，

(7)

因此，只需要调节2、3、4、7的大小，使得：

就可以得到一个理论上与温度无关的零温度系数基准电压[9]。由(4)式可知，

(9)

因此，A具有负温度系数，用作实现检测温度的变化。

1.3 过温保护电路设计及其原理分析

本文设计的过温保护电路如图3所示。跟随器将基准电压ref镜像到跟随器输出端。MP4、MP5、MN2、MN3、MP6、MP7、MN4、MN5构成迟滞比较器，将基准输出的具有负温度系数的电压A与基准电压ref的分压H，L相比较，实现温度的检测。

图3 过温保护电路图

由式(9)可知，A是一个具有负温度系数的电压，随着温度的升高，其电压下降，接在MP4的栅极，即迟滞比较器的负向端；MN4、MP6、MP7、MN5构成两个传输门，两个传输门分别接基准电压ref的分压H，L，其中，

(11)

由式(8)可知，ref为一个温度系数近似为零的电压，因此H，L均是温度系数近似为零的电压，接在二选一传输门的输入端，选择H或L接在MP5的栅极，即迟滞比较器的正向端。

正常工作状态时，过温保护电路输出OTP_out为低电平，反相器输入端A1为低电平，此时，MP7、MN5构成的传输门导通，将L传输到MP5栅极，即比较器正向端电压为L，A>L，比较器输出为低电平；当温度升高到一定值，使得AH时，比较器输出为低电平，反相器输入端A1为低电平，此时，MP7、MN5构成的传输门再次导通，将L传输到MP5栅极，即比较器正向端电压为L，过温保护电路输出OTP_out为低电平，芯片正常工作。

本文采用一个二选一传输门输出电压接在比较器的正向端，通过反相器A1控制两个传输门的导通或关断，将基准电压ref的分压H，L选择性地传输到比较器的正向端，H，L可以根据需要进行调节，即过温阈值和恢复阈值可以根据需要进行调节，具有较好的灵活性；H，L温度系数近似为零，因此，该迟滞比较器具有较高的精度。

2 仿真结果与分析

基于0.18 µm BCD工艺模型，利用Hspice软件对电路进行仿真。

图4和图5为电源电压in为5 V，典型工艺模型下，–20~+160 ℃温度范围内，L，H的温度特性曲线。从图中可以看出，L变化853.1 µV，温度系数为4.74×10–6/℃；H变化927.8 µV，温度系数为5.15×10–6/℃，两者随温度的变化较小，温度性能较好。

图4 VL温度特性曲线

图5 VH温度特性曲线

图6为电源电压in为5 V，典型工艺模型下，–20~+160 ℃温度范围内，迟滞比较器负向端A的温度特性曲线，从图中可以看出，随着温度的升高，A下降，并且具有较好的线性度。A的变化范围为0.423 73~0.766 42 V。

图6 VA温度特性曲线

图7为电源电压in为5 V，典型工艺模型下，–20~+160 ℃温度范围内，过温保护电路的输出特性曲线，从图中可以看出，当温度升高到150.5 ℃时，OTP_out输出为高电平，关断芯片；当温度下降到130.5 ℃时，OTP_out输出为低电平，芯片恢复正常工作。迟滞温度为20 ℃。

图8为电源电压在3，3.3，4，5和5.5 V，典型工艺模型下，–20~+160 ℃温度范围内，过温保护电路的输出特性曲线。图中，过温阈值变化范围为150.5~150.52 ℃，最大变化约为0.02 ℃；恢复阈值变化范围为130.5~130.51 ℃，最大变化为0.01 ℃；迟滞温度最大变化范围为0.01 ℃；具有较高的精度和稳定性。

图7 过温保护电路迟滞特性曲线

图8 不同电源电压下过温保护电路输出特性曲线

表1为本文与文献[10]性能的比较，本文过温保护电路在电源电压变化的情况下，过温阈值、恢复阈值、迟滞温度的变化量小于文献[10]，具有较好的性能。

表1 本文与文献[10]性能的比较

Tab.1 Performance comparison between this paper and literature [10]

3 结论

本文基于0.18 µm BCD工艺模型，设计了一种高精度阈值可调过温保护电路。Hspice仿真结果表明，该电路电源电压在3~5.5 V范围变化时，过温阈值、恢复阈值、迟滞温度的变化量较小，具有较高的精度；同时，过温阈值和恢复阈值可以根据需要进行调节，因此适用于多种电源管理芯片中的过温保护。

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（编辑：张金平）

Design of a high precision threshold adjustable over-temperature protection circuit

ZHANG Ciping, FENG Quanyuan

(Institute of Microelectronics, Southwest Jiaotong University, Chengdu 611756, China)

A high precision threshold adjustable over-temperature protection circuit was presented. Temperature detection was achieved by comparing a independent voltage of temperature with a negative temperature coefficient voltage. By bandgap reference voltage division, a high accuracy hysteresis comparator with adjustable upper and lower threshold voltage was obtained. Based on 0.18 µm BCD process model, the circuit was simulated by using Hspice software. Simulation results show that, the output of over-temperature protection circuit is high level when temperature is higher than 150.5℃, then the circuit is shut down; it is restarted again when temperature is lower than 130.5 ℃, and the range of hysteresis temperature is 20 ℃. In the source voltage range of 3－5.5 V, the maximum temperature drift of over-temperature voltage threshold and hysteresis temperature is less than 0.02 ℃.

high precision; adjustable threshold; over-temperature protection; negative temperature coefficient; bandgap reference; BCD process

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.08.013

TN433

A

1001-2028（2017）08-0075-05

2017-04-21

冯全源

国家自然科学基金重点项目资助（No. 61531016）；四川省科技支撑计划重点项目资助（No. 2016GZ0059; No. 2017GZ0110）

冯全源（1963－），男，江西景德镇人，教授，博士，主要从事集成电路、RFID技术等研究，fengquanyuan@163.com ；张瓷平（1993－），女，河南周口人，研究生，研究方向为模拟集成电路设计，E-mail: ciping0605@163.com 。

网络出版时间：2017-07-31 11:32

http://kns.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20170731.1132.013.html