0.25 μm CMOS新型过温保护电路的设计

葛兴杰，陆 锋,2

（1.江南大学物联网工程学院，江苏无锡 214000；2.中国电子科技集团公司第五十八研究所，江苏无锡 214072）

1 引言

集成电路集成度随着摩尔定律发展了40多年，在性能提升的同时也面临着芯片因内部能量损耗而造成温度过高，从而影响芯片性能、效率和稳定性等问题。研究表明，芯片温度平均每升高1℃，MOS管的驱动能力将下降约4%，集成电路的失效率会增加一倍。因此，在芯片内部设计一个灵敏度高、结构简单可靠、适用范围广的过温保护电路就显得尤为重要[1-4]。

传统的过温保护电路主要有两种结构：一种是采用齐纳二极管的正温系数Vz和三极管的负温系数相减得到一个与温度相关的电压，控制三极管的通断，得到所需要的过温保护信号；第二种是利用三极管的负温系数VBE来与基准电压进行比较，通过比较器输出过温保护信号，实现保护电路的功能[5]。这两种结构都有各自的优缺点：第一种结构简单，但受工艺影响较大；第二种精度高，但需要带隙基准电路产生参考电压，还需要比较器进行电压比较，对电路设计和版图面积都有一定的限制。

2 电路原理

图1为典型的过温保护电路，Vout为输出。

图1 传统过温保护电路

式（1）中，VB1为三极管 Q1的基极电压，Vz为齐纳二极管DZ的导通压降(一般小于5 V)。在正常工作情况下，合理设置电阻R1和R2的阻值，使得三极管Q1的基极-发射极电压VBE1小于开启电压VTH，三极管截止，此时输出电压Vout为高电平；当温度上升时，三极管Q0的基极电压VBE0下降，因此，三极管Q1的基极电压VB1升高，超过阈值电压时Q1导通，输出电压Vout信号翻转，从而禁止芯片工作。

因为这个阈值电压是由电阻比例决定的，所以基本不受工艺的影响，而且可以忽略由温度变化引起的细微误差，但当芯片温度下降时，三极管的阈值电压VTH升高，Q1的基极电压下降到截止点，Q1管关断，芯片继续工作，温度上升，容易使电路引发热振荡[7]。

3 改进型电路的设计

3.1 正温系数电流的产生

图2所示为一个正温系数电流的产生电路。其工作原理如下：IE0为三极管Q0的发射极电流，I2为流过电阻R2的电流，IB1为三极管Q1的基极电流，ID0为PMOS管M0的漏极电流，正常工作时，三极管Q1导通，有：

图2 正温系数电流产生电路

当芯片温度升高时，三极管的电压VBE下降，而：

式（4）中，β为三极管的放大倍数，VTH为三极管的开启电压，由此可知，I2是负温度系数电流，IE0是正温度系数电流，可以得到一个对温度变化更敏感的正温电流IB1。

3.2 过温保护功能

图3是本文提出的一种过温保护电路设计，本电路的创新之处是利用共源共栅电流镜复制上述的正温电流，通过合理设置各MOS管的参数，让正温电流的变化直接影响PMOS管的漏极输出电压，从而对后续的控制电路提供翻转控制信号。

图3 本文提出的过温保护电路

由M0、M1两个相同类型的MOS管构成共源共栅结构电流镜，根据公式：

M3管工作在三极管区（线性区），因此，根据公式：

可得M3管输出的漏极电压VD1，当温度在正常范围内时，M3管的漏极电压VD1经过缓冲器B2后不足以让施密特触发器翻转，电路输出电平为低电平；当芯片温度升高时，正温电流VB1变大，三极管Q1的集电极电流ID0变大，镜像电流ID1同时变大，拉高了M3管的漏极电压VD1，当VD1超过阈值电压时，施密特触发器翻转，同时电路输出高电平，产生控制信号关闭开关管。

3.3 迟滞功能的实现

本文提出的过温保护电路另一个创新之处在于过温保护迟滞功能的实现，迟滞电路如图3中虚线框中所注，迟滞作用如图4所示。

图4 迟滞作用示意图

当芯片工作在正常温度范围内，施密特触发器输出高电平信号，M7管导通，将电阻R4短路；当芯片温度升高超过阈值温度T1时，此时M3管的漏极电压VD1的值为VT1，施密特触发器翻转输出低电平信号，使得M7管关闭，电阻R4作为分压电阻开始作用于正温电流产生电路，导致流过R3的电流I0减小，该温度T1下的三极管Q1的基极电流IB1则进一步增大，使得M3管的漏极电压VD1由VT1跳变到VT2，如图4所示，若此时温度在阈值左右小范围波动，VD1不会降到阈值电压VT1以下，所以施密特触发器不会来回翻转；当温度由高持续降低到T1时，此时的VD1值为VT2，仍大于VT1，触发器状态不会改变，随着温度的下降，当温度降到使得VD1的值为VT1时，触发器将翻转，输出高电平，M7管再次导通，短路电阻R4，此时的温度为T0。由于施密特触发器的翻转电平不一致，当温度下降时，VD1的温度需降到T0以下才能使触发器翻转，而此时的VD1值比阈值电压VT1要小，避免了热振荡。

4 仿真结果

设计的电路采用Cadence软件Spectre进行仿真，模型基于CSMC 0.25 μm工艺库。图5是正温电流随温度变化示意图。

图5 正温电流随温度变化

由图5和图6可知，当芯片温度上升到165℃时，正温电流急剧增大，输出跳变为高电平，导致芯片被关断；当芯片温度降至144℃时，输出跳变为低电平，芯片重新开启，温度滞回量为21℃。

图6 过温保护电路的过温关断和迟滞特性

图7为过温保护电路在不同工艺角下的仿真结果。热关断温度的变化范围为160～165℃，迟滞开启温度基本没有变化，不受工艺影响。

针对不同电源电压进行仿真的结果列于表1。可以看出，随着电源电压的升高，电路关断和芯片的温度变化较细微，总体温度滞回量在21～21.8℃的小范围内波动。

表1 热关断温度和迟滞开启温度与电源电压的关系

将本文电路仿真参数与相关文献[4，6，8]的电路进行比较，结果列于表2。

表2 本文电路与相关文献[4，6，8]的性能比较

5 结论

本文设计了一种结构新颖的过温保护电路，利用三极管的VBE的负温度系数特性，产生一个高灵敏度的正温系数电流，通过电流镜精确复制电流，利用MOS管的漏极电压随漏极电流变化的性质产生一个温度控制信号，从而实现过温保护功能；同时利用施密特触发器避免热振荡，增强了电路的稳定性。

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