一种高精度高灵敏度过温保护电路设计

李晓 张文杰 金湘亮

摘  要： 为避免芯片内部因温度过高而造成损坏，以及确保芯片的可靠性和稳定性，基于0.18 μm CMOS工艺设计并实现了一种高精度高灵敏度过温保护电路。该电路通过引入带有温度系数电压的反馈技术，产生带有温度信息的逻辑电平，实现对电路工作状态的控制，并给出细致的推导过程。基准电路可在宽范围的输入电压和温度下正常工作，保证过温保护电路有稳定的工作状态和稳定的输出。电路包含正反馈结构，加速温度检测信号输出的翻转，提高灵敏度。仿真结果表明，当温度超过160 ℃时，保护电路开启，当温度降到150 ℃时，保护电路关闭，且有10 ℃的温度迟滞量。该电路能很好地抑制电源电压变化造成的阈值点的漂移，有较高的精度，确保电路性能的稳定。

关键词： 过温保护; 电路设计; 电路状态控制; 温度检测; 灵敏度提高; 仿真实验

中图分类号： TN432?34                            文献标识码： A                       文章编号： 1004?373X（2020）22?0040?04

Abstract： An over?temperature protection circuit with high precision and high sensitivity is designed and implemented based on the 0.18 μm CMOS process to avoid the chip damage caused by over?temperature inside the chip， and ensure the reliability and stability of the chip. The circuit can generate logic level with temperature information by introducing feedback technology of voltage with temperature coefficient to control the working state of the circuit. The detailed derivation process is given in this paper. The reference circuit can work normally in a wide range of input voltage and temperature， and ensure stable working state and stable output of over?temperature protection circuit. The circuit contains the positive feedback structure to improve the sensitivity by accelerating the overturning of temperature detection signal output. The simulation results show that the protection circuit is turned on when the temperature exceeds 160 ℃， the protection circuit is turned off when the temperature drops to 150 ℃， and there is a temperature hysteresis of 10 ℃. The circuit can suppress the threshold point drift caused by the change of power supply voltage， and has a high precision to ensure the stability of circuit performance.

Keywords： over?temperature protection; circuit design; circuit state control; temperature detection; sensitivity improvement; simulation experiment

0  引  言

工艺水平的发展，致使集成电路高速发展，芯片性能提升的同时，安全性和稳定性越来越被重视[1]。芯片内部能量损耗将造成温度升高，会导致芯片温度过高，从而影响芯片性能和稳定性，也会使功耗增加[2]，研究显示：芯片温度每升高1 ℃，MOS管驱动能力下降约4%，电路失效率会变为原来的2倍，所以为确保芯片能正常工作，在芯片中添加过温保护电路尤为重要[3?4]。在某些特殊的情况下，输入电压会超出常规的变化范围，有较大的电压波动，可能会导致电路功能的改变[5]，所以确保电路能够适应宽范围的输入电压，也就能保证整个电路能有稳定的工作状态和稳定的输出。传统过温保护电路受工艺影响大，而且温度阈值点和迟滞量有较大偏移，且结构复杂、精度低、所需元器件多，不符合集成电路的发展趋势[6]。而本文设计电路具有结构简单、元器件少、功耗小、灵敏度高、开闭可控和精度高等优势，保证芯片的性能和安全。

1  过温保护电路设计

本文设计的过温保护电路优势是：基准结构新颖，按比例叠加抵消温度的影响;正常工作范围大，确保性能的稳定;灵敏度高，加速温度检测信号输出的翻转;精度高，阈值和迟滞变化幅度小;结构简单，无需比较器结构;输出隔离外部信号，也获得更大的驱动能力[7]。

1.1  带隙基准

产生基准的目的是得到一个与电源无关的零温度特性电压[8]。如图1所示，基准电路原理：将Q1和Q4发射极面积设为Q2，Q3和Q7的N倍，令流过R1的电流为[IR1]，流过R2的电流为[IR2]。Vbe为三极管基极?发射极电压，VT为热电压，q为电子电荷量，k为玻尔兹曼常数，T为热力学温度，Ic为三极管集电极电流，Ib为三极管基极电流，Ie为三极管发射极电流，Is为三极管饱和电流，β为电流放大系数。

1.2  过温保护核心电路

过温保护核心电路如图1所示，电路基本原理：MP2和MN1控制整个电路的开闭，Vbias提供宽范围稳定的基极电压，输出反馈到MN2的栅极，Q5，Q7，R4和R5构成正反馈电路， Q5，Q6，R4和R5构成保护电路，inv1和inv2反相器隔离外部信号。开关工作状态为：当MP2?g为逻辑电平低电平时，MP2开启，MN1关闭，过温保护电路正常工作;高电平时，MP2关闭，MN1开启，可以快速关闭整个电路，减小功耗。

过温保护电路核心是将一个与温度无关的电压和一个与温度线性相关的电压作比较[9]。设Q6阈值电压为VTH6，常温下，Q6关闭，没有电流流过Q5的基极，Q5关闭，保护电路关闭，Vout1低电平，所以MN2关闭，R7导通。同理可得：

调整R3，M和R0，得到TL。MN2的关断、开启实现了温度的滞回，当温度下降到低于TL，Q6关闭，Q5关闭，Vout输出又由低电平翻转为高电平，即Vout?OTP由低电平翻转为高电平，保护电路关闭，芯片正常工作。

由于电阻阻值以及三极管的导通阈值随小幅度温度变化的幅度较小，可以近似为温度系数为零的电压，因此TH和TL是温度系数近似为零的变量，所以，电路有较高的精度。电路转换速度决定电路对温度的灵敏性，而本设计，正反馈电路直接作用于温度信号的输出结构，原理如下：温度变化时，R4压降使Q7导通，产生[Ie7]=[Ic7]=β[Ib7]，则R5压降增大，即Vbe5增大，则[Ie5]=[Ic5]=β[Ib5] 增大，R4压降增大，[Ib7]增大，R5压降增大，形成正反馈，朝着相同方向变化，加速流过电阻R4的电流释放或积累，提高电路转换速率η，则：

3  结  论

基于传统过温保护电路缺点，本文设计一种高精度高灵敏度过温保护电路，主要介绍过温保护电路原理，并进行电路模块设计、仿真和版图绘制。测试表明，设计的带隙电路能够很好地抑制电源电压和温度影响，为后续电路提供高质量的输入电压，保证后续过温保护电路在特殊情况下也有稳定的工作状态;正反馈结构符合预期，能够提高信号输出的翻转速度;电源电压升高，阈值和迟滞变化幅度较小，有很高的精度，能很好地抑制电源电压影响，很好地检测芯片温度的变化，保护芯片不被热损坏，从而保证芯片的稳定性和可靠性，也保证了芯片的使用寿命，具有良好的应用前景。

参考文献

[1] 苟静，冯全源.新型低功耗过温保护电路设计[J].仪表技术与传感器，2014（7）：37?39.

[2] 陈昊，庞英俊.基于电流比较的过温保护电路设计[J].半导体技术，2015，40（2）：97?100.

[3] 葛兴杰，陆锋.0.25 μm CMOS新型过温保护电路的设计[J].电子与封装，2018，18（6）：22?25.

[4] PLESA C S， NEAG M， BOIANCEANU C， et al. Design methodology for over?temperature and over?current protection of an LDO voltage regulator by using electro?thermal simulations [J]. Microelectronics reliability， 2017， 79： 509?516.

[5] WANG X， TIAN F， BATARSEH I. High efficiency parallel post regulator for wide range input DC?DC converter [J]. IEEE transactions on power electronics， 2008， 23（2）： 852?858.

[6] 李树镇，冯全源.一种低功耗CMOS过温保护电路的设计[J].应用科技，2017（1）：14?17.

[7] 谢晶，张文杰，谢亮，等.一种嵌入式动态锁存比较器的设计与实现[J].微电子学，2013，43（6）：802?806.

[8] 李新，刘敏，张海宁.基于迟滞比较器的过温保护电路[J].中国集成电路，2018，27（z1）：54?60.

[9] 刘磊，罗萍，李航标.0.13 μm CMOS高精度过温保护电路的设计[J].微电子学，2013，43（3）：321?324.

[10] 王文奇，汪滢.CMOS带隙基准及过温保护电路的研究[J].电子技术与软件工程，2015（24）：127.