一種高精度CMOS過溫保護(hù)電路

陳思良

摘要：基于SMIC 0.18μm CMOS工藝，設(shè)計(jì)了一種過溫保護(hù)電路。通過采用調(diào)整特定電阻技術(shù)產(chǎn)生溫度遲滯量，有效避免振蕩。仿真結(jié)果表明，當(dāng)溫度超過106℃時(shí)電路關(guān)斷，當(dāng)溫度降低至84℃時(shí)電路開啟，遲滯量為22℃。

關(guān)鍵詞：過溫保護(hù);熱振蕩;高精度

中圖分類號(hào)：TN402 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2018）12-0160-02

0 引言

隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，芯片集成度越來(lái)越高，器件密度、能耗密度也越來(lái)越大[1]。功耗會(huì)引起芯片溫度的升高，易引起PN結(jié)熱擊穿從而過流會(huì)導(dǎo)致芯片無(wú)法正常工作。因此，在集成電路系統(tǒng)中，過溫保護(hù)電路（OTP）是非常必要的。

傳統(tǒng)的過溫保護(hù)電路利用雙極晶體管基極-發(fā)射極的電壓VBE與溫度成反比（CTAT）或者與溫度成正比（PTAT）的電壓與基準(zhǔn)電壓信號(hào)的比較，實(shí)現(xiàn)溫度的檢測(cè)功能，利用遲滯比較器實(shí)現(xiàn)溫度遲滯功能。本文利用工作在亞閾值區(qū)MOS管的柵源電壓之差ΔVGS以及MOS管的柵源電壓VGS分別產(chǎn)生一個(gè)PTAT電流和CTAT電流，進(jìn)而獲得一個(gè)與溫度無(wú)關(guān)的電壓VREF，并通過調(diào)節(jié)電阻阻值實(shí)現(xiàn)溫度的遲滯，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

1 電路設(shè)計(jì)

圖1為本文所設(shè)計(jì)的過溫保護(hù)電路，主要由啟動(dòng)電路、PTAT電流源、CTAT電流源和過溫保護(hù)核心電路組成。其中，啟動(dòng)電路由MS1～MS4組成，過溫保護(hù)核心電路中的比較器采用圖2所示的結(jié)構(gòu)[2]。同時(shí)，為增加比較器的驅(qū)動(dòng)能力，在比較器COMP輸出端采用兩個(gè)反相器級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1（b）為PTAT電流源，由MOS管M1～M4和電阻R0組成。M3管和M4管都工作在亞閾值區(qū)且M3管的溝道寬長(zhǎng)比是M4管的β0倍，M1管和M2管相同且工作在飽和區(qū)，則M3管的漏極電流ID3為：

（1）

式（1）中，n為工藝參數(shù)，k為玻爾茲曼常數(shù)，q為電子電荷量，T為絕對(duì)溫度。因此，ID3是一個(gè)與溫度成正比的電流。M10管的溝道寬長(zhǎng)比是M1管的β1倍，M11管的溝道寬長(zhǎng)比是M1管的β2倍，因此，M10管的漏極電流IPTAT1和M11管的漏極電流IPTAT2均為PTAT電流，且分別為，。

圖1（c）為CTAT電流源，由MOS管M5～M8和電阻R1組成。M6管和M7管都工作在亞閾值區(qū)，則流過R1的電流IR1為。VGS6為M6管的柵-源電壓，其具有負(fù)溫度特性[3]。流過M8管和電阻R1的電流相等，M8管和M9管工作在飽和區(qū)且M9管的溝道寬長(zhǎng)比是M8管的β3倍，M9管的漏極電流ICTAT是CTAT電流，且為：

（2）

式（2）中，R1為電阻R1的阻值。

通過優(yōu)化參數(shù)，電流IPTAT1和電流ICTAT都流過R2，R2上的電壓VREF具有與溫度無(wú)關(guān)的特性，其為：

（3）

式（3）中，R0、R1、R2分別為電阻R0、R1、R2的阻值。

本文采用一種典型的兩級(jí)比較器[2]，如圖2所示。MOS管MP1～MP3、MN1和MN2構(gòu)成比較器的第一級(jí)，MN3管和MP4管構(gòu)成比較器的第二級(jí)。對(duì)于圖1所示電路，當(dāng)溫度未達(dá)到最高溫度時(shí)，節(jié)點(diǎn)B電壓低于節(jié)點(diǎn)A電壓，輸出VOUT為高電平，M12管導(dǎo)通，電阻R4被短路，電路正常工作;當(dāng)溫度達(dá)到最高溫度時(shí)，節(jié)點(diǎn)B電壓高于節(jié)點(diǎn)A電壓，輸出VOUT為低電平，產(chǎn)生熱關(guān)斷信號(hào)，此時(shí)M12管截止，IPTAT2流過電阻R4從而提高了節(jié)點(diǎn)B的電壓。溫度進(jìn)一步下降，只有使節(jié)點(diǎn)B電壓下降到低于VREF，才能重新開啟電路，從而實(shí)現(xiàn)了OTP的遲滯作用，避免了在某一溫度點(diǎn)的熱振蕩。遲滯窗口的大小由電阻R3和R4決定，通過調(diào)整電阻R3和R4的阻值，控制節(jié)點(diǎn)B的翻轉(zhuǎn)電壓，從而控制開關(guān)點(diǎn)。

2 仿真結(jié)果

本文采用SMIC 0.18μm CMOS工藝對(duì)過溫保護(hù)電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)與仿真。

圖3為OTP的直流仿真曲線。仿真結(jié)果表明，當(dāng)電源電壓為1.8V，溫度低于106℃時(shí)，OTP輸出為高電平;當(dāng)溫度高于106℃時(shí)，OUT_OTP發(fā)生翻轉(zhuǎn)，OTP輸出為低電平，產(chǎn)生熱關(guān)斷。當(dāng)溫度降低到84℃時(shí)，電路恢復(fù)正常工作，溫度遲滯量為22℃。

圖4為電源電壓分別為1.8V，3.3V和5V時(shí)過溫關(guān)斷與遲滯特性曲線。仿真結(jié)果表明，電源電壓變化對(duì)關(guān)斷溫度與遲滯影響非常小，過溫關(guān)斷溫度的最大偏差為0.6℃，溫度遲滯量的最大偏差為0.15℃。

3 結(jié)語(yǔ)

本文基于SMIC 0.18μm CMOS工藝，設(shè)計(jì)了一個(gè)過溫保護(hù)電路。仿真結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的電路對(duì)電源電壓變化所引起的過溫關(guān)斷的溫度偏差的抑制作用強(qiáng)，穩(wěn)定性好，適用于作集成電路芯片的內(nèi)部過溫保護(hù)電路。

參考文獻(xiàn)

[1]劉磊，羅萍，李航標(biāo).0.13μm CMOS高精度過溫保護(hù)電路的設(shè)計(jì)[J].微電子學(xué)，2013，43（3）：321-324.

[2]艾倫，霍爾貝格著;馮軍，李智群譯.CMOS模擬集成電路設(shè)計(jì)[M].電子工業(yè)出版社，2011：363-375.

[3]Qianneng Zhou，Ling Zhu ， Hongjuan Li，et al.Novel high PSRR high-order temperature-compensated subthreshold MOS bandgap reference[J].The Journal of China Universities of Posts and Telecommunications，2017，24（6）：74-82.

A High Precision CMOS Over-temperature Protection Circuit

CHEN Si-liang

（College of optoelectronic engineering， Chongqing University of Posts and Telecommunications， Chongqing 400065）

Abstract：An over-temperature protection （OTP） circuit was designed in SMIC 0.18μm CMOS process. This circuit generated temperature hysteresis by adjusting the resistance of the specific resistors to avoid thermal oscillation. Simulation results showed that the OTP circuit is turned off at106 °C and returned to work at 84 °C. The temperature hysteresis of the OTP is 22 °C.

Key words：over temperature protection; thermal oscillation; high precision