一種高精度低功耗的BiCMOS過溫保護(hù)電路

李宏杰 段德功

摘 要：基于UMC0.25 μm BCD工藝，設(shè)計(jì)了一種高精度低溫漂的過溫保護(hù)電路。相對(duì)傳統(tǒng)電壓比較器結(jié)構(gòu)的過溫保護(hù)電路，無(wú)電壓比較器結(jié)構(gòu)的過溫保護(hù)電路利用雙極型晶體管的溫度特性和閾值電壓來(lái)檢測(cè)芯片內(nèi)部溫度和控制芯片的關(guān)斷。當(dāng)芯片內(nèi)部溫度高于系統(tǒng)設(shè)定值時(shí)，過溫保護(hù)電路輸出高電平并且關(guān)斷芯片其他模塊，實(shí)現(xiàn)過溫保護(hù)功能。利用Cadence和Hspice仿真軟件對(duì)過溫保護(hù)電路進(jìn)行驗(yàn)證分析。仿真結(jié)果表明：在電源電壓為5 V，且芯片工作溫度上升過程中，當(dāng)芯片內(nèi)部溫度高于100.02 ℃時(shí)，過溫保護(hù)電路輸出高電平，芯片系統(tǒng)被過溫保護(hù)電路關(guān)斷;當(dāng)芯片內(nèi)部溫度低于92 ℃時(shí)，過溫保護(hù)電路輸出低電平，芯片系統(tǒng)重新正常工作，回差溫度為8.02 ℃，可以有效防止芯片由于溫度波動(dòng)被反復(fù)關(guān)斷。

關(guān)鍵詞：過溫保護(hù);閾值電壓;溫度系數(shù);回差溫度;集成電路;芯片

中圖分類號(hào)：TP39;TN432文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2019）08-00-03

0 引 言

隨著現(xiàn)代中大規(guī)模集成電路的集成度不斷提高，電路功耗及其穩(wěn)定性已成為影響芯片性能好壞的重要因素。當(dāng)芯片內(nèi)部電路由于電源短接、線路短路或重負(fù)載等情況而引起功耗增加，造成芯片內(nèi)部溫度上升，晶體管PN結(jié)可能因?yàn)檫^溫而產(chǎn)生熱擊穿，導(dǎo)致芯片不可逆轉(zhuǎn)的永久失效[1]。過溫保護(hù)電路（Over Temperature Protection，OTP）能夠時(shí)刻檢測(cè)芯片內(nèi)部溫度，當(dāng)溫度高于設(shè)定閾值溫度時(shí)自動(dòng)關(guān)斷芯片系統(tǒng)，防止芯片內(nèi)部各模塊由于過溫造成大面積損壞。因此過溫保護(hù)電路目前已被廣泛應(yīng)用于A/D，D/A，鎖相環(huán)，電源管理芯片等中大規(guī)模集成電路[2]。

傳統(tǒng)過溫保護(hù)電路的設(shè)計(jì)思路是利用雙極型晶體管的溫度特性來(lái)檢查芯片工作溫度，產(chǎn)生與溫度呈正相關(guān)的電流作用到電阻上得到溫度檢測(cè)電壓，通過電壓比較器使溫度檢測(cè)電壓與系統(tǒng)設(shè)置的無(wú)溫度系數(shù)的帶隙基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，當(dāng)溫度檢測(cè)電壓高于帶隙基準(zhǔn)電壓時(shí)，芯片系統(tǒng)關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)過溫保護(hù)功能[3]。傳統(tǒng)過溫保護(hù)電路工作原理如圖1所示。其中，IP1和IP2為正溫度系數(shù)電流，正常溫度時(shí)OTP_OUT輸出高電平，NMOS管M1導(dǎo)通，電阻R2被短路，VNVP，OTP_OUT輸出低電平，過溫保護(hù)電路關(guān)斷其他模塊。此時(shí)M1管截止，VN=IP1·（R1+R2）。隨著工作溫度逐步降低，VN隨之減小，當(dāng)VN

1 過溫保護(hù)電路原理架構(gòu)

本文基于0.25 μm BCD工藝庫(kù)，提出了一種高精度低功耗的過溫保護(hù)電路。利用雙極型晶體管的溫度特性來(lái)檢測(cè)系統(tǒng)溫度并且實(shí)現(xiàn)過溫保護(hù)關(guān)斷功能，以代替?zhèn)鹘y(tǒng)電壓比較器架構(gòu)。電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功耗較低。

本文提出的過溫保護(hù)電路原理如圖2所示。正常溫度下OTP_OUT輸出低電平，NMOS管M1導(dǎo)通，R2被短路，VE=IP1R1，VEVBE，Q1管開始進(jìn)入深度飽和區(qū)，Q1管的集電極電壓由低電平轉(zhuǎn)為高電平，OTP_OUT輸出高電平，過溫保護(hù)功能啟動(dòng)。此時(shí)M1管截止，VE=IP1·（R1+R2）。當(dāng)溫度降低到臨界溫度以下時(shí)，VE

2 過溫保護(hù)電路

本文提出的過溫保護(hù)電路如圖3所示。電路分為啟動(dòng)電路、溫度檢測(cè)電流產(chǎn)生電路、過溫保護(hù)核心電路、遲滯電路。

2.1 啟動(dòng)與溫度檢測(cè)電流產(chǎn)生電路

啟動(dòng)與溫度檢測(cè)電流產(chǎn)生電路由M1～M5管，Q1，Q2以及R1組成。當(dāng)芯片偏置電流模塊供給OTP模塊的啟動(dòng)電流IBIAS為1.2 μA時(shí)，OTP模塊正常工作。IBIAS通過M1～M4管所組成的電流鏡結(jié)構(gòu)復(fù)制給溫度檢測(cè)電流產(chǎn)生模塊，通過調(diào)節(jié)M1～M4管的溝道寬長(zhǎng)比可以得到大小合適的啟動(dòng)電流。Q1，Q2為發(fā)射結(jié)面積為1∶8的NPN管，可知[5]：

式中：VT為熱力學(xué)溫度;IC為集電極電流;ISS為發(fā)射極電流密度，大小正比于PN結(jié)的面積[6]。℃，流過R1的電流為：

由此可見，IR1為正比例溫度系數(shù)電流，可用于芯片內(nèi)部溫度檢測(cè)。

2.2 過溫保護(hù)核心電路

過溫保護(hù)核心電路由M6～M8管，R2，R3和Q3組成。正常溫度下OTP_OUT輸出低電平，M8管導(dǎo)通R3被短路，VA大小為：

此時(shí)VA小于Q3管的開啟電壓，Q3管的集電極電壓為低電平。隨著溫度升高至臨界溫度時(shí)，VA大于Q3管的開啟電壓，Q3管進(jìn)入深度飽和區(qū)[7]。其集電極電壓跳變?yōu)楦唠娖剑琈8管截止，過溫保護(hù)功能啟動(dòng)，此時(shí)VA為：

當(dāng)溫度重新低于臨界溫度時(shí)，Q3管集電極電壓跳變?yōu)榈碗娖剑^溫保護(hù)功能關(guān)閉，電路正常工作。

2.3 遲滯電路

為了避免由于溫度波動(dòng)而造成反復(fù)關(guān)斷，施密特觸發(fā)器、M8和R3構(gòu)成的反饋控制電路產(chǎn)生遲滯特性[8]，圖4所示為施密特觸發(fā)器內(nèi)部電路。

3 仿真結(jié)果分析

本文提出的高精度低功耗BiCMOS過溫保護(hù)電路采用UMC0.25 μm BCD工藝庫(kù)設(shè)計(jì)，使用Hspice軟件進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果如圖5～圖7所示。

圖5為本文提出的過溫保護(hù)電路溫度特性曲線。從圖中可以看出，在溫度上升過程中，當(dāng)工作溫度高于100.02 ℃時(shí)，過溫保護(hù)電路輸出由低電平跳變?yōu)楦唠娖剑^溫保護(hù)功能啟動(dòng);在溫度下降過程中，當(dāng)工作溫度低于92 ℃時(shí)，過溫保護(hù)電路由高電平跳變?yōu)榈碗娖剑^溫保護(hù)功能關(guān)閉，芯片其他模塊正常工作。

圖6為過溫保護(hù)電路的溫度遲滯特性曲線。從圖中可以看出，在溫度上升過程和溫度下降過程中的過溫保護(hù)電路輸出跳變門限電壓存在遲滯特性，并且遲滯溫度ΔT=10 ℃，避免芯片由于溫度波動(dòng)而反復(fù)關(guān)斷。

圖7為過溫保護(hù)電路靜態(tài)功耗曲線。從圖中可以看出，當(dāng)過溫保護(hù)電路處于靜態(tài)工作時(shí)，靜態(tài)電流的范圍為8.07～8.85 μA，滿足了低功耗的設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文提出了一種高精度低功耗的過溫保護(hù)電路，采用UMC0.25 μm BCD工藝庫(kù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。利用雙極型晶體管的溫度特性和閾值電壓來(lái)檢測(cè)芯片工作溫度和控制芯片的過溫關(guān)斷。當(dāng)芯片內(nèi)部溫度高于設(shè)定臨界溫度時(shí)，過溫保護(hù)電路輸出高電平，實(shí)現(xiàn)過溫保護(hù)功能。當(dāng)溫度低于設(shè)定臨界溫度時(shí)，過溫保護(hù)電路輸出低電平，電路正常工作。溫度上升和下降過程中跳變門限電壓設(shè)有遲滯特性，避免芯片由于溫度波動(dòng)反復(fù)關(guān)斷。本文提出的過溫保護(hù)電路可滿足高精度、低功耗的過溫保護(hù)要求。

參 考 文 獻(xiàn)

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