黃軍軍，喬 明

（電子科技大學(xué)電子薄膜與集成器件國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610054）

1 引言

隨著電子產(chǎn)品的集成度越來越高，系統(tǒng)的功耗也大大增加，尤其對(duì)于一些電源管理芯片和功率集成電路而言。電路產(chǎn)生的功耗造成芯片溫度升高，過高的溫度會(huì)造成芯片中集成器件的失效，同時(shí)也使芯片的壽命降低。因此，為了保證電路的正常工作和系統(tǒng)的穩(wěn)定，設(shè)計(jì)過溫保護(hù)電路是必要的[1~2]。

傳統(tǒng)的過溫保護(hù)電路由于結(jié)構(gòu)的限制，熱翻轉(zhuǎn)點(diǎn)和遲滯溫度范圍容易受到電源電壓和工藝下的影響，精度不高。針對(duì)此問題，提出一種高精度的過溫保護(hù)電路。仿真結(jié)果表明，在3.5~5.5 V電壓條件下，電路的熱關(guān)斷點(diǎn)和熱開啟點(diǎn)溫度漂移最大不超過0.4 ℃，熱遲滯范圍漂移也較小，而且溫度翻轉(zhuǎn)點(diǎn)可以根據(jù)需要靈活調(diào)節(jié)，適用于集成到各種電路之中。

2 典型的過溫保護(hù)電路

集成電路中常用的過溫保護(hù)結(jié)構(gòu)是利用PN結(jié)兩端電壓的負(fù)向溫度特性檢測(cè)芯片內(nèi)部溫度的變化[3]，當(dāng)溫度超過設(shè)定范圍時(shí)保護(hù)電路工作，關(guān)斷部分功耗較大的電路或者全部電路，當(dāng)溫度降低到一定范圍時(shí)，使電路恢復(fù)正常工作狀態(tài)[4]。典型的過溫保護(hù)電路[5]如圖1所示。

圖1 典型過溫保護(hù)電路

電路利用PNP三極管基極和發(fā)射極電壓VEB具有負(fù)溫度系數(shù)的特性實(shí)現(xiàn)溫度的檢測(cè)。圖中IPTAT（Proportional to Absolute Temperature）電流是與溫度成正比的電流。正常工作時(shí)，比較器輸出高電平，NMOS管MN1導(dǎo)通并工作在線性區(qū)，使電阻R2短路，此時(shí)A電壓點(diǎn)VA=IPTAT×R1，VA＜VEB1，保持比較器輸出高電平。隨著溫度的升高，VEB1降低，當(dāng)溫度升至熱關(guān)斷閾值點(diǎn)時(shí)使VEB1=VA。隨著溫度繼續(xù)升高，VEB1＜VA，比較器開始翻轉(zhuǎn)并輸出低電平，同時(shí)使NMOS管MN1關(guān)斷，電阻R2不再被短路，A點(diǎn)電壓變?yōu)閂A= IPTAT×(R1+R2)。當(dāng)芯片溫度降低時(shí)，VEB1需要升高到一定程度比較器才會(huì)再次翻轉(zhuǎn)，輸出高電平，重新啟動(dòng)系統(tǒng)。

此電路通過調(diào)節(jié)電阻R1和R2的阻值來實(shí)現(xiàn)熱關(guān)斷、熱開啟以及熱滯回量的調(diào)節(jié)。在不同的工藝條件下，電阻的阻值變化很大，而且不同的電源電壓下，電阻上面的電壓也會(huì)隨之改變。因此，不同的工藝和供電電壓時(shí)，電路的溫度閾值點(diǎn)和熱滯回量將發(fā)生較大變化。

3 高精度過溫保護(hù)電路

該高精度過溫保護(hù)電路利用一個(gè)閾值可調(diào)的高精度遲滯比較器[6]，通過帶隙基準(zhǔn)產(chǎn)生兩個(gè)與溫度無關(guān)的基準(zhǔn)電壓，分別接入遲滯比較器的兩個(gè)閾值點(diǎn)，通過比較PNP管EB結(jié)電壓和兩個(gè)閾值電壓，實(shí)現(xiàn)過溫保護(hù)。電路如圖2所示，整個(gè)電路包括3部分：帶隙基準(zhǔn)、閾值設(shè)置電路、比較器及輸出電路。

圖2 高精度過溫保護(hù)電路

3.1 帶隙基準(zhǔn)

帶隙基準(zhǔn)的基本原理是根據(jù)硅材料的帶隙電壓和溫度無關(guān)的特性，利用工作在不同電流密度時(shí)兩個(gè)雙極性晶體管基極-發(fā)射極電壓的差值與絕對(duì)溫度呈正比的特性和雙極性晶體管基極-發(fā)射極電壓VBE呈負(fù)溫的特性，通過按比例疊加使正負(fù)溫度系數(shù)相互抵消，從而得到與溫度無關(guān)的基準(zhǔn)電壓[7]。如圖2所示，PNP三極管Q2和Q3，電阻R3、R4、R5，PMOS管MP1、MP2及運(yùn)放AMP1構(gòu)成基準(zhǔn)產(chǎn)生電路。

設(shè)置Q2和Q3的發(fā)射區(qū)面積比AE2:AE3=1:N，MP1、MP2寬長(zhǎng)比為1:1，由于運(yùn)算放大器AMP1調(diào)節(jié)PMOS管的柵極電壓確保VB和VC相等，可以得到式（1）。

式中VT=kT/q為熱電壓，k為玻爾茲曼常數(shù)；q為電荷量。IQ2、IQ3分別為流過PNP管Q2和Q3的集電極電流。IS2、IS3分別為Q2和Q3的集電極飽和電流。

由于Q2和Q3的發(fā)射區(qū)面積比AE2:AE3=1:N，得：

由于MP1、MP2寬長(zhǎng)比為1:1，且MP1、MP2為長(zhǎng)溝道器件并工作在飽和區(qū)，可得：

將式（2）、（3）代入（1）中得出：

因此可以得到基準(zhǔn)電壓：

從式（6）可見，由于VEB3呈負(fù)溫特性而熱電壓VT呈正溫特性，通過調(diào)節(jié)電阻R3、R4的比值及三極管Q2和Q3的發(fā)射極面積比即可得到與溫度無關(guān)的基準(zhǔn)電壓Vref。

3.2 熱關(guān)斷閾值設(shè)置電路

熱關(guān)斷閾值設(shè)置電路的核心為一個(gè)單位增益緩沖器。為了滿足設(shè)計(jì)對(duì)溫度翻轉(zhuǎn)點(diǎn)的精確檢測(cè)，需要提供兩個(gè)受電源電壓和溫度及工藝影響較小的電壓閾值點(diǎn)，分別作為熱關(guān)斷和熱開啟時(shí)對(duì)應(yīng)的翻轉(zhuǎn)電平。圖2中，集成運(yùn)放AMP2的輸出端與負(fù)輸入端相連，構(gòu)成一個(gè)單位增益緩沖器，運(yùn)放的正輸入端接基準(zhǔn)電壓，通過鏡像基準(zhǔn)電壓到運(yùn)放的輸出端，并利用電阻R6、R7、R8分壓后產(chǎn)生閾值電壓VTH+、VTH?輸出給滯回比較器的兩個(gè)閾值輸入點(diǎn)。通過調(diào)整電阻R6、R7、R8的阻值比例即可得到不同的閾值電壓，實(shí)現(xiàn)熱關(guān)斷與開啟閾值的設(shè)置。分壓電阻使用的是同種類型的電阻，對(duì)于同一晶圓上同種電阻的偏差在同一個(gè)比例，因此電壓VTH+、VTH?可以保持不變。

3.3 溫度檢測(cè)及輸出電路

溫度檢測(cè)及輸出電路通過檢測(cè)呈負(fù)溫特性的晶體管的基極發(fā)射極電壓，通過與設(shè)置的閾值電壓比較，當(dāng)溫度超過過溫閾值點(diǎn)時(shí)比較器輸出高電平信號(hào)，當(dāng)溫度降低至正常溫度范圍時(shí)輸出低電平信號(hào)。電路主要通過一個(gè)高精度且閾值可調(diào)的遲滯比較器實(shí)現(xiàn)。

如圖2所示，比較器及輸出電路主要部分為一個(gè)高精度的遲滯比較器，由偏置電路、差分輸入級(jí)、二選一電壓選擇部分及輸出整形電路構(gòu)成。電路工作原理如下：利用三極管集電極發(fā)射極兩端的負(fù)溫特性，通過Q4、Q5作為溫度傳感器檢測(cè)溫度變化，并將溫度轉(zhuǎn)化為與之對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)VS，接入比較器的同相端。熱關(guān)斷閾值點(diǎn)電壓VTH?和熱開啟閾值點(diǎn)電壓VTH+作為二選一傳輸門的兩個(gè)輸入端。當(dāng)正常溫度時(shí)，溫度傳感器輸出電壓VS＞VTH+＞VTH?，因此比較器輸出高電平，再經(jīng)過反相器INV1、INV2，使傳輸門TG1導(dǎo)通，TG2關(guān)斷，此時(shí)反相器另一端輸入電壓VD= VTH?，反相器INV3輸出VOTP維持低電平。隨著溫度的升高，三極管的基極?發(fā)射極電壓下降，VS隨之下降，當(dāng)VTH?＜VT＜VTH+時(shí)，由于此時(shí)VD= VTH?，比較器輸出不會(huì)發(fā)生變化，隨著溫度的進(jìn)一步升高，當(dāng)VS下降至VS＜VTH?時(shí)，比較器翻轉(zhuǎn)，此時(shí)傳輸門TG1關(guān)斷，TG2開啟，VD= VTH+，VOTP輸出高電平，實(shí)現(xiàn)過溫保護(hù)。此時(shí)VTH?即為過溫翻轉(zhuǎn)點(diǎn)。當(dāng)溫度從過溫狀態(tài)下降時(shí)，三極管的基極-發(fā)射極電壓上升，VS隨之增大，當(dāng)VTH?＜VS＜VTH+時(shí)，由于此時(shí)VD= VTH+，比較器輸出不會(huì)發(fā)生變化。隨著溫度的進(jìn)一步減小，當(dāng)VS增加至VS＞VTH+時(shí)，比較器翻轉(zhuǎn)，此時(shí)傳輸門TG1開啟，TG2關(guān)斷，VD= VTH?，VOTP輸出低電平，解除過溫保護(hù)。此時(shí)VTH+即為解除過溫保護(hù)翻轉(zhuǎn)點(diǎn)。

4 仿真結(jié)果及分析

采用Cadence Spectre工具在某公司0.35 μm CMOS工藝下對(duì)設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。圖3所示為3~5.5 V供電電壓下基準(zhǔn)電路輸出電壓隨溫度變化特性曲線。由于本文采用了一階的溫度補(bǔ)償方式，基準(zhǔn)電壓Vref隨溫度先上升然后再下降，其中零溫度點(diǎn)在69 ℃左右，在0~140℃的溫度范圍，電壓在3~5.5 V變化時(shí)，基準(zhǔn)溫度最大波動(dòng)范圍在2.7 mV以內(nèi)，有較高的溫度穩(wěn)定性。經(jīng)計(jì)算在3.3 V電壓下，基準(zhǔn)的溫度系數(shù)約為8.6×10-6℃-1。

圖3 不同電壓下基準(zhǔn)電壓隨溫度變化特性曲線

圖4所示為3.3 V供電電壓下溫度檢測(cè)點(diǎn)輸出電壓VS隨溫度的變化曲線。從仿真結(jié)果可以看出，隨著溫度的增加，溫度檢測(cè)點(diǎn)VS的電壓下降，且具有較高的線性度。為了更加敏感地檢測(cè)溫度的變化，電路使用兩個(gè)晶體管基極發(fā)射極電壓疊加的方式，因此得到與溫度成正比的電壓為單個(gè)PN結(jié)兩端電壓的兩倍。圖中當(dāng)溫度在0~140 ℃變化時(shí)，VS的電壓線性變化范圍約為0.9~1.47 V 。

圖5所示為在3.3 V典型電壓下，對(duì)溫度進(jìn)行正向和反向掃描時(shí)輸出端電壓VOTP的變化曲線。從圖中可以看出，當(dāng)溫度低于125℃時(shí)，VOTP輸出低電平，系統(tǒng)正常工作，當(dāng)溫度超過125℃時(shí)，VOTP立刻翻轉(zhuǎn)并輸出高電平信號(hào)，觸發(fā)過溫保護(hù)，而且輸出信號(hào)電平翻轉(zhuǎn)時(shí)溫度漂移很小，幾乎近似階躍。將仿真圖放大后，可以發(fā)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)點(diǎn)的溫度漂移不超過0.1℃。當(dāng)溫度下降到105℃時(shí)，VOTP輸出低電平信號(hào)，解除過溫保護(hù)電路，溫度遲滯量為20℃。

圖5 過溫關(guān)斷和遲滯特性曲線

圖6 不同電壓下溫度特性滯回曲線

圖6所示為電路在3~5.5 V電源電壓下步長(zhǎng)為0.5 V時(shí)掃描得出的輸出電壓VOTP的溫度特性曲線。從圖中可以看出，電源電壓在3.0~5.5 V變化時(shí)，過溫關(guān)斷閾值點(diǎn)TH的變化范圍為124.7~125.1℃，重啟溫度TL的變化范圍為104.6~105℃，較大的電源電壓波動(dòng)范圍，熱關(guān)斷和重啟溫度點(diǎn)漂移最大為0.4℃。在同一電壓下，仿真結(jié)果表明溫度滯回量在設(shè)計(jì)的20℃時(shí)變化不超過0.2℃，有較高的精度和穩(wěn)定性。

5 結(jié)束語

基于0.35 μm CMOS工藝，設(shè)計(jì)了一款高精度過溫保護(hù)電路，仿真結(jié)果表明，該電路具有較高的精度，對(duì)于電源電壓的變化引起閾值點(diǎn)漂移和遲滯量的變化具有很強(qiáng)的抑制作用。由于電路的熱關(guān)斷點(diǎn)和熱開啟點(diǎn)的電壓通過同種類型的電阻對(duì)基準(zhǔn)分壓得到，對(duì)于因電阻工藝的偏差造成的誤差具有一定的抑制能力。而且電路的閾值點(diǎn)溫度可以根據(jù)要求靈活調(diào)節(jié)，實(shí)用性強(qiáng)，可集成于各種電路。

[1] 王永順，賈泳杰. 一種新型過溫保護(hù)電路[J]. 半導(dǎo)體技術(shù)，2010，35(10)：1020-1023.

[2] 劉磊，羅萍，李航標(biāo). 0.13 μm 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）.

[3] 陳貴燦，程軍，張瑞智，等. 模擬CMOS集成電路設(shè)計(jì)[M]. 西安：西安交通大學(xué)出版社，2002.

[4] 賀煒，馮全源，丁璐璐. 投影機(jī)高精度過溫保護(hù)電路的設(shè)計(jì)[J]. 電視技術(shù)，2014，38(11).

[5] 張彬，馮全源. 一種新型熱關(guān)斷電路的設(shè)計(jì)[J]. 微電子學(xué)，2009，39(1) : 42-44.

[6] 李強(qiáng)斌，杜月英. 一種高精度的遲滯比較器[C]. 四川省電子學(xué)會(huì)半導(dǎo)體與集成技術(shù)專委會(huì)2006年度學(xué)術(shù)論文集，2006.12.

[7] MEIJER G C M,WANG G J, FRUETT F. Temperature sensors and voltage reference implemented in CMOS technology [J]. IEEE Sensor J, 2001, 1(3): 225-234.