- 溫度保護電路
- 適用于的高精度帶熱滯回功能溫度保護電路
- 熱滯回功能能有效防止熱振蕩現象的發生
- 帶熱滯回功能的CMOS溫度保護電路
引言：隨著集成電路技術的廣泛應用及集成度的不斷增加，超大規模集成電路(VLSI)的功耗、芯片內部的溫度不斷提高，溫度保護電路已經成為了眾多芯片設計中必不可少的一部分。本文在CSMC 0．5／μm CMOS工藝下，設計一種適用于音頻功放的高精度帶熱滯回功能溫度保護電路。
1 電路結構設計
整個電路結構可分為啟動電路、PTAT電流產生電路、溫度比較及其輸出電路。下面詳細介紹各部分電路的設計以及實現。文中所設計的溫度保護整體電路圖如圖1所示。
1．1 啟動電路
在與電源無關的偏置電路中有一個很重要的問題，那就是“簡并”偏置點的存在，每條支路的電流可能為零，即電路不能進入正常工作狀態，故必須添加啟動電路，以便電源上電時擺脫簡并偏置點。上電瞬間，電容C上無電荷，M7柵極呈現低電壓，M7～M9導通，PD(低功耗引腳)為低電平，M3將M6柵壓拉高，由于設計中M2寬長比較小，而此時又不導通，Q1～Q4支路導通，電路脫離“簡并點”；隨著M6柵電位的繼續升高，M2導通，M3源電位急劇降低，某時刻M3被關斷，啟動電路與偏置電路實現隔離，電容C兩端電壓恒定，為M7提供合適的柵壓，偏置電路正常工作。然而，當PD為高電平時，M4導通，將M6，M10的柵電位拉低，使得整個電路處于低功耗狀態。
1．2 PTAT電流產生電路
在這一部分，M11,M12,M14,M15組成低壓共源共柵電流鏡，并且有相同的寬長比，使兩條支路電流相等。該結構與一般的共源共柵結構相比，可以提高等效溝道長度，從而增大輸出電阻，提高電路的 PSRR性能；并且這種兩管組合結構可消耗較低的電壓壓降，從而增大輸出電壓擺幅，改善芯片低壓工作特性。如圖1所示，為了使共源共柵電流鏡正常工作，必須滿足M14和M15同時工作在飽和區，設M15的柵極偏置電壓為Vb，M14和M15的漏端電壓分別為VA和VB，即：
選擇M15的尺寸，使它的過驅動電壓始終小于一個閾值電壓，確保不等式成立，則選擇合適的Vb，即可使M11，M12和M14，M15消耗的電壓余度最小，值為兩個過驅動電壓。
與此同時，M7～M10這條支路為偏置電路提供了負反饋，以減小電源電壓對偏置電流的影響，使得電路在平衡狀態時保證X，Y兩點電壓相等。然而，反饋的引入也為偏置電路引入了不穩定的因素，這里M13和M7構成了一個兩級閉環運放，為保證偏置電路的穩定，必須進行補償。通過電容C將主極點設置在第一級運放 M13的輸出端，從而保證了電路的穩定性。若Q3發射區的面積是Q4發射區面積的n倍，流過的電流大小均為I，則：
式中：Vbe=VTln(Ic／Is)=(kT／q)ln(IC／IS)；k是波爾茲曼常數；T是絕對溫度；q是電子電荷。飽和電流IS與發射區面積成正比，即IS3=nIS4。
因此：
由式(9)可知，流經R1的電流與電源無關，只與絕對溫度成正比，即得到PTAT電流。
1．3 溫度比較及輸出電路
由于晶體管的BE結正向導通電壓具有負溫度系數；PTAT電流進行I-V變換產生電壓具有正溫度特性；利用這兩路電壓不同的溫度特性來實現溫度檢測，產生過溫保護信號的輸出。
M26～M30，M33，M34構成一個兩級開環比較器，反相器的接入是為了滿足高轉換速率的要求。M31，M32是低功耗管，M23～M25的作用是構成一個正反饋回路，以防止在臨界狀態發生不穩定性，同時又為電路產生了滯回區間。
比較器的兩個輸入端電壓分別記為VQ和VR；M17～M22用來鏡像基準源電路產生的PTAT電流，這里它們與M14有著相同的寬長比。因此流經這三條支路的電流都為IPTAT。在常溫下，M25截止，R2完成對PTAT電流的I-V變換，即VR=2IPTATR2，此時VR<VQ，比較器輸出為低電平。隨著溫度的升高，IPTAT不斷增大，VR也隨之增大。與此同時，晶體管BE結正向導通電壓VQ以2．2 mV／℃的速度下降。當VR=VQ的瞬間，比較器發生翻轉，使得輸出為高電平，從而啟動溫度保護。在溫度保護啟動的同時，M25開始導通。此時，流過R2 上的電流變為兩部分，一部分是原來就存在的M19～M22提供的偏置電流，另一部分就是新引入的由M23～M25提供的電流。這樣做的好處是在溫度下降時，只有在溫度低于開始的關斷溫度一定值時才能重新工作，相當于在關斷點附近形成熱遲滯，有效地防止了熱振蕩現象的發生。
2 仿真結果及分析
以下是對各部分電路進行仿真的結果，仿真工具是Candence Spectre，模型采用華潤上華公司的0．5μm的n阱CMOS工藝。
圖2是PTAT電流隨溫度變化曲線。仿真結果表明，該曲線線性度較好，符合PTAT電流特性。常溫下，在電源為5 V的情況下，功耗僅為0．4 mW。可見，其功耗非常低。
圖3是在電源電壓為5 V時，VR和VQ隨溫度變化的曲線。圖中，VR上的電壓有一個小的階躍，是因為在比較器翻轉時由于正反饋的作用電流突然增大的結果。
圖 4是溫度分別從0～150℃和150～0℃掃描時比較器輸出狀態的變化。由圖可見，當溫度由低到高上升至84．1℃時，電路輸出狀態由低電平翻轉成高電平，實現了芯片的過溫保護；只有當溫度回落到72℃時，電路才恢復原狀態，實現了約12℃的滯回溫度。改變圖1中R2的阻值可以調節溫度范圍，以滿足不同的需求。
3 結 語
為保證芯片在工作時不因溫度過高而被損壞，溫度保護電路是必須的。這里所設計的溫度保護電路對溫度靈敏性高，功耗低，其熱滯回功能能有效防止熱振蕩現象的發生，相比一般單獨使用晶體管BE結的溫度保護電路具有更高的靈敏度和精度，可廣泛用于各種功率芯片內部。
