一種高精度低功耗的 BiCMOS 過溫保護電路

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。當芯片內(nèi)部電路由于電源短接、線路短路或重負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)可能因為過溫而產(chǎn)生熱擊穿，導致芯片不可逆轉(zhuǎn)的永久失效 [1]。過溫保護電路（Over Temperature Protection，OTP）能夠時刻檢測芯片內(nèi)部溫度，當溫度高于設(shè)定閾值溫度時自動關(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)過溫保護電路的設(shè)計思路是利用雙極型晶體管的溫度特性來檢查芯片工作溫度，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電壓，通過電壓比較器使溫度檢測電壓與系統(tǒng)設(shè)置的無溫度系數(shù)的帶隙基準電壓進行比較，當溫度檢測電壓高于帶隙基準電壓時，芯片系統(tǒng)關(guān)斷，實現(xiàn)過溫保護功能 [3]。傳統(tǒng)過溫保護電路工作原理如圖 1 所示。其 中，IP1 和 IP2 為正溫度系數(shù)電流，正常溫度時 OTP_OUT 輸出高電平，NMOS 管 M1 導通，電阻 R2 被短路，VN<VP。當系統(tǒng)溫度上升至過溫臨界溫度時，VN>VP，OTP_OUT 輸出低電平，過溫保護電路關(guān)斷其他模塊。此時 M1 管截止， VN=IP1 ·（R1+R2）。隨著工作溫度逐步降低，VN 隨之減小，當 VN<VP 時 OTP_OUT 輸出高電平，電路重新工作。M1 管和電阻 R2 產(chǎn)生遲滯溫度，避免芯片由于溫度波動被反復(fù)關(guān)斷 [4]。

1 過溫保護電路原理架構(gòu)

本文基于 0.25 μm BCD 工藝庫，提出了一種高精度低功耗的過溫保護電路。利用雙極型晶體管的溫度特性來檢測系統(tǒng)溫度并且實現(xiàn)過溫保護關(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)簡單，功耗較低。

本文提出的過溫保護電路原理如圖 2 所示。正常溫度下 OTP_OUT 輸出低電平，NMOS 管 M1 導通，R2 被短路， VE=IP1R1，VE<VBE，Q1 管截止。隨著溫度升高，IP1 隨之增大，當溫度超過臨界溫度時，VE>VBE，Q1 管開始進入深度飽和區(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，過溫保護功能啟動。此時 M1 管截止， VE=IP1 ·（R1+R2）。當溫度降低到臨界溫度以下時，VE<VBE，過溫保護電路 OTP_OUT 輸出低電平，電路重新工作。M1 管、電阻 R1 和施密特觸發(fā)器實現(xiàn)遲滯功能。

2 過溫保護電路

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

2.1 啟動與溫度檢測電流產(chǎn)生電路

啟動與溫度檢測電流產(chǎn)生電路由 M1 ～ M5 管，Q1，Q2以及 R1 組成。當芯片偏置電流模塊供給 OTP 模塊的啟動電流 IBIAS 為 1.2 μA 時，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)制給溫度檢測電流產(chǎn)生模塊，通過調(diào)節(jié) M1 ～ M4 管的溝道寬長比可以得到大小合適的啟動電流。Q1，Q2 為發(fā)射結(jié)面積為 1∶8 的 NPN 管，可知 [5] ：

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。

2.2 過溫保護核心電路

過溫保護核心電路由 M6 ～ M8 管，R2，R3 和 Q3 組成。

正常溫度下 OTP_OUT 輸出低電平，M8 管導通 R3 被短路， VA 大小為 ：

此時 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，VA 大于 Q3 管的開啟電壓，Q3 管進入深度飽和區(qū) [7]。其集電極電壓跳變?yōu)楦唠娖剑?M8 管截止，過溫保護功能啟動，此時 VA 為 ：

當溫度重新低于臨界溫度時，Q3 管集電極電壓跳變?yōu)榈碗娖剑^溫保護功能關(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 過溫保護電路采用UMC0.25 μm BCD 工藝庫設(shè)計，使用 Hspice 軟件進行仿真分析，仿真結(jié)果如圖 5 ～圖 7 所示。

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

圖 6 為過溫保護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而反復(fù)關(guān)斷。 圖 7 為過溫保護電路靜態(tài)功耗曲線。從圖中可以看出，當過溫保護電路處于靜態(tài)工作時，靜態(tài)電流的范圍為8.07 ～ 8.85 μA，滿足了低功耗的設(shè)計要求。

4 結(jié) 語

本文提出了一種高精度低功耗的過溫保護電路，采用UMC0.25 μm BCD 工藝庫進行設(shè)計。利用雙極型晶體管的溫度特性和閾值電壓來檢測芯片工作溫度和控制芯片的過溫關(guān)斷。當芯片內(nèi)部溫度高于設(shè)定臨界溫度時，過溫保護電路輸出高電平，實現(xiàn)過溫保護功能。當溫度低于設(shè)定臨界溫度時，過溫保護電路輸出低電平，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反復(fù)關(guān)斷。本文提出的過溫保護電路可滿足高精度、低功耗的過溫保護要求。