全cmos過溫保護電路設(shè)計分析

 第一部分

溫度保護電路設(shè)計

一.基本原理

如圖1所示，Q0的作用是檢測芯片工作溫度的。在正常情況下，三極管反射極的電位VE即比較器負端電位比正端電位高，比較器輸出低電平，芯片正常工作。當溫度升高時，由于三極管EB結(jié)電壓的是負溫度系數(shù)，三極管發(fā)射極到基極的電壓VEB會降低，但是由于基極電位是基準電壓VREFl，故三極管的發(fā)射極電壓即比較器的負端電位會降低。當溫度超過翻轉(zhuǎn)閾值的時候，比較器負端電位會降到比正端的電位VREF2低，比較器就會輸出高電平，從而關(guān)斷功率開關(guān)器件，避免芯片被燒毀。遲滯產(chǎn)生電路的作用是在芯片正常工作和過溫時產(chǎn)生大小不同的電流，改變比較器的翻轉(zhuǎn)閾值。從而防止功率開關(guān)器件在翻轉(zhuǎn)點頻繁開啟和關(guān)斷。

圖1.溫度保護電路原理圖

二.電路實現(xiàn)

1.過溫保護功能的描述

當管芯溫度超過160℃時，過溫保護電路輸出控制信號OUTPUT輸出為高電平;直到溫度降至140℃時，過溫保護電路輸出控制信號OUTPUT才重新變?yōu)榈碗娖健?/p>

圖2.過溫保護實際電路

2.遲滯功能的實現(xiàn)

式中A0為三極管EB結(jié)電壓的溫度系數(shù)(常溫下該值約為一2mV/K)。 由于遲滯，只有當溫度下降到比160“C低20”C的溫度，才能使VEB(OT)上升到使比較器翻轉(zhuǎn)。比較器翻轉(zhuǎn)后，輸出為低電平，M13管關(guān)閉，如果此時溫度在上升，VEB(Q0)必須上升到VEB(NOMAL)比較器才會再次翻轉(zhuǎn)，這樣就實現(xiàn)遲滯。

3.比較器的實現(xiàn)

根據(jù)圖2，比較器是一個兩級比較器，第一級采用有源電流鏡負載的差動放大器，第二級采用電流源負載共源級放大器。當VEB(Q0)《VREF時，OUT翻轉(zhuǎn)為高電平。反之，輸出為低電平。為了得到較高的分辨率，需要比較器有較高的增益。下面分析該比較器的增益。

從上面對增益的推導中可知該比較器的增益足夠高，滿足高分辨率的要求。

三.各個管子的功能介紹

如圖2所示，M3、M4以及Q0構(gòu)成了溫度檢驗電路，其中M1、M2是低壓工作的電流鏡提供了I1，由于三極管VEB具有負溫度系數(shù)，基本隨溫度升高而線性減小，所以VEB可以檢測溫度。為了提高放大倍數(shù)以及輸出擺幅，比較器采用兩級運放構(gòu)成。M5、M6、M11、M12、M16、M17構(gòu)成了有源電流鏡負載的第一級差動放大器，其中M5、M6是低壓工作的電流鏡，M16、M17是有源電流鏡負載。M0～M2構(gòu)成第二級共源級放大器，M1～M2是低壓共源共柵電流鏡提供尾電流。M7、M8為低壓共源共柵電流鏡提供偏置，M14、M19與M22構(gòu)成共源共柵電流鏡，將基準電流鏡像過來作為電流源。M15、M20為M14的柵壓提供偏置。M9與M10，M21與M22分別構(gòu)成電流鏡。M13、M18是遲滯產(chǎn)生電路，OUTPUT為低電平，M13管關(guān)斷，反饋回路不抽取電流，三極管IE=I1;

OUTPUT為高電平，M13管打開，反饋回路抽取電流I2(I2大小取決于M18、M22構(gòu)成的電流鏡)。

四.器件參數(shù)設(shè)計

整體靜態(tài)電流指標：(VDD=2.5~5.5V，全典型模型，TeMp=27℃條件下)《60μA，由于電流源要輸出10μA電流剩下50μA分配20μA給電流源電路，剩下30μA給過溫保護電路。

1.過溫保護電路器件參數(shù)設(shè)計

電流提供的基準電流設(shè)定為5μA，過溫保護電路有6條支路初步初步每條支路分配5μA，即I1=5μA

① 確定VREF的值

斷開反饋回路，用理想電流源ISS代替I2。當ISS=5μA時，對電路進行直流溫度掃描，掃描區(qū)間從-40℃-200℃，步長1℃，觀察三極管Q0的VEB。 140℃時，VEB=375.8mV。所以初步設(shè)定VREF=375.8mV。

② 確定反饋抽取電流I2

斷開反饋回路，用理想電流源ISS代替I2。對ISS進行參數(shù)掃描，觀察VEB=375.8mV所對應(yīng)的溫度。 ISS=1μA～5μA，步長1μA： ISS=1μA T=133.41℃ ISS=2μA T=144.44℃

ISS=1μA～2μA，步長0.1μA： ISS=1.5μA T=139.79℃ ISS=1.6μA T=140.83℃

ISS=1.5μA～1.6μA，步長0.01μA： ISS=1.51μA T=139.9℃ ISS=1.52μA T=140.01℃

若管子M22的寬長比取為2，溝道長度取1μA，并聯(lián)管字數(shù)取為4，即Wn=2μA，Ln= 1μA，MuTIply=4，則M18的寬長比取為2，溝道長度取1μA，并聯(lián)管子數(shù)取為3，即Wn=2μA，Ln= 1μA，MuTIply=3

所以，初步確定反饋抽取的電流I2=5μA -1.52μA=3.48μA 從而可以確定M18管與M22管的寬長比

若管子M22的寬長比取為2，溝道長度取1μA，并聯(lián)管字數(shù)取為4，即Wn=2μA，Ln= 1μA，MuTIply=4，則M18的寬長比取為2，溝道長度取1μA，并聯(lián)管子數(shù)取為3，即Wn=2μA，Ln= 1μA，MuTIply=3

③ 作為電流鏡的管子的參數(shù)選取

由于每條支路的電流都相等，所以相關(guān)的管子參數(shù)取成相同即可。 N型管子(M21，M22)：Wn=2μA，Ln= 1μA，Mutiply=4; P型管子(M9，M10)：Wp=1μA，Lp=1.1μA，Mutiply=2; 低壓共源共柵電流鏡的管子(M1～M6)：Wp=20μA，Lp=1.1μA，Mutiply=1; 為低壓共源共柵電流鏡提供偏置的管子(M7，M8)：Wp=20μA，Lp=1.1μA，Mutiply=1;

共源共柵電流鏡的管子(M14，M19)：M19的參數(shù)與M22相同， M14的參數(shù)可取Wn=10μA，Ln= 1μA，Mutiply=1;

為共源共柵電流鏡提供偏置的管子(M15，M20)：M15參數(shù)可與M14取成相同，M22與M19取成相同，將M14的柵壓偏置為VGS20+VGS15。

④ 兩級運放的參數(shù)選取

第一級(M11、M12、M16、M17)：M11、M12，Wn=40μA，Ln= 1μA，Mutiply=1;M116、M117，Wn=20μA，Ln= 1μA，Mutiply=1;

第二級(M0，M1，M2)：M0的參數(shù)確定應(yīng)依據(jù)反相器的輸入特性，滿足

⑤ 反饋回路參數(shù)確定

M18的參數(shù)已根據(jù)反饋回路抽取的電流確定;M13的參數(shù)確定應(yīng)依據(jù)反相器的輸出特性，滿足

第二部分

電流源設(shè)計

一.電流源電路原理

設(shè)計電路圖如下

圖3.電流源實際電路

首先由1，2支路產(chǎn)生PTAT電流，經(jīng)過3支路產(chǎn)生基準電壓，再由4支路轉(zhuǎn)換為基準電流。5，6支路為4支路電流的鏡像。

由于X，Y點電位以及1，2支路電流相等，則：

因此只要I3為正的溫度系數(shù)，VBE為負的溫度系數(shù)，調(diào)節(jié)R2則在一定溫度范圍內(nèi)VM的溫度系數(shù)可以很小(這里忽略電阻溫度系數(shù))。

調(diào)節(jié)支路3，4MOS管的寬長比，可使N電位與M點相同則4支路電流：

I4即為溫度系數(shù)很小的電流，注意到I12與電壓源無關(guān)，則得到的I4也于電壓源無關(guān)，這樣再由電流鏡鏡像可得到不同電流值的基準電流。

二.器件參數(shù)估算

①電流分配：

②參數(shù)計算(300K)

第三部分

仿真結(jié)果與分析驗證

設(shè)計指標

按照以上設(shè)計的電路，用HSPICE軟件對其進行仿真，器件模型參數(shù)采用0.5μM的CMOS工藝。仿真結(jié)果如下。

1. 整體靜態(tài)工作電流

整體靜態(tài)工作電流大致可分為三個區(qū)間 VDD=0～1V，截止區(qū)，總靜態(tài)工作電流為0;

VDD=1～2.5V，線性區(qū)，總靜態(tài)工作電流快速線性增長; VDD=2.5～5.5V，工作區(qū)，總靜態(tài)工作電流比較穩(wěn)定，隨電壓的增加緩慢增長。

在工作區(qū)，總的靜態(tài)電流IQ=48～58μA，基本滿足設(shè)計要求(《60μA)。

2. 電流源溫度特性

3. 電流源電壓特性

電流源隨電壓變化大致可分為三個區(qū)間 VDD=0～1V，截止區(qū)，IREF為0;

VDD=1～2.5V，線性區(qū)，IREF快速線性增長;

VDD=2.5～5.5V，工作區(qū)，IREF比較穩(wěn)定，隨電壓的增加緩慢增長。 在工作區(qū)， IREF=9～10.5μA，基本滿足設(shè)計要求(IREF=10±2μA)

4.整體電路工藝穩(wěn)定性

如圖所示整體電路工藝穩(wěn)定性比較好，取不同的工藝角進行仿真時，上升翻轉(zhuǎn)溫度為158～162℃，符合設(shè)計要求(160±5℃);下降翻轉(zhuǎn)溫度為139～142℃，符合設(shè)計要求(140±5℃)。

第四部分

設(shè)計總結(jié)

我們在設(shè)計的過程中將溫度保護的參考電路進行了修改，將反饋回路改為直接抽取三極管發(fā)射極的電流，這樣差動放大器上的兩個電阻也可以去除，使電路原理更加簡單而且簡化了電路。另外，通過將反饋回路M13管改為N管(參考電路為P管)，節(jié)省了一個反相器。這樣不僅結(jié)構(gòu)簡單，工藝上容易實現(xiàn)，而且對電源電壓、工藝參數(shù)變化引起的溫度閾值的漂移具有較強的抑制能力。HSPICE仿真結(jié)果表明，該電路關(guān)斷和恢復(fù)閾值點準確，遲滯的大小可以調(diào)節(jié)，很好的實現(xiàn)了過溫保護的功能，各項指標完全滿足設(shè)計要求。

在此次設(shè)計中，我們也遇到了很多困難。一些基礎(chǔ)知識掌握的不是很牢固，手工計算的結(jié)果與仿真的結(jié)果差距比較大。在溫度保護電路中起初我們對于遲滯比較器的反饋電路的原理無法理解，通過討論仍然無法解決，我們認為這是設(shè)計中最關(guān)鍵的問題，而電流源部分由于帶隙基準學過，也做過CAD實驗，所以認為問題不大?？墒菍嶋H情況與預(yù)料的恰恰相反。遲滯比較器的反饋部分通過改變電路結(jié)構(gòu)一下解決了，但電流源卻一直調(diào)試不出。原以為不是很重要的啟動電路部分，大大影響了電流源的性能。所以最后我們只能抽出兩人調(diào)電流源。最后在大家通力合作下終于完成了?？梢娫O(shè)計是一個整體，電路的任何一個我們看來不重要的部分都會影響整體的性能。一個部分性能的非常突出，對整體性能的影響不大;但如果一個地方性能不好，整體的性能都會變差。所以模擬電路設(shè)計不是要把一個部分做的最好，而是將各個部分協(xié)調(diào)好;不是把一個指標做到最好，而是將各個指標協(xié)調(diào)好，都滿足設(shè)計要求即可，有時不能追求盡善盡美。另外，也體會到了合作的重要性。溫度保護電路調(diào)好后，由于電流源還沒調(diào)好，所以無法進行最終調(diào)試。由于電流是否穩(wěn)定會大大影響翻轉(zhuǎn)電平的穩(wěn)定，所以一環(huán)扣一環(huán)，無法進行最后調(diào)試，就不能最終調(diào)試溫度保護電路。所以我們體會到了團隊合作的重要性。這意味著我們的工作不僅影響他人的工作，更加基于他人的工作