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[導讀] 在集成電路芯片工作的過程中,不可避免地會有功率損耗,而這些功率損耗中的絕大部分將轉(zhuǎn)換成熱能散出。在環(huán)境過高、短路等異常情況下,會導致芯片內(nèi)部的熱量不能被及時散出,從而不可避免地使芯片工作溫度上升。過高

 在集成電路芯片工作的過程中,不可避免地會有功率損耗,而這些功率損耗中的絕大部分將轉(zhuǎn)換成熱能散出。在環(huán)境過高、短路等異常情況下,會導致芯片內(nèi)部的熱量不能被及時散出,從而不可避免地使芯片工作溫度上升。過高的工作溫度對芯片工作性能、可靠性和安全性都有很大的影響。研究表明,芯片溫度每升高1℃,MOS管的驅(qū)動能力將下降約為4%,連線延遲增加5%,集成電路失效率增加一倍,因此芯片內(nèi)部必須要有過溫保護電路來保障芯片安全。

文中將介紹一種可用標準CMOS工藝實現(xiàn)的過溫保護電路。在電路設(shè)計上,使用了與溫度成正比的電流源(PTAT電流)和具有負溫度系數(shù)的PNP管(CMOS工藝中寄生)結(jié)電壓作為兩路差動的感溫單元。這種差動的傳感方式,可以提高電路對溫度變化反應(yīng)的靈敏度,同時,其具有的遲滯功能,可以有效的避免熱振蕩對芯片的損壞。

1 架構(gòu)原理分析

1.1 工作原理分析

圖1為本設(shè)計的原理架構(gòu),Q1為NWELLCMOS工藝中寄生PNP三極管,其集電極是必須與地點位連接,為了利用寄生PN結(jié)導通正向?qū)妷旱呢摐囟忍匦?,把Q1做二極管連接(基集也接到地),這樣A點和地之間的電壓VA就具有了PN結(jié)正向電壓的與溫度成反比的性質(zhì)。由于基準電路輸出的偏置電壓加在M0、M1、M5的柵極上,則其所在支路上都會產(chǎn)生PTAT電流(Proportional to Abso-lute Temperature);在提供偏置的同時,也在電阻R0上產(chǎn)生了與溫度成正比的電壓VB即B點電壓隨之增大。當達到某一溫度TH(設(shè)定的關(guān)斷溫度)后,VH≥VA、比較器Comp輸出高電平,經(jīng)過倒相器INV后,輸出TSD為低電平;此信號作用于電路的其它模塊后,使整個芯片停止工作,實現(xiàn)熱保護功能。同時,TSD信號正反饋作用于M2柵上,開啟M2,加大了電阻R0上電流,使VB更高。

 

可用于音頻功放的過溫保護電路設(shè)計

 

在芯片被熱保護,停止工作后,芯片上的溫度會從TH下降,使得A點電壓VA慢慢上升,B點電壓VB慢慢下降。由于先前TSD的正反饋作用已經(jīng)使VB升高,因此在這種狀態(tài)下,要出現(xiàn)VA≥VB使比較器輸出翻轉(zhuǎn)情況就需要A點有比先前的電壓VA更大的電壓,相應(yīng)地使得下降時翻轉(zhuǎn)點對應(yīng)的恢復溫度TL也會比TH低。當溫度低于TL后,VB≥VA,通過比較器作用后,會使TSD輸出高電平,使芯片恢復工作。同時,TSD信號仍然會再次正反饋作用于M2柵上,關(guān)斷M2,進一步減小了電阻R0上的電流,使VB更低。

整個工作過程中,TSD的正反饋起到了遲滯的作用。使得正常工作時,TSD輸出高電平作用于電路其它模塊。當溫度過高時,TSD輸出低電平作用于電路其它模塊,使芯片停止工作,保護芯片。

1.2 溫度翻轉(zhuǎn)點的計算

A點的電壓VA為PN結(jié)兩邊電壓,PN結(jié)電壓的表達式可寫為

 

可用于音頻功放的過溫保護電路設(shè)計

 

式中VG為帶隙電壓,γ和α為器件參數(shù),A代表了那些方程推到過程中與溫度無關(guān)的常量。因為Vt=kt/q,可以得到VBE隨溫度上升是降低的。其關(guān)于溫度變化的方程為

 

可用于音頻功放的過溫保護電路設(shè)計

 

如果忽略由溫度變化引起lnT項變化對式(2)的影響,dVBE/dT可近似等于常數(shù)C0。常溫下C0約為-2 mV/K。為了簡化計算,則PN結(jié)關(guān)于溫度的變化方程可近似線性為

 

可用于音頻功放的過溫保護電路設(shè)計

 

B點的電壓為電阻上的電壓,可由歐姆定理計算得到。計算溫度上升翻轉(zhuǎn)點TH,當溫度上升時,由前分析可知,TSD為高電平,M2截止。因此流入R0的電流只有I1一路。此狀態(tài)下VB電壓的表達式為

 

可用于音頻功放的過溫保護電路設(shè)計

 

翻轉(zhuǎn)點(VA=VB)時的對應(yīng)方程為

 

可用于音頻功放的過溫保護電路設(shè)計

 

計算溫度下降翻轉(zhuǎn)點TL當從高于TH溫度下降時,由前分析可知,TSD為低電平,M2開啟。因此流入電阻R的電流有I1,I2兩路。此狀態(tài)下VB電壓的表達式為

 

可用于音頻功放的過溫保護電路設(shè)計

 

翻轉(zhuǎn)點(VA=VB)時對應(yīng)方程為

 

可用于音頻功放的過溫保護電路設(shè)計

 

式(10)即為過溫保護工作時的遲滯量。

2 實際電路設(shè)計

設(shè)計的過熱保護電路大體上分為3個部分,如圖2所示。

 

可用于音頻功放的過溫保護電路設(shè)計

 

啟動電路:啟動電路只有在剛上電的時候才會工作,當電源電壓從0 V慢慢升高,同時輸入信號Shut為低電平時,開關(guān)管M37就會被打開,MOS管M38也會導通,這樣就會使得在M38這條支路上的電壓慢慢升高。以二極管形式連接的M40的柵端也會隨之升高,也為右端的M45,M43,M42提供柵極電壓,從而破壞了基準電路的平衡,使之能夠啟動起來。當M40的柵極電壓上升到M44的閾值電壓時,就會將其導通,使得產(chǎn)生了一個有電源到地的通路,這樣也就完成了啟動電路的功能。

偏著電路:此部分電路的工作原理與產(chǎn)生PTAT電流電路的原理基本相同,輸出端的電壓為其它電路提供偏置。M36、M45、Q4組成的支路將在右端支路的電流取出,經(jīng)過濾波、放大后又鏡像回去,在M34、M42、Q1的支路上輸出一個偏置電壓信號。由于電流鏡的工作原理,所以要求M34~M36和M42~M45均為相同的對管。另外,此電路中M33作為關(guān)斷管,當Shut信號為高電平時,M33就會處于導通狀態(tài),這樣這屆就會將M34、M35關(guān)斷,使得整個電路關(guān)斷。

熱敏關(guān)斷保護電路:由于基準電路輸出的偏置電壓加到M39、M51、M52柵極上,所以在這兩條支路上都會產(chǎn)生PTAT電流。采用M41、M47、M48、M49、M50構(gòu)成的兩級比較器來實現(xiàn)原理等效圖中Comp的功能。此比較器的第一級為PMOS差動輸入。

用PMOS做差動輸人的作用:(1)降低了輸入的噪聲。正常情況下,溫度不可能有很劇烈的變化,因此溫度波動的頻率不可能很高,所以閃爍噪聲1/f將成為噪聲的主要成分。由于PMOS輸入可降低噪聲對電路的影響;(2)PMOS輸入使共模輸入范圍的下限降低。此電路比較器要比較是接近于PN結(jié)VBE的電壓,用PMOS構(gòu)成的輸入端可更好的滿足這種低共模輸入電壓的要求。比較器的第二級為共源放大器,作為比較器的第二級,其主要作用增大了輸出擺幅、提高了增益和輸入的分辨率,加快了高低電平的轉(zhuǎn)換速率。電路中電容C0的作用:電容C0可以抑制一些干擾量在比較器通向輸入端電阻風上產(chǎn)生的電壓波動,以防止系統(tǒng)被擾動引起的誤動作。

3 仿真測試

按照以上設(shè)計的電路。用Cadence Specture對其進行仿真,器件的模型參數(shù)采用0.35μm CMOS工藝。圖3為過溫保護電路的輸出控制信號TSD,隨溫度上升和下降的曲線。電源電壓取3.3 V。從仿真結(jié)果可以看出,該電路實現(xiàn)了良好的“溫度遲滯”特性。遲滯功能有效的避免了芯片出現(xiàn)熱振蕩問題。關(guān)斷溫度TH160°和恢復溫度TL140°。

 

可用于音頻功放的過溫保護電路設(shè)計

 

 

可用于音頻功放的過溫保護電路設(shè)計

 

4 結(jié)束語

文中設(shè)計的過熱保護電路,利用PTAT電流來檢測溫度的變化,并轉(zhuǎn)換成電壓信號輸入兩級比較器進行比較,從而產(chǎn)生過熱保護信號。比較器的遲滯效應(yīng)能有效防止熱振蕩現(xiàn)象的發(fā)生。該電路對溫度感應(yīng)靈敏度高,非常適合集成在集成電路芯片中。

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