一種高精度過溫保護(hù)電路的設(shè)計*

譚玉麟，馮全源

（西南交通大學(xué)微電子研究所，成都611756）

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一種高精度過溫保護(hù)電路的設(shè)計*

譚玉麟，馮全源*

（西南交通大學(xué)微電子研究所，成都611756）

摘要：基于UMC 0.25 μm BCD工藝，設(shè)計了一款高精度過溫保護(hù)電路。通過基準(zhǔn)電路中三極管的基極-發(fā)射極電壓的負(fù)溫度特性實現(xiàn)溫度檢測，調(diào)節(jié)電阻的比值產(chǎn)生遲滯溫度量，避免了電路熱振蕩現(xiàn)象。經(jīng)過HSPICE仿真驗證，電路在溫度130℃時，過溫保護(hù)信號發(fā)生翻轉(zhuǎn)，關(guān)斷芯片，待溫度降低到99℃時再次開啟，具有31℃遲滯量。在電源電壓變化時，過溫保護(hù)電路的過溫閾值和遲滯溫度漂移量最大僅為0.24℃偏差。

關(guān)鍵詞：過溫保護(hù)；BCD；遲滯；熱振蕩

項目來源：國家自然科學(xué)基金項目（61271090）；四川省科技支撐計劃項目（2015GZ0103）收稿日期：2015-04-21修改日期：2015-06-18

隨著芯片集成度的提高，功率密度也在增大。其工作過程中產(chǎn)生的功耗會使芯片溫度升高，過高的溫升將會導(dǎo)致集成器件的失效，同時由于硅片和封裝管殼各部分的熱膨脹系數(shù)不同，會在硅片和管殼的連接處產(chǎn)生附加的應(yīng)力，從而使芯片損壞［1-2］。因此，必須增加過溫保護(hù)電路，其設(shè)計思路是利用對溫度敏感的元件來檢測芯片內(nèi)部溫度的變化，當(dāng)溫度高于某一特定值時，電路就會產(chǎn)生一個控制信號關(guān)斷芯片，直到溫度恢復(fù)正常，芯片又開始正常工作。

傳統(tǒng)的過溫保護(hù)電路廣泛采用遲滯比較器，轉(zhuǎn)換速度較慢［3］。本文設(shè)計的過溫保護(hù)電路，結(jié)合帶隙基準(zhǔn)電路，利用其PN結(jié)的導(dǎo)通電壓隨溫度升高而減小的特性，與零溫度系數(shù)的基準(zhǔn)電壓的分壓進(jìn)行比較，從而產(chǎn)生過溫保護(hù)信號，利用電阻產(chǎn)生遲滯溫度，解決了芯片在臨界溫度點(diǎn)反復(fù)開關(guān)的熱振蕩問題［4］。

1　典型的過溫保護(hù)電路

如圖1所示為典型的過溫保護(hù)電路結(jié)構(gòu)，主要由電阻，齊納二極管DZ，三極管Q1、Q2組成。

圖1　典型的過溫保護(hù)電路

令齊納二極管DZ的反向擊穿電壓為VZ，則三極管Q2的基極電壓VB2可表示為：

其中，齊納二極管反向擊穿電壓VZ具有正溫度系數(shù)，三極管PN結(jié)正向?qū)妷篤BE1具有負(fù)溫度系數(shù)，則VB2隨溫度的升高而升高。正常溫度時，VB2小于三極管Q2的閾值電壓VBE2，Q2截止，電路輸出OTP_OUT輸出高電平；當(dāng)溫度過高時，VB2大于Q2的閾值電壓VBE2，Q2導(dǎo)通，OTP_OUT輸出低電平；溫度恢復(fù)至正常時，Q2截止，OTP_OUT恢復(fù)為高電平。通過調(diào)整電阻R2、R3的比值可以設(shè)定過溫閾值。

但是齊納二級管的反向漏電流比較大，會導(dǎo)致電路的功耗很大。并且該電路沒有遲滯功能，在溫度臨界值，會使Q2反復(fù)導(dǎo)通與截止，使電路產(chǎn)生熱振蕩。

2　改進(jìn)的過溫保護(hù)電路

本文提出的過溫保護(hù)電路如圖2所示，由啟動電路、帶隙基準(zhǔn)電路和過溫保護(hù)核心電路3部分組成［5-6］。帶隙基準(zhǔn)和過溫保護(hù)電路中的運(yùn)放和比較器均采用圖3所示結(jié)構(gòu)。

圖2　本文設(shè)計的過溫保護(hù)電路

圖3　比較器的電路結(jié)構(gòu)

2.1啟動電路

圖2中，啟動電路由R6、M1、M2和M3構(gòu)成，電路正常供電開始時，二極管連接的M1導(dǎo)通，M2成比例鏡像M1的電流驅(qū)動Q3和Q4，由Q3、Q4和R5構(gòu)成的PTAT（Proportional To Absolute Temperature）電流源開始工作，并與M4、M5構(gòu)成的電流鏡形成自偏置機(jī)制為基準(zhǔn)和過溫保護(hù)電路提供穩(wěn)定的電流偏置。Q3和Q4導(dǎo)通后M3開啟，將M1、M2的柵極電壓拉高，使M1和M2截止，關(guān)閉啟動電路。

2.2帶隙基準(zhǔn)電路

如圖2，帶隙基準(zhǔn)由運(yùn)算放大器、電阻和三極管組成。三極管Q2和Q1的發(fā)射區(qū)面積之比為N，運(yùn)放OP1形成的反饋環(huán)路強(qiáng)制使得A點(diǎn)和B點(diǎn)的電壓相等，電阻R1上的電壓等于Q1和Q2的發(fā)射極-基極電壓差（?VEB）。?VEB具有正溫度系數(shù)，而Q1的發(fā)射極-基極電壓VEB1具有負(fù)溫度系數(shù)，輸出Vref可以得到零溫度系數(shù)的電壓。具體表達(dá)式如下：

為了補(bǔ)償VEB1的高階項系數(shù)，利用正負(fù)溫度系數(shù)相異的電阻的比值，同樣可以得到與T有關(guān)的高階項，這樣就可以用來抵消VEB中的高階項，達(dá)到曲率補(bǔ)償?shù)哪康?。文中，R1，R2和R4采用負(fù)溫度系數(shù)電阻，R3采用正溫度系數(shù)電阻。

2.3過溫保護(hù)核心電路

如圖2，過溫保護(hù)電路的核心部分是產(chǎn)生一個與溫度無關(guān)的閾值電壓和隨溫度變化的電壓，二者經(jīng)過比較器輸出，可以得到過溫信號?；鶞?zhǔn)電壓Vref通過OP2構(gòu)成的跟隨器，再利用電阻R7、R8、R9分壓，可以得到所需的與溫度無關(guān)的閾值電壓V0。PN結(jié)的正向?qū)妷壕哂胸?fù)溫度特性，利用三極管Q1的發(fā)射極-基極電壓VEB1作為溫度感應(yīng)器，VEB1隨著溫度升高而減小。溫度在正常范圍時，VEB1≥V0，比較器OP3輸出高電平，經(jīng)過一個反相器，OTP_OUT輸出低電平，說明電路工作在正常溫度范圍內(nèi)。當(dāng)高度升高超過設(shè)定值130℃時，VEB1VC，比較器OP3才翻轉(zhuǎn)為高電平。VD和VC分別為溫度上升和下降時的閾值電壓。具體計算公式如下：

式中，IS為反向飽和電流，ID為流過PN結(jié)的電流。Is∝ukTni2，其中u為少數(shù)載流子的遷移率，q為電子電荷量（q=1.6×10-19C），k為玻爾茲曼常數(shù)（1.38× 10-23J/K），T為熱力學(xué)溫度，ni為硅的本征載流子濃度。

溫度上升方向：VEB=VD，溫度下降方向：VEB=VC。通過調(diào)整電阻R7、R8、R9的比值，即可精確設(shè)置過溫閾值和遲滯溫度值。

2.4比較器電路

本文電路中所用的運(yùn)放和比較器均采用如圖3所示結(jié)構(gòu)［7］，這是一個典型的兩級比較器。它由差動輸入級、共源放大級、相位補(bǔ)償電容3部分組成。第1級由M1~M5構(gòu)成差動輸入-單端輸出的PMOS差動放大器，它將差動輸入轉(zhuǎn)換為單端輸出；第2級由M6~M7構(gòu)成NMOS共源放大器，它可以提高增益和增大輸出信號擺幅［8］。C0是相位補(bǔ)償電容，加在共源放大器的輸入-輸出端之間，用以提高負(fù)反饋時的穩(wěn)定性。

3　仿真結(jié)果與分析

本文基于UMC 0.25 μm BCD工藝模型，使用HSPICE軟件對電路進(jìn)行仿真。

如圖4所示為本文基準(zhǔn)電壓隨溫度變化的曲線。結(jié)果顯示，電源電壓VDD為5 V，TT工藝角下，-40℃~150℃溫度范圍內(nèi)，基準(zhǔn)電壓僅變化388 μV，溫度系數(shù)為1.7×10-6/℃。表明本文基準(zhǔn)電路經(jīng)過高階曲率補(bǔ)償后，溫度性能非常良好。

圖4　本文基準(zhǔn)電壓的溫度特性曲線

圖5為5 V供電電壓下，過溫保護(hù)電路的直流仿真結(jié)果?？梢钥闯?，當(dāng)溫度上升到130℃時，OTP_OUT信號從低電平跳變?yōu)楦唠娖?，關(guān)斷芯片；當(dāng)溫度降至99℃時，OTP_OUT信號從高電平變?yōu)榈碗娖?，芯片恢?fù)正常工作，遲滯溫度量為31℃。

圖5　過溫保護(hù)電路的直流仿真結(jié)果

圖6所示是電源電壓分別為3 V、3.3 V、4 V、5 V時過溫保護(hù)電路的輸出波形。

圖6　不同電源電壓下過溫保護(hù)電路的輸出波形

由圖6可以看出，在3 V~5 V電源電壓范圍內(nèi)，過溫閾值變化0.24℃，遲滯溫度變化0.03℃，電源電壓的變化對過溫閾值和遲滯溫度的影響非常小。

表1為本文與文獻(xiàn)［2-3］的性能比較，本文過溫保護(hù)電路在電源電壓變化的情況下，過溫閾值和遲滯溫度的波動明顯小于文獻(xiàn)［2］和文獻(xiàn)［3］。

表1　本文電路與文獻(xiàn)［2-3］電路的性能比較

4　結(jié)論

本文基于UMC 0.25 μm BCD工藝，設(shè)計了一款高精度過溫保護(hù)電路。HSPICE仿真結(jié)果表明，該電路精度高，抗干擾能力強(qiáng)，穩(wěn)定性好，對電源電壓波動引起的過溫閾值和遲滯溫度的變化具有很強(qiáng)的抑制作用。同時，電路結(jié)構(gòu)簡單，過溫閾值和遲滯溫度易于調(diào)節(jié)，適合在低壓下工作，電路的遲滯作用避免了熱振蕩現(xiàn)象。該電路非常適合各種電源管理芯片內(nèi)部的過溫保護(hù)。

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譚玉麟（1991-），男，漢族，江西省贛州市人，碩士研究生，研究方向為模擬集成電路設(shè)計，tanyulin6@qq.com；

馮全源（1963-），男，漢族，江西景德鎮(zhèn)人，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事方向為集成電路設(shè)計、RFID技術(shù)、功率半導(dǎo)體技術(shù)等，fengquanyuan@163.com。

Research and Design of Interface Level Adaptive Test Circuit on LTE-A Mobile Phone*

HUANG Xueda*，MAO Xiangyu

（Chongqing University of Posts and Telecomminications，Chongqing CYIT Communication Technologies Co.，Ltd，Chongqing 400065，China）

Abstract：Different test board need be used，which Long Term Evolution Advanced（LTE-A）mobile phone of differ?ent interface level debugging. Interface level adaptive test circuit scheme based on discrete device is proposed，auto?matically converting the TTL level of CPU UART to 1.8V level，then connected to PC USB interface by TLL to USB level shift IC，which be satisfied for LTE-A mobile phone of different interface level. And only one test circuit board can be used，software development and debug may be accomplished. Then system test are performed.

Key words：LTE-A mobile hone；test circuit；interface level；discrete device

doi：EEACC：7250Z10.3969/j.issn.1005-9490.2016.01.019

中圖分類號：TN433

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1005-9490（2016）01-0086-04