一種高精度低功耗的BiCMOS過溫保護電路

李宏杰 段德功

摘 要：基于UMC0.25 μm BCD工藝，設(shè)計了一種高精度低溫漂的過溫保護電路。相對傳統(tǒng)電壓比較器結(jié)構(gòu)的過溫保護電路，無電壓比較器結(jié)構(gòu)的過溫保護電路利用雙極型晶體管的溫度特性和閾值電壓來檢測芯片內(nèi)部溫度和控制芯片的關(guān)斷。當芯片內(nèi)部溫度高于系統(tǒng)設(shè)定值時，過溫保護電路輸出高電平并且關(guān)斷芯片其他模塊，實現(xiàn)過溫保護功能。利用Cadence和Hspice仿真軟件對過溫保護電路進行驗證分析。仿真結(jié)果表明：在電源電壓為5 V，且芯片工作溫度上升過程中，當芯片內(nèi)部溫度高于100.02 ℃時，過溫保護電路輸出高電平，芯片系統(tǒng)被過溫保護電路關(guān)斷;當芯片內(nèi)部溫度低于92 ℃時，過溫保護電路輸出低電平，芯片系統(tǒng)重新正常工作，回差溫度為8.02 ℃，可以有效防止芯片由于溫度波動被反復關(guān)斷。

關(guān)鍵詞：過溫保護;閾值電壓;溫度系數(shù);回差溫度;集成電路;芯片

中圖分類號：TP39;TN432文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）08-00-03

0 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，VNVP，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

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，VEVBE，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

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]：

式中：VT為熱力學溫度;IC為集電極電流;ISS為發(fā)射極電流密度，大小正比于PN結(jié)的面積[6]。℃，流過R1的電流為：

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)楦唠娖剑琈8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?，過溫保護功能關(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)楦唠娖剑^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。

參 考 文 獻

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