一種高精度閾值可調節的過溫保護電路設計

趙云霞，劉一婷

（沈陽工業大學信息科學與工程學院，沈陽 110870）

1 引言

MOS工藝的快速發展推動著集成電路整體產業的發展。隨著用戶數量的大量提升以及用戶對芯片需求的增長，如何在提高芯片性能的同時提高芯片內部電路的穩定性成為了亟待解決的問題[1-2]。電路功率會隨著電源短接、內部電路短路而增加。大功率的輸出產生較大的功耗，會導致芯片的溫度越來越高，如何進行過溫保護電路設計就顯得非常重要[3-4]。根據以往的研究顯示：芯片溫度有1℃的提升時，MOS管的驅動能力會有約4%的下降，同時電路失效率會提升1倍[5-6]。在特定情況下，電路還會產生超出正常范圍且波動非常大的輸入電壓，引起整個電路功能的改變[7]，解決電路適應寬電壓輸入就尤為重要。傳統電路結構復雜、功耗大且不能達到要求的準確度，不符合發展趨勢[8]。對此，本設計在開關可控和提高精度方面對過溫保護電路做出改進。

2 傳統過溫保護電路

傳統過溫保護電路原理圖如圖1所示，電路中的器件通常會在溫度改變時也相應地發生輸出頻率的變化[9]。三極管的基極與集電極之間的電壓VBE具有負溫度特性，也就是說當溫度上升時其電壓值反而會減少。在常溫時，電路的輸出為1，M1處于導通狀態，R2短接。

圖1 傳統過溫保護電路原理

通常，當升高到一定溫度時，VEB(Q1)＜VA，輸出為低電平，關閉系統。此時M1關斷，R2退出短接狀態。當溫度變成常溫時，令VEB(Q1)＞VA，此時電路輸出為0，電路不再處于溫度保護的狀態，芯片可以進行正常運轉。然而，在不同的輸入情況下，電阻的電壓反而會隨著IPTAT的變化而發生相應的改變。所以，在不同的輸入情況下，整體電路的溫度限制點以及遲滯量就會發生非常大的偏差，導致電路性能紊亂。傳統電路的構成非常復雜，存在著較大的功率損耗，與集成電路發展趨勢不符合。

3 新型過溫保護電路設計與仿真

本設計提出一種更為簡單的電路構成，設計原理圖如圖2所示。

圖2 新設計過溫保護電路

設計主要利用基準電壓的分壓與隨溫度增大而增大的電壓進行比較，同時，為了防止過溫保護電路的比較器在跳變溫度點附近來回振蕩，還需要在電路中引入遲滯，以此搭建一個控制電路用來便利地產生高、低閾值電壓，達到過溫保護的目的。過溫保護電路的核心電路是由啟動電路、基準電路以及比較器電路組成。

首先對啟動電路及基準電路進行設計。啟動電路需要保證基準電路可以脫離簡并點；基準電路需要保證全溫區的溫度系數最低。

對于啟動電路，為保證電路啟動后可以自動將啟動電路關閉，首先將限流電阻增加兩個，比例為2/50；為保證電路啟動后可以有效地關閉啟動管，將開關管改為隔離型器件，以降低導通閾值。

基準電壓通過R1、R2、R3、R4、R5分壓得出，當溫度升高時，有：

當達到溫度閾值點時，溫度降低，降溫過程為：

遲滯比較器的同相輸入端的電壓值為：

由此可以得出室溫下同向輸入端的電壓值約為600mV，溫度每變化1℃，電壓變化約為2.2mV，當溫度達到大約165℃左右時，出現第一個溫度翻轉點。對基準電壓的仿真結果曲線如圖3所示。

圖3 基準電壓仿真曲線

詳細仿真數據如表1所示，其中，fs代表三級管f、其余t；sf則代表三級管s、其余t。通過對基準電壓的仿真可以發現，基準電壓在全端口仿真情況下，絕對值范圍在1.221V～1.240V，在典型情況下，基準電壓值為1.232V且溫度系數為16.05×10-6/℃，滿足精度需求。

表1 基準電壓仿真數據

對遲滯比較器的反向輸入端電壓進行仿真，結果如圖4所示。從仿真結果可以看出，在全工藝角情況下，V+絕對值的最大與最小值分別為926mV與912mV；V-絕對值最大與最小值分別為873mV及860mV。

圖4 遲滯比較器反向輸入端仿真結果

遲滯比較器的同相輸入端仿真結果如圖5所示。從仿真結果可以發現，溫度在-55℃～125℃區間變化時，電壓變化范圍為445mV～811mV，斜率為2.03mV/℃。說明達到125℃時，電路仍然沒有達到過溫保護的閾值點。

使用設計的過溫保護閾值點165℃進行電路的過溫保護閾值點仿真，仿真結果如圖6所示。

從仿真結果可以看出，在各個工藝角下，上升溫度的閾值為165℃左右，溫度下降時的翻轉閾值為147℃左右，遲滯窗口為20℃左右。高溫時電路仿真結果不可靠，為了提高電路的可靠性，在此處加入了修調電阻，此電阻可以調節遲滯窗口及翻轉閾值點的值。加入修調電阻后的仿真結果如圖7所示。

圖5 遲滯比較器同相輸入端仿真結果

圖6 不同工藝角下過溫保護輸出仿真

圖7 修調后過溫保護輸出結果仿真

從修調后的仿真結果可見，遲滯窗口為15℃左右，溫度上升時翻轉閾值為147℃左右，溫度下降溫度為133℃左右。如果在電路實測時，過溫保護的翻轉點對應的溫度過高，可以額外再進行調節。

4 結束語

本設計實現的過溫保護電路相較于傳統類型的優點不僅在于電路構成簡單、用到的器件少，更重要的是在實現電路簡化的同時還能達到較低的功耗，而且可以適應寬電壓的輸入。所設計電路還可以通過調節電阻的阻值來調節遲滯溫度的范圍，以此實現改變閾值電壓。通過仿真結果顯示電路功能正常，指標符合預期。