可用于音頻功放的過(guò)溫保護(hù)電路設(shè)計(jì)

?在集成電路芯片工作的過(guò)程中，不可避免地會(huì)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(guò)高、短路等異常情況下，會(huì)導(dǎo)致芯片內(nèi)部的熱量不能被及時(shí)散出，從而不可避免地使芯片工作溫度上升。過(guò)高的工作溫度對(duì)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(dòng)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(guò)溫保護(hù)電路來(lái)保障芯片安全。
??? 文中將介紹一種可用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝實(shí)現(xiàn)的過(guò)溫保護(hù)電路。在電路設(shè)計(jì)上，使用了與溫度成正比的電流源(PTAT電流)和具有負(fù)溫度系數(shù)的PNP管(CMOS工藝中寄生)結(jié)電壓作為兩路差動(dòng)的感溫單元。這種差動(dòng)的傳感方式，可以提高電路對(duì)溫度變化反應(yīng)的靈敏度，同時(shí)，其具有的遲滯功能，可以有效的避免熱振蕩對(duì)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(jì)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(diǎn)位連接，為了利用寄生PN結(jié)導(dǎo)通正向?qū)妷旱呢?fù)溫度特性，把Q1做二極管連接(基集也接到地)，這樣A點(diǎn)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(zhǔn)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(huì)產(chǎn)生PTAT電流(Proportional to Abso-lute Temperature)；在提供偏置的同時(shí)，也在電阻R0上產(chǎn)生了與溫度成正比的電壓VB即B點(diǎn)電壓隨之增大。當(dāng)達(dá)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(guò)倒相器INV后，輸出TSD為低電平；此信號(hào)作用于電路的其它模塊后，使整個(gè)芯片停止工作，實(shí)現(xiàn)熱保護(hù)功能。同時(shí)，TSD信號(hào)正反饋?zhàn)饔糜贛2柵上，開(kāi)啟M2，加大了電阻R0上電流，使VB更高。

??? 在芯片被熱保護(hù)，停止工作后，芯片上的溫度會(huì)從TH下降，使得A點(diǎn)電壓VA慢慢上升，B點(diǎn)電壓VB慢慢下降。由于先前TSD的正反饋?zhàn)饔靡呀?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(diǎn)有比先前的電壓VA更大的電壓，相應(yīng)地使得下降時(shí)翻轉(zhuǎn)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的恢復(fù)溫度TL也會(huì)比TH低。當(dāng)溫度低于TL后，VB≥VA，通過(guò)比較器作用后，會(huì)使TSD輸出高電平，使芯片恢復(fù)工作。同時(shí)，TSD信號(hào)仍然會(huì)再次正反饋?zhàn)饔糜贛2柵上，關(guān)斷M2，進(jìn)一步減小了電阻R0上的電流，使VB更低。
??? 整個(gè)工作過(guò)程中，TSD的正反饋起到了遲滯的作用。使得正常工作時(shí)，TSD輸出高電平作用于電路其它模塊。當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)，TSD輸出低電平作用于電路其它模塊，使芯片停止工作，保護(hù)芯片。

1．2 溫度翻轉(zhuǎn)點(diǎn)的計(jì)算
??? A點(diǎn)的電壓VA為PN結(jié)兩邊電壓，PN結(jié)電壓的表達(dá)式可寫(xiě)為
???
??? 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(guò)程中與溫度無(wú)關(guān)的常量。因?yàn)閂t=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
???
??? 如果忽略由溫度變化引起lnT項(xiàng)變化對(duì)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(jiǎn)化計(jì)算，則PN結(jié)關(guān)于溫度的變化方程可近似線性為
???
??? B點(diǎn)的電壓為電阻上的電壓，可由歐姆定理計(jì)算得到。計(jì)算溫度上升翻轉(zhuǎn)點(diǎn)TH，當(dāng)溫度上升時(shí)，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(dá)式為
???
??? 翻轉(zhuǎn)點(diǎn)(VA=VB)時(shí)的對(duì)應(yīng)方程為
???
??? 計(jì)算溫度下降翻轉(zhuǎn)點(diǎn)TL當(dāng)從高于TH溫度下降時(shí)，由前分析可知，TSD為低電平，M2開(kāi)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(dá)式為
???
??? 翻轉(zhuǎn)點(diǎn)(VA=VB)時(shí)對(duì)應(yīng)方程為

??? 式(10)即為過(guò)溫保護(hù)工作時(shí)的遲滯量。

2 實(shí)際電路設(shè)計(jì)
??? 設(shè)計(jì)的過(guò)熱保護(hù)電路大體上分為3個(gè)部分，如圖3所示。

??? 啟動(dòng)電路：?jiǎn)?dòng)電路只有在剛上電的時(shí)候才會(huì)工作，當(dāng)電源電壓從0 V慢慢升高，同時(shí)輸入信號(hào)Shut為低電平時(shí)，開(kāi)關(guān)管M37就會(huì)被打開(kāi)，MOS管M38也會(huì)導(dǎo)通，這樣就會(huì)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(huì)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(zhǔn)電路的平衡，使之能夠啟動(dòng)起來(lái)。當(dāng)M40的柵極電壓上升到M44的閾值電壓時(shí)，就會(huì)將其導(dǎo)通，使得產(chǎn)生了一個(gè)有電源到地的通路，這樣也就完成了啟動(dòng)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(guò)濾波、放大后又鏡像回去，在M34、M42、Q1的支路上輸出一個(gè)偏置電壓信號(hào)。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(duì)管。另外，此電路中M33作為關(guān)斷管，當(dāng)Shut信號(hào)為高電平時(shí)，M33就會(huì)處于導(dǎo)通狀態(tài)，這樣這屆就會(huì)將M34、M35關(guān)斷，使得整個(gè)電路關(guān)斷。
??? 熱敏關(guān)斷保護(hù)電路：由于基準(zhǔn)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(huì)產(chǎn)生PTAT電流。采用M41、M47、M48、M49、M50構(gòu)成的兩級(jí)比較器來(lái)實(shí)現(xiàn)原理等效圖中Comp的功能。此比較器的第一級(jí)為PMOS差動(dòng)輸入。
??? 用PMOS做差動(dòng)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(dòng)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(duì)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(jí)為共源放大器，作為比較器的第二級(jí)，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(fēng)上產(chǎn)生的電壓波動(dòng)，以防止系統(tǒng)被擾動(dòng)引起的誤動(dòng)作。

3 仿真測(cè)試
??? 按照以上設(shè)計(jì)的電路。用Cadence Specture對(duì)其進(jìn)行仿真，器件的模型參數(shù)采用0．35μm CMOS工藝。圖2為過(guò)溫保護(hù)電路的輸出控制信號(hào)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(shí)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(wèn)題。關(guān)斷溫度TH160°和恢復(fù)溫度TL140°。

4 結(jié)束語(yǔ)
??? 文中設(shè)計(jì)的過(guò)熱保護(hù)電路，利用PTAT電流來(lái)檢測(cè)溫度的變化，并轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)輸入兩級(jí)比較器進(jìn)行比較，從而產(chǎn)生過(guò)熱保護(hù)信號(hào)。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(duì)溫度感應(yīng)靈敏度高，非常適合集成在集成電路芯片中。