中心議題：
- 過高的工作溫度對芯片工作性能
- 可用于音頻功放的過溫保護電路設(shè)計
解決方案：
- 過溫保護電路來保障芯片安全
- 標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝實現(xiàn)的過溫保護電路
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(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)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(dǎo)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(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(dāng)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。
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(fù)溫度TL也會比TH 低。當(dāng)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(fù)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(dāng)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
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
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
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(dāng)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
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計算溫度下降翻轉(zhuǎn)點TL當(dāng)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
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3所示。
啟動電路：啟動電路只有在剛上電的時候才會工作，當(dāng)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(dǎo)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(zhǔn)電路的平衡，使之能夠啟動起來。當(dāng)M40的柵極電壓上升到M44的閾值電壓時，就會將其導(dǎo)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(dāng)Shut信號為高電平時，M33就會處于導(dǎo)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(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。
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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(fēng)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2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(fù)溫度TL140°。
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。
