一種具有滯回功能的低成本低功耗過(guò)熱保護(hù)電路

引言

在集成電路中，尤其是模擬集成電路中，大的驅(qū)動(dòng)能力需要大的功率管，這會(huì)帶來(lái)大的耗散功率而使芯片溫度升高。如果控制不好或者散熱效果不佳，容易使某些管子由于溫度過(guò)高而損壞，進(jìn)而使得整個(gè)電路不能正常工作。所以，在高功率的芯片中，保護(hù)芯片在這種情況下不被損壞就成為不可或缺的電路功能需要，往往在芯片中集成過(guò)熱保護(hù)模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于過(guò)熱保護(hù)電路在電路中具有輔助功能，所以，該模塊在實(shí)現(xiàn)功能的前提下，也要盡可能降低功耗和成本。本文通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)過(guò)熱保護(hù)電路的分析，給出了一種基于0.35pmBCD工藝的具有滯回功能的高穩(wěn)定、低成本、低功耗過(guò)熱保護(hù)電路的設(shè)計(jì)方法。

1兩種典型的過(guò)熱保護(hù)電路

1.1利用齊納二極管的傳統(tǒng)過(guò)熱保護(hù)電路

圖1所示是傳統(tǒng)的OTP典型電路結(jié)構(gòu)。其中，三極管Q1為感溫管，它在芯片中離熱點(diǎn)比較近。三極管Q2的基極電位為:

三極管的基射電壓Vbe具有負(fù)溫度系數(shù)，而齊納管的V具有正溫度系數(shù)。圖1電路就是根據(jù)此事實(shí)設(shè)計(jì)的。在常溫下,感溫管Q1的Vbe1比較高，齊納管的兀比較低。根據(jù)式⑴可知，VB2的電位比較低，不足以使開關(guān)管Q2開啟，故輸出電壓扁為高電平；隨著芯片溫度的升高，齊納管的穩(wěn)壓值V隨之升高,而感溫管Q1的Vbe1則隨溫度的升高反而下降。根據(jù)式⑴可知，Vb2的電位也隨著溫度的升高而升高，當(dāng)溫度升高到一定值時(shí),Q2導(dǎo)通，拉低輸出電壓，最終使輸出原翻轉(zhuǎn)，變?yōu)榈碗娖健?

圖1傳統(tǒng)OTP的典型電路結(jié)構(gòu)

在雙極工藝中，三極管的基射電壓VBE和齊納管的Vz的溫度性能是可靠的，但齊納管的穩(wěn)壓值在大于7V時(shí)才具有正的溫度系數(shù)，在芯片中，產(chǎn)生如此高的電壓往往比較難。更重要的是，該電路結(jié)構(gòu)的功耗很大，偏離了低功耗的發(fā)展趨勢(shì)，且該設(shè)計(jì)不具有熱滯回功能，容易使芯片在過(guò)熱點(diǎn)處振蕩,從而損壞芯片，故實(shí)用價(jià)值不大。

1.2利用PTAT電流源的過(guò)熱保護(hù)電路

在圖2所示的OTP電路結(jié)構(gòu)中，電流源Iptat對(duì)溫度很敏感，能表征溫度變化，和絕對(duì)溫度成正比，故可令:

其中,K1和K是正比例系數(shù)，T是絕對(duì)溫度。當(dāng)溫度升高時(shí),電流也隨之成比例增加，在PTAT點(diǎn)以及電阻R2的電壓降也升高，但不隨電源電壓Vdd變化，而感溫管Q1的Vbei則隨溫度的升高而下降。調(diào)整參數(shù)就可以使base點(diǎn)的電壓成為不隨溫度和電源電壓變化的基準(zhǔn)電壓。由式(2)、式(3)所得到的PTAT點(diǎn)和base點(diǎn)的電壓分別為：

VPtat=K1R1T(4)

Vbase=KR2T+VbE1(5)

所以，在某個(gè)溫度點(diǎn)上，Vptat和V,ase相等，此溫度為過(guò)溫保護(hù)點(diǎn)。此電路在芯片中易于實(shí)現(xiàn)，性能較為優(yōu)越，但此電路結(jié)構(gòu)需要電流源和比較器等，電路成本比較高，且該電路仍不具有熱滯回功能。

結(jié)合上述兩種電路結(jié)構(gòu)，本文設(shè)計(jì)給出一種具有功耗低、成本低等優(yōu)點(diǎn)，且具有滯回功能的OTP電路。

2過(guò)熱保護(hù)電路的設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的過(guò)熱保護(hù)電路主要由兩個(gè)功能模塊組成：一是偏置電路；二是OTP核心電路。其電路結(jié)構(gòu)功能框圖如圖3所示。

新的OTP核心電路分為參考電壓產(chǎn)生電路、熱滯回產(chǎn)生電路和感溫比較電路三部分，其新的過(guò)溫保護(hù)電路示意圖如圖4所示。其中，參考電壓產(chǎn)生電路通過(guò)對(duì)偏置電路的輸出電壓的處理，可產(chǎn)生感溫比較電路的參考電壓；感溫比較電路在這一部分中完成溫度到電路信號(hào)的轉(zhuǎn)換，并與參考電壓進(jìn)行比較輸出一個(gè)邏輯信號(hào)，實(shí)現(xiàn)溫度到電信號(hào)和模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)化；滯回電路則通過(guò)此電路來(lái)實(shí)現(xiàn)OTP的熱滯回功能，并應(yīng)防止其在過(guò)熱點(diǎn)附近產(chǎn)生振蕩。

圖4過(guò)溫保護(hù)電路示意圖

2.1偏置電路

圖4中的(a)部分為過(guò)溫保護(hù)電路的偏置電路，此偏置電路比較簡(jiǎn)單，其中Ro和M,這條支路可以和芯片電路中的其它部分的偏置共用，例如和運(yùn)放、比較器和帶隙基準(zhǔn)等偏置共用。此偏置電路無(wú)需啟動(dòng)電路，芯片一上電，偏置電路就能正常工作。

Ro和Mo這條支路的電流Io為:

偏置電流Ibias為:

式中，S1為管子M1的寬長(zhǎng)比。

通過(guò)式(6)和式(7)可知：可以通過(guò)設(shè)計(jì)和Mo的寬長(zhǎng)比來(lái)確定OTP的偏置電流Ibias。本文設(shè)定Ibias為10μA,根據(jù)Ro和Mo這條支路的電流來(lái)設(shè)計(jì)M1和Mo的寬長(zhǎng)比時(shí)，其仿真結(jié)果約為10μA。

PMOS管M3為二極管連接形式，與OTP核心電路中的PMOS管構(gòu)成電流鏡結(jié)構(gòu)，從而為OTP核心電路提供偏置。電路中的NMOS管M,、PMOS管M4為電容連接形式，具有消除電源紋波，提高電源抑制能力，穩(wěn)定偏置信號(hào)OTP-bias的作用。2.2OTP核心電路結(jié)構(gòu)

圖4中的(b)部分為過(guò)溫保護(hù)電路的溫度判決電路。其中,PMOS管Ms、M和偏置電路部分的PMOS管M3構(gòu)成電流鏡結(jié)構(gòu),為OTP核心電路提供偏置。則A和B支路的電流分別為:

當(dāng)結(jié)溫上升到155℃時(shí)，輸出信號(hào)OTP-OUT由高電平變?yōu)榈碗娖?；結(jié)溫下降到100℃左右時(shí)，輸出信號(hào)OTP-OUT才由低電平變?yōu)楦唠娖?。這就實(shí)現(xiàn)了熱滯回功能，從而可防止電路在保護(hù)溫度附近產(chǎn)生熱振蕩。下面介紹其主要組成部分。

（1）參考電壓產(chǎn)生電路

電阻R1、R2和PMOS管M5構(gòu)成參考電壓產(chǎn)生電路。其參考電壓分為兩個(gè)：一個(gè)為高溫保護(hù)時(shí)的參考電壓VREF1(此時(shí)NMOS管M7開啟)，另一個(gè)為低溫使芯片正常工作的參考電壓VREF2(此時(shí)NMOS管M7關(guān)斷)。這兩個(gè)電壓都是由電流鏡推出的電流通過(guò)電阻產(chǎn)生的。忽略流進(jìn)三極管Q0的基極電流和M7的泄漏電流等，其VREF1和VREF2分別近似為：

圖5所示是Ibias、IA和IB隨溫度的變化曲線。

(2)感溫比較電路

PMOS管M6和三極管Q0構(gòu)成感溫、比較電路。三極管Q0為感溫管，同時(shí)完成與參考電壓的比較。雙極型晶體管Q0的基射電壓VBE隨溫度升高而降低，在室溫下，晶體管Q0基射電壓VBE的溫度系數(shù)約為-1.5mV/℃。當(dāng)溫度升高時(shí)，三極管Q0的VBE會(huì)隨之下降，溫度升高至過(guò)熱點(diǎn)溫度時(shí)，三極管Q0的VBE會(huì)低于參考電壓VREF1，從而使三極管Q0開啟，B點(diǎn)的電位由高電平變?yōu)榈碗娖?，此時(shí)OTP-OUT輸出為低電平，該低電平OTP-OUT使IC高功耗的電路停止工作，同時(shí)過(guò)關(guān)斷晶體管M7而改變參考電壓為VREF2，使IC溫度慢慢回落；當(dāng)IC溫度下降時(shí)，三極管Q0的VBE會(huì)隨溫度的下降而上升，當(dāng)溫度達(dá)到負(fù)向溫度點(diǎn)時(shí)，三極管Q0的VBE會(huì)大于參考電壓VREF2，并使三極管Q0關(guān)斷，B點(diǎn)的電位由低電平變?yōu)楦唠娖?，此時(shí)OTP-OUT輸出為高電平，使IC高功耗的電路正常工作，同時(shí)通過(guò)開啟晶體管M7而改變參考電路為VREF1。

一般負(fù)向溫度點(diǎn)定義為使IC高功耗電路重啟工作的溫度?？梢酝ㄟ^(guò)降低R2的值來(lái)使開啟溫度升高，增大R2的值來(lái)使開啟溫度降低；過(guò)熱溫度點(diǎn)為使IC高功耗電路停止工作時(shí)的溫度?？梢酝ㄟ^(guò)降低R1的值來(lái)實(shí)現(xiàn)關(guān)斷溫度的降低，并通過(guò)升高R1的值來(lái)實(shí)現(xiàn)關(guān)斷溫度的上升；熱遲滯溫度定義為過(guò)熱溫度點(diǎn)與負(fù)向溫度的差值。可以通過(guò)改變R2的值來(lái)調(diào)節(jié)熱遲滯溫度的大小。R2的值大，則熱遲滯溫度大；R2的值小，則熱遲滯溫度小。OTP核心電路的工作總結(jié)如表1所列。

(3)滯回產(chǎn)生電路

反相器I0、I1和NMOS管M7構(gòu)成了滯回產(chǎn)生電路。兩串聯(lián)的反相器I0和I1的主要作用：一是產(chǎn)生信號(hào)時(shí)延，使三極管Q0的翻轉(zhuǎn)總先于NMOS管M7的翻轉(zhuǎn)；二是整形輸出，使輸出信號(hào)高電平接近VDD，低電平接近GND；三是提高驅(qū)動(dòng)能力。當(dāng)輸出信號(hào)為高，即OTP-OUT為高電平時(shí)(未保護(hù))，NMOS管M7導(dǎo)通，旁路電阻R2使參考電壓為VREF1；當(dāng)輸出信號(hào)為低電平，即OTP-OUT為低電平時(shí)(保護(hù))，NMOS管M7關(guān)斷，以使參考電壓為VREF2。

這樣就可以進(jìn)行過(guò)熱點(diǎn)的大致估算：其雙極性晶體管Q0的基射電壓VBE為：

其中，IC是集電極電流密度，VG0是禁帶寬度。將上式對(duì)溫度微分，則可得到VBE和溫度的關(guān)系為：

從上式可以看出，Vbe的溫度系數(shù)與本身的大小以及溫度均有關(guān)系。當(dāng)Vbe~750mV,7=300K時(shí)，畳=-1.5mV/C仿真結(jié)果在結(jié)溫為25°C時(shí),V3E=868mV；155°C時(shí)，Vbe~660mV；100CM,Vbe=748mV因此，設(shè)計(jì)V<ef1在660mV左右，V<ef2在748mV左右。實(shí)際上,Vref1和0ef2的實(shí)際值比理論值偏低,因?yàn)槿龢O管Q。在翻轉(zhuǎn)前后會(huì)微導(dǎo)通而存在流入三極管基極電流和NMOS管M7存在泄漏電流的緣故?？傊鲜鲈驎?huì)致使電流Ia減小，而理論計(jì)算忽略了上述原因，因此，玲EF1和0EF2的實(shí)際值比理論值偏低。

3仿真結(jié)果及分析

采用HHNECBCD350工藝對(duì)圖4所示電路使用CadenceSpectre仿真工具進(jìn)行仿真，可以得出圖6所示的OTP滯回輸出曲線。從圖6可以看出，該OTP的正向過(guò)熱溫度為155°C,負(fù)向溫度約為100C,遲滯溫度(即正向過(guò)熱點(diǎn)溫度與負(fù)向溫度的差值)為55C,性能良好。此電路的過(guò)熱點(diǎn)和負(fù)向溫度點(diǎn)、遲滯溫度可以通過(guò)改變電阻R1和R2的值來(lái)改變。

供電電流隨溫度的變化曲線如圖7所示。當(dāng)供電電壓為5V時(shí)，在-40~160C之間，電路的靜態(tài)電流為50~75nA,電路的靜態(tài)功耗在0.25~0.375mW之間。常溫下，電路的功耗約為0.3mW。

與同類OTP相比，本設(shè)計(jì)電路簡(jiǎn)單，OTP核心電路只需要10個(gè)器件即可，而且無(wú)需差分比較器、帶隙基準(zhǔn)等電路即可實(shí)現(xiàn)預(yù)定功能。在芯片中，此模塊面積僅為8000nm2,可見其與同類的OTP相比，節(jié)省了芯片面積，且能實(shí)現(xiàn)良好的溫度保護(hù)功能。

4結(jié)語(yǔ)

本文給出了一種具有熱滯回功能的過(guò)熱保護(hù)電路的設(shè)計(jì)方法，經(jīng)采用0.35nmBCD工藝對(duì)電路進(jìn)行仿真的仿真結(jié)果表明：在5V工作電壓下，電路的過(guò)熱溫度點(diǎn)為155C,負(fù)向溫度為100C,其熱滯回功能可以有效地防止熱振蕩。在27C時(shí)，電路的功耗約為0.3mW,可見與傳統(tǒng)過(guò)熱保護(hù)

電路相比，該電路具有功耗低、版圖面積小等優(yōu)點(diǎn)。

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