一種高精度低功耗的 BiCMOS 過溫保護(hù)電路

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(dāng)芯片內(nèi)部電路由于電源短接、線路短路或重負(fù)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?yàn)檫^溫而產(chǎn)生熱擊穿，導(dǎo)致芯片不可逆轉(zhuǎn)的永久失效 [1]。過溫保護(hù)電路（Over Temperature Protection，OTP）能夠時(shí)刻檢測芯片內(nèi)部溫度，當(dāng)溫度高于設(shè)定閾值溫度時(shí)自動(dòng)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(hù)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(hù)電路的設(shè)計(jì)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(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，當(dāng)溫度檢測電壓高于帶隙基準(zhǔn)電壓時(shí)，芯片系統(tǒng)關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)過溫保護(hù)功能 [3]。傳統(tǒng)過溫保護(hù)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(shí) OTP_OUT 輸出高電平，NMOS 管 M1 導(dǎo)通，電阻 R2 被短路，VN<VP。當(dāng)系統(tǒng)溫度上升至過溫臨界溫度時(shí)，VN>VP，OTP_OUT 輸出低電平，過溫保護(hù)電路關(guān)斷其他模塊。此時(shí) M1 管截止， VN=IP1 ·（R1+R2）。隨著工作溫度逐步降低，VN 隨之減小，當(dāng) VN<VP 時(shí) OTP_OUT 輸出高電平，電路重新工作。M1 管和電阻 R2 產(chǎn)生遲滯溫度，避免芯片由于溫度波動(dòng)被反復(fù)關(guān)斷 [4]。

1 過溫保護(hù)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(hù)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(shí)現(xiàn)過溫保護(hù)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(hù)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(dǎo)通，R2 被短路， VE=IP1R1，VE<VBE，Q1 管截止。隨著溫度升高，IP1 隨之增大，當(dāng)溫度超過臨界溫度時(shí)，VE>VBE，Q1 管開始進(jìn)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(hù)功能啟動(dòng)。此時(shí) M1 管截止， VE=IP1 ·（R1+R2）。當(dāng)溫度降低到臨界溫度以下時(shí)，VE<VBE，過溫保護(hù)電路 OTP_OUT 輸出低電平，電路重新工作。M1 管、電阻 R1 和施密特觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)遲滯功能。

2 過溫保護(hù)電路

本文提出的過溫保護(hù)電路如圖 3 所示。電路分為啟動(dòng)電路、溫度檢測電流產(chǎn)生電路、過溫保護(hù)核心電路、遲滯電路。

2.1 啟動(dòng)與溫度檢測電流產(chǎn)生電路

啟動(dòng)與溫度檢測電流產(chǎn)生電路由 M1 ～ M5 管，Q1，Q2以及 R1 組成。當(dāng)芯片偏置電流模塊供給 OTP 模塊的啟動(dòng)電流 IBIAS 為 1.2 μA 時(shí)，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(fù)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(dòng)電流。Q1，Q2 為發(fā)射結(jié)面積為 1∶8 的 NPN 管，可知 [5] ：

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(hù)核心電路

過溫保護(hù)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(dǎo)通 R3 被短路， VA 大小為 ：

此時(shí) 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(shí)，VA 大于 Q3 管的開啟電壓，Q3 管進(jìn)入深度飽和區(qū) [7]。其集電極電壓跳變?yōu)楦唠娖剑?M8 管截止，過溫保護(hù)功能啟動(dòng)，此時(shí) VA 為 ：

當(dāng)溫度重新低于臨界溫度時(shí)，Q3 管集電極電壓跳變?yōu)榈碗娖剑^溫保護(hù)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(dòng)而造成反復(fù)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(hù)電路采用UMC0.25 μm BCD 工藝庫設(shè)計(jì)，使用 Hspice 軟件進(jìn)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(hù)電路溫度特性曲線。從圖中可以看出，在溫度上升過程中，當(dāng)工作溫度高于 100.02 ℃時(shí)，過溫保護(hù)電路輸出由低電平跳變?yōu)楦唠娖剑^溫保護(hù)功能啟動(dòng) ；在溫度下降過程中，當(dāng)工作溫度低于 92 ℃時(shí)，過溫保護(hù)電路由高電平跳變?yōu)榈碗娖剑^溫保護(hù)功能關(guān)閉，芯片其他模塊正常工作。

圖 6 為過溫保護(hù)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(hù)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(dòng)而反復(fù)關(guān)斷。 圖 7 為過溫保護(hù)電路靜態(tài)功耗曲線。從圖中可以看出，當(dāng)過溫保護(hù)電路處于靜態(tài)工作時(shí)，靜態(tài)電流的范圍為8.07 ～ 8.85 μA，滿足了低功耗的設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié) 語

本文提出了一種高精度低功耗的過溫保護(hù)電路，采用UMC0.25 μm BCD 工藝庫進(jìn)行設(shè)計(jì)。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(dāng)芯片內(nèi)部溫度高于設(shè)定臨界溫度時(shí)，過溫保護(hù)電路輸出高電平，實(shí)現(xiàn)過溫保護(hù)功能。當(dāng)溫度低于設(shè)定臨界溫度時(shí)，過溫保護(hù)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(dòng)反復(fù)關(guān)斷。本文提出的過溫保護(hù)電路可滿足高精度、低功耗的過溫保護(hù)要求。