摘 要：采用0.5 μm CMOS工藝，設(shè)計(jì)了一種具有熱滯回功能的過熱保護(hù)電路，并利用Cadence Spectre 仿真工具對電路進(jìn)行了仿真。結(jié)果表明，電路的輸出信號(hào)對電源的抑制能力很強(qiáng)，在3.5 V以上的電源電壓工作下，過熱溫度點(diǎn)基本保持不變，正向約為155 ℃，負(fù)向約為105 ℃，同時(shí)，在27 ℃，5 V電源電壓工作下，電路功耗約為0.25 mW。由于其高穩(wěn)定和低功耗的特性，可廣泛應(yīng)用在各種集成電路內(nèi)部。

關(guān)鍵詞：CMOS；過熱保護(hù)電路；低功耗；熱滯回

中圖分類號(hào)：TN43，TP34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004373X(2008)0116804

A Low Power consumption CMOS Thermal-shutdown Circuit with Hysteresis

SUN Junyue，LIU Jun，JIANG Guoping

(Dalian University of Technology，Dalian，116023，China)

Abstract：Using 0.5 μm CMOS technology，this paper presents a thermal-shutdown circuit with hysteresis.This circuit is simulated by using the tool of Cadence Spectre.It shows the circuit has an excellent ability of power rejection.Above the 3.5 voltage of power，the temperature of thermal-shutdown is constant.The plus temperature is about 155 ℃ and the minus one is about 105 ℃.Meanwhile，the power consumption is little.It is 0.25 mW under the power of 5 V.Because of the better performances of high stability and low power consumption，this thermal-shutdown circuit can be widely used in many kinds of integrated circuits.

Keywords：CMOS;thermal-shutdown circuit;low power consumption;hysteresis

在集成電路中，由于耗散功率的存在，溫度會(huì)升高，容易使得某些管子由于溫度過高而損壞，進(jìn)而使得整個(gè)電路處于癱瘓狀態(tài)，所以為了保護(hù)芯片在這種情況下不被損壞，往往將過熱保護(hù)電路集成在芯片內(nèi)部。通過對傳統(tǒng)過熱保護(hù)電路的分析，設(shè)計(jì)了一種基于CMOS工藝的帶滯回功能的高穩(wěn)定低功耗過熱保護(hù)電路。

1 兩種典型的過熱保護(hù)電路

[BT3]1.1 利用齊納二極管的傳統(tǒng)過熱保護(hù)電路

如圖1所示，三極管Q2的基極電壓為：

我們知道，三極管Q1的VBE具有負(fù)溫度系數(shù)，而齊納二極管DZ的VZ具有正的溫度系數(shù)。在常溫下，VB2小于三極管Q2的導(dǎo)通電壓，Q2不導(dǎo)通，輸出電壓VOUT為高電平；當(dāng)溫度升高時(shí)，VZ增加，VBE1減小，使VB2增加，當(dāng)溫度升到一定值時(shí)，Q2導(dǎo)通，使輸出VOUT翻轉(zhuǎn)，變?yōu)榈碗娖?。?/p>

在雙極性工藝中，VBE和VZ的溫度性能是可靠的，該電路性能是比較高的，但在穩(wěn)定電壓大于7 V時(shí)齊納二極管才具有正的溫度系數(shù)^[1]，在CMOS工藝中很難產(chǎn)生這么高的電壓。更重要的是該過熱保護(hù)電路功耗很大，偏離了低功耗的發(fā)展趨勢。

[BT3]1.2 利用PTAT電流源的過熱保護(hù)電路

圖2為該類型OTP的示意圖，電流源I(xiàn)PTAT對溫度很敏感，能表征溫度變化，和絕對溫度成比例^[2]，令：

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)得PTAT點(diǎn)和Vbase點(diǎn)的電壓分別為：

所以在某個(gè)溫度點(diǎn)上，VPTAT與Vbase相等，此溫度點(diǎn)為過熱溫度點(diǎn)。由于其較為優(yōu)越的性能表現(xiàn)，這種類型的OTP應(yīng)用比較廣泛。

2 CMOS過熱保護(hù)電路的設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的過熱保護(hù)電路是基于N阱CMOS工藝的，其結(jié)構(gòu)功能框圖如圖3所示。

過熱保護(hù)電路利用了帶隙基準(zhǔn)源電路為后偏置電路和溫度判決電路中的電阻網(wǎng)絡(luò)提供精確的基準(zhǔn)電壓，而溫度判決電路是以比較器作為核心電路，他由后偏置電路得到恒定的偏置電流，以提高整個(gè)OTP性能，同時(shí)，通過邏輯電路改變比較器輸入的比較電壓值，來實(shí)現(xiàn)OTP的滯回功能，防止其在過熱點(diǎn)附近產(chǎn)生熱振蕩。

2.1 前偏置電路

如圖4所示，起始工作時(shí)Vdd由低電平跳變到高電平，有源負(fù)載M4導(dǎo)通，因此M9的柵極電壓也從低電平跳變到高電平，M9導(dǎo)通，其漏端變?yōu)榈碗娖?。此時(shí)，M11的柵極也被拉到低電平，M11導(dǎo)通，M11和M13所在支路有電流留過。這樣，M14的柵極電壓也升高，使得M12M14所在支路導(dǎo)通，然后M7鏡像M12的電流使M7M8所在支路導(dǎo)通，從而開啟M6，將M9的柵極電位拉低，使M9截止，啟動(dòng)過程結(jié)束。

2.2 帶隙基準(zhǔn)源電路

帶隙基準(zhǔn)源是利用PN結(jié)二極管產(chǎn)生的正向電壓VBE的負(fù)溫度系數(shù)和不同電流密度偏置下兩個(gè)雙極晶體管基極-發(fā)射極電壓差產(chǎn)生的正溫度系數(shù)特性，兩者相加可以獲得低溫度系數(shù)的基準(zhǔn)電壓源。

電路如圖5所示，運(yùn)算放大器采用兩級(jí)放大，第一級(jí)是差分輸入級(jí)，第二級(jí)是CMOS共源放大器。晶體管Q2是由n個(gè)并列的晶體管單元組成，而Q1是一個(gè)晶體管單元。

現(xiàn)將Q1和Q2的集電極分別接到運(yùn)算放大器的差分輸入級(jí)的兩端，那么VBE1=RI+VBE2，即：

調(diào)整n，VO2就可以與溫度基本無關(guān)，從而得到約為1.25 V的基準(zhǔn)電壓Vref。

2.3 BIAS電路

BIAS電路結(jié)構(gòu)如圖6所示，運(yùn)算放大器仍然采用普通的兩級(jí)運(yùn)放，形成一個(gè)單位增益輸出緩沖級(jí)，從而產(chǎn)生更高的小信號(hào)增益輸出阻抗，得到更加穩(wěn)定的偏置電流，為后面的比較器提供更加精確的偏置。

2.4 溫度判決及比較器電路

溫度判決電路中的比較器如圖7所示，第一級(jí)是差分輸入級(jí)將雙端變單端輸出，第二級(jí)為CMOS共源放大器，然后接兩組CMOS反相器。由于CMOS反相器作為輸出級(jí)，所以能達(dá)到滿幅度輸。

該部分要注意控制放大器的MOS管在靜態(tài)條件下處于飽和區(qū)，以及CMOS反相器工作在高增益區(qū)。由于工作在開環(huán)條件下，因此并未考慮放大器閉環(huán)穩(wěn)定工作的頻率補(bǔ)償問題。

圖8是帶熱滯回功能的溫度判決電路圖，是過熱保護(hù)電路的核心部分。本設(shè)計(jì)中當(dāng)結(jié)溫上升到155 ℃時(shí)，輸出信號(hào)Otpout由低電平變?yōu)楦唠娖?結(jié)溫下降到105 ℃左右時(shí)，輸出信號(hào)Otpout才由高電平變?yōu)榈碗娖?。這就實(shí)現(xiàn)了熱滯回功能，從而防止電路在關(guān)斷溫度附近產(chǎn)生熱振蕩。以下介紹幾個(gè)組成部分：

(2) 負(fù)溫電壓產(chǎn)生電路。雙極型晶體管的VBE隨溫度升高而降低，降幅約為-1.7 mV/℃。將兩個(gè)PNP晶體管串聯(lián)后接到比較器的反向輸入端，當(dāng)溫度升高到關(guān)斷溫度時(shí)，加在BE結(jié)上的電壓使比較器翻轉(zhuǎn)，同理，當(dāng)溫度降低到開啟溫度時(shí)，再次翻轉(zhuǎn)比較器。

(3) 輸出電路。比較器輸出compout經(jīng)兩個(gè)倒相器后，得到過熱保護(hù)信號(hào)，將之作為控制信號(hào)，來控制芯片的關(guān)斷和開啟。

(4) 邏輯控制電路。由N管M43和P管M45組成傳輸門K1；N管M44和P管M46組成傳輸門K2。幾個(gè)輸出電壓和K1，K2以及比較器正端參考電壓的邏輯關(guān)系見表1。 [HJ1][HJ]

其中JC是集電極電流密度，VGO是禁帶寬度^[3]。將上式對溫度微分，則可得到V

關(guān)斷溫度和開啟溫度分別為155 ℃和105 ℃，通過式子，可以大致估算出對應(yīng)的Vcomp-分別大約為0.85 V和1.05 V。令Vcomp+=Vcomp-，就可以得到大致的正參考電壓值，從而確定電阻網(wǎng)絡(luò)上各電阻的值。

3 仿真結(jié)果及分析

對上述OTP采用0.5 μm N阱CMOS工藝模型，使用Cadence Spectre 仿真工具進(jìn)行了仿真。

(1) 啟動(dòng)過程和前偏置仿真

對啟動(dòng)電路進(jìn)行瞬時(shí)仿真，從圖9可以看出，電路能正常啟動(dòng)，并為后級(jí)電路提供約1.902 μA的偏置電流。

(2) 能帶隙基準(zhǔn)源仿真

從圖10可以看出當(dāng)電源電壓高于2.8 V時(shí)，基準(zhǔn)電壓基本穩(wěn)定在1.255 V，受電源電壓的影響很小。

如圖11所示，在0~70 ℃范圍內(nèi)，溫度系數(shù)為14.5 ppm/℃，電壓基本穩(wěn)定在1.255 V，可見基準(zhǔn)電壓受溫度的影響非常小。 

(3) 過熱保護(hù)信號(hào)仿真

從圖12看出，該OTP的正向的過熱溫度點(diǎn)約為155 ℃，負(fù)向的約為105 ℃，性能良好。[JP]

圖13是當(dāng)電源電壓在3~7 V變化時(shí)，電路的工作情況，從圖中可以看出，大約在3.5 V以上過熱溫度點(diǎn)都重合在一起約為155 ℃，但是在3.5 V之前，過熱溫度點(diǎn)卻變化很大，是由于在低電壓工作的情況下某些管子工作在不恰當(dāng)?shù)膮^(qū)域所致。由此可以看出電路可以工作在較寬范圍的電源電壓工作下，電路的穩(wěn)定性很高。

(4) 功耗分析

圖14給出了室溫下，電路的整體工作電流隨電源電壓的變化情況，從圖中可知在5 V電源電壓工作下，供電電流約為50 μA，則功耗為0.25 mW。

4 結(jié) 語

從仿真結(jié)果可以看出，本文設(shè)計(jì)的過熱保護(hù)電路對電源的抑制能力很好，其熱滯回功能有效地防止了熱振蕩，并且該電路功耗也非常小，可以應(yīng)用到很多芯片內(nèi)部。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］童詩白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:高等教育出版社，2001.

［2］Nagel M H，F(xiàn)onderie M J，Meijer G C M.Integrated 1 V Thermal Shutdown Circuit[J].IEEE Electronics Letters，1992，10(7):969-970.

［3］Behzad Razavi，Design of Analog CMOS Integrated [M].西安:西安交通大學(xué)出版社，2003.

注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文?！?/p>