李曉 張文杰 金湘亮

摘? 要： 為避免芯片內部因溫度過高而造成損壞，以及確保芯片的可靠性和穩(wěn)定性，基于0.18 μm CMOS工藝設計并實現(xiàn)了一種高精度高靈敏度過溫保護電路。該電路通過引入帶有溫度系數(shù)電壓的反饋技術，產生帶有溫度信息的邏輯電平，實現(xiàn)對電路工作狀態(tài)的控制，并給出細致的推導過程?；鶞孰娐房稍趯挿秶妮斎腚妷汉蜏囟认抡９ぷ鳎ＷC過溫保護電路有穩(wěn)定的工作狀態(tài)和穩(wěn)定的輸出。電路包含正反饋結構，加速溫度檢測信號輸出的翻轉，提高靈敏度。仿真結果表明，當溫度超過160 ℃時，保護電路開啟，當溫度降到150 ℃時，保護電路關閉，且有10 ℃的溫度遲滯量。該電路能很好地抑制電源電壓變化造成的閾值點的漂移，有較高的精度，確保電路性能的穩(wěn)定。

關鍵詞： 過溫保護; 電路設計; 電路狀態(tài)控制; 溫度檢測; 靈敏度提高; 仿真實驗

中圖分類號： TN432?34? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2020）22?0040?04

Abstract： An over?temperature protection circuit with high precision and high sensitivity is designed and implemented based on the 0.18 μm CMOS process to avoid the chip damage caused by over?temperature inside the chip， and ensure the reliability and stability of the chip. The circuit can generate logic level with temperature information by introducing feedback technology of voltage with temperature coefficient to control the working state of the circuit. The detailed derivation process is given in this paper. The reference circuit can work normally in a wide range of input voltage and temperature， and ensure stable working state and stable output of over?temperature protection circuit. The circuit contains the positive feedback structure to improve the sensitivity by accelerating the overturning of temperature detection signal output. The simulation results show that the protection circuit is turned on when the temperature exceeds 160 ℃， the protection circuit is turned off when the temperature drops to 150 ℃， and there is a temperature hysteresis of 10 ℃. The circuit can suppress the threshold point drift caused by the change of power supply voltage， and has a high precision to ensure the stability of circuit performance.

Keywords： over?temperature protection; circuit design; circuit state control; temperature detection; sensitivity improvement; simulation experiment

0? 引? 言

工藝水平的發(fā)展，致使集成電路高速發(fā)展，芯片性能提升的同時，安全性和穩(wěn)定性越來越被重視[1]。芯片內部能量損耗將造成溫度升高，會導致芯片溫度過高，從而影響芯片性能和穩(wěn)定性，也會使功耗增加[2]，研究顯示：芯片溫度每升高1 ℃，MOS管驅動能力下降約4%，電路失效率會變?yōu)樵瓉淼?倍，所以為確保芯片能正常工作，在芯片中添加過溫保護電路尤為重要[3?4]。在某些特殊的情況下，輸入電壓會超出常規(guī)的變化范圍，有較大的電壓波動，可能會導致電路功能的改變[5]，所以確保電路能夠適應寬范圍的輸入電壓，也就能保證整個電路能有穩(wěn)定的工作狀態(tài)和穩(wěn)定的輸出。傳統(tǒng)過溫保護電路受工藝影響大，而且溫度閾值點和遲滯量有較大偏移，且結構復雜、精度低、所需元器件多，不符合集成電路的發(fā)展趨勢[6]。而本文設計電路具有結構簡單、元器件少、功耗小、靈敏度高、開閉可控和精度高等優(yōu)勢，保證芯片的性能和安全。

1? 過溫保護電路設計

本文設計的過溫保護電路優(yōu)勢是：基準結構新穎，按比例疊加抵消溫度的影響;正常工作范圍大，確保性能的穩(wěn)定;靈敏度高，加速溫度檢測信號輸出的翻轉;精度高，閾值和遲滯變化幅度小;結構簡單，無需比較器結構;輸出隔離外部信號，也獲得更大的驅動能力[7]。

1.1? 帶隙基準

產生基準的目的是得到一個與電源無關的零溫度特性電壓[8]。如圖1所示，基準電路原理：將Q1和Q4發(fā)射極面積設為Q2，Q3和Q7的N倍，令流過R1的電流為[IR1]，流過R2的電流為[IR2]。Vbe為三極管基極?發(fā)射極電壓，VT為熱電壓，q為電子電荷量，k為玻爾茲曼常數(shù)，T為熱力學溫度，Ic為三極管集電極電流，Ib為三極管基極電流，Ie為三極管發(fā)射極電流，Is為三極管飽和電流，β為電流放大系數(shù)。

1.2? 過溫保護核心電路

過溫保護核心電路如圖1所示，電路基本原理：MP2和MN1控制整個電路的開閉，Vbias提供寬范圍穩(wěn)定的基極電壓，輸出反饋到MN2的柵極，Q5，Q7，R4和R5構成正反饋電路， Q5，Q6，R4和R5構成保護電路，inv1和inv2反相器隔離外部信號。開關工作狀態(tài)為：當MP2?g為邏輯電平低電平時，MP2開啟，MN1關閉，過溫保護電路正常工作;高電平時，MP2關閉，MN1開啟，可以快速關閉整個電路，減小功耗。

過溫保護電路核心是將一個與溫度無關的電壓和一個與溫度線性相關的電壓作比較[9]。設Q6閾值電壓為VTH6，常溫下，Q6關閉，沒有電流流過Q5的基極，Q5關閉，保護電路關閉，Vout1低電平，所以MN2關閉，R7導通。同理可得：

調整R3，M和R0，得到TL。MN2的關斷、開啟實現(xiàn)了溫度的滯回，當溫度下降到低于TL，Q6關閉，Q5關閉，Vout輸出又由低電平翻轉為高電平，即Vout?OTP由低電平翻轉為高電平，保護電路關閉，芯片正常工作。

由于電阻阻值以及三極管的導通閾值隨小幅度溫度變化的幅度較小，可以近似為溫度系數(shù)為零的電壓，因此TH和TL是溫度系數(shù)近似為零的變量，所以，電路有較高的精度。電路轉換速度決定電路對溫度的靈敏性，而本設計，正反饋電路直接作用于溫度信號的輸出結構，原理如下：溫度變化時，R4壓降使Q7導通，產生[Ie7]=[Ic7]=β[Ib7]，則R5壓降增大，即Vbe5增大，則[Ie5]=[Ic5]=β[Ib5] 增大，R4壓降增大，[Ib7]增大，R5壓降增大，形成正反饋，朝著相同方向變化，加速流過電阻R4的電流釋放或積累，提高電路轉換速率η，則：

3? 結? 論

基于傳統(tǒng)過溫保護電路缺點，本文設計一種高精度高靈敏度過溫保護電路，主要介紹過溫保護電路原理，并進行電路模塊設計、仿真和版圖繪制。測試表明，設計的帶隙電路能夠很好地抑制電源電壓和溫度影響，為后續(xù)電路提供高質量的輸入電壓，保證后續(xù)過溫保護電路在特殊情況下也有穩(wěn)定的工作狀態(tài);正反饋結構符合預期，能夠提高信號輸出的翻轉速度;電源電壓升高，閾值和遲滯變化幅度較小，有很高的精度，能很好地抑制電源電壓影響，很好地檢測芯片溫度的變化，保護芯片不被熱損壞，從而保證芯片的穩(wěn)定性和可靠性，也保證了芯片的使用壽命，具有良好的應用前景。

參考文獻

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