趙云霞，劉一婷

（沈陽工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽 110870）

1 引言

MOS工藝的快速發(fā)展推動(dòng)著集成電路整體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。隨著用戶數(shù)量的大量提升以及用戶對(duì)芯片需求的增長(zhǎng)，如何在提高芯片性能的同時(shí)提高芯片內(nèi)部電路的穩(wěn)定性成為了亟待解決的問題[1-2]。電路功率會(huì)隨著電源短接、內(nèi)部電路短路而增加。大功率的輸出產(chǎn)生較大的功耗，會(huì)導(dǎo)致芯片的溫度越來越高，如何進(jìn)行過溫保護(hù)電路設(shè)計(jì)就顯得非常重要[3-4]。根據(jù)以往的研究顯示：芯片溫度有1℃的提升時(shí)，MOS管的驅(qū)動(dòng)能力會(huì)有約4%的下降，同時(shí)電路失效率會(huì)提升1倍[5-6]。在特定情況下，電路還會(huì)產(chǎn)生超出正常范圍且波動(dòng)非常大的輸入電壓，引起整個(gè)電路功能的改變[7]，解決電路適應(yīng)寬電壓輸入就尤為重要。傳統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功耗大且不能達(dá)到要求的準(zhǔn)確度，不符合發(fā)展趨勢(shì)[8]。對(duì)此，本設(shè)計(jì)在開關(guān)可控和提高精度方面對(duì)過溫保護(hù)電路做出改進(jìn)。

2 傳統(tǒng)過溫保護(hù)電路

傳統(tǒng)過溫保護(hù)電路原理圖如圖1所示，電路中的器件通常會(huì)在溫度改變時(shí)也相應(yīng)地發(fā)生輸出頻率的變化[9]。三極管的基極與集電極之間的電壓VBE具有負(fù)溫度特性，也就是說當(dāng)溫度上升時(shí)其電壓值反而會(huì)減少。在常溫時(shí)，電路的輸出為1，M1處于導(dǎo)通狀態(tài)，R2短接。

圖1 傳統(tǒng)過溫保護(hù)電路原理

通常，當(dāng)升高到一定溫度時(shí)，VEB(Q1)＜VA，輸出為低電平，關(guān)閉系統(tǒng)。此時(shí)M1關(guān)斷，R2退出短接狀態(tài)。當(dāng)溫度變成常溫時(shí)，令VEB(Q1)＞VA，此時(shí)電路輸出為0，電路不再處于溫度保護(hù)的狀態(tài)，芯片可以進(jìn)行正常運(yùn)轉(zhuǎn)。然而，在不同的輸入情況下，電阻的電壓反而會(huì)隨著IPTAT的變化而發(fā)生相應(yīng)的改變。所以，在不同的輸入情況下，整體電路的溫度限制點(diǎn)以及遲滯量就會(huì)發(fā)生非常大的偏差，導(dǎo)致電路性能紊亂。傳統(tǒng)電路的構(gòu)成非常復(fù)雜，存在著較大的功率損耗，與集成電路發(fā)展趨勢(shì)不符合。

3 新型過溫保護(hù)電路設(shè)計(jì)與仿真

本設(shè)計(jì)提出一種更為簡(jiǎn)單的電路構(gòu)成，設(shè)計(jì)原理圖如圖2所示。

圖2 新設(shè)計(jì)過溫保護(hù)電路

設(shè)計(jì)主要利用基準(zhǔn)電壓的分壓與隨溫度增大而增大的電壓進(jìn)行比較，同時(shí)，為了防止過溫保護(hù)電路的比較器在跳變溫度點(diǎn)附近來回振蕩，還需要在電路中引入遲滯，以此搭建一個(gè)控制電路用來便利地產(chǎn)生高、低閾值電壓，達(dá)到過溫保護(hù)的目的。過溫保護(hù)電路的核心電路是由啟動(dòng)電路、基準(zhǔn)電路以及比較器電路組成。

首先對(duì)啟動(dòng)電路及基準(zhǔn)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。啟動(dòng)電路需要保證基準(zhǔn)電路可以脫離簡(jiǎn)并點(diǎn)；基準(zhǔn)電路需要保證全溫區(qū)的溫度系數(shù)最低。

對(duì)于啟動(dòng)電路，為保證電路啟動(dòng)后可以自動(dòng)將啟動(dòng)電路關(guān)閉，首先將限流電阻增加兩個(gè)，比例為2/50；為保證電路啟動(dòng)后可以有效地關(guān)閉啟動(dòng)管，將開關(guān)管改為隔離型器件，以降低導(dǎo)通閾值。

基準(zhǔn)電壓通過R1、R2、R3、R4、R5分壓得出，當(dāng)溫度升高時(shí)，有：

當(dāng)達(dá)到溫度閾值點(diǎn)時(shí)，溫度降低，降溫過程為：

遲滯比較器的同相輸入端的電壓值為：

由此可以得出室溫下同向輸入端的電壓值約為600mV，溫度每變化1℃，電壓變化約為2.2mV，當(dāng)溫度達(dá)到大約165℃左右時(shí)，出現(xiàn)第一個(gè)溫度翻轉(zhuǎn)點(diǎn)。對(duì)基準(zhǔn)電壓的仿真結(jié)果曲線如圖3所示。

圖3 基準(zhǔn)電壓仿真曲線

詳細(xì)仿真數(shù)據(jù)如表1所示，其中，fs代表三級(jí)管f、其余t；sf則代表三級(jí)管s、其余t。通過對(duì)基準(zhǔn)電壓的仿真可以發(fā)現(xiàn)，基準(zhǔn)電壓在全端口仿真情況下，絕對(duì)值范圍在1.221V～1.240V，在典型情況下，基準(zhǔn)電壓值為1.232V且溫度系數(shù)為16.05×10-6/℃，滿足精度需求。

表1 基準(zhǔn)電壓仿真數(shù)據(jù)

對(duì)遲滯比較器的反向輸入端電壓進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖4所示。從仿真結(jié)果可以看出，在全工藝角情況下，V+絕對(duì)值的最大與最小值分別為926mV與912mV；V-絕對(duì)值最大與最小值分別為873mV及860mV。

圖4 遲滯比較器反向輸入端仿真結(jié)果

遲滯比較器的同相輸入端仿真結(jié)果如圖5所示。從仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，溫度在-55℃～125℃區(qū)間變化時(shí)，電壓變化范圍為445mV～811mV，斜率為2.03mV/℃。說明達(dá)到125℃時(shí)，電路仍然沒有達(dá)到過溫保護(hù)的閾值點(diǎn)。

使用設(shè)計(jì)的過溫保護(hù)閾值點(diǎn)165℃進(jìn)行電路的過溫保護(hù)閾值點(diǎn)仿真，仿真結(jié)果如圖6所示。

從仿真結(jié)果可以看出，在各個(gè)工藝角下，上升溫度的閾值為165℃左右，溫度下降時(shí)的翻轉(zhuǎn)閾值為147℃左右，遲滯窗口為20℃左右。高溫時(shí)電路仿真結(jié)果不可靠，為了提高電路的可靠性，在此處加入了修調(diào)電阻，此電阻可以調(diào)節(jié)遲滯窗口及翻轉(zhuǎn)閾值點(diǎn)的值。加入修調(diào)電阻后的仿真結(jié)果如圖7所示。

圖5 遲滯比較器同相輸入端仿真結(jié)果

圖6 不同工藝角下過溫保護(hù)輸出仿真

圖7 修調(diào)后過溫保護(hù)輸出結(jié)果仿真

從修調(diào)后的仿真結(jié)果可見，遲滯窗口為15℃左右，溫度上升時(shí)翻轉(zhuǎn)閾值為147℃左右，溫度下降溫度為133℃左右。如果在電路實(shí)測(cè)時(shí)，過溫保護(hù)的翻轉(zhuǎn)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度過高，可以額外再進(jìn)行調(diào)節(jié)。

4 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的過溫保護(hù)電路相較于傳統(tǒng)類型的優(yōu)點(diǎn)不僅在于電路構(gòu)成簡(jiǎn)單、用到的器件少，更重要的是在實(shí)現(xiàn)電路簡(jiǎn)化的同時(shí)還能達(dá)到較低的功耗，而且可以適應(yīng)寬電壓的輸入。所設(shè)計(jì)電路還可以通過調(diào)節(jié)電阻的阻值來調(diào)節(jié)遲滯溫度的范圍，以此實(shí)現(xiàn)改變閾值電壓。通過仿真結(jié)果顯示電路功能正常，指標(biāo)符合預(yù)期。