在集成電路芯片工作的過程中，不可避免地會有功率損耗,，而這些功率損耗中的絕大部分將轉(zhuǎn)換成熱能散出,。在環(huán)境過高、短路等異常情況下,，會導(dǎo)致芯片內(nèi)部的熱量不能被及時(shí)散出,，從而不可避免地使芯片工作溫度上升。過高的工作溫度對芯片工作性能,、可靠性和安全性都有很大的影響,。研究表明,，芯片溫度每升高1℃，MOS管的驅(qū)動能力將下降約為4％,，連線延遲增加5％,，集成電路失效率增加一倍，因此芯片內(nèi)部必須要有過溫保護(hù)電路來保障芯片安全,。
文中將介紹一種可用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝實(shí)現(xiàn)的過溫保護(hù)電路,。在電路設(shè)計(jì)上，使用了與溫度成正比的電流源(PTAT電流)和具有負(fù)溫度系數(shù)的PNP管(CMOS工藝中寄生)結(jié)電壓作為兩路差動的感溫單元,。這種差動的傳感方式,，可以提高電路對溫度變化反應(yīng)的靈敏度，同時(shí),，其具有的遲滯功能,，可以有效的避免熱振蕩對芯片的損壞。
1 架構(gòu)原理分析
1．1 工作原理分析
圖1為本設(shè)計(jì)的原理架構(gòu),，Q1為NWELLCMOS工藝中寄生PN三極管,，其集電極是必須與地點(diǎn)位連接，為了利用寄生PN結(jié)導(dǎo)通正向?qū)妷旱呢?fù)溫度特性,，把Q1二極管連接(基集也接到地),，這樣A點(diǎn)和地之間的電壓VA就具有了PN結(jié)正向電壓的與溫度成反比的性質(zhì)。由于基準(zhǔn)電路輸出的偏置電壓加在M0,、M1,、M5的柵極上，則其所在支路上都會產(chǎn)生PTAT電流(Proportional to Abso-lute Temperature),；在提供偏置的同時(shí),，也在電阻R0上產(chǎn)生了與溫度成正比的電壓VB即B點(diǎn)電壓隨之增大。當(dāng)達(dá)到某一溫度TH(設(shè)定的關(guān)斷溫度)后,，VH≥VA,、比較器Comp輸出高電平，經(jīng)過倒相器INV后,，輸出TSD為低電平,；此信號作用于電路的其它模塊后，使整個芯片停止工作,，實(shí)現(xiàn)熱保護(hù)功能,。同時(shí)，TSD信號正反饋?zhàn)饔糜贛2柵上,，開啟M2,，加大了電阻R0上電流，使VB更高,。
在芯片被熱保護(hù),，停止工作后,，芯片上的溫度會從TH下降，使得A點(diǎn)電壓VA慢慢上升,，B點(diǎn)電壓VB慢慢下降,。由于先前TSD的正反饋?zhàn)饔靡呀?jīng)使VB升高，因此在這種狀態(tài)下,，要出現(xiàn)VA≥VB使比較器輸出翻轉(zhuǎn)情況就需要A點(diǎn)有比先前的電壓VA更大的電壓,，相應(yīng)地使得下降時(shí)翻轉(zhuǎn)點(diǎn)對應(yīng)的恢復(fù)溫度TL也會比TH低。當(dāng)溫度低于TL后,，VB≥VA,，通過比較器作用后，會使TSD輸出高電平,，使芯片恢復(fù)工作,。同時(shí)，TSD信號仍然會再次正反饋?zhàn)饔糜贛2柵上,，關(guān)斷M2,，進(jìn)一步減小了電阻R0上的電流，使VB更低,。
整個工作過程中,，TSD的正反饋起到了遲滯的作用。使得正常工作時(shí),，TSD輸出高電平作用于電路其它模塊,。當(dāng)溫度過高時(shí)，TSD輸出低電平作用于電路其它模塊,，使芯片停止工作,，保護(hù)芯片。
1．2 溫度翻轉(zhuǎn)點(diǎn)的計(jì)算
A點(diǎn)的電壓VA為PN結(jié)兩邊電壓,，PN結(jié)電壓的表達(dá)式可寫為
式中VG為帶隙電壓,，γ和α為器件參數(shù)，A代表了那些方程推到過程中與溫度無關(guān)的常量,。因?yàn)閂t=kt／q,，可以得到VBE隨溫度上升是降低的。其關(guān)于溫度變化的方程為
如果忽略由溫度變化引起lnT項(xiàng)變化對式(2)的影響,，dVBE／dT可近似等于常數(shù)C0。常溫下C0約為－2 mV／K,。為了簡化計(jì)算,，則PN結(jié)關(guān)于溫度的變化方程可近似線性為
B點(diǎn)的電壓為電阻上的電壓，可由歐姆定理計(jì)算得到,。計(jì)算溫度上升翻轉(zhuǎn)點(diǎn)TH,，當(dāng)溫度上升時(shí),，由前分析可知，TSD為高電平,，M2截止,。因此流入R0的電流只有I1一路。此狀態(tài)下VB電壓的表達(dá)式為
翻轉(zhuǎn)點(diǎn)(VA=VB)時(shí)的對應(yīng)方程為
計(jì)算溫度下降翻轉(zhuǎn)點(diǎn)TL當(dāng)從高于TH溫度下降時(shí),，由前分析可知,，TSD為低電平，M2開啟,。因此流入電阻R的電流有I1,，I2兩路。此狀態(tài)下VB電壓的表達(dá)式為
翻轉(zhuǎn)點(diǎn)(VA=VB)時(shí)對應(yīng)方程為
式(10)即為過溫保護(hù)工作時(shí)的遲滯量,。
2 實(shí)際電路設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)的過熱保護(hù)電路大體上分為3個部分,，如圖3所示。
啟動電路：啟動電路只有在剛上電的時(shí)候才會工作,，當(dāng)電源電壓從0 V慢慢升高,，同時(shí)輸入信號Shut為低電平時(shí)，開關(guān)管M37就會被打開,，MOS管M38也會導(dǎo)通,，這樣就會使得在M38這條支路上的電壓慢慢升高。以二極管形式連接的M40的柵端也會隨之升高,，也為右端的M45,，M43，M42提供柵極電壓,，從而破壞了基準(zhǔn)電路的平衡,，使之能夠啟動起來。當(dāng)M40的柵極電壓上升到M44的閾值電壓時(shí),，就會將其導(dǎo)通,，使得產(chǎn)生了一個有電源到地的通路，這樣也就完成了啟動電路的功能,。
偏著電路：此部分電路的工作原理與產(chǎn)生PTAT電流電路的原理基本相同,，輸出端的電壓為其它電路提供偏置。M36,、M45,、Q4組成的支路將在右端支路的電流取出，經(jīng)過濾波,、放大后又鏡像回去,，在M34、M42,、Q1的支路上輸出一個偏置電壓信號,。由于電流鏡的工作原理,，所以要求M34~M36和M42～M45均為相同的對管。另外,，此電路中M33作為關(guān)斷管,，當(dāng)Shut信號為高電平時(shí)，M33就會處于導(dǎo)通狀態(tài),，這樣這屆就會將M34,、M35關(guān)斷，使得整個電路關(guān)斷,。
熱敏關(guān)斷保護(hù)電路：由于基準(zhǔn)電路輸出的偏置電壓加到M39,、M51、M52柵極上,，所以在這兩條支路上都會產(chǎn)生PTAT電流,。采用M41、M47,、M48,、M49、M50構(gòu)成的兩級比較器來實(shí)現(xiàn)原理等效圖中Comp的功能,。此比較器的第一級為PMOS差動輸入,。
用PMOS做差動輸人的作用：(1)降低了輸入的噪聲。正常情況下,，溫度不可能有很劇烈的變化,，因此溫度波動的頻率不可能很高，所以閃爍噪聲1／f將成為噪聲的主要成分,。由于PMOS輸入可降低噪聲對電路的影響,；(2)PMOS輸入使共模輸入范圍的下限降低。此電路比較器要比較是接近于PN結(jié)VBE的電壓,，用PMOS構(gòu)成的輸入端可更好的滿足這種低共模輸入電壓的要求,。比較器的第二級為共源放大器，作為比較器的第二級,，其主要作用增大了輸出擺幅,、提高了增益和輸入的分辨率，加快了高低電平的轉(zhuǎn)換速率,。電路中電容C0的作用：電容C0可以抑制一些干擾量在比較器通向輸入端電阻風(fēng)上產(chǎn)生的電壓波動,，以防止系統(tǒng)被擾動引起的誤動作。
3 仿真測試
按照以上設(shè)計(jì)的電路,。用Cadence Specture對其進(jìn)行仿真,，器件的模型參數(shù)采用0．35μm CMOS工藝。圖2為過溫保護(hù)電路的輸出控制信號TSD，隨溫度上升和下降的曲線,。電源電壓取3．3 V。從仿真結(jié)果可以看出,，該電路實(shí)現(xiàn)了良好的“溫度遲滯”特性,。遲滯功能有效的避免了芯片出現(xiàn)熱振蕩問題。關(guān)斷溫度TH160°和恢復(fù)溫度TL140°,。
文中設(shè)計(jì)的過熱保護(hù)電路,，利用PTAT電流來檢測溫度的變化，并轉(zhuǎn)換成電壓信號輸入兩級比較器進(jìn)行比較,，從而產(chǎn)生過熱保護(hù)信號,。比較器的遲滯效應(yīng)能有效防止熱振蕩現(xiàn)象的發(fā)生。該電路對溫度感應(yīng)靈敏度高,，非常適合集成在集成電路芯片中,。