可用于音頻功放的過溫保護電路設計

?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換成熱能散出。在環境過高、短路等異常情況下，會導致芯片內部的熱量不能被及時散出，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，因此芯片內部必須要有過溫保護電路來保障芯片安全。
??? 文中將介紹一種可用標準CMOS工藝實現的過溫保護電路。在電路設計上，使用了與溫度成正比的電流源(PTAT電流)和具有負溫度系數的PNP管(CMOS工藝中寄生)結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的靈敏度，同時，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 架構原理分析
1．1 工作原理分析
??? 圖1為本設計的原理架構，Q1為NWELLCMOS工藝中寄生PNP三極管，其集電極是必須與地點位連接，為了利用寄生PN結導通正向導通電壓的負溫度特性，把Q1做二極管連接(基集也接到地)，這樣A點和地之間的電壓VA就具有了PN結正向電壓的與溫度成反比的性質。由于基準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生PTAT電流(Proportional to Abso-lute Temperature)；在提供偏置的同時，也在電阻R0上產生了與溫度成正比的電壓VB即B點電壓隨之增大。當達到某一溫度TH(設定的關斷溫度)后，VH≥VA、比較器Comp輸出高電平，經過倒相器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，實現熱保護功能。同時，TSD信號正反饋作用于M2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，停止工作后，芯片上的溫度會從TH下降，使得A點電壓VA慢慢上升，B點電壓VB慢慢下降。由于先前TSD的正反饋作用已經使VB升高，因此在這種狀態下，要出現VA≥VB使比較器輸出翻轉情況就需要A點有比先前的電壓VA更大的電壓，相應地使得下降時翻轉點對應的恢復溫度TL也會比TH低。當溫度低于TL后，VB≥VA，通過比較器作用后，會使TSD輸出高電平，使芯片恢復工作。同時，TSD信號仍然會再次正反饋作用于M2柵上，關斷M2，進一步減小了電阻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，TSD輸出高電平作用于電路其它模塊。當溫度過高時，TSD輸出低電平作用于電路其它模塊，使芯片停止工作，保護芯片。

1．2 溫度翻轉點的計算
??? A點的電壓VA為PN結兩邊電壓，PN結電壓的表達式可寫為
???
??? 式中VG為帶隙電壓，γ和α為器件參數，A代表了那些方程推到過程中與溫度無關的常量。因為Vt=kt／q，可以得到VBE隨溫度上升是降低的。其關于溫度變化的方程為
???
??? 如果忽略由溫度變化引起lnT項變化對式(2)的影響，dVBE／dT可近似等于常數C0。常溫下C0約為－2 mV／K。為了簡化計算，則PN結關于溫度的變化方程可近似線性為
???
??? B點的電壓為電阻上的電壓，可由歐姆定理計算得到。計算溫度上升翻轉點TH，當溫度上升時，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。此狀態下VB電壓的表達式為
???
??? 翻轉點(VA=VB)時的對應方程為
???
??? 計算溫度下降翻轉點TL當從高于TH溫度下降時，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。此狀態下VB電壓的表達式為
???
??? 翻轉點(VA=VB)時對應方程為

??? 式(10)即為過溫保護工作時的遲滯量。

2 實際電路設計
??? 設計的過熱保護電路大體上分為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候才會工作，當電源電壓從0 V慢慢升高，同時輸入信號Shut為低電平時，開關管M37就會被打開，MOS管M38也會導通，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，從而破壞了基準電路的平衡，使之能夠啟動起來。當M40的柵極電壓上升到M44的閾值電壓時，就會將其導通，使得產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作為關斷管，當Shut信號為高電平時，M33就會處于導通狀態，這樣這屆就會將M34、M35關斷，使得整個電路關斷。
??? 熱敏關斷保護電路：由于基準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生PTAT電流。采用M41、M47、M48、M49、M50構成的兩級比較器來實現原理等效圖中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VBE的電壓，用PMOS構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上產生的電壓波動，以防止系統被擾動引起的誤動作。

3 仿真測試
??? 按照以上設計的電路。用Cadence Specture對其進行仿真，器件的模型參數采用0．35μm CMOS工藝。圖2為過溫保護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。從仿真結果可以看出，該電路實現了良好的“溫度遲滯”特性。遲滯功能有效的避免了芯片出現熱振蕩問題。關斷溫度TH160°和恢復溫度TL140°。

4 結束語
??? 文中設計的過熱保護電路，利用PTAT電流來檢測溫度的變化，并轉換成電壓信號輸入兩級比較器進行比較，從而產生過熱保護信號。比較器的遲滯效應能有效防止熱振蕩現象的發生。該電路對溫度感應靈敏度高，非常適合集成在集成電路芯片中。