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[导读]摘要:给出了采用0.35gmBCD工艺设计具有热滞回功能的过热保护电路的具体方法,并利用CadenceSpectre仿真工具对电路进行了仿真。结果表明:在5V的工作电压下,其过热温度点为155。6负向温度为100°C,在27-C时的功耗约为0.3mW。与传统过热保护电路相比,该电路具有功耗低、版图面积小等优点。

引言

在集成电路中,尤其是模拟集成电路中,大的驱动能力需要大的功率管,这会带来大的耗散功率而使芯片温度升高。如果控制不好或者散热效果不佳,容易使某些管子由于温度过高而损坏,进而使得整个电路不能正常工作。所以,在高功率的芯片中,保护芯片在这种情况下不被损坏就成为不可或缺的电路功能需要,往往在芯片中集成过热保护模块来实现。由于过热保护电路在电路中具有辅助功能,所以,该模块在实现功能的前提下,也要尽可能降低功耗和成本。本文通过对传统过热保护电路的分析,给出了一种基于0.35pmBCD工艺的具有滞回功能的高稳定、低成本、低功耗过热保护电路的设计方法。

1两种典型的过热保护电路

1.1利用齐纳二极管的传统过热保护电路

图1所示是传统的OTP典型电路结构。其中,三极管Q1为感温管,它在芯片中离热点比较近。三极管Q2的基极电位为:

一种具有滞回功能的低成本低功耗过热保护电路

三极管的基射电压Vbe具有负温度系数,而齐纳管的V具有正温度系数。图1电路就是根据此事实设计的。在常温下,感温管Q1的Vbe1比较高,齐纳管的兀比较低。根据式⑴可知,VB2的电位比较低,不足以使开关管Q2开启,故输出电压扁为高电平;随着芯片温度的升高,齐纳管的稳压值V随之升高,而感温管Q1的Vbe1则随温度的升高反而下降。根据式⑴可知,Vb2的电位也随着温度的升高而升高,当温度升高到一定值时,Q2导通,拉低输出电压,最终使输出原翻转,变为低电平。

一种具有滞回功能的低成本低功耗过热保护电路

图1传统OTP的典型电路结构

在双极工艺中,三极管的基射电压VBE和齐纳管的Vz的温度性能是可靠的,但齐纳管的稳压值在大于7V时才具有正的温度系数,在芯片中,产生如此高的电压往往比较难。更重要的是,该电路结构的功耗很大,偏离了低功耗的发展趋势,且该设计不具有热滞回功能,容易使芯片在过热点处振荡,从而损坏芯片,故实用价值不大。

1.2利用PTAT电流源的过热保护电路

一种具有滞回功能的低成本低功耗过热保护电路

在图2所示的OTP电路结构中,电流源Iptat对温度很敏感,能表征温度变化,和绝对温度成正比,故可令:

一种具有滞回功能的低成本低功耗过热保护电路

其中,K1和K是正比例系数,T是绝对温度。当温度升高时,电流也随之成比例增加,在PTAT点以及电阻R2的电压降也升高,但不随电源电压Vdd变化,而感温管Q1的Vbei则随温度的升高而下降。调整参数就可以使base点的电压成为不随温度和电源电压变化的基准电压。由式(2)、式(3)所得到的PTAT点和base点的电压分别为:

VPtat=K1R1T(4)

Vbase=KR2T+VbE1(5)

所以,在某个温度点上,Vptat和V,ase相等,此温度为过温保护点。此电路在芯片中易于实现,性能较为优越,但此电路结构需要电流源和比较器等,电路成本比较高,且该电路仍不具有热滞回功能。

结合上述两种电路结构,本文设计给出一种具有功耗低、成本低等优点,且具有滞回功能的OTP电路。

2过热保护电路的设计

本文设计的过热保护电路主要由两个功能模块组成:一是偏置电路;二是OTP核心电路。其电路结构功能框图如图3所示。

一种具有滞回功能的低成本低功耗过热保护电路

新的OTP核心电路分为参考电压产生电路、热滞回产生电路和感温比较电路三部分,其新的过温保护电路示意图如图4所示。其中,参考电压产生电路通过对偏置电路的输出电压的处理,可产生感温比较电路的参考电压;感温比较电路在这一部分中完成温度到电路信号的转换,并与参考电压进行比较输出一个逻辑信号,实现温度到电信号和模拟信号到数字信号的转化;滞回电路则通过此电路来实现OTP的热滞回功能,并应防止其在过热点附近产生振荡。

一种具有滞回功能的低成本低功耗过热保护电路

图4过温保护电路示意图

2.1偏置电路

图4中的(a)部分为过温保护电路的偏置电路,此偏置电路比较简单,其中Ro和M,这条支路可以和芯片电路中的其它部分的偏置共用,例如和运放、比较器和带隙基准等偏置共用。此偏置电路无需启动电路,芯片一上电,偏置电路就能正常工作。

Ro和Mo这条支路的电流Io为:

一种具有滞回功能的低成本低功耗过热保护电路

偏置电流Ibias为:

一种具有滞回功能的低成本低功耗过热保护电路

式中,S1为管子M1的宽长比。

通过式(6)和式(7)可知:可以通过设计和Mo的宽长比来确定OTP的偏置电流Ibias。本文设定Ibias为10μA,根据Ro和Mo这条支路的电流来设计M1和Mo的宽长比时,其仿真结果约为10μA。

PMOS管M3为二极管连接形式,与OTP核心电路中的PMOS管构成电流镜结构,从而为OTP核心电路提供偏置。电路中的NMOS管M,、PMOS管M4为电容连接形式,具有消除电源纹波,提高电源抑制能力,稳定偏置信号OTP-bias的作用。2.2OTP核心电路结构

图4中的(b)部分为过温保护电路的温度判决电路。其中,PMOS管Ms、M和偏置电路部分的PMOS管M3构成电流镜结构,为OTP核心电路提供偏置。则A和B支路的电流分别为:

一种具有滞回功能的低成本低功耗过热保护电路

当结温上升到155℃时,输出信号OTP-OUT由高电平变为低电平;结温下降到100℃左右时,输出信号OTP-OUT才由低电平变为高电平。这就实现了热滞回功能,从而可防止电路在保护温度附近产生热振荡。下面介绍其主要组成部分。

(1)参考电压产生电路

电阻R1、R2和PMOS管M5构成参考电压产生电路。其参考电压分为两个:一个为高温保护时的参考电压VREF1(此时NMOS管M7开启),另一个为低温使芯片正常工作的参考电压VREF2(此时NMOS管M7关断)。这两个电压都是由电流镜推出的电流通过电阻产生的。忽略流进三极管Q0的基极电流和M7的泄漏电流等,其VREF1和VREF2分别近似为:

一种具有滞回功能的低成本低功耗过热保护电路

图5所示是Ibias、IA和IB随温度的变化曲线。

一种具有滞回功能的低成本低功耗过热保护电路

(2)感温比较电路

PMOS管M6和三极管Q0构成感温、比较电路。三极管Q0为感温管,同时完成与参考电压的比较。双极型晶体管Q0的基射电压VBE随温度升高而降低,在室温下,晶体管Q0基射电压VBE的温度系数约为-1.5mV/℃。当温度升高时,三极管Q0的VBE会随之下降,温度升高至过热点温度时,三极管Q0的VBE会低于参考电压VREF1,从而使三极管Q0开启,B点的电位由高电平变为低电平,此时OTP-OUT输出为低电平,该低电平OTP-OUT使IC高功耗的电路停止工作,同时过关断晶体管M7而改变参考电压为VREF2,使IC温度慢慢回落;当IC温度下降时,三极管Q0的VBE会随温度的下降而上升,当温度达到负向温度点时,三极管Q0的VBE会大于参考电压VREF2,并使三极管Q0关断,B点的电位由低电平变为高电平,此时OTP-OUT输出为高电平,使IC高功耗的电路正常工作,同时通过开启晶体管M7而改变参考电路为VREF1。

一般负向温度点定义为使IC高功耗电路重启工作的温度。可以通过降低R2的值来使开启温度升高,增大R2的值来使开启温度降低;过热温度点为使IC高功耗电路停止工作时的温度。可以通过降低R1的值来实现关断温度的降低,并通过升高R1的值来实现关断温度的上升;热迟滞温度定义为过热温度点与负向温度的差值。可以通过改变R2的值来调节热迟滞温度的大小。R2的值大,则热迟滞温度大;R2的值小,则热迟滞温度小。OTP核心电路的工作总结如表1所列。

一种具有滞回功能的低成本低功耗过热保护电路

(3)滞回产生电路

反相器I0、I1和NMOS管M7构成了滞回产生电路。两串联的反相器I0和I1的主要作用:一是产生信号时延,使三极管Q0的翻转总先于NMOS管M7的翻转;二是整形输出,使输出信号高电平接近VDD,低电平接近GND;三是提高驱动能力。当输出信号为高,即OTP-OUT为高电平时(未保护),NMOS管M7导通,旁路电阻R2使参考电压为VREF1;当输出信号为低电平,即OTP-OUT为低电平时(保护),NMOS管M7关断,以使参考电压为VREF2。

这样就可以进行过热点的大致估算:其双极性晶体管Q0的基射电压VBE为:

一种具有滞回功能的低成本低功耗过热保护电路

其中,IC是集电极电流密度,VG0是禁带宽度。将上式对温度微分,则可得到VBE和温度的关系为:

一种具有滞回功能的低成本低功耗过热保护电路

从上式可以看出,Vbe的温度系数与本身的大小以及温度均有关系。当Vbe~750mV,7=300K时,畳=-1.5mV/C仿真结果在结温为25°C时,V3E=868mV;155°C时,Vbe~660mV;100CM,Vbe=748mV因此,设计V<ef1在660mV左右,V<ef2在748mV左右。实际上,Vref1和0ef2的实际值比理论值偏低,因为三极管Q。在翻转前后会微导通而存在流入三极管基极电流和NMOS管M7存在泄漏电流的缘故。总之,上述原因会致使电流Ia减小,而理论计算忽略了上述原因,因此,玲EF1和0EF2的实际值比理论值偏低。

3仿真结果及分析

采用HHNECBCD350工艺对图4所示电路使用CadenceSpectre仿真工具进行仿真,可以得出图6所示的OTP滞回输出曲线。从图6可以看出,该OTP的正向过热温度为155°C,负向温度约为100C,迟滞温度(即正向过热点温度与负向温度的差值)为55C,性能良好。此电路的过热点和负向温度点、迟滞温度可以通过改变电阻R1和R2的值来改变。

一种具有滞回功能的低成本低功耗过热保护电路

供电电流随温度的变化曲线如图7所示。当供电电压为5V时,在-40~160C之间,电路的静态电流为50~75nA,电路的静态功耗在0.25~0.375mW之间。常温下,电路的功耗约为0.3mW。

与同类OTP相比,本设计电路简单,OTP核心电路只需要10个器件即可,而且无需差分比较器、带隙基准等电路即可实现预定功能。在芯片中,此模块面积仅为8000nm2,可见其与同类的OTP相比,节省了芯片面积,且能实现良好的温度保护功能。

4结语

本文给出了一种具有热滞回功能的过热保护电路的设计方法,经采用0.35nmBCD工艺对电路进行仿真的仿真结果表明:在5V工作电压下,电路的过热温度点为155C,负向温度为100C,其热滞回功能可以有效地防止热振荡。在27C时,电路的功耗约为0.3mW,可见与传统过热保护

电路相比,该电路具有功耗低、版图面积小等优点。

一种具有滞回功能的低成本低功耗过热保护电路

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