一种带热滞回功能的CMOS温度保护电路

0 引 言

    随着集成电路技术的广泛应用及集成度的不断增加，超大规模集成电路(VLSI)的功耗、芯片内部的温度不断提高，温度保护电路已经成为了众多芯片设计中必不可少的一部分。本文在CSMC 0．5／μm CMOS工艺下，设计一种适用于音频功放的高精度带热滞回功能温度保护电路。

1 电路结构设计

    整个电路结构可分为启动电路、PTAT电流产生电路、温度比较及其输出电路。下面详细介绍各部分电路的设计以及实现。文中所设计的温度保护整体电路图如图1所示。

1．1 启动电路

    在与电源无关的偏置电路中有一个很重要的问题，那就是“简并”偏置点的存在，每条支路的电流可能为零，即电路不能进入正常工作状态，故必须添加启动电路，以便电源上电时摆脱简并偏置点。上电瞬间，电容C上无电荷，M7栅极呈现低电压，M7～M9导通，PD(低功耗引脚)为低电平，M3将M6栅压拉高，由于设计中M2宽长比较小，而此时又不导通，Q1～Q4支路导通，电路脱离“简并点”；随着M6栅电位的继续升高，M2导通，M3源电位急剧降低，某时刻M3被关断，启动电路与偏置电路实现隔离，电容C两端电压恒定，为M7提供合适的栅压，偏置电路正常工作。然而，当PD为高电平时，M4导通，将M6，M10的栅电位拉低，使得整个电路处于低功耗状态。

1．2 PTAT电流产生电路

    在这一部分，M11,M12,M14,M15组成低压共源共栅电流镜，并且有相同的宽长比，使两条支路电流相等。该结构与一般的共源共栅结构相比，可以提高等效沟道长度，从而增大输出电阻，提高电路的PSRR性能；并且这种两管组合结构可消耗较低的电压压降，从而增大输出电压摆幅，改善芯片低压工作特性。如图1所示，为了使共源共栅电流镜正常工作，必须满足M14和M15同时工作在饱和区，设M15的栅极偏置电压为Vb，M14和M15的漏端电压分别为VA和VB，即：

    选择M15的尺寸，使它的过驱动电压始终小于一个阈值电压，确保不等式成立，则选择合适的Vb，即可使M11，M12和M14，M15消耗的电压余度最小，值为两个过驱动电压。

    与此同时，M7～M10这条支路为偏置电路提供了负反馈，以减小电源电压对偏置电流的影响，使得电路在平衡状态时保证X，Y两点电压相等。然而，反馈的引入也为偏置电路引入了不稳定的因素，这里M13和M7构成了一个两级闭环运放，为保证偏置电路的稳定，必须进行补偿。通过电容C将主极点设置在第一级运放M13的输出端，从而保证了电路的稳定性。若Q3发射区的面积是Q4发射区面积的n倍，流过的电流大小均为I，则：

式中：Vbe=VTln(Ic／Is)=(kT／q)ln(IC／IS)；k是波尔兹曼常数；T是绝对温度；q是电子电荷。饱和电流IS与发射区面积成正比，即IS3=nIS4。

    因此：

    由式(9)可知，流经R1的电流与电源无关，只与绝对温度成正比，即得到PTAT电流。

1．3 温度比较及输出电路

    由于晶体管的BE结正向导通电压具有负温度系数；PTAT电流进行I-V变换产生电压具有正温度特性；利用这两路电压不同的温度特性来实现温度检测，产生过温保护信号的输出。

    M26～M30，M33，M34构成一个两级开环比较器，反相器的接入是为了满足高转换速率的要求。M31，M32是低功耗管，M23～M25的作用是构成一个正反馈回路，以防止在临界状态发生不稳定性，同时又为电路产生了滞回区间。

    比较器的两个输入端电压分别记为VQ和VR；M17～M22用来镜像基准源电路产生的PTAT电流，这里它们与M14有着相同的宽长比。因此流经这三条支路的电流都为IPTAT。在常温下，M25截止，R2完成对PTAT电流的I-V变换，即VR=2IPTATR2，此时VR

2 仿真结果及分析

    以下是对各部分电路进行仿真的结果，仿真工具是Candence Spectre，模型采用华润上华公司的0．5μm的n阱CMOS工艺。

    图2是PTAT电流随温度变化曲线。仿真结果表明，该曲线线性度较好，符合PTAT电流特性。常温下，在电源为5 V的情况下，功耗仅为0．4 mW。可见，其功耗非常低。

    图3是在电源电压为5 V时，VR和VQ随温度变化的曲线。图中，VR上的电压有一个小的阶跃，是因为在比较器翻转时由于正反馈的作用电流突然增大的结果。

    图4是温度分别从0～150℃和150～0℃扫描时比较器输出状态的变化。由图可见，当温度由低到高上升至84．1℃时，电路输出状态由低电平翻转成高电平，实现了芯片的过温保护；只有当温度回落到72℃时，电路才恢复原状态，实现了约12℃的滞回温度。改变图1中R2的阻值可以调节温度范围，以满足不同的需求。

3 结 语

    为保证芯片在工作时不因温度过高而被损坏，温度保护电路是必须的。这里所设计的温度保护电路对温度灵敏性高，功耗低，其热滞回功能能有效防止热振荡现象的发生，相比一般单独使用晶体管BE结的温度保护电路具有更高的灵敏度和精度，可广泛用于各种功率芯片内部。