一种高精度过温保护电路的设计

黄军军，乔 明

（电子科技大学电子薄膜与集成器件国家重点实验室，成都 610054）

1 引言

随着电子产品的集成度越来越高，系统的功耗也大大增加，尤其对于一些电源管理芯片和功率集成电路而言。电路产生的功耗造成芯片温度升高，过高的温度会造成芯片中集成器件的失效，同时也使芯片的寿命降低。因此，为了保证电路的正常工作和系统的稳定，设计过温保护电路是必要的[1~2]。

传统的过温保护电路由于结构的限制，热翻转点和迟滞温度范围容易受到电源电压和工艺下的影响，精度不高。针对此问题，提出一种高精度的过温保护电路。仿真结果表明，在3.5~5.5 V电压条件下，电路的热关断点和热开启点温度漂移最大不超过0.4 ℃，热迟滞范围漂移也较小，而且温度翻转点可以根据需要灵活调节，适用于集成到各种电路之中。

2 典型的过温保护电路

集成电路中常用的过温保护结构是利用PN结两端电压的负向温度特性检测芯片内部温度的变化[3]，当温度超过设定范围时保护电路工作，关断部分功耗较大的电路或者全部电路，当温度降低到一定范围时，使电路恢复正常工作状态[4]。典型的过温保护电路[5]如图1所示。

图1 典型过温保护电路

电路利用PNP三极管基极和发射极电压VEB具有负温度系数的特性实现温度的检测。图中IPTAT（Proportional to Absolute Temperature）电流是与温度成正比的电流。正常工作时，比较器输出高电平，NMOS管MN1导通并工作在线性区，使电阻R2短路，此时A电压点VA=IPTAT×R1，VA＜VEB1，保持比较器输出高电平。随着温度的升高，VEB1降低，当温度升至热关断阈值点时使VEB1=VA。随着温度继续升高，VEB1＜VA，比较器开始翻转并输出低电平，同时使NMOS管MN1关断，电阻R2不再被短路，A点电压变为VA= IPTAT×(R1+R2)。当芯片温度降低时，VEB1需要升高到一定程度比较器才会再次翻转，输出高电平，重新启动系统。

此电路通过调节电阻R1和R2的阻值来实现热关断、热开启以及热滞回量的调节。在不同的工艺条件下，电阻的阻值变化很大，而且不同的电源电压下，电阻上面的电压也会随之改变。因此，不同的工艺和供电电压时，电路的温度阈值点和热滞回量将发生较大变化。

3 高精度过温保护电路

该高精度过温保护电路利用一个阈值可调的高精度迟滞比较器[6]，通过带隙基准产生两个与温度无关的基准电压，分别接入迟滞比较器的两个阈值点，通过比较PNP管EB结电压和两个阈值电压，实现过温保护。电路如图2所示，整个电路包括3部分：带隙基准、阈值设置电路、比较器及输出电路。

图2 高精度过温保护电路

3.1 带隙基准

带隙基准的基本原理是根据硅材料的带隙电压和温度无关的特性，利用工作在不同电流密度时两个双极性晶体管基极-发射极电压的差值与绝对温度呈正比的特性和双极性晶体管基极-发射极电压VBE呈负温的特性，通过按比例叠加使正负温度系数相互抵消，从而得到与温度无关的基准电压[7]。如图2所示，PNP三极管Q2和Q3，电阻R3、R4、R5，PMOS管MP1、MP2及运放AMP1构成基准产生电路。

设置Q2和Q3的发射区面积比AE2:AE3=1:N，MP1、MP2宽长比为1:1，由于运算放大器AMP1调节PMOS管的栅极电压确保VB和VC相等，可以得到式（1）。

式中VT=kT/q为热电压，k为玻尔兹曼常数；q为电荷量。IQ2、IQ3分别为流过PNP管Q2和Q3的集电极电流。IS2、IS3分别为Q2和Q3的集电极饱和电流。

由于Q2和Q3的发射区面积比AE2:AE3=1:N，得：

由于MP1、MP2宽长比为1:1，且MP1、MP2为长沟道器件并工作在饱和区，可得：

将式（2）、（3）代入（1）中得出：

因此可以得到基准电压：

从式（6）可见，由于VEB3呈负温特性而热电压VT呈正温特性，通过调节电阻R3、R4的比值及三极管Q2和Q3的发射极面积比即可得到与温度无关的基准电压Vref。

3.2 热关断阈值设置电路

热关断阈值设置电路的核心为一个单位增益缓冲器。为了满足设计对温度翻转点的精确检测，需要提供两个受电源电压和温度及工艺影响较小的电压阈值点，分别作为热关断和热开启时对应的翻转电平。图2中，集成运放AMP2的输出端与负输入端相连，构成一个单位增益缓冲器，运放的正输入端接基准电压，通过镜像基准电压到运放的输出端，并利用电阻R6、R7、R8分压后产生阈值电压VTH+、VTH−输出给滞回比较器的两个阈值输入点。通过调整电阻R6、R7、R8的阻值比例即可得到不同的阈值电压，实现热关断与开启阈值的设置。分压电阻使用的是同种类型的电阻，对于同一晶圆上同种电阻的偏差在同一个比例，因此电压VTH+、VTH−可以保持不变。

3.3 温度检测及输出电路

温度检测及输出电路通过检测呈负温特性的晶体管的基极发射极电压，通过与设置的阈值电压比较，当温度超过过温阈值点时比较器输出高电平信号，当温度降低至正常温度范围时输出低电平信号。电路主要通过一个高精度且阈值可调的迟滞比较器实现。

如图2所示，比较器及输出电路主要部分为一个高精度的迟滞比较器，由偏置电路、差分输入级、二选一电压选择部分及输出整形电路构成。电路工作原理如下：利用三极管集电极发射极两端的负温特性，通过Q4、Q5作为温度传感器检测温度变化，并将温度转化为与之对应的电压信号VS，接入比较器的同相端。热关断阈值点电压VTH−和热开启阈值点电压VTH+作为二选一传输门的两个输入端。当正常温度时，温度传感器输出电压VS＞VTH+＞VTH−，因此比较器输出高电平，再经过反相器INV1、INV2，使传输门TG1导通，TG2关断，此时反相器另一端输入电压VD= VTH−，反相器INV3输出VOTP维持低电平。随着温度的升高，三极管的基极−发射极电压下降，VS随之下降，当VTH−＜VT＜VTH+时，由于此时VD= VTH−，比较器输出不会发生变化，随着温度的进一步升高，当VS下降至VS＜VTH−时，比较器翻转，此时传输门TG1关断，TG2开启，VD= VTH+，VOTP输出高电平，实现过温保护。此时VTH−即为过温翻转点。当温度从过温状态下降时，三极管的基极-发射极电压上升，VS随之增大，当VTH−＜VS＜VTH+时，由于此时VD= VTH+，比较器输出不会发生变化。随着温度的进一步减小，当VS增加至VS＞VTH+时，比较器翻转，此时传输门TG1开启，TG2关断，VD= VTH−，VOTP输出低电平，解除过温保护。此时VTH+即为解除过温保护翻转点。

4 仿真结果及分析

采用Cadence Spectre工具在某公司0.35 μm CMOS工艺下对设计的电路进行了仿真验证。图3所示为3~5.5 V供电电压下基准电路输出电压随温度变化特性曲线。由于本文采用了一阶的温度补偿方式，基准电压Vref随温度先上升然后再下降，其中零温度点在69 ℃左右，在0~140℃的温度范围，电压在3~5.5 V变化时，基准温度最大波动范围在2.7 mV以内，有较高的温度稳定性。经计算在3.3 V电压下，基准的温度系数约为8.6×10-6℃-1。

图3 不同电压下基准电压随温度变化特性曲线

图4所示为3.3 V供电电压下温度检测点输出电压VS随温度的变化曲线。从仿真结果可以看出，随着温度的增加，温度检测点VS的电压下降，且具有较高的线性度。为了更加敏感地检测温度的变化，电路使用两个晶体管基极发射极电压叠加的方式，因此得到与温度成正比的电压为单个PN结两端电压的两倍。图中当温度在0~140 ℃变化时，VS的电压线性变化范围约为0.9~1.47 V 。

图5所示为在3.3 V典型电压下，对温度进行正向和反向扫描时输出端电压VOTP的变化曲线。从图中可以看出，当温度低于125℃时，VOTP输出低电平，系统正常工作，当温度超过125℃时，VOTP立刻翻转并输出高电平信号，触发过温保护，而且输出信号电平翻转时温度漂移很小，几乎近似阶跃。将仿真图放大后，可以发现翻转点的温度漂移不超过0.1℃。当温度下降到105℃时，VOTP输出低电平信号，解除过温保护电路，温度迟滞量为20℃。

图5 过温关断和迟滞特性曲线

图6 不同电压下温度特性滞回曲线

图6所示为电路在3~5.5 V电源电压下步长为0.5 V时扫描得出的输出电压VOTP的温度特性曲线。从图中可以看出，电源电压在3.0~5.5 V变化时，过温关断阈值点TH的变化范围为124.7~125.1℃，重启温度TL的变化范围为104.6~105℃，较大的电源电压波动范围，热关断和重启温度点漂移最大为0.4℃。在同一电压下，仿真结果表明温度滞回量在设计的20℃时变化不超过0.2℃，有较高的精度和稳定性。

5 结束语

基于0.35 μm CMOS工艺，设计了一款高精度过温保护电路，仿真结果表明，该电路具有较高的精度，对于电源电压的变化引起阈值点漂移和迟滞量的变化具有很强的抑制作用。由于电路的热关断点和热开启点的电压通过同种类型的电阻对基准分压得到，对于因电阻工艺的偏差造成的误差具有一定的抑制能力。而且电路的阈值点温度可以根据要求灵活调节，实用性强，可集成于各种电路。

[1] 王永顺，贾泳杰. 一种新型过温保护电路[J]. 半导体技术，2010，35(10)：1020-1023.

[2] 刘磊，罗萍，李航标. 0.13 μm CMOS高精度过温保护电路的设计[J]. 微电子学，2013，43（3）.

[3] 陈贵灿，程军，张瑞智，等. 模拟CMOS集成电路设计[M]. 西安：西安交通大学出版社，2002.

[4] 贺炜，冯全源，丁璐璐. 投影机高精度过温保护电路的设计[J]. 电视技术，2014，38(11).

[5] 张彬，冯全源. 一种新型热关断电路的设计[J]. 微电子学，2009，39(1) : 42-44.

[6] 李强斌，杜月英. 一种高精度的迟滞比较器[C]. 四川省电子学会半导体与集成技术专委会2006年度学术论文集，2006.12.

[7] MEIJER G C M,WANG G J, FRUETT F. Temperature sensors and voltage reference implemented in CMOS technology [J]. IEEE Sensor J, 2001, 1(3): 225-234.