一种高精度CMOS过温保护电路

陈思良

摘要：基于SMIC 0.18μm CMOS工艺，设计了一种过温保护电路。通过采用调整特定电阻技术产生温度迟滞量，有效避免振荡。仿真结果表明，当温度超过106℃时电路关断，当温度降低至84℃时电路开启，迟滞量为22℃。

关键词：过温保护;热振荡;高精度

中图分类号：TN402 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2018）12-0160-02

0 引言

随着集成电路技术的发展，芯片集成度越来越高，器件密度、能耗密度也越来越大[1]。功耗会引起芯片温度的升高，易引起PN结热击穿从而过流会导致芯片无法正常工作。因此，在集成电路系统中，过温保护电路（OTP）是非常必要的。

传统的过温保护电路利用双极晶体管基极-发射极的电压VBE与温度成反比（CTAT）或者与温度成正比（PTAT）的电压与基准电压信号的比较，实现温度的检测功能，利用迟滞比较器实现温度迟滞功能。本文利用工作在亚阈值区MOS管的栅源电压之差ΔVGS以及MOS管的栅源电压VGS分别产生一个PTAT电流和CTAT电流，进而获得一个与温度无关的电压VREF，并通过调节电阻阻值实现温度的迟滞，电路结构简单。

1 电路设计

图1为本文所设计的过温保护电路，主要由启动电路、PTAT电流源、CTAT电流源和过温保护核心电路组成。其中，启动电路由MS1～MS4组成，过温保护核心电路中的比较器采用图2所示的结构[2]。同时，为增加比較器的驱动能力，在比较器COMP输出端采用两个反相器级联结构，如图1所示。

图1（b）为PTAT电流源，由MOS管M1～M4和电阻R0组成。M3管和M4管都工作在亚阈值区且M3管的沟道宽长比是M4管的β0倍，M1管和M2管相同且工作在饱和区，则M3管的漏极电流ID3为：

（1）

式（1）中，n为工艺参数，k为玻尔兹曼常数，q为电子电荷量，T为绝对温度。因此，ID3是一个与温度成正比的电流。M10管的沟道宽长比是M1管的β1倍，M11管的沟道宽长比是M1管的β2倍，因此，M10管的漏极电流IPTAT1和M11管的漏极电流IPTAT2均为PTAT电流，且分别为，。

图1（c）为CTAT电流源，由MOS管M5～M8和电阻R1组成。M6管和M7管都工作在亚阈值区，则流过R1的电流IR1为。VGS6为M6管的栅-源电压，其具有负温度特性[3]。流过M8管和电阻R1的电流相等，M8管和M9管工作在饱和区且M9管的沟道宽长比是M8管的β3倍，M9管的漏极电流ICTAT是CTAT电流，且为：

（2）

式（2）中，R1为电阻R1的阻值。

通过优化参数，电流IPTAT1和电流ICTAT都流过R2，R2上的电压VREF具有与温度无关的特性，其为：

（3）

式（3）中，R0、R1、R2分别为电阻R0、R1、R2的阻值。

本文采用一种典型的两级比较器[2]，如图2所示。MOS管MP1～MP3、MN1和MN2构成比较器的第一级，MN3管和MP4管构成比较器的第二级。对于图1所示电路，当温度未达到最高温度时，节点B电压低于节点A电压，输出VOUT为高电平，M12管导通，电阻R4被短路，电路正常工作;当温度达到最高温度时，节点B电压高于节点A电压，输出VOUT为低电平，产生热关断信号，此时M12管截止，IPTAT2流过电阻R4从而提高了节点B的电压。温度进一步下降，只有使节点B电压下降到低于VREF，才能重新开启电路，从而实现了OTP的迟滞作用，避免了在某一温度点的热振荡。迟滞窗口的大小由电阻R3和R4决定，通过调整电阻R3和R4的阻值，控制节点B的翻转电压，从而控制开关点。

2 仿真结果

本文采用SMIC 0.18μm CMOS工艺对过温保护电路进行了设计与仿真。

图3为OTP的直流仿真曲线。仿真结果表明，当电源电压为1.8V，温度低于106℃时，OTP输出为高电平;当温度高于106℃时，OUT_OTP发生翻转，OTP输出为低电平，产生热关断。当温度降低到84℃时，电路恢复正常工作，温度迟滞量为22℃。

图4为电源电压分别为1.8V，3.3V和5V时过温关断与迟滞特性曲线。仿真结果表明，电源电压变化对关断温度与迟滞影响非常小，过温关断温度的最大偏差为0.6℃，温度迟滞量的最大偏差为0.15℃。

3 结语

本文基于SMIC 0.18μm CMOS工艺，设计了一个过温保护电路。仿真结果表明，所设计的电路对电源电压变化所引起的过温关断的温度偏差的抑制作用强，稳定性好，适用于作集成电路芯片的内部过温保护电路。

参考文献

[1]刘磊，罗萍，李航标.0.13μm CMOS高精度过温保护电路的设计[J].微电子学，2013，43（3）：321-324.

[2]艾伦，霍尔贝格著;冯军，李智群译.CMOS模拟集成电路设计[M].电子工业出版社，2011：363-375.

[3]Qianneng Zhou，Ling Zhu ， Hongjuan Li，et al.Novel high PSRR high-order temperature-compensated subthreshold MOS bandgap reference[J].The Journal of China Universities of Posts and Telecommunications，2017，24（6）：74-82.

A High Precision CMOS Over-temperature Protection Circuit

CHEN Si-liang

（College of optoelectronic engineering， Chongqing University of Posts and Telecommunications， Chongqing 400065）

Abstract：An over-temperature protection （OTP） circuit was designed in SMIC 0.18μm CMOS process. This circuit generated temperature hysteresis by adjusting the resistance of the specific resistors to avoid thermal oscillation. Simulation results showed that the OTP circuit is turned off at106 °C and returned to work at 84 °C. The temperature hysteresis of the OTP is 22 °C.

Key words：over temperature protection; thermal oscillation; high precision