一种高精度低功耗的BiCMOS过温保护电路
2019-09-25李宏杰段德功
李宏杰 段德功
摘 要：基于UMC0.25 μm BCD工艺，设计了一种高精度低温漂的过温保护电路。相对传统电压比较器结构的过温保护电路，无电压比较器结构的过温保护电路利用双极型晶体管的温度特性和阈值电压来检测芯片内部温度和控制芯片的关断。当芯片内部温度高于系统设定值时，过温保护电路输出高电平并且关断芯片其他模块，实现过温保护功能。利用Cadence和Hspice仿真软件对过温保护电路进行验证分析。仿真结果表明：在电源电压为5 V，且芯片工作温度上升过程中，当芯片内部温度高于100.02 ℃时，过温保护电路输出高电平，芯片系统被过温保护电路关断;当芯片内部温度低于92 ℃时，过温保护电路输出低电平，芯片系统重新正常工作，回差温度为8.02 ℃，可以有效防止芯片由于温度波动被反复关断。
关键词：过温保护;阈值电压;温度系数;回差溫度;集成电路;芯片
中图分类号：TP39;TN432文献标识码：A文章编号：2095-1302（2019）08-00-03
0 引 言
随着现代中大规模集成电路的集成度不断提高，电路功耗及其稳定性已成为影响芯片性能好坏的重要因素。当芯片内部电路由于电源短接、线路短路或重负载等情况而引起功耗增加，造成芯片内部温度上升，晶体管PN结可能因为过温而产生热击穿，导致芯片不可逆转的永久失效[1]。过温保护电路（Over Temperature Protection，OTP）能够时刻检测芯片内部温度，当温度高于设定阈值温度时自动关断芯片系统，防止芯片内部各模块由于过温造成大面积损坏。因此过温保护电路目前已被广泛应用于A/D，D/A，锁相环，电源管理芯片等中大规模集成电路[2]。
传统过温保护电路的设计思路是利用双极型晶体管的温度特性来检查芯片工作温度，产生与温度呈正相关的电流作用到电阻上得到温度检测电压，通过电压比较器使温度检测电压与系统设置的无温度系数的带隙基准电压进行比较，当温度检测电压高于带隙基准电压时，芯片系统关断，实现过温保护功能[3]。传统过温保护电路工作原理如图1所示。其中，IP1和IP2为正温度系数电流，正常温度时OTP_OUT输出高电平，NMOS管M1导通，电阻R2被短路，VN 1 过温保护电路原理架构 本文基于0.25 μm BCD工艺库，提出了一种高精度低功耗的过温保护电路。利用双极型晶体管的温度特性来检测系统温度并且实现过温保护关断功能，以代替传统电压比较器架构。电路结构简单，功耗较低。 本文提出的过温保护电路原理如图2所示。正常温度下OTP_OUT输出低电平，NMOS管M1导通，R2被短路，VE=IP1R1，VE 2 过温保护电路 本文提出的过温保护电路如图3所示。电路分为启动电路、温度检测电流产生电路、过温保护核心电路、迟滞电路。 2.1 启动与温度检测电流产生电路 启动与温度检测电流产生电路由M1～M5管，Q1，Q2以及R1组成。当芯片偏置电流模块供给OTP模块的启动电流IBIAS为1.2 μA时，OTP模块正常工作。IBIAS通过M1～M4管所组成的电流镜结构复制给温度检测电流产生模块，通过调节M1～M4管的沟道宽长比可以得到大小合适的启动电流。Q1，Q2为发射结面积为1∶8的NPN管，可知[5]： 式中：VT为热力学温度;IC为集电极电流;ISS为发射极电流密度，大小正比于PN结的面积[6]。℃，流过R1的电流为： 由此可见，IR1为正比例温度系数电流，可用于芯片内部温度检测。 2.2 过温保护核心电路 过温保护核心电路由M6～M8管，R2，R3和Q3组成。正常温度下OTP_OUT输出低电平，M8管导通R3被短路，VA大小为： 此时VA小于Q3管的开启电压，Q3管的集电极电压为低电平。随着温度升高至临界温度时，VA大于Q3管的开启电压，Q3管进入深度饱和区[7]。其集电极电压跳变为高电平，M8管截止，过温保护功能启动，此时VA为： 当温度重新低于临界温度时，Q3管集电极电压跳变为低电平，过温保护功能关闭，电路正常工作。 2.3 迟滞电路 为了避免由于温度波动而造成反复关断，施密特触发器、M8和R3构成的反馈控制电路产生迟滞特性[8]，图4所示为施密特触发器内部电路。 3 仿真结果分析 本文提出的高精度低功耗BiCMOS过温保护电路采用UMC0.25 μm BCD工艺库设计，使用Hspice软件进行仿真分析，仿真结果如图5～图7所示。 图5为本文提出的过温保护电路温度特性曲线。从图中可以看出，在温度上升过程中，当工作温度高于100.02 ℃时，过温保护电路输出由低电平跳变为高电平，过温保护功能启动;在温度下降过程中，当工作温度低于92 ℃时，过温保护电路由高电平跳变为低电平，过温保护功能关闭，芯片其他模块正常工作。 图6为过温保护电路的温度迟滞特性曲线。从图中可以看出，在温度上升过程和温度下降过程中的过温保护电路输出跳变门限电压存在迟滞特性，并且迟滞温度ΔT=10 ℃，避免芯片由于温度波动而反复关断。 图7为过温保护电路静态功耗曲线。从图中可以看出，当过温保护电路处于静态工作时，静态电流的范围为8.07～8.85 μA，满足了低功耗的设计要求。 4 结 语 本文提出了一种高精度低功耗的过温保护电路，采用UMC0.25 μm BCD工艺库进行设计。利用双极型晶体管的温度特性和阈值电压来检测芯片工作温度和控制芯片的过温关断。当芯片内部温度高于设定临界温度时，过温保护电路输出高电平，实现过温保护功能。当温度低于设定临界温度时，过温保护电路输出低电平，电路正常工作。温度上升和下降过程中跳变门限电压设有迟滞特性，避免芯片由于温度波动反复关断。本文提出的过温保护电路可满足高精度、低功耗的过温保护要求。 参 考 文 献 [1]李树镇，冯全源.一种低功耗CMOS过温保护电路的设计[J].应用科技，2017，44（1）：14-17. [2]宋德夫，邓联文，廖聪维.一种高灵敏度过温保护电路的设计[J].微电子学，2015（5）：652-656. [3]范子荣，祝文君.一种新型的过温保护电路设计[J].山西大同大学学报（自然科学版），2017，33（2）：14-16. [4]苟静，冯全源.新型低功耗过温保护电路设计[J].仪表技术与传感器，2014（7）：37-39. [5]唐宇，冯全源.一种低温漂低功耗带隙基准的设计[J].电子元件与材料，2014，33（2）：35-38. [6]张慕辉，刘诗斌，冯勇.具有滞回功能的过温保护电路[J].儀表技术与传感器，2009（2）：94-95. [7]葛兴杰，陆锋.0.25 μm CMOS新型过温保护电路的设计[J].电子与封装，2018，18（6）：22-25. [8]李新，刘敏，张海.基于迟滞比较器的过温保护电路[J].中国集成电路， 2018（1）：54-60. [9]刘锐，李文祥，何振良，等.R-T电阻温度系数测定仪的改进[J].物联网技术，2018，8（12）：30-31. [10]吴斯敏，邹雪城，于国意.一种嵌入BiCMOS带隙电路的过温保护电路[J].舰船电子工程，2007，27（4）：151-153.
