一种高精度阈值可调节的过温保护电路设计

赵云霞，刘一婷

（沈阳工业大学信息科学与工程学院，沈阳 110870）

1 引言

MOS工艺的快速发展推动着集成电路整体产业的发展。随着用户数量的大量提升以及用户对芯片需求的增长，如何在提高芯片性能的同时提高芯片内部电路的稳定性成为了亟待解决的问题[1-2]。电路功率会随着电源短接、内部电路短路而增加。大功率的输出产生较大的功耗，会导致芯片的温度越来越高，如何进行过温保护电路设计就显得非常重要[3-4]。根据以往的研究显示：芯片温度有1℃的提升时，MOS管的驱动能力会有约4%的下降，同时电路失效率会提升1倍[5-6]。在特定情况下，电路还会产生超出正常范围且波动非常大的输入电压，引起整个电路功能的改变[7]，解决电路适应宽电压输入就尤为重要。传统电路结构复杂、功耗大且不能达到要求的准确度，不符合发展趋势[8]。对此，本设计在开关可控和提高精度方面对过温保护电路做出改进。

2 传统过温保护电路

传统过温保护电路原理图如图1所示，电路中的器件通常会在温度改变时也相应地发生输出频率的变化[9]。三极管的基极与集电极之间的电压VBE具有负温度特性，也就是说当温度上升时其电压值反而会减少。在常温时，电路的输出为1，M1处于导通状态，R2短接。

图1 传统过温保护电路原理

通常，当升高到一定温度时，VEB(Q1)＜VA，输出为低电平，关闭系统。此时M1关断，R2退出短接状态。当温度变成常温时，令VEB(Q1)＞VA，此时电路输出为0，电路不再处于温度保护的状态，芯片可以进行正常运转。然而，在不同的输入情况下，电阻的电压反而会随着IPTAT的变化而发生相应的改变。所以，在不同的输入情况下，整体电路的温度限制点以及迟滞量就会发生非常大的偏差，导致电路性能紊乱。传统电路的构成非常复杂，存在着较大的功率损耗，与集成电路发展趋势不符合。

3 新型过温保护电路设计与仿真

本设计提出一种更为简单的电路构成，设计原理图如图2所示。

图2 新设计过温保护电路

设计主要利用基准电压的分压与随温度增大而增大的电压进行比较，同时，为了防止过温保护电路的比较器在跳变温度点附近来回振荡，还需要在电路中引入迟滞，以此搭建一个控制电路用来便利地产生高、低阈值电压，达到过温保护的目的。过温保护电路的核心电路是由启动电路、基准电路以及比较器电路组成。

首先对启动电路及基准电路进行设计。启动电路需要保证基准电路可以脱离简并点；基准电路需要保证全温区的温度系数最低。

对于启动电路，为保证电路启动后可以自动将启动电路关闭，首先将限流电阻增加两个，比例为2/50；为保证电路启动后可以有效地关闭启动管，将开关管改为隔离型器件，以降低导通阈值。

基准电压通过R1、R2、R3、R4、R5分压得出，当温度升高时，有：

当达到温度阈值点时，温度降低，降温过程为：

迟滞比较器的同相输入端的电压值为：

由此可以得出室温下同向输入端的电压值约为600mV，温度每变化1℃，电压变化约为2.2mV，当温度达到大约165℃左右时，出现第一个温度翻转点。对基准电压的仿真结果曲线如图3所示。

图3 基准电压仿真曲线

详细仿真数据如表1所示，其中，fs代表三级管f、其余t；sf则代表三级管s、其余t。通过对基准电压的仿真可以发现，基准电压在全端口仿真情况下，绝对值范围在1.221V～1.240V，在典型情况下，基准电压值为1.232V且温度系数为16.05×10-6/℃，满足精度需求。

表1 基准电压仿真数据

对迟滞比较器的反向输入端电压进行仿真，结果如图4所示。从仿真结果可以看出，在全工艺角情况下，V+绝对值的最大与最小值分别为926mV与912mV；V-绝对值最大与最小值分别为873mV及860mV。

图4 迟滞比较器反向输入端仿真结果

迟滞比较器的同相输入端仿真结果如图5所示。从仿真结果可以发现，温度在-55℃～125℃区间变化时，电压变化范围为445mV～811mV，斜率为2.03mV/℃。说明达到125℃时，电路仍然没有达到过温保护的阈值点。

使用设计的过温保护阈值点165℃进行电路的过温保护阈值点仿真，仿真结果如图6所示。

从仿真结果可以看出，在各个工艺角下，上升温度的阈值为165℃左右，温度下降时的翻转阈值为147℃左右，迟滞窗口为20℃左右。高温时电路仿真结果不可靠，为了提高电路的可靠性，在此处加入了修调电阻，此电阻可以调节迟滞窗口及翻转阈值点的值。加入修调电阻后的仿真结果如图7所示。

图5 迟滞比较器同相输入端仿真结果

图6 不同工艺角下过温保护输出仿真

图7 修调后过温保护输出结果仿真

从修调后的仿真结果可见，迟滞窗口为15℃左右，温度上升时翻转阈值为147℃左右，温度下降温度为133℃左右。如果在电路实测时，过温保护的翻转点对应的温度过高，可以额外再进行调节。

4 结束语

本设计实现的过温保护电路相较于传统类型的优点不仅在于电路构成简单、用到的器件少，更重要的是在实现电路简化的同时还能达到较低的功耗，而且可以适应宽电压的输入。所设计电路还可以通过调节电阻的阻值来调节迟滞温度的范围，以此实现改变阈值电压。通过仿真结果显示电路功能正常，指标符合预期。