带热滞回功能的CMOS温度保护电路

我是MT

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。
　　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。

　　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。
　　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VRVQ，比较器输出为低电平。随着温度的升高，IPTAT不断增大，VR也随之增大。与此同时，晶体管BE结正向导通电压VQ以2．2 mV／℃的速度下降。当VR=VQ的瞬间，比较器发生翻转，使得输出为高电平，从而启动温度保护。在温度保护启动的同时，M25开始导通。此时，流过R2 上的电流变为两部分，一部分是原来就存在的M19～M22提供的偏置电流，另一部分就是新引入的由M23～M25提供的电流。这样做的好处是在温度下降时，只有在温度低于开始的关断温度一定值时才能重新工作，相当于在关断点附近形成热迟滞，有效地防止了热振荡现象的发生。
　　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。