一款可用于音频功放的过温保护电路设计

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简介:在集成电路芯片工作的过程中,不可避免地会有功率损耗,而这些功率损耗中的绝大部分将转换成热能散出。在环境过高、短路等异常情况下,会导致芯片内部的热量不能被及时散出,从而不可避免地使芯片工作温度上升,本文介绍一种可用标准CMOS工艺实现的过温保护电路设计。

过高的工作温度对芯片工作性能、可靠性和安全性都有很大的影响。研究表明,芯片温度每升高1℃,MOS管的驱动能力将下降约为4%,连线延迟增加5%,集成电路失效率增加一倍,因此芯片内部必须要有过温保护电路来保障芯片安全。

在电路设计上,使用了与温度成正比的电流源(PTAT电流)和具有负温度系数的PNP管(CMOS工艺中寄生)结电压作为两路差动的感温单元。这种差动的传感方式,可以提高电路对温度变化反应的灵敏度,同时,其具有的迟滞功能,可以有效的避免热振荡对芯片的损坏。

架构原理分析

1 工作原理分析

图1为本设计的原理架构,Q1为NWELLCMOS工艺中寄生PNP三极管,其集电极是必须与地点位连接,为了利用寄生PN结导通正向导通电压的负温度特性,把Q1做二极管连接(基集也接到地),这样A点和地之间的电压VA就具有了PN结正向电压的与温度成反比的性质。由于基准电路输出的偏置电压加在M0、M1、M5的栅极上,则其所在支路上都会产生PTAT电流(Proportional to Abso-lute Temperature);在提供偏置的同时,也在电阻R0上产生了与温度成正比的电压VB即B点电压随之增大。当达到某一温度TH(设定的关断温度)后,VH≥VA、比较器Comp输出高电平,经过倒相器INV后,输出TSD为低电平;此信号作用于电路的其它模块后,使整个芯片停止工作,实现热保护功能。同时,TSD信号正反馈作用于M2栅上,开启M2,加大了电阻R0上电流,使VB更高。

一款可用于音频功放的过温保护电路设计

在芯片被热保护,停止工作后,芯片上的温度会从TH下降,使得A点电压VA慢慢上升,B点电压VB慢慢下降。由于先前TSD的正反馈作用已经使VB升高,因此在这种状态下,要出现VA≥VB使比较器输出翻转情况就需要A点有比先前的电压VA更大的电压,相应地使得下降时翻转点对应的恢复温度TL也会比TH低。当温度低于TL后,VB≥VA,通过比较器作用后,会使TSD输出高电平,使芯片恢复工作。同时,TSD信号仍然会再次正反馈作用于M2栅上,关断M2,进一步减小了电阻R0上的电流,使VB更低。

整个工作过程中,TSD的正反馈起到了迟滞的作用。使得正常工作时,TSD输出高电平作用于电路其它模块。当温度过高时,TSD输出低电平作用于电路其它模块,使芯片停止工作,保护芯片。

2 温度翻转点的计算

A点的电压VA为PN结两边电压,PN结电压的表达式可写为

一款可用于音频功放的过温保护电路设计

式中VG为带隙电压,γ和α为器件参数,A代表了那些方程推到过程中与温度无关的常量。因为Vt=kt/q,可以得到VBE随温度上升是降低的。其关于温度变化的方程为

一款可用于音频功放的过温保护电路设计

如果忽略由温度变化引起lnT项变化对式(2)的影响,dVBE/dT可近似等于常数C0。常温下C0约为-2 mV/K。为了简化计算,则PN结关于温度的变化方程可近似线性为一款可用于音频功放的过温保护电路设计

B点的电压为电阻上的电压,可由欧姆定理计算得到。计算温度上升翻转点TH,当温度上升时,由前分析可知,TSD为高电平,M2截止。因此流入R0的电流只有I1一路。此状态下VB电压的表达式为

一款可用于音频功放的过温保护电路设计

翻转点(VA=VB)时的对应方程为

一款可用于音频功放的过温保护电路设计

计算温度下降翻转点TL当从高于TH温度下降时,由前分析可知,TSD为低电平,M2开启。因此流入电阻R的电流有I1,I2两路。此状态下VB电压的表达式为

一款可用于音频功放的过温保护电路设计

翻转点(VA=VB)时对应方程为

一款可用于音频功放的过温保护电路设计

式(10)即为过温保护工作时的迟滞量。 3.实际电路设计

设计的过热保护电路大体上分为3个部分,如图3所示。

一款可用于音频功放的过温保护电路设计

一款可用于音频功放的过温保护电路设计

启动电路:启动电路只有在刚上电的时候才会工作,当电源电压从0 V慢慢升高,同时输入信号Shut为低电平时,开关管M37就会被打开,MOS管M38也会导通,这样就会使得在M38这条支路上的电压慢慢升高。以二极管形式连接的M40的栅端也会随之升高,也为右端的M45,M43,M42提供栅极电压,从而破坏了基准电路的平衡,使之能够启动起来。当M40的栅极电压上升到M44的阈值电压时,就会将其导通,使得产生了一个有电源到地的通路,这样也就完成了启动电路的功能。

偏着电路:此部分电路的工作原理与产生PTAT电流电路的原理基本相同,输出端的电压为其它电路提供偏置。M36、M45、Q4组成的支路将在右端支路的电流取出,经过滤波、放大后又镜像回去,在M34、M42、Q1的支路上输出一个偏置电压信号。由于电流镜的工作原理,所以要求M34~M36和M42~M45均为相同的对管。另外,此电路中M33作为关断管,当Shut信号为高电平时,M33就会处于导通状态,这样这届就会将M34、M35关断,使得整个电路关断。

热敏关断保护电路:由于基准电路输出的偏置电压加到M39、M51、M52栅极上,所以在这两条支路上都会产生PTAT电流。采用M41、M47、M48、M49、M50构成的两级比较器来实现原理等效图中Comp的功能。此比较器的第一级为PMOS差动输入。

用PMOS做差动输人的作用:(1)降低了输入的噪声。正常情况下,温度不可能有很剧烈的变化,因此温度波动的频率不可能很高,所以闪烁噪声1/f将成为噪声的主要成分。由于PMOS输入可降低噪声对电路的影响;(2)PMOS输入使共模输入范围的下限降低。此电路比较器要比较是接近于PN结VBE的电压,用PMOS构成的输入端可更好的满足这种低共模输入电压的要求。比较器的第二级为共源放大器,作为比较器的第二级,其主要作用增大了输出摆幅、提高了增益和输入的分辨率,加快了高低电平的转换速率。电路中电容C0的作用:电容C0可以抑制一些干扰量在比较器通向输入端电阻风上产生的电压波动,以防止系统被扰动引起的误动作。

4.仿真测试

按照以上设计的电路。用Cadence Specture对其进行仿真,器件的模型参数采用0.35μm CMOS工艺。图2为过温保护电路的输出控制信号TSD,随温度上升和下降的曲线。电源电压取3.3 V。从仿真结果可以看出,该电路实现了良好的“温度迟滞”特性。迟滞功能有效的避免了芯片出现热振荡问题。关断温度TH160°和恢复温度TL140°。

5.结束语

文中设计的过热保护电路,利用PTAT电流来检测温度的变化,并转换成电压信号输入两级比较器进行比较,从而产生过热保护信号。比较器的迟滞效应能有效防止热振荡现象的发生。该电路对温度感应灵敏度高,非常适合集成在集成电路芯片中。

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