引 言

隨著現(xiàn)代中大規(guī)模集成電路的集成度不斷提高，電路功耗及其穩(wěn)定性已成為影響芯片性能好壞的重要因素。當(dāng)芯片內(nèi)部電路由于電源短接、線路短路或重負(fù)載等情況而引起功耗增加，造成芯片內(nèi)部溫度上升，晶體管 PN 結(jié)可能因?yàn)檫^(guò)溫而產(chǎn)生熱擊穿，導(dǎo)致芯片不可逆轉(zhuǎn)的永久失效 [1]。過(guò)溫保護(hù)電路（Over Temperature Protection，OTP）能夠時(shí)刻檢測(cè)芯片內(nèi)部溫度，當(dāng)溫度高于設(shè)定閾值溫度時(shí)自動(dòng)關(guān)斷芯片系統(tǒng)，防止芯片內(nèi)部各模塊由于過(guò)溫造成大面積損壞。因此過(guò)溫保護(hù)電路目前已被廣泛應(yīng)用于 A/D，D/A，鎖相環(huán)，電源管理芯片等中大規(guī)模集成電路 [2]。

傳統(tǒng)過(guò)溫保護(hù)電路的設(shè)計(jì)思路是利用雙極型晶體管的溫度特性來(lái)檢查芯片工作溫度，產(chǎn)生與溫度呈正相關(guān)的電流作用到電阻上得到溫度檢測(cè)電壓，通過(guò)電壓比較器使溫度檢測(cè)電壓與系統(tǒng)設(shè)置的無(wú)溫度系數(shù)的帶隙基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，當(dāng)溫度檢測(cè)電壓高于帶隙基準(zhǔn)電壓時(shí)，芯片系統(tǒng)關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)過(guò)溫保護(hù)功能 [3]。傳統(tǒng)過(guò)溫保護(hù)電路工作原理如圖 1 所示。其 中，IP1 和 IP2 為正溫度系數(shù)電流，正常溫度時(shí) OTP_OUT 輸出高電平，NMOS 管 M1 導(dǎo)通，電阻 R2 被短路，VN<VP。當(dāng)系統(tǒng)溫度上升至過(guò)溫臨界溫度時(shí)，VN>VP，OTP_OUT 輸出低電平，過(guò)溫保護(hù)電路關(guān)斷其他模塊。此時(shí) M1 管截止， VN=IP1 ·（R1+R2）。隨著工作溫度逐步降低，VN 隨之減小，當(dāng) VN<VP 時(shí) OTP_OUT 輸出高電平，電路重新工作。M1 管和電阻 R2 產(chǎn)生遲滯溫度，避免芯片由于溫度波動(dòng)被反復(fù)關(guān)斷 [4]。

1 過(guò)溫保護(hù)電路原理架構(gòu)

本文基于 0.25 μm BCD 工藝庫(kù)，提出了一種高精度低功耗的過(guò)溫保護(hù)電路。利用雙極型晶體管的溫度特性來(lái)檢測(cè)系統(tǒng)溫度并且實(shí)現(xiàn)過(guò)溫保護(hù)關(guān)斷功能，以代替?zhèn)鹘y(tǒng)電壓比較器架構(gòu)。電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功耗較低。

本文提出的過(guò)溫保護(hù)電路原理如圖 2 所示。正常溫度下 OTP_OUT 輸出低電平，NMOS 管 M1 導(dǎo)通，R2 被短路， VE=IP1R1，VE<VBE，Q1 管截止。隨著溫度升高，IP1 隨之增大，當(dāng)溫度超過(guò)臨界溫度時(shí)，VE>VBE，Q1 管開(kāi)始進(jìn)入深度飽和區(qū)，Q1 管的集電極電壓由低電平轉(zhuǎn)為高電平，OTP_OUT 輸出高電平，過(guò)溫保護(hù)功能啟動(dòng)。此時(shí) M1 管截止， VE=IP1 ·（R1+R2）。當(dāng)溫度降低到臨界溫度以下時(shí)，VE<VBE，過(guò)溫保護(hù)電路 OTP_OUT 輸出低電平，電路重新工作。M1 管、電阻 R1 和施密特觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)遲滯功能。

2 過(guò)溫保護(hù)電路

本文提出的過(guò)溫保護(hù)電路如圖 3 所示。電路分為啟動(dòng)電路、溫度檢測(cè)電流產(chǎn)生電路、過(guò)溫保護(hù)核心電路、遲滯電路。

2.1 啟動(dòng)與溫度檢測(cè)電流產(chǎn)生電路

啟動(dòng)與溫度檢測(cè)電流產(chǎn)生電路由 M1 ～ M5 管，Q1，Q2以及 R1 組成。當(dāng)芯片偏置電流模塊供給 OTP 模塊的啟動(dòng)電流 IBIAS 為 1.2 μA 時(shí)，OTP 模塊正常工作。IBIAS 通 過(guò)M1 ～ M4 管所組成的電流鏡結(jié)構(gòu)復(fù)制給溫度檢測(cè)電流產(chǎn)生模塊，通過(guò)調(diào)節(jié) M1 ～ M4 管的溝道寬長(zhǎng)比可以得到大小合適的啟動(dòng)電流。Q1，Q2 為發(fā)射結(jié)面積為 1∶8 的 NPN 管，可知 [5] ：

由此可見(jiàn)，IR1 為正比例溫度系數(shù)電流，可用于芯片內(nèi)部溫度檢測(cè)。

2.2 過(guò)溫保護(hù)核心電路

過(guò)溫保護(hù)核心電路由 M6 ～ M8 管，R2，R3 和 Q3 組成。

正常溫度下 OTP_OUT 輸出低電平，M8 管導(dǎo)通 R3 被短路， VA 大小為 ：

此時(shí) VA 小于 Q3 管的開(kāi)啟電壓，Q3 管的集電極電壓為低電平。隨著溫度升高至臨界溫度時(shí)，VA 大于 Q3 管的開(kāi)啟電壓，Q3 管進(jìn)入深度飽和區(qū) [7]。其集電極電壓跳變?yōu)楦唠娖剑?M8 管截止，過(guò)溫保護(hù)功能啟動(dòng)，此時(shí) VA 為 ：

當(dāng)溫度重新低于臨界溫度時(shí)，Q3 管集電極電壓跳變?yōu)榈碗娖?，過(guò)溫保護(hù)功能關(guān)閉，電路正常工作。

2.3 遲滯電路

為了避免由于溫度波動(dòng)而造成反復(fù)關(guān)斷，施密特觸發(fā)器、 M8 和 R3 構(gòu)成的反饋控制電路產(chǎn)生遲滯特性 [8]，圖 4 所示為施密特觸發(fā)器內(nèi)部電路。

3 仿真結(jié)果分析

本文提出的高精度低功耗 BiCMOS 過(guò)溫保護(hù)電路采用UMC0.25 μm BCD 工藝庫(kù)設(shè)計(jì)，使用 Hspice 軟件進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果如圖 5 ～圖 7 所示。

圖 5 為本文提出的過(guò)溫保護(hù)電路溫度特性曲線。從圖中可以看出，在溫度上升過(guò)程中，當(dāng)工作溫度高于 100.02 ℃時(shí)，過(guò)溫保護(hù)電路輸出由低電平跳變?yōu)楦唠娖?，過(guò)溫保護(hù)功能啟動(dòng) ；在溫度下降過(guò)程中，當(dāng)工作溫度低于 92 ℃時(shí)，過(guò)溫保護(hù)電路由高電平跳變?yōu)榈碗娖?，過(guò)溫保護(hù)功能關(guān)閉，芯片其他模塊正常工作。

圖 6 為過(guò)溫保護(hù)電路的溫度遲滯特性曲線。從圖中可以看出，在溫度上升過(guò)程和溫度下降過(guò)程中的過(guò)溫保護(hù)電路輸出跳變門(mén)限電壓存在遲滯特性，并且遲滯溫度 ΔT=10 ℃，避免芯片由于溫度波動(dòng)而反復(fù)關(guān)斷。 圖 7 為過(guò)溫保護(hù)電路靜態(tài)功耗曲線。從圖中可以看出，當(dāng)過(guò)溫保護(hù)電路處于靜態(tài)工作時(shí)，靜態(tài)電流的范圍為8.07 ～ 8.85 μA，滿(mǎn)足了低功耗的設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文提出了一種高精度低功耗的過(guò)溫保護(hù)電路，采用UMC0.25 μm BCD 工藝庫(kù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。利用雙極型晶體管的溫度特性和閾值電壓來(lái)檢測(cè)芯片工作溫度和控制芯片的過(guò)溫關(guān)斷。當(dāng)芯片內(nèi)部溫度高于設(shè)定臨界溫度時(shí)，過(guò)溫保護(hù)電路輸出高電平，實(shí)現(xiàn)過(guò)溫保護(hù)功能。當(dāng)溫度低于設(shè)定臨界溫度時(shí)，過(guò)溫保護(hù)電路輸出低電平，電路正常工作。溫度上升和下降過(guò)程中跳變門(mén)限電壓設(shè)有遲滯特性，避免芯片由于溫度波動(dòng)反復(fù)關(guān)斷。本文提出的過(guò)溫保護(hù)電路可滿(mǎn)足高精度、低功耗的過(guò)溫保護(hù)要求。