一种过温保护电路设计

1、CMOS模拟电路课程设计一种过温保护电路设计&目录第一部分：温度保护电路设计、基本原理三、电路实现1. 过温保护功能的描述2. 迟滞功能的实现3. 比较器的实现四、各个管子的功能介绍五、器件参数设计1.确定VREF的值2. 确定反馈抽取电流I23.4. 作为电流镜的管子的参数选取5. 两级运放的参数选取6. 反馈回路参数确定第二部分电流源设计一、电流源电路原理二、器件参数估算1.电流分配：2.参数计算（300K）3.第三部分：仿真结果与分析验证1. 整体静态工作电流2. 电流源温度特性3. 电流源电压特性4. 整体电路工艺稳定性第四部分：设计总结参考文献第一部分温度保护电路设计一基本原

2、理如图1所示，Q0的作用是检测芯片工作温度的。在正常情况下，三极管反射极的电位VE即比较器负端电位比正端电位高，比较器输出低电平，芯片正常工作。当温度升高时，由于三极管EB结电压的是负温度系数，三极管发射极到基极的电压V会降低，但是由于基极电位是基准电压VREFl,故三极管的发射极电压即比较器的负端电位会降低。当温度超过翻转阈值的时候，比较器负端电位会降到比正端的电位VREF2低，比较器就会输出高电平，从而关断功率开关器件，避免芯片被烧毁。迟滞产生电路的作用是在芯片正常工作和过温时产生大小不同的电流，改变比较器的翻转阈值。从而防止功率开关器件在翻转点频繁开启和关断。图1.温度保护电路原理图二电

3、路实现)1过温保护功能的描述当管芯温度超过160*时，过温保护电路输出控制信号OUTPUT输出为高电平;2.迟滞功能的实现当温度没有达到过温点时，OUTPUT为低电平，M|3管关断，流过Q。的电流为I。根据三极管发射结电压与电流的关系可知1)V二V二Vln1EB(Q0)EB(NOMAL)TIs当温度达到1601，比较器输出变为高电平，M管的栅极变为高电平，进而打开M管，从而流过Q管的电流减少，变为IT，这时13012IIV=V=Vln12(2)EB(Q0)EB(OT)TIs导致VBE(Q0)进一步减小，减小的量为IIIV=V(lniln12)(3)EB(Q0)TIsIs？温度的迟滞量为：VRE

4、FfAVT=EB(4)delayA0式中A为三极管EB结电压的温度系数(常温下该值约为一2mV/K)。由于迟滞，只有当温度下降到比160"C低20"C的温度，才能使V上升到使比较器翻转。比较器翻转后，输出为低电平，M13管关闭，如果此时温度在上升,V必须上升到V比较器才会再次翻转，这样就实现迟滞。EB(Q0)EB(NOMAL)3比较器的实现根据图2，比较器是一个两级比较器，第一级采用有源电流镜负载的差动放大器，第二级采用电流源负载共源级放大器。当VVREF时，OUT翻转为高电EB(Q0)平。反之，输出为低电平。为了得到较高的分辨率，需要比较器有较高的增益。下面分析该比较器的

5、增益。第一级增益：G=mH(5)m2R=(2r)r(6)outo11o16A=齢(2rr)(7)v12o11o16第二级的增益：从输出节点往上看，R=(g+g)rr(8)outTm2mb2o1o2从输出节点向下看，R=r(9)out/o0所以，有G'=G(10)mm0R'=(g+g)rrr(11)outm2mb2o1o2o0A=G'R'11(12)v2mout总的增益为A=AA(13)vv1v2从上面对增益的推导中可知该比较器的增益足够高，满足高分辨率的要求。三各个管子的功能介绍如图2所示，M、M以及Q构成了温度检验电路，其中M、M是低压工作的电流镜提供了I,由

6、于三极管V°具有负温度系数，基本随温度升高而线性减小，所以V可以检测温度。为了提高放大倍数以及输出摆幅，比较器采用两级运放构成。EBM.M.M.MqMi?构成了有源电流镜负载的第一级差动放大器，其中M5是低压工作的电流镜，M、M是有源电流镜负载。MM构成第二级共源级放大器，MM是低压共源共栅电流镜提供尾电流。M、M0为低压共源共栅电流镜提1278供偏置，M|、Mg与M?构成共源共栅电流镜，将基准电流镜像过来作为电流源。M§、M为M14的栅压9提供偏置。M与M，M与M分别构成电流镜。M、M是迟滞产生2091021221318电路，OUTPUT为低电平，M3管关断，反馈回路不抽

7、取电流，三极管Ie=IjOUTPUT为高电平，M管打开，反馈回路抽取电流I（I大小取决于M、M构13221822成的电流镜）。四器件参数设计整体静态电流指标：（VDD=，全典型模型，TeMp=27°C条件下）60uA，由于电流源要输出10uA电流剩下50uA分配20uA给电流源电路，剩下30uA给过温保护电路。1.过温保护电路器件参数设计电流提供的基准电流设定为5uA，过温保护电路有6条支路初步初步每条支路分配5uA，即I=5uA1$确定VREF的值断开反馈回路，用理想电流源Is代替I。当Is=5uA时，对电路进行直流温度扫描，扫描区间从-40C-200C，步长1C，观察三极管Q的V

8、。0EB140C时，V二。所以初步设定V二。EBREF 确定反馈抽取电流12SS2SSEB断开反馈回路，用理想电流源I代替I。对I进行参数扫描，观察V二所对应的温度。I=1uA5uA，步长1uA：SSI=1uAT=CSSI=2口AT=°CSSI=1uA2口A，步长口A：SSI二口AT=CSSI二口AT=CSSI=uAuA,步长uA：SSI=uAT=CSSI=uAT=C所以，初步确定反馈抽取的电流I=5uAuA=uA2从而可以确定M管与M管的宽长比1822W°L）18_3.48WGL)22若管子M的宽长比取为2,沟道长度取luA,并联管字数取为4,即Wn=2uA,22Ln=l

9、uA,Mutiply=4,则M的宽长比取为2,沟道长度取luA,并联管子数取为l83, 即Wn=2uA,Ln=luA,Mutiply=3 作为电流镜的管子的参数选取由于每条支路的电流都相等,所以相关的管子参数取成相同即可。N型管子（M,M）：Wn=2uA,Ln=1uA,Mutiply=4；2l22P型管子（M,M）：Wp=1uA,Lp=uA,Mutiply=2；9l0低压共源共栅电流镜的管子刑M）：Wp=20uA,Lp=uA,Mutiply=1；为低压共源共栅电流镜提供偏置的管子（M,M）：Wp=20uA,Lp=uA,78Mutiply=l；共源共栅电流镜的管子（M,M）：M的参数与M相同，M

10、的参数可取Wn=10l4l9l922l4uA,Ln=luA,Mutiply=l；为共源共栅电流镜提供偏置的管子（M,M）：M参数可与M取成相同，M22l520l5l4与M19取成相同，将M的栅压偏置为V+V。l4GS20GSl5 两级运放的参数选取第一级（M、M、M、M）：M、M,Wn=40uA,Ln=luA,Mutiply=1；M、lll2l6l7lll2ll6M,Wn=20uA,Ln=luA,Mutiply=l；第二级（M,M,M）：M的参数确定应依据反相器的输入特性，满足0l20%V<VOD0ILV-V-V>VDDOD1OD2IHM的参数取为Wn=80uA,Ln=luA,Mu

11、tiply=l；M°、M参数取为Wp=20uA,Lp=uA,Mutiply=l；l2 反馈回路参数确定M的参数已根据反馈回路抽取的电流确定；M的参数确定应依据反相器的输出特性，满足V -V-V-1V1>VDDOD3OD4GS13OLV -V-V-1V1<VDDOD3OD4TH13OHM的参数可取Wn=10uA,Ln=1uA,Mutiply=1；第二部分电流源设计电流源电路原理设计电路图如下空动电路PTAT电旅产三pFTAT电流产三恒定电流己MMM10.-st1±1±M3Ml4R>=丄：.61)2)图3.电流源实际电路首先由1,2支路产生PTAT电

12、流，经过3支路产生基准电压，再由4支路转换为基准电流。5,6支路为4支路电流的镜像。由于X,Y点电位以及1,2支路电流相等，则：VIn12=VInTITs+IR1解得1,2支路电流(PTAT电流)为:Vlnn二12R1对晶体管：avBEaTVaI+t3(3)iaT3节点M电压为:V二IR+V（4）M32BE因此只要I为正的温度系数，V为负的温度系数，调节R则在一定温度范3BE2围内V的温度系数可以很小（这里忽略电阻温度系数）。M调节支路3,4MOS管的宽长比，可使N电位与M点相同则4支路电流：VI=MN（5）4R3I即为温度系数很小的电流，注意到I与电压源无关，则得到的I也于电4124压源无关

13、，这样再由电流镜镜像可得到不同电流值的基准电流。二器件参数估算：电流分配：*整体静态电流指标：（VDD=，全典型模型，Temp=27°C条件下）60»A,由于电流源要输出10»A电流剩下50uA分配20uA给电流源电路，剩下30uA给过温保护电路。除去启动电路与输出电路，电流源电路还有5条支路，初步给每条支路分配4»A电流。即：I二I二I二4卩A1234参数计算（300K）：初步取n=8，由（2）式:0.026ln84e-6二(6)R1则：R二13.5K01对1，2支路电流有：121 厂rw)卩C2 poxIL丿1,2(V-V(7)GSTH查晶体管模型参

14、数计算得到：rC二7.138e5(8)pox卩Cl2e4(9)nox带入(7)式得：x(VV)2(10)GSTH4e61x7.138e5x2考虑到时电路正常工作，取过驱动电压为，则由(10)解得：71011)由M点温度系数为零，即:0(12)dVkInnBE+dTqR2带入各参数求得:R100.35kQ(13)2VRmn215.65kQ(14)3I4由于各个支路分配电流相等，因此可使3,4支路M0S管宽长比与1,2支路相同。15)对于n管选取:第三部分仿真结果与分析验证设计指标性能参数测试条件参数指标工作电压范围整体静态电流V=，全典型模型，DDTeMp=27°C<60uA电流

15、源指标1V=，全典型模型，DDTeMp=27C(10±2)uA电流源指标2V=，全典型模型，DDTeMp=40C125C(10±2)uA过温保护指标MOSRESBJTVD=所列5中模型下满足：1) 升温翻转温度：(160±5)°C2) 降温翻转温度：(140±5)Cttttss|ssffffsffffstt按照以上设计的电路，用HSPICE软件对其进行仿真，器件模型参数采用M的CMOS工艺。仿真结果如下。1. 整体静态工作电流DCResponseJVOFLUS'0.0123456VdC(J整体静态工作电流大致可分为三个区间VD=0IV,

16、截止区，总静态工作电流为0；v；d二1，线性区，总静态工作电流快速线性增长；V：二，工作区，总静态工作电流比较稳定，随电压的增加缓慢增长。在工作区，总的静态电流I=4858»A,基本满足设计要求(60»A)。Q2. 电流源温度特性虽然电流源随温度增涨近似线性的增加，但是变化率很小AIREFAT0.01卩A/oC10.2卩A-9.15卩A100oC-0oC所以，可以看成是与温度无关的电流源.v二，全典型模型，TeMp=40oC125oC,I二A,可见电流温度特性非常稳定，符合设计要求(I=10±2»A)。REF3.电流源电压特性£QD皿0MeOK

17、FssimaeDCRDG映-KftLG-P1F1U5电流源随电压变化大致可分为三个区间V=0IV,截止区，I为0；REFV)D=i，线性区，I快速线性增长；DDREFvd=，工作区，Iref比较稳定，随电压的增加缓慢增长。在工作区，I=9A,基本满足设计要求(I=10±2»A)。REFREF4.整体电路工艺稳定性DCRBEPDrriB-o.np.rr畑：曲一规W艸丄。-fl.rrp.rTg-a.np.rr(c-i$jji_心am-o.np.rr畑：曲-Cdiwr艸丄。-fl.rrp.rTg-a.np.rr(c-i$jji_心am1i125150175lenip(q如图所示整

18、体电路工艺稳定性比较好，取不同的工艺角进行仿真时，上升翻转温度为158162°C,符合设计要求（160±5。0；下降翻转温度为1391421,符合设计要求（140±5C）。第四部分设计总结我们在设计的过程中将温度保护的参考电路进行了修改，将反馈回路改为直接抽取三极管发射极的电流，这样差动放大器上的两个电阻也可以去除，使电路原理更加简单而且简化了电路。另外，通过将反馈回路M管改为N管（参考电路为P管），节省了一个反相器。这样不仅结构简单，工艺上容易实现，而且对电源电压、工艺参数变化引起的温度阈值的漂移具有较强的抑制能力。HSPICE仿真结果表明，该电路关断和恢复阈值点准确，迟滞的大小可以调节，很好的实现了过温保护的功能，各项指标完全满足设计要求。在此次设计中，我们也遇到了很多困难。一些基础知识掌握的不是很牢固，手工计算的结果与仿真的结果差距比较大。在温度保护电路中