PDF《A BICMOS Thermal-protect Circuit》

一种 BICMOS 过温保护电路 朱章华,来新泉 (西安电子科技大学 CAD 研究所,陕西 西安 710071) 摘要: 提出了一种用于集成电路内部的过温保护电路,采用 0.

8umBICMOS 工艺的 HSPICE 仿真结果 表明,此电路对因工艺参数或电压变化而引起的过温保护阈值漂移有很强的抑制能力,可通过反馈方法带 来20℃迟滞以消除热振荡带来的危害. 关键词: BICMOS;

过温保护;

热振荡 A BICMOS Thermal-protect Circuit ZHU Zhang-hua, LAI Xin-quan (CAD Research Institute Xidian university Xi'an Shaanxi 710071) Abstract: A new thermal protect circuit used in integrate circuit is presented,HSPICE simulation with 0.8um BICMOS process shows that the circuit has excellent ability of process and power rejection in sensitive . A feedback method is used to bring 20℃ hysteresis and avoid the problem of thermal oscillation. key words: BICMOS;

thermal-protect;

thermal oscillation

1 引言 由于集成稳压器电路中大多集成了高压功率输出电路,耗散的功率往往较大.当环境温度过高 或出现电源短路和内部短路等某些异常情况时,功耗会急剧增大、管芯温度过高,致使芯片快速老 化甚至永久性损坏[1] .因此为了防止上述情况,需要在芯片内部增加过温保护电路.传统的过温保 护电路一般基于双级工艺来实现,而本文设计了一种与标准BICMOS工艺兼容的低功耗过温保护电 路,其过温保护点随电源变化较小,且采用了热滞回设计以防止热振荡现象,迟滞温度为 20℃.

2 常用过热保护电路及其原理 图1是传统过温保护电路的原理图.为了检测温度的变化,利用了PTAT电流以及纵向PNP的pn结 电压对温度敏感的特性.由于PN结正向导通电压具有负温度系数,而偏置电流具有正温度系数,从 而组成一个温度传感器,时刻感应温度的变化.随着工作温度的升高,PN结电压即VA会越来越低, 而电阻上的电压即VB将越来越高,当VB>VA时,比较器输出发生翻转,热保护控制信号OTDET输出为高 电平, 芯片进入热关断状态;

当芯片温度降至热关 断触发点时, 芯片又再次正常工作. 热滞回的实现 利用了由M4和R2组成的正反馈结构.热滞回阈值的 详细推导可参考文献2和3,此处不再详述. 图1过温保护电路原理图 Figure

1 The Thermal-Protect Circuit 实际上, 在电流在传递过程中, 由于电源电压 的变化, MOS 管的衬底偏置效应将导致电流传递不 精准, 从而对过温保护温度及其迟滞产生较大的影 响.

3 BICMOS 电路结构设计 图3是本文提出的基于BICMOS工艺的过温保护电路示意图,主要由四部分构成:启动电路、带 隙基准电压产生电路、正温度系数电流产生电路和温度判定与反馈电路,其中带隙基准电路为传统 典型结构,设置相应电路参数,可使带隙基准电压Vref呈零温度特性 [4] .由于此带隙基准电路在电源 刚上电时,晶体管均传输零电流,并无限期地保持关断,所以必需通过增加一个启动电路,如图

3 左边电路所示.当电源上电时,由于M6 的栅极电压为低电平,M3 导通并将M6 的栅极电压抬高,当PATA电路正常工作时,M6 的栅极电压与M3 的栅极电压差值小于一个阈值电压,因而关断M3 管,将 启动电路与带隙基准电路断开. 中间电路为正温度系数电流产生电路. M9~M15组成两级运算放大器, 电容C1是米勒补偿电容, R3为调零电阻,用来保证整个负反馈环路的单位增益带宽积小于其他的极点.放大器输出电压对 M18栅极电压的调整,使电阻R5上的电压钳制在Vref,即IR5=Vref/R1,因Vref呈零温度特性,电阻是扩 散型负温度系数电阻,所以IR5为正温度系数电流.M16~M17和R4构成低电压自偏置共源共栅电流 镜电路,这样既可以减小沟道长度调整效应对电源的依赖性又可增大电源电压的工作范围. 右边电路为温度判定与反馈电路.假设在正常工作条件下,过温检测三级管 Q6 关断,则A点电位为高电平,经三个非门输出整形得到过温检测信号 OTDET=0,此时 B 点电位为高电平,M25 导通,三极管 Q6 的BE 电压为: 图2BICMOS 下的过温保护电路 Figure