（毕业论文）过热保护电路的设计与仿真.docVIP

第1章 引言 1.1 背景 随着集成电路技术的高速发展，集成电路的应用领域越来越广泛。如果芯片处于长期工作的状态，芯片内部就会积累大量的热量。此外，在电源短接，内部短路等异常情况下，也会因功耗的急剧增大而在芯片内部产生大量的热量，从而超过器件所允许的过热温度点，对芯片产生永久性的损害。 1.2 意义 为了使芯片避免因温度过高而损坏，有必要在芯片内设计过温保护电路以使得芯片能长期，稳定，安全，高效的工作。 1.3 理论依据 本文介绍一种用标准CMOS工艺实现的过温保护电路。在电路设计上，使用了与温度无关的基准电流源，把基准电流源的电流注入到电阻就能形成一个比较准确的电压（不考虑电阻工艺角）,这个电压和感应温度的 进行比较，就能得到芯片是否过热的信息。这种设计的好处在于节省了基准电压源的产生电路，由此带来芯片面积的减小和成本的降低。 第2章 过热保护电路的设计 2.1 几种典型的过热保护电路介绍 2.1.1 利用齐纳二极管的传统过热保护电路 图2-1 利用齐纳二极管的过热保护电路 如图2-1所示，三极管Q的基极电压为： 公式（2-1） 我们知道，三极管的具有负温度系数，而齐纳二极管Dz的：具有正的温度系数。在常温下小于三极管的导通电压，不导通，输出电压为高电平；当温度升高时，增加，减小，使增加，当温度升到一定值时，导通，使输出翻转，变为低电平。 在双极性工艺中，和的温度性能是可靠的，该电路性能是比较高的，但在稳定电压大于7 V时齐纳二极管才具有正的温度系数，在CMOS工艺中很难产生这么高的电压。更重要的是该过热保护电路功耗很大，偏离了低功耗的发展趋势。 图 2-2 PTAT电流源型过热保护电路 该图为该类型OTP的示意图，电流源 对温度很敏感，能表征温度变化，和绝对温度成比例，令： 公式（2-2） 公式（2-3） 其中和是正比例系数，T是绝对温度。当温度升高的时候，电流也随之成比例增加，在PTAT点以及降在上的电压也升高，但不随电源电压变化，而上的结压随着温度的升高而降低 公式（2-5） 所以在某个温度点上，和相等，此温度点为过热温度点。由于其性能表现优越，这种类型的应用比较广泛。2.2 过热保护电路的设计目标 过温保护电路一般分为两个组成部分，第一部分是对芯片内部散热量比较集中的部分进行探测，这部分的目的是把探测到的温度转换为电路可以处理的电信号；第二部分是对已经探测出来的电信号进行处理，使探测出来的电信号能够反映芯片的所处的温度范围是否超过芯片所能承受的最大值，如果超过最大值，就送出一个电平信号，对相应的电路进行关断或者开启处理。一般说来，功率管是最主要的发热源，要完全准确的探测温度是不可能的，因为这样的话，可能就要把热感应器件放置在功率器件内部。现在的大多数芯片都采用了尽量把感应器件放置在功率管附近的方法，这样既能感应热变化，又能方便版图的绘制，本设计也采用了这种方法，把本设计的热感应器件NPN管放在了靠近功率MOS管的地方，以保证最快速度探测芯片所处的实际工作温度。 本论文采用双极性晶体管 的特性来实现对温度的传感。并采用电压比较的方式实现对所感应热信号的处理，通过设计一个与温度无关的基准电流源，把基准电流源的电流注入到电阻就能形成一个比较准确的电压（不考虑电阻）,这个电压和感应温度的 进行比较，就能得到芯片是否过热的信息。这种设计的好处在于节省了基准电压源的产生电路，由此带来芯片面积的减小和成本的降低。 2.4 电路结构，这个电压信号随温度的升高而下降，根据前面的原理分析，需要一个信号与这个电压相比较，就能够达到探测芯片温度的目的。由于本设计在前面设计一个电流基准源，所以只要将这个电流流过电阻就能形成一个基准电压，而且这个基准电压设置也比较方便，通过改变R1与R2的电阻网络以及流过上面的电流大小，就能够设定出一个比较合适的电压值。在上图所示的实际电路图中，M1管控制电阻网络R2是否接入电路，实现迟滞功能。A点的电压与D点的电压通过比较器比较并通过反相器整形输出过热信号。下面具体分析一下芯片过热到恢复的过程： 现在假定芯片由于某种原因而过热，三极管Q1探测到芯片温度已经超过警戒温度，也就是说Q1的温度已经下降到使比较器CMP的输出发生翻转，这个时候，比较器的输出由高电平跳变为低电平，经过反相器整形，输出