一种过温保护电路设计

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1、一种过温保护电路设计第一部分：温度保护电路设计基本原理电路实现1. 过温保护功能的描述2. 迟滞功能的实现3. 比较器的实现三、 各个管子的功能介绍四、 器件参数设计1. 确定 VREF 的值2. 确定反馈抽取电流 I23. 作为电流镜的管子的参数选取4. 两级运放的参数选取5. 反馈回路参数确定第二部分电流源设计电流源电路原理二、 器件参数估算1. 电流分配：2. 参数计算（ 300K） 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.基本原理如图1所示，Q0的作用是检测

2、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 VEB 会降低， 但是由于基极电位是基准电压VREFI，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。OWCCv

3、0VTVKfFlVW2图 1.温度保护电路原理图二.电路实现1 .过温保护功能的描述当管芯温度超过160C时，过温保护电路输出控制信号OUTPUT输出为高电平；直 到温度降至140C时，过温保护电路输出控制信号OUTPUT才重新变为低 电平。L宀一nkIJiilJbIfbJ图2过温保护实际电路2.迟滞功能的实现当温度没有达到过温点时，OUTPUT为低电平，Mi3管关断，流过Q。的电流为L根据三极管发射结电压与电流的关系可知(2)(3)V ebTdelay当温度达到160C，比较器输出变为高电平，Mi3管的栅极变为高电平，打开 进而 M13管，从而流过Q管的电流减少，变为【厂尊，这时11vEB(

4、Q0 =vEB(OT) = vT ln导致VBE(Q0进一步减小，减小的量为Veb(Qo)二VT(lnTnnISVREFIS 温度的迟滞量为:式中A为三极管EB吉电压的温度系数(常温下该值约为一 2mV/K)。o由于迟滞，只有当温度下降到比160C低20C的温度，才能使Veb(oq上升到使比较器翻转。比较器翻转后，输出为低电平，M1：管关闭，如果此时温度在上升，Veb(Q0)必须上升到veb NOMAL) 比较器才会再次翻转，这样就实现迟滞。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Veb(Q0)VVRE时，O

5、UT羽转为高电平。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 的增益。第一级增益：outgm11(2ro 1 1 )Lro1116As 二晋(2ro11Lr16)第二级的增益：从输出节点往上看，Routm2 gmb2ro1 ro2(5)(6)(7)8)从输出节点向下看，所以，有G= Gm m0A/2 = Gm Rout(12)总的增益为Av 二 A/1Av2(13)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，M3、M4以及Qo构成了温度检验电路，其中Mi、M2是低压工作的电流 镜提供了丨i，由于三极

6、管Veb具有负温度系数，基本随温度升高而线性减小，所以Veb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。M5、皿6、 M、M 12 M 16 M 17构成了有源电流镜负载的第一级差动放大器，其中M5、M6是低压 工作的电流镜，M16、M17是有源电流镜负载。M0M 2构成第二级共源级放大器，MM 2 是低压共源共栅电流镜提供尾电流。M7、M8为低压共源共栅电流镜提供偏置，M14、m9与m22构成共源共栅电流镜，将基 准电流镜 像过来作为电流源。M15、M2o为M14的栅压提供偏置。M9与M0, M21与M22分别构成电流 镜。M13、M8是迟滞产生电路，OUTPUT为

7、低电平，M3管关断，反馈回路不抽取电流，三 极管IE=| 1 ；OUTPUT为高电平，M3管打开，反馈回路抽取电流12 (12大小取决于M8、M22构 成的电流镜)。四.器件参数设计整体静态电流指标：(VDD=255.5V,全典型模型，TeMp=27C条件下)60卩 A,由于电流源要输出10卩A电流剩下50卩A分配20卩A给电流源电路，剩 下30卩 A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5卩A,过温保护电路有6条支路初步初步每条支 路分配 5卩A,即11=5卩A 确定Vre的值断开反馈回路，用理想电流源Iss代替12。当Iss=5卩A时，对电路进行直流温度扫 描，

8、扫描区间从-40C -200 C，步长1C，观察三极管Q的VEB。140C 时，Veb=3758mV。所以初步设定 Vref=3758mV。 确定反馈抽取电流12断开反馈回路，用理想电流源Iss代替12。对Iss进行参数扫描，观察Veb=3758m V 所对应的温度。lss=1卩A5卩A,步长1卩A ：lss=1 卩 A T=13341Clss=2 卩 A T=14444Clss=1卩A2卩A,步长0.1卩A ：lss=1.5 卩 A T=139.79C sslss=1.6 卩 A T=140.83C ssIss=l5卩A1.6卩A,步长001（i a :lss=1.51 i A T=1399

9、Csslss=152 i A T=14OO1Css所以，初步确定反馈抽取的电流l2=5i A-1.52 i A=3.48 1A从而可以确定Ml8管 与M22管的宽长比W（）183.4818 W（匸）22若管子M22的宽长比取为2,沟道长度取11 A，并联管字数取为4,即Wn=21 A, Ln二11 A, Mutiply=4，则M18的宽长比取为2,沟道长度取1 i A，并联管 子数 取为 3,即 Wn=2 i A, Ln= 1 i A, 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（M21, M22）:Wn=2iA,Ln二

10、 1i A,Mutiply=4 ；P 型管子（M9, M10）:Wp=11A,Lp=1.11 A, Mutiply=2;低压共源共栅电流镜的管子（MM6）：Wp=201A,Lp=1.11 A, Mutiply=1;为低压共源共栅电流镜提供偏置的管子（M7,M8）：Wp=201A,Lp=1.1 1 A,Mutiply=1 ;共源共栅电流镜的管子（MM19）: M 19的参数与M22相同，M 14的参数可取Wn=10 1A, Ln= 1 1 A, Mutiply=1 ;为共源共栅电流镜提供偏置的管子（M15, M20） : M 15参数可与M 14取成相同，M22与M19取成相同，将M14的栅压偏

11、置为Vgs20+Vgs15。 两级运放的参数选取第一级（Mu、M2、M6、M 17） : M、M2,Wn=40 1 A , Ln二 1 1 A ,Mutiply=1 ; M116、M117,Wn=20 1 A, Ln= 1 1 A , Mutiply=1 ; 第二级的参数确定应依据反相器的输入特性，满足VOD0 :： VILVDD _ VOD1 _VOD2 VIHM0 的参数取为 Wn=80 1 A, Ln二 1 1A, Mutiply=1 ； M、M2 参数取为 Wp=20 1 A , Lp=1.1 1 A , Mutiply=1 ; 反馈回路参数确定M18的参数已根据反馈回路抽取的电流确定

12、；m13的参数确定应依据反相器的输出特性，满足VDD _VOD3 _VOD4 -| VGs13 | VOL-|V 13H：VVDD -VOD3 -VOD4TH13H： OHM13 的参数可取 Wn=10 1 A , Ln= 1 1 A , Mutiply=1 ；电流源电路原理设计电路图如卜MoMsM2M3第二部分电流源设计M10M9M 14M12F?4R3图3 ”电流源实际电路 首先由1,2支路产生PTAT电流，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。+ 1尺IsV In112T解得1,2支路电流（PTAT电流）为:十XiBEcTEgVr 3对晶体管:

13、节点M电压为:由于X,Y点电位以及1,2支路电流相等，则：因此只要13为正的温度系数，Vbe为负的温度系数，调节R2则在一定温度 范围内 Vm的温度系数可以很小（这里忽略电阻温度系数）。调节支路3, 4M0S管的宽长比，可使N电位与M点相同则4支路电流:泌丨4即为温度系数很小的电流，注意到丨12与电压源无关，则得到的丨4也于电压源 无关，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=255.5V，全典型模型，Temp=27C条件下）60卩 A，由于电流源要输出10卩A电流剩下50卩A分配20卩A给电流源电路，剩下30卩A 给过温保护电路。除

14、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卩A电 流。即：112= I 3 = I 4 = 4参数计算（300K）：初步取n=8，由（2）式:0.0261n 8 4e6R1(贝 U: R =13.5K11对1，2支路电流有1I212fw)ApCox2(VGS VTH ) (7)1,2查晶体管模型参数计算得到：CLp=7138e-5oxC 1.2e-4n x=带入（7）式得:4e-6 二丄27.138e-5VGS -Vth2（10）考虑到2.5V时电路正常工作，取过驱动电压为04V,则由（10）解得:7Gp170 ( )11由M点温度系数为零，即:弘皿=0 (12)汀qR2&VMN=21565k(14)1 4由于各个支路分配电流相等，因此可使3,4支路MOS管宽长比与1,2支路相同。对于n管选取：）二丄（15）52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2.55.5V整体静态电流VDD=2