一种高精度低功耗的 BiCMOS 过温保护电路

引 言

随着现代中大规模集成电路的集成度不断提高，电路功耗及其稳定性已成为影响芯片性能好坏的重要因素。当芯片内部电路由于电源短接、线路短路或重负载等情况而引起功耗增加，造成芯片内部温度上升，晶体管 PN 结可能因为过温而产生热击穿，导致芯片不可逆转的永久失效 [1]。过温保护电路（Over Temperature Protection，OTP）能够时刻检测芯片内部温度，当温度高于设定阈值温度时自动关断芯片系统，防止芯片内部各模块由于过温造成大面积损坏。因此过温保护电路目前已被广泛应用于 A/D，D/A，锁相环，电源管理芯片等中大规模集成电路 [2]。

传统过温保护电路的设计思路是利用双极型晶体管的温度特性来检查芯片工作温度，产生与温度呈正相关的电流作用到电阻上得到温度检测电压，通过电压比较器使温度检测电压与系统设置的无温度系数的带隙基准电压进行比较，当温度检测电压高于带隙基准电压时，芯片系统关断，实现过温保护功能 [3]。传统过温保护电路工作原理如图 1 所示。其 中，IP1 和 IP2 为正温度系数电流，正常温度时 OTP_OUT 输出高电平，NMOS 管 M1 导通，电阻 R2 被短路，VN<VP。当系统温度上升至过温临界温度时，VN>VP，OTP_OUT 输出低电平，过温保护电路关断其他模块。此时 M1 管截止， VN=IP1 ·（R1+R2）。随着工作温度逐步降低，VN 随之减小，当 VN<VP 时 OTP_OUT 输出高电平，电路重新工作。M1 管和电阻 R2 产生迟滞温度，避免芯片由于温度波动被反复关断 [4]。

1 过温保护电路原理架构

本文基于 0.25 μm BCD 工艺库，提出了一种高精度低功耗的过温保护电路。利用双极型晶体管的温度特性来检测系统温度并且实现过温保护关断功能，以代替传统电压比较器架构。电路结构简单，功耗较低。

本文提出的过温保护电路原理如图 2 所示。正常温度下 OTP_OUT 输出低电平，NMOS 管 M1 导通，R2 被短路， VE=IP1R1，VE<VBE，Q1 管截止。随着温度升高，IP1 随之增大，当温度超过临界温度时，VE>VBE，Q1 管开始进入深度饱和区，Q1 管的集电极电压由低电平转为高电平，OTP_OUT 输出高电平，过温保护功能启动。此时 M1 管截止， VE=IP1 ·（R1+R2）。当温度降低到临界温度以下时，VE<VBE，过温保护电路 OTP_OUT 输出低电平，电路重新工作。M1 管、电阻 R1 和施密特触发器实现迟滞功能。

2 过温保护电路

本文提出的过温保护电路如图 3 所示。电路分为启动电路、温度检测电流产生电路、过温保护核心电路、迟滞电路。

2.1 启动与温度检测电流产生电路

启动与温度检测电流产生电路由 M1 ～ M5 管，Q1，Q2以及 R1 组成。当芯片偏置电流模块供给 OTP 模块的启动电流 IBIAS 为 1.2 μA 时，OTP 模块正常工作。IBIAS 通 过M1 ～ M4 管所组成的电流镜结构复制给温度检测电流产生模块，通过调节 M1 ～ M4 管的沟道宽长比可以得到大小合适的启动电流。Q1，Q2 为发射结面积为 1∶8 的 NPN 管，可知 [5] ：

由此可见，IR1 为正比例温度系数电流，可用于芯片内部温度检测。

2.2 过温保护核心电路

过温保护核心电路由 M6 ～ M8 管，R2，R3 和 Q3 组成。

正常温度下 OTP_OUT 输出低电平，M8 管导通 R3 被短路， VA 大小为 ：

此时 VA 小于 Q3 管的开启电压，Q3 管的集电极电压为低电平。随着温度升高至临界温度时，VA 大于 Q3 管的开启电压，Q3 管进入深度饱和区 [7]。其集电极电压跳变为高电平， M8 管截止，过温保护功能启动，此时 VA 为 ：

当温度重新低于临界温度时，Q3 管集电极电压跳变为低电平，过温保护功能关闭，电路正常工作。

2.3 迟滞电路

为了避免由于温度波动而造成反复关断，施密特触发器、 M8 和 R3 构成的反馈控制电路产生迟滞特性 [8]，图 4 所示为施密特触发器内部电路。

3 仿真结果分析

本文提出的高精度低功耗 BiCMOS 过温保护电路采用UMC0.25 μm BCD 工艺库设计，使用 Hspice 软件进行仿真分析，仿真结果如图 5 ～图 7 所示。

图 5 为本文提出的过温保护电路温度特性曲线。从图中可以看出，在温度上升过程中，当工作温度高于 100.02 ℃时，过温保护电路输出由低电平跳变为高电平，过温保护功能启动 ；在温度下降过程中，当工作温度低于 92 ℃时，过温保护电路由高电平跳变为低电平，过温保护功能关闭，芯片其他模块正常工作。

图 6 为过温保护电路的温度迟滞特性曲线。从图中可以看出，在温度上升过程和温度下降过程中的过温保护电路输出跳变门限电压存在迟滞特性，并且迟滞温度 ΔT=10 ℃，避免芯片由于温度波动而反复关断。 图 7 为过温保护电路静态功耗曲线。从图中可以看出，当过温保护电路处于静态工作时，静态电流的范围为8.07 ～ 8.85 μA，满足了低功耗的设计要求。

4 结 语

本文提出了一种高精度低功耗的过温保护电路，采用UMC0.25 μm BCD 工艺库进行设计。利用双极型晶体管的温度特性和阈值电压来检测芯片工作温度和控制芯片的过温关断。当芯片内部温度高于设定临界温度时，过温保护电路输出高电平，实现过温保护功能。当温度低于设定临界温度时，过温保护电路输出低电平，电路正常工作。温度上升和下降过程中跳变门限电压设有迟滞特性，避免芯片由于温度波动反复关断。本文提出的过温保护电路可满足高精度、低功耗的过温保护要求。