一种过温保护电路设计

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：温度保护电路设计一、基本原理二、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）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；直到温度降至140℃时，过温保护电路输出控制信号OUTPUT才重新变为低电平。I1I2Q0M13M11M16M1M2M15M14M0M12M10M9M8M7M6M5M4M3M22M21M20M19M18M17OUTPUT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，M13管关断，流过QO的电流为I1。根据三极管发射结电压与电流的关系可知01()()lnEBQEBNOMALTIVVVIs（1）当温度达到160℃，比较器输出变为高电平，M13管的栅极变为高电平，进而打开M13管，从而流过Q0管的电流减少，变为I1-I2，这时012()()lnEBQEBOTTIIVVVIs（2）导致VBE(Q0)进一步减小，减小的量为0112()(lnln)EBQTIIIVVIsIs（3）温度的迟滞量为：0EBdelayVTA（4）式中A0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160C低20C的温度，才能使VEB（OT）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，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）VREF时，OUT翻转为高电平。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：112mmgG（5）1116(2)outooRrr（6）1111116[(2)]2mvoogArr（7）第二级的增益：从输出节点往上看，2212()mmboooutRggrr（8）从输出节点向下看，0ooutRr（9）所以，有'0mmGG（10）VREF'22120()outmmboooRggrrr（11）''2vmoutAGR（12）总的增益为12vvvAAA（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Q0构成了温度检验电路，其中M1、M2是低压工作的电流镜提供了I1，由于三极管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、M6、M11、M12、M16、M17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。M0～M2构成第二级共源级放大器，M1～M2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、M19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、M20为M14的栅压提供偏置。M9与M10，M21与M22分别构成电流镜。M13、M18是迟滞产生电路，OUTPUT为低电平，M13管关断，反馈回路不抽取电流，三极管IE=I1；OUTPUT为高电平，M13管打开，反馈回路抽取电流I2（I2大小取决于M18、M22构成的电流镜）。四．器件参数设计整体静态电流指标：（VDD=2.5~5.5V，全典型模型，TeMp=27℃条件下）60μA，由于电流源要输出10μA电流剩下50μA分配20μA给电流源电路，剩下30μA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5μA，过温保护电路有6条支路初步初步每条支路分配5μA，即I1=5μA①确定VREF的值断开反馈回路，用理想电流源ISS代替I2。当ISS=5μA时，对电路进行直流温度扫描，扫描区间从-40℃-200℃，步长1℃，观察三极管Q0的VEB。140℃时，VEB=375.8mV。所以初步设定VREF=375.8mV。②确定反馈抽取电流I2断开反馈回路，用理想电流源ISS代替I2。对ISS进行参数扫描，观察VEB=375.8mV所对应的温度。ISS=1μA～5μA，步长1μA：ISS=1μAT=133.41℃ISS=2μAT=144.44℃ISS=1μA～2μA，步长0.1μA：ISS=1.5μAT=139.79℃ISS=1.6μAT=140.83℃ISS=1.5μA～1.6μA，步长0.01μA：ISS=1.51μAT=139.9℃ISS=1.52μAT=140.01℃所以，初步确定反馈抽取的电流I2=5μA-1.52μA=3.48μA从而可以确定M18管与M22管的宽长比1822()3.485()WLWL若管子M22的宽长比取为2，沟道长度取1μA，并联管字数取为4，即Wn=2μA，Ln=1μA，Mutiply=4，则M18的宽长比取为2，沟道长度取1μA，并联管子数取为3，即Wn=2μA，Ln=1μA，Mutiply=3③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=2μA，Ln=1μA，Mutiply=4；P型管子（M9，M10）：Wp=1μA，Lp=1.1μA，Mutiply=2；低压共源共栅电流镜的管子（M1～M6）：Wp=20μA，Lp=1.1μA，Mutiply=1；为低压共源共栅电流镜提供偏置的管子（M7，M8）：Wp=20μA，Lp=1.1μA，Mutiply=1；共源共栅电流镜的管子（M14，M19）：M19的参数与M22相同，M14的参数可取Wn=10μA，Ln=1μA，Mutiply=1；为共源共栅电流镜提供偏置的管子（M15，M20）：M15参数可与M14取成相同，M22与M19取成相同，将M14的栅压偏置为VGS20+VGS15。④两级运放的参数选取第一级（M11、M12、M16、M17）：M11、M12,Wn=40μA，Ln=1μA，Mutiply=1；M116、M117,Wn=20μA，Ln=1μA，Mutiply=1；第二级(M0,M1,M2):M0的参数确定应依据反相器的输入特性，满足0ODILVV12DDODODIHVVVVM0的参数取为Wn=80μA，Ln=1μA，Mutiply=1；M1、M2参数取为Wp=20μA，Lp=1.1μA，Mutiply=1；⑤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；M13的参数确定应依据反相器的输出特性，满足3413||DDODODGSOLVVVVV3413||DDODODTHOHVVVVVM13的参数可取Wn=10μA，Ln=1μA，Mutiply=1；第二部分电流源设计一．电流源电路原理设计电路图如下图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。由于X,Y点电位以及1,2支路电流相等，则：12121lnlnTTssIInVVIRII（1）解得1,2支路电流（PTAT电流）为：121lnTVnIR（2）对晶体管：334gBETBETEVmVIVVqTTIT（3）节点M电压为：32MBEVIRV（4）因此只要I3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）。M0M1M11M6M9M5M4M3M2M14M13M12M10M8M7Q2Q1Q0R2R3R4R1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：43MNVIR（5）I4即为温度系数很小的电流，注意到I12与电压源无关，则得到的I4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：○1电流分配：整体静态电流指标：（VDD=2.5~5.5V，全典型模型，Temp=27℃条件下）60μA，由于电流源要输出10μA电流剩下50μA分配20μA给电流源电路，剩下30μA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4μA电流。即：12344IIIA○2参数计算（300K）：初步取n=8，由（2）式：10.026ln846eR（6）则：113.5RK对1，2支路电流有：2121,212poxGSTHWICVVL（7）查晶体管模型参数计算得到：7.1385poxCe（8）1.24noxCe（9）带入（7）式得：21467.13852GSTHWeeVVL（10）考虑到2.5V时电路正常工作，取过驱动电压为0.4V，则由（10）解得：710pWL（11）由M点温度系数为零，即：2ln0BEVknTqR（12）带入各参数求得：2100.35Rk（13）34215.65MNVRkI（14）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：12nWL（15）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2.5～5.5V整体静态电流VDD==2.5~5.5V，全典型模型，TeMp=27℃60μA电流源指标1VDD==2.5~5.5V，全典型模型，TeMp=27℃(10±2)μA电流源指标2VDD==3.6V，全典型模型，TeMp=－40℃~125℃(10±2)μA过温保护指标MOSRESBJTVDD=3.6V所列5中模型下满足：1）升温翻转温度：(160±5)℃2）降温翻转温度：(140±5)℃ttttssssffffsffffstt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0.5μM的CMOS工艺。仿真结果如下。1.整体静态工作电流整体静态工作电流大致可分为三个区间VDD=0～1V,截止区，总静态工作电流为0；VDD=1～2.5V,线性区，总静态工作电流快速线性增长；VDD=2.5～5.5V,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IQ=48～58μA，基本满足设计要求（60μA）。2.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10.29.150.01/1000oREFooIAAACTCC所以，可以看成是与温度无关的电流源.VDD=3.6V，全典型模型，TeMp=－40℃