可用于音频功放的过温保护电路设计

中心议题：

• 过高的工作温度对芯片工作性能
• 可用于音频功放的过温保护电路设计

解决方案：

• 过温保护电路来保障芯片安全
• 标准CMOS工艺实现的过温保护电路

在集成电路芯片工作的过程中，不可避免地会有功率损耗，而这些功率损耗中的绝大部分将转换成热能散出。在环境过高、短路等异常情况下，会导致芯片内部的热量不能被及时散出，从而不可避免地使芯片工作温度上升。过高的工作温度对芯片工作性能、可靠性和安全性都有很大的影响。研究表明，芯片温度每升高 1℃，MOS管的驱动能力将下降约为4％，连线延迟增加5％，集成电路失效率增加一倍，因此芯片内部必须要有过温保护电路来保障芯片安全。

文中将介绍一种可用标准CMOS工艺实现的过温保护电路。在电路设计上，使用了与温度成正比的电流源(PTAT电流)和具有负温度系数的PNP管(CMOS工艺中寄生)结电压作为两路差动的感温单元。这种差动的传感方式，可以提高电路对温度变化反应的灵敏度，同时，其具有的迟滞功能，可以有效的避免热振荡对芯片的损坏。

1 架构原理分析

1．1 工作原理分析
图1为本设计的原理架构，Q1为NWELLCMOS工艺中寄生PNP三极管，其集电极是必须与地点位连接，为了利用寄生PN结导通正向导通电压的负温度特性，把Q1做二极管连接(基集也接到地)，这样A点和地之间的电压VA就具有了PN结正向电压的与温度成反比的性质。由于基准电路输出的偏置电压加在M0、M1、M5的栅极上，则其所在支路上都会产生PTAT电流 (Proportional to Abso-lute Temperature)；在提供偏置的同时，也在电阻R0上产生了与温度成正比的电压VB即B点电压随之增大。当达到某一温度TH(设定的关断温度) 后，VH≥VA、比较器Comp输出高电平，经过倒相器INV后，输出TSD为低电平；此信号作用于电路的其它模块后，使整个芯片停止工作，实现热保护功能。同时，TSD信号正反馈作用于M2栅上，开启M2，加大了电阻R0上电流，使VB更高。

在芯片被热保护，停止工作后，芯片上的温度会从TH下降，使得A点电压VA慢慢上升，B点电压VB慢慢下降。由于先前TSD的正反馈作用已经使VB升高，因此在这种状态下，要出现VA≥VB使比较器输出翻转情况就需要A点有比先前的电压VA更大的电压，相应地使得下降时翻转点对应的恢复温度TL也会比TH 低。当温度低于TL后，VB≥VA，通过比较器作用后，会使TSD输出高电平，使芯片恢复工作。同时，TSD信号仍然会再次正反馈作用于M2栅上，关断 M2，进一步减小了电阻R0上的电流，使VB更低。

整个工作过程中，TSD的正反馈起到了迟滞的作用。使得正常工作时，TSD输出高电平作用于电路其它模块。当温度过高时，TSD输出低电平作用于电路其它模块，使芯片停止工作，保护芯片。

1．2 温度翻转点的计算
A点的电压VA为PN结两边电压，PN结电压的表达式可写为

式中VG为带隙电压，γ和α为器件参数，A代表了那些方程推到过程中与温度无关的常量。因为Vt=kt／q，可以得到VBE随温度上升是降低的。其关于温度变化的方程为

如果忽略由温度变化引起lnT项变化对式(2)的影响，dVBE／dT可近似等于常数C0。常温下C0约为－2 mV／K。为了简化计算，则PN结关于温度的变化方程可近似线性为

B点的电压为电阻上的电压，可由欧姆定理计算得到。计算温度上升翻转点TH，当温度上升时，由前分析可知，TSD为高电平，M2截止。因此流入R0的电流只有I1一路。此状态下VB电压的表达式为