CN104679092A - 宽电源电压的过温迟滞保护电路 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种宽电源电压的过温迟滞保护电路,由启动电路模块、IPTAT电流产生电路模块、基准电压模块、过温检测模块以及级联反相器模块所组成,其中,启动电路模块的输出电流提供给IPTAT电流产生电路模块的输入端,IPTAT电流产生电路模块的输出电压提供给基准电压模块的输入端和过温检测模块的输入端V1,基准电压模块的输出Vref提供给过温检测模块的输入端V2和启动电路模块的输入端,过温检测模块的输出电压提供给级联反相器模块的输入端;级联反相器模块的输出电压V3提供给过温检测模块的输入端V4;本发明使电压基准模块和过温检测模块能够精确的镜像IPTAT电流,减小它们之间电流的误差,使跳变的温度几乎没有偏移,提高电源电压的输入范围。
Description
技术领域
本发明涉及集成电路技术领域,具体为一种适用于宽电源电压的过温迟滞保护电路。
背景技术
过温保护(Over-Temperature-Protection,OTP)电路作为现代电源管理芯片中不可或缺组成部分,其特点在于工作过程中如果电路温度超过阈值TH,电路产生一个关断功率管等器件的信号;当温度恢复到TL,电路产生一个开启功率管的信号。OTP电路的主要技术指标包括:电源电压范围、热振荡性等。
图1是一种现有的OTP电路结构。其中M1-M4、Q0、Q1、以及电阻R0构成一个与绝对温度成正比(Proportional To Absolute Temperature,PTAT)的电流产生电路。M5、R1以及Q3构成基准电压电路;M6、M7、R2、R3以及电压比较器COMP构成过温检测电路;最后两个模块是反相器。
这种电路结构存在三个缺点:第一,该电路缺少启动电路。如果由于某种原因M1的栅极电压为高电平,M3的栅极电压为低电平,那么整个电路则无法正常的工作。第二,所产生的PTAT电流随温度线性不够好。因为在流片时每个MOS管不可能完全匹配,会存在一定的失配,这使得MOS管的阈值电压略微不同;为了使得流过M3和M4的电流相等,根据MOS管工作在饱和区的电流公式:
可知它们的栅源电压就不相等,而它们有相同的栅极电压,所以它们的源极电压就不相等,这会导致由Q0和Q1、R0所产生的PTAT电流随温度线性性不够好。第三,M2和M5以及M2和M6构成的电流镜精度不高。虽然M2、M5以及M6有相同的栅源电压,但是它们的漏极电压并不相同,根据MOS管工作在饱和区的电流公式(1)知,流过M2、M5以及M6的电流并不相等。这会导致在不同电源电压下它的跳变温度不够稳定。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点,本发明的目的在于提供一种宽电源电压的过温迟滞保护电路,由启动电路模块、IPTAT电流产生电路模块、基准电压模块、过温检测模块以及级联反相器模块所组成,其中,启动电路模块的输出电流提供给IPTAT电流产生电路模块的输入端,IPTAT电流产生电路模块的输出电压提供给基准电压模块的输入端和过温检测模块的输入端V1,基准电压模块的输出Vref提供给过温检测模块的输入端V2和启动电路模块的输入端,过温检测模块的输出电压提供给级联反相器模块的输入端;级联反相器模块的输出电压V3提供给过温检测模块的输入端V4。
作为优选方式,所述启动电路模块由MOS管M0、M1、M2管所组成,其中,MOS管M0的源端接电源Vdd,MOS管M0栅极接MOS管M1的栅极,MOS管M0漏极接MOS管M1的漏极,MOS管M1源极接地GND,MOS管M1漏极接MOS管M2的栅极,MOS管M2的源极接地GND,MOS管M2的漏极接IPTAT电流产生电路模块的输入端。
作为优选方式,所述IPTAT电流产生电路模块由MOS管M3、M4、M5、M6和电阻R0以及晶体管Q0、Q1和运算放大器A0所构成,其中,MOS管M3的源极接电源Vdd,MOS管M3的栅极接MOS管M4的栅极,MOS管M3的漏极接MOS管M5的漏极,MOS管M4的源极接电源Vdd,MOS管M4的栅极接MOS管M6的漏极,MOS管M4的栅极接启动电路模块电流输出端,MOS管M4的漏极接MOS管M6的漏极,MOS管M5的源极接晶体管Q1的发射极,MOS管M5的栅极接放大器A0的输出,MOS管M6的源极接电阻R0的上端,MOS管M6的栅极接放大器A0的输出,放大器A0的同相输入端接电阻R0的上端,反相输入端接晶体管Q0的发射极,放大器A0的输出端接MOS管M5的栅极,电阻R0的下端接晶体管Q1的发射极,晶体管Q1的基极接地GND,晶体管Q1的集电极接地GND,晶体管Q0的基极接地GND,晶体管Q0的集电极接地GND。
作为优选方式,所述基准电压模块由MOS管M7、M9和电阻R1、晶体管Q3以及运算放大器A1所构成,其中,MOS管M7的源极接电源Vdd,MOS管M7的栅极接IPTAT电流产生电路模块的输出电压V1,MOS管M7的漏极接MOS管M9的源极,MOS管M9的栅极接运算放大器A1的输出,MOS管M9的漏极接电阻R1的上端,电阻R1的下端接晶体管Q3的发射极,晶体管Q3的基极接地GND,晶体管Q3的集电极接地GND,运算放大器A1的同相输入端+接MOS管M7的栅极,运算放大器A1的反相输入端-接MOS管M9的源极,运算放大器A1的输出端接MOS管M9的栅极。
作为优选方式,所述过温检测模块由MOS管M8、M10、M13和电阻R2、R3、运算放大器A2以及电压比较器COMP,其中,MOS管M8的源极接电源Vdd,MOS管M8的栅极接IPTAT电流产生电路模块的电压输出端,MOS管M8的漏极接MOS管M10的源极,MOS管M10的栅极接放大器A2的输出,MOS管M10的漏极接电阻R2的上端,电阻R2的下端接电阻R3的上端,电阻R3的上端接MOS管M13的漏极,电阻R3的下端接地GND,MOS管M13的源极接地GND,MOS管M13的栅极接级联反相器模块的输出电压端V3,运算放大器A2的同相输入端接MOS管M8栅极,反相输入端接MOS管M8的漏极,输出端接MOS管M10的栅极,比较器COMP的同相输入端接MOS管M10的漏极,反相输入端接基准电压模块的输出Vref,输出端Vout接级联反相器模块的输入端。
作为优选方式,所述级联反相器模块由MOS管M11、M12、M14、M15管所组成,其中,MOS管M11的源极接电源Vdd,MOS管M11的栅极接过温检测模块的输出端,MOS管M11的漏极接MOS管M15的漏极,MOS管M15的源极接地GND,MOS管M15的栅极接过温检测模块的输出端,MOS管M12的源极接电源Vdd,MOS管M12的栅极接MOS管M11的漏极,MOS管M12的漏极接MOS管M14的漏极,MOS管M14的源极接地GND,MOS管M14的栅极接MOS管M11的漏极。
现有通用的OTP电路在不同电源电压下仿真结果如下表:
表1一种通用OTP电路在不同电源电压下仿真结果
电源电压Vdd(V) | 上跳温度TH(℃) | 下跳温度TL(℃) |
4.5 | 110 | 94 |
5 | 109 | 92 |
5.5 | 108 | 88 |
本发明的保护电路的仿真结果图见图6,从图6中可知,在较大电源电压范围内,当温度达到120°时产生关断信号,当温度恢复到100°时产生开启信号,实现对整个电路保护的目的,从仿真结果看电源电压从2-4V变化时跳变温度的变化量都在2℃之内;而表1的电源电压从4.5-5.5V变化时,其跳变温度的变化量甚至达到6℃,很明显本发明提高了电源电压的范围以及稳定了跳变温度。
如上所述,本发明具有以下有益效果:本发明通过采用钳位后的电流镜,使得电压基准模块和过温检测模块能够精确的镜像IPTAT电流,减小它们之间电流的误差,从而使得跳变的温度几乎没有偏移,进而提高电源电压的输入范围。
附图说明
图1为一种现有的OTP电路结构图。
图2为本发明的宽电源电压过温迟滞保护电路方框图。
图3为本发明的宽电源电压过温迟滞保护电路的结构图。
图4为本发明中运算放大器A0、A1、A2的电路结构图。
图5为本发明中比较器COMP的电路结构图。
图6为本发明的宽电源电压过温迟滞保护电路的仿真结果图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式,本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用,本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用,在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
如图所示2,本发明提供一种宽电源电压的过温迟滞保护电路,由启动电路模块、IPTAT电流产生电路模块、基准电压模块、过温检测模块以及级联反相器模块所组成,其中,启动电路模块的输出电流提供给IPTAT电流产生电路模块的输入端,IPTAT电流产生电路模块的输出电压提供给基准电压模块的输入端和过温检测模块的输入端V1,基准电压模块的输出Vref提供给过温检测模块的输入端V2和启动电路模块的输入端,过温检测模块的输出电压提供给级联反相器模块的输入端;级联反相器模块的输出电压V3提供给过温检测模块的输入端V4。
如图3所示,所述启动电路模块由MOS管M0、M1、M2管所组成,其中,MOS管M0的源端接电源Vdd,MOS管M0栅极接MOS管M1的栅极,MOS管M0漏极接MOS管M1的漏极,MOS管M1源极接地GND,MOS管M1漏极接MOS管M2的栅极,MOS管M2的源极接地GND,MOS管M2的漏极接IPTAT电流产生电路模块的输入端。
如图3所示,所述IPTAT电流产生电路模块由MOS管M3、M4、M5、M6和电阻R0以及晶体管Q0、Q1和运算放大器A0所构成。其中,MOS管M3的源极接电源Vdd,MOS管M3的栅极接MOS管M4的栅极,MOS管M3的漏极接MOS管M5的漏极,MOS管M4的源极接电源Vdd,MOS管M4的栅极接MOS管M6的漏极,MOS管M4的栅极接启动电路模块电流输出端,MOS管M4的漏极接MOS管M6的漏极,MOS管M5的源极接晶体管Q1的发射极,MOS管M5的栅极接放大器A0的输出,MOS管M6的源极接电阻R0的上端,MOS管M6的栅极接放大器A0的输出,放大器A0的同相输入端接R0的上端,反相输入端接晶体管Q0的发射极,放大器A0的输出端接MOS管M5的栅极,电阻R0的下端接晶体管Q1的发射极,晶体管Q1的基极接地GND,晶体管Q1的集电极接地GND,晶体管Q0的基极接地GND,晶体管Q0的集电极接地GND。
如图3所示,所述基准电压模块由MOS管M7、M9和电阻R1、晶体管Q3以及运算放大器A1所构成,其中,MOS管M7的源极接电源Vdd,MOS管M7的栅极接IPTAT电流产生电路模块的输出电压V1,MOS管M7的漏极接MOS管M9的源极,MOS管M9的栅极接运算放大器A1的输出,MOS管M9的漏极接电阻R1的上端,电阻R1的下端接晶体管Q3的发射极,晶体管Q3的基极接地GND,晶体管Q3的集电极接地GND,运算放大器A1的同相输入端接MOS管M7的栅极,运算放大器A1的反相输入端接MOS管M9的源极,运算放大器A1的输出端接MOS管M9的栅极。
如图3所示,所述过温检测模块由MOS管M8、M10、M13和电阻R2、R3、运算放大器A2以及电压比较器COMP,其中,MOS管M8的源极接电源Vdd,MOS管M8的栅极接IPTAT电流产生电路模块的电压输出端,MOS管M8的漏极接MOS管M10的源极,MOS管M10的栅极接放大器A2的输出,MOS管M10的漏极接电阻R2的上端。电阻R2的下端接电阻R3的上端,电阻R3的上端接MOS管M13的漏极,电阻R3的下端接地GND,MOS管M13的源极接地GND,MOS管M13的栅极接级联反相器模块的输出电压端V3,运算放大器A2的同相输入端接MOS管M8栅极,反相输入端接MOS管M8的漏极,输出端接MOS管M10的栅极,比较器COMP的同相输入端接MOS管M10的漏极,反相输入端接基准电压模块的输出Vref,输出端Vout接级联反相器模块的输入端。
如图3所示,所述级联反相器模块由MOS管M11、M12、M14、M15管所组成,其中,MOS管M11的源极接电源Vdd,MOS管M11的栅极接过温检测模块的输出端,MOS管M11的漏极接MOS管M15的漏极,MOS管M15的源极接地GND,MOS管M15的栅极接过温检测模块的输出端,MOS管M12的源极接电源Vdd,MOS管M12的栅极接MOS管M11的漏极,MOS管M12的漏极接MOS管M14的漏极,MOS管M14的源极接地GND,MOS管M14的栅极接MOS管M11的漏极。。
如图4所示,所述运算放大器A0、A1、A2由MOS管M16-M26、电阻R4以及电容C0所组成。其中,MOS管M16的源极接电源Vdd,MOS管M16的栅极接MOS管M17的源极,MOS管M16的漏极接MOS管M17的源极,MOS管M17的栅极接MOS管M18的源极,MOS管M17的漏极接MOS管M18的源极,MOS管M18的栅极接MOS管M18的漏极,MOS管M18的漏极电阻R4的上端,电阻R4的上端同时接MOS管M24的栅极和MOS管M26的栅极,下端接MOS管M19的漏端,MOS管M19的源极接地GND,MOS管M19的栅极接MOS管M19的漏极,MOS管M24的源极接地GND,MOS管M24的漏极接MOS管M22和MOS管M23的源极,MOS管M22的栅极作为反相输入Vin-,MOS管M22的漏极接MOS管M20的漏极,MOS管M23的栅极作为同相输入Vin+,MOS管M23的漏极接MOS管M21的漏极,MOS管M20的源极接电源Vdd,MOS管M20的栅极接MOS管M22的漏极,MOS管M21的源极接电源Vdd,栅极接MOS管M20的栅极,电容C0的上端接MOS管M21的漏极,电容C0的下端接MOS管M25的漏极,MOS管M25的源极接电源Vdd,MOS管M25的栅极接MOS管M21的漏极,MOS管M25的漏极接MOS管M26的漏极,MOS管M26的源极接地GND。
如图5所示,所述电压比较器COMP由MOS管M27-M37以及电阻R5所组成,其中,MOS管M27的源极接电源Vdd,MOS管M27的栅极接MOS管M28的源极,MOS管M27的漏极接MOS管M28的源极,MOS管M28的栅极接MOS管M29的源极,MOS管M28的漏极接MOS管M29的源极,MOS管M29的栅极接MOS管M29的漏极,MOS管M29的漏极接电阻R5的上端,电阻R5的上端接MOS管M35的栅极,电阻R5的下端接MOS管M30的漏极,MOS管M30的源极接地GND,MOS管M30的栅极接MOS管M30的漏极,MOS管M35的源极接地GND,MOS管M35的栅极接MOS管M29的漏极,MOS管M35的漏极接MOS管M33的源极,MOS管M33的栅极作为反相输入Vin-,MOS管M33的漏极接MOS管M31的漏极,MOS管M34的源极接MOS管M35的漏极,MOS管M34的栅极作为同相输入Vin+,MOS管M34的漏极接MOS管M32的漏极,MOS管M31的源极接电源Vdd,MOS管M31的栅极接MOS管M33的漏极,MOS管M32的源极接电源Vdd,MOS管M32的栅极接MOS管M31的栅极,漏极接MOS管M36的栅极,MOS管M36的源极接电源Vdd,MOS管M36的漏极接MOS管M37的漏极,MOS管M37的源极接地GND,MOS管M37的栅极接MOS管M29的漏极。
图2是本发明电路的方框图。由于OTP电路电源电压的输入范围和IPTAT电流产生电路以及电流镜像电路的精确度有关。所以,为了提高IPTAT电流的精度,如图3所示,采用一个运算放大器A0对PTAT电流产生电路的M5和M6的源极进行钳位,从而可以产生一个与电源电压无关的与绝对温度成正比的电流。
VEB1=VEB0+R0IPTAT (2)
通过上式关系,可以得到一个与绝对温度成正比的电流IPTAT。
同样,为了提高镜像电流的精确度,本发明在电路中加入运算放大器A1、A2进行钳位,使得M7和M8的漏极与M4有相同的漏电压,从而电流相等,进而达到精确镜像电流的目的。
如图3所示,差分放大器的输入端分别接M5和M6管源极,输出端接它们的栅极,从而将它们的源电压钳位成相等电压。再由公式
VEB1=VEB0+R0IPTAT (4)
得
于是便得到与绝对温度成正比的电流IPTAT,从而提高了IPTAT电流的精度。
为了将与绝对温度成正比的电流IPTAT镜像给基准电压产生支路和过温检测模块,本发明准备采用基本的电流镜;该电流镜由PMOS管M4、M7和M8所组成。由于PMOS管存在沟道调制效应,使得镜像过去的电流的精度不高,为了提高镜像电流的精度,本方案采用运算放大器A1和A2分别将M7和M8的漏极电压钳位成与M4的漏极电压相等。其中所采用的运算放大器的电路结构如图4所示。
本专利中基准电压由电阻R1和Q3所组成。基准电压为
Vref=VEB3+R1·IPTAT (6)
再结合(6)式,得
由于VEB3具有负的温度系数,而第二项具有正的温度系数,所以合理的设计R1和n的值就可以实现零温度系数的电压,即基准电压Vref。
过温检测模块由电阻R2、R3和MOS管M13、M11、M12、M13、M14以及电压比较器COMP所组成。其中电压比较器的电路结构如图5所示。电阻R2、R3将IPTAT电流转化为与绝度温度成正比的电压Vtemp。当温度没有超过阈值温度TH时,比较器COMP输出低电平,经过一个反相器输出高电平,从而开启M13管,将电阻R3短路,从而有:
Itemp1·R2=Vref (8)
当温度没有超过阈值温度TH时,比较器COMP输出低电平,经过一个反相器输出高电平,从而关断M13管,将电阻R3和电阻R2串联起来,从而有:
Itemp2·(R2+R3)=Vref (9)
于是,可以得到两个不同的Itemp1和Itemp2,由于Itemp是和绝对温度成正比的电流,所以就可以得到两个不同的温度。从而得到关于温度的过温迟滞保护电路。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效,而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下,对上述实施例进行修饰或改变。因此,举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变,仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (6)
1.一种宽电源电压的过温迟滞保护电路,其特征在于:由启动电路模块、IPTAT电流产生电路模块、基准电压模块、过温检测模块以及级联反相器模块所组成,其中,启动电路模块的输出电流提供给IPTAT电流产生电路模块的输入端,IPTAT电流产生电路模块的输出电压提供给基准电压模块的输入端和过温检测模块的输入端V1,基准电压模块的输出Vref提供给过温检测模块的输入端V2和启动电路模块的输入端,过温检测模块的输出电压提供给级联反相器模块的输入端;级联反相器模块的输出电压V3提供给过温检测模块的输入端V4。
2.根据权利要求1所述的宽电源电压的过温迟滞保护电路,其特征在于:所述启动电路模块由MOS管M0、M1、M2管所组成,其中,MOS管M0的源端接电源Vdd,MOS管M0栅极接MOS管M1的栅极,MOS管M0漏极接MOS管M1的漏极,MOS管M1源极接地GND,MOS管M1漏极接MOS管M2的栅极,MOS管M2的源极接地GND,MOS管M2的漏极接IPTAT电流产生电路模块的输入端。
3.根据权利要求1所述的宽电源电压的过温迟滞保护电路,其特征在于:所述IPTAT电流产生电路模块由MOS管M3、M4、M5、M6和电阻R0以及晶体管Q0、Q1和运算放大器A0所构成,其中,MOS管M3的源极接电源Vdd,MOS管M3的栅极接MOS管M4的栅极,MOS管M3的漏极接MOS管M5的漏极,MOS管M4的源极接电源Vdd,MOS管M4的栅极接MOS管M6的漏极,MOS管M4的栅极接启动电路模块电流输出端,MOS管M4的漏极接MOS管M6的漏极,MOS管M5的源极接晶体管Q1的发射极,MOS管M5的栅极接放大器A0的输出,MOS管M6的源极接电阻R0的上端,MOS管M6的栅极接放大器A0的输出,放大器A0的同相输入端接电阻R0的上端,反相输入端接晶体管Q0的发射极,放大器A0的输出端接MOS管M5的栅极,电阻R0的下端接晶体管Q1的发射极,晶体管Q1的基极接地GND,晶体管Q1的集电极接地GND,晶体管Q0的基极接地GND,晶体管Q0的集电极接地GND。
4.根据权利要求1所述的宽电源电压的过温迟滞保护电路,其特征在于:所述基准电压模块由MOS管M7、M9和电阻R1、晶体管Q3以及运算放大器A1所构成,其中,MOS管M7的源极接电源Vdd,MOS管M7的栅极接IPTAT电流产生电路模块的输出电压V1,MOS管M7的漏极接MOS管M9的源极,MOS管M9的栅极接运算放大器A1的输出,MOS管M9的漏极接电阻R1的上端,电阻R1的下端接晶体管Q3的发射极,晶体管Q3的基极接地GND,晶体管Q3的集电极接地GND,运算放大器A1的同相输入端接MOS管M7的栅极,运算放大器A1的反相输入端接MOS管M9的源极,运算放大器A1的输出端接MOS管M9的栅极。
5.根据权利要求1所述的宽电源电压的过温迟滞保护电路,其特征在于:所述过温检测模块由MOS管M8、M10、M13和电阻R2、R3、运算放大器A2以及电压比较器COMP,其中,MOS管M8的源极接电源Vdd,MOS管M8的栅极接IPTAT电流产生电路模块的电压输出端,MOS管M8的漏极接MOS管M10的源极,MOS管M10的栅极接放大器A2的输出,MOS管M10的漏极接电阻R2的上端,电阻R2的下端接电阻R3的上端,电阻R3的上端接MOS管M13的漏极,电阻R3的下端接地GND,MOS管M13的源极接地GND,MOS管M13的栅极接级联反相器模块的输出电压端V3,运算放大器A2的同相输入端接MOS管M8栅极,反相输入端接MOS管M8的漏极,输出端接MOS管M10的栅极,比较器COMP的同相输入端接MOS管M10的漏极,反相输入端接基准电压模块的输出Vref,输出端Vout接级联反相器模块的输入端。
6.根据权利要求1所述的宽电源电压的过温迟滞保护电路,其特征在于:所述级联反相器模块由MOS管M11、M12、M14、M15管所组成,其中,MOS管M11的源极接电源Vdd,MOS管M11的栅极接过温检测模块的输出端,MOS管M11的漏极接MOS管M15的漏极,MOS管M15的源极接地GND,MOS管M15的栅极接过温检测模块的输出端,MOS管M12的源极接电源Vdd,MOS管M12的栅极接MOS管M11的漏极,MOS管M12的漏极接MOS管M14的漏极,MOS管M14的源极接地GND,MOS管M14的栅极接MOS管M11的漏极。
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