CN112068631A - 一种低功耗抗干扰的过温保护电路 - Google Patents

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Abstract

一种低功耗抗干扰的过温保护电路，属于过温保护技术领域。本发明利用两个具有PTAT特性的参考电压设置温度检测的迟滞窗口，结合具有CTAT特性的基准电压实现过温检测，解决了传统过温保护电路只设置一个温度检测值导致的滞后性引起器件容易烧坏的问题，防止芯片温度过高影响器件寿命；且与传统过温保护电路利用零温度系数的参考电压相比，本发明能够实现更大的迟滞窗口的裕度，抗干扰能力也更强；本发明根据温度检测迟滞窗口所需的迟滞量，来调整基准电压的电压变化斜率、两个参考电压的电压变化斜率中的任意一个或多个，采用共源共栅结构实现了高精度和低功耗。

Description

一种低功耗抗干扰的过温保护电路
技术领域
本发明属于过温保护技术领域，涉及一种低功耗抗干扰的过温保护电路。
背景技术
随着芯片集成度的提高，功率密度也在增大。芯片工作过程中产生的功耗会使芯片温度升高，过高的温度将会导致器件性能下降且寿命折损，故有必要为其增加过温保护电路。普通的过温保护电路，采用对温度敏感的元件来检测芯片内部温度的变化，当温度高于某一特定值时，电路就会产生一个控制信号关断芯片，直到温度恢复正常，芯片又开始正常工作。
现有技术中的过温保护电路一般包括温度采样模块和预设的过温保护参考值，当采样到电路工作温度达到过温保护参考值时，就会启动或触发过温保护，从而发出过温保护信号或指令。这种方案大多需要温度超过一定阈值时，才会输出芯片关断信号，具有一定的滞后性，很明显这样的滞后性会导致某些温度较高的半导体元器件过热烧坏。
发明内容
针对传统过温保护电路由于滞后导致的器件烧坏问题，本发明提出一种低功耗抗干扰的的过温保护电路，利用具有CTAT特性的基准电压VREF-CTAT结合具有PTAT特性的参考电压Vbias-ref_4、Vbias-ref_5，并配以迟滞选择，构成了本发明的过温保护原理，由于参考电压采用PTAT电压而不是传统的零温度系数电压，使得迟滞窗口的裕度margin更大，抗干扰能力更强，且利用低压共源共栅(cascode)结构降低了功耗；本发明的过温保护电路方案能够在0.18μm CMOS工艺下实施，防止芯片温度过高影响器件寿命。
本发明的技术方案是：
一种低功耗抗干扰的过温保护电路，包括第五PMOS管、第六PMOS管、第七PMOS管、第八PMOS管、第四NMOS管、第五NMOS管、第六NMOS管、第七NMOS管、第八NMOS管、第九NMOS管、第十NMOS管、施密特触发器、第一反相器、第二反相器和第三反相器，
第五PMOS管的栅极连接与绝对温度成反比的基准电压，其源极连接第六PMOS管的源极和第七PMOS管的漏极，其漏极连接第四NMOS管的栅极和漏极、第五NMOS管的栅极、第六NMOS管的栅极和第七NMOS管的栅极；
第六PMOS管的栅极连接第九NMOS管的漏极和第十NMOS管的漏极，其漏极连接第五NMOS管的漏极和第八NMOS管的栅极；
第六NMOS管和第七NMOS管的漏极分别连接第四NMOS管的源极和第五NMOS管的源极，其源极均连接第八NMOS管的源极并接地；
第七PMOS管和第八PMOS管的栅极均连接使能信号，其源极均连接偏置电流；
施密特触发器的输入端连接第八PMOS管的漏极和第八NMOS管的漏极，其输出端通过第一反相器后连接第十NMOS管的栅极和第二反相器的输入端；
第三反相器的输入端连接第二反相器的输出端和第九NMOS管的栅极，其输出端作为所述过温保护电路的输出端；
第十NMOS管的源极连接第一参考电压，第九NMOS管的源极连接第二参考电压，所述第一参考电压和所述第二参考电压均与绝对温度成正比，且所述第一参考电压大于所述第二参考电压；
所述过温保护电路通过所述第一参考电压和所述第二参考电压设置温度检测迟滞窗口，通过调整所述基准电压的电压变化斜率、所述第一参考电压的电压变化斜率和所述第二参考电压的电压变化斜率中的任意一个或多个，使得所述温度检测迟滞窗口的迟滞量满足所需设定值。
具体的，所述过温保护电路还包括基准电压产生模块，所述基准电压产生模块包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第一三极管、第二三极管、第三三极管、第四三极管、第一NMOS管、第二NMOS管、第三NMOS管、第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管和第四PMOS管，其中第一电阻和第二电阻的阻值相等；
第一三极管的基极连接第一电阻的一端、第二电阻的一端和第四电阻的一端并产生所述基准电压，其集电极连接第二三极管的基极、第三三极管的基极和第一电阻的另一端，其发射极连接第二三极管的发射极并通过第三电阻后连接第三三极管的发射极和第四三极管的发射极；
第四三极管的基极连接第二三极管的集电极和第二电阻的另一端，其集电极连接第二NMOS管的源极；
第一NMOS管的栅极连接第四电阻的另一端、第三NMOS管的源极和第二NMOS管的栅极，其源极连接第三三极管的集电极，其漏极连接第三PMOS管的栅极和漏极以及第四PMOS管的栅极；
第四PMOS管的源极连接第二PMOS管的漏极，其漏极连接第三NMOS管的栅极和第二NMOS管的漏极；
第一PMOS管的栅漏短接并连接第二PMOS管的栅极和第三PMOS管的源极，其源极连接第二PMOS管的源极和第三NMOS管的漏极并连接电源电压。
具体的，通过设置所述基准电压产生模块中第一三极管和第二三极管的尺寸比、以及第三电阻和第一电阻的阻值比，能够调整所述基准电压的电压变化斜率。
具体的，所述第一参考电压和所述第二参考电压根据外部偏置电流在转换电阻上进行电流-电压转换得到，通过设置所述转换电阻和所述外部偏置电流能够调整所述第一参考电压的电压变化斜率和所述第二参考电压的电压变化斜率。
本发明的有益效果是：本发明利用两个参考电压设置温度检测的迟滞窗口，解决了传统过温保护电路只设置一个温度检测值导致的滞后性引起器件容易烧坏的问题，防止芯片温度过高影响器件寿命；采用具有PTAT特性的参考电压与具有CTAT特性的基准电压结合，与传统过温保护电路利用零温度系数的参考电压相比，使得迟滞窗口的裕度更大，抗干扰能力更强；另外利用低压共源共栅(cascode)结构降低了功耗；能够在0.18μm CMOS工艺下实施。
附图说明
图1是本发明提出的一种低功耗抗干扰的过温保护电路在实施例中使用的产生基准电压的基准电压产生模块的电路示意图。
图2是本发明提出的一种低功耗抗干扰的过温保护电路的过温保护原理示意图。
图3是本发明提出的一种低功耗抗干扰的过温保护电路的具体电路架构图。
注：名字以PM开头的晶体管为PMOS(P-Metal-Oxide-Semiconductor)管；名字以NM开头的晶体管为NMOS(N-Metal-Oxide-Semiconductor)管；名字以Q开头的为三极管。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步的阐述。
本发明利用具有CTAT(与绝对温度成反比)特性的基准电压VREF_CTAT与具有PTAT(与绝对温度成正比)特性的参考电压Vbias-ref_4、Vbias-ref_5进行比较获得过温标志信号OT_H，其中与绝对温度成反比的基准电压VREF_CTAT可以由如图1所示的基准电压产生模块产生。
如图1所示，本实施例中基准电压产生模块包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第一三极管Q1、第二三极管Q2、第三三极管Q3、第四三极管Q4、第一NMOS管NM1、第二NMOS管NM2、第三NMOS管NM3、第一PMOS管PM1、第二PMOS管PM2、第三PMOS管PM3和第四PMOS管PM4，其中第一电阻R1和第二电阻R2的阻值相等；第一三极管Q1的基极连接第一电阻R1的一端、第二电阻R2的一端和第四电阻R4的一端并产生基准电压VREF_CTAT，其集电极连接第二三极管Q2的基极、第三三极管Q3的基极和第一电阻R1的另一端，其发射极连接第二三极管Q2的发射极并通过第三电阻R3后连接第三三极管Q3的发射极和第四三极管Q4的发射极；第四三极管Q4的基极连接第二三极管Q2的集电极和第二电阻R2的另一端，其集电极连接第二NMOS管NM2的源极；第一NMOS管NM1的栅极连接第四电阻R4的另一端、第三NMOS管NM3的源极和第二NMOS管NM2的栅极，其源极连接第三三极管Q3的集电极，其漏极连接第三PMOS管PM3的栅极和漏极以及第四PMOS管PM4的栅极；第四PMOS管PM4的源极连接第二PMOS管PM2的漏极，其漏极连接第三NMOS管NM3的栅极和第二NMOS管NM2的漏极；第一PMOS管PM1的栅漏短接并连接第二PMOS管PM2的栅极和第三PMOS管PM3的源极，其源极连接第二PMOS管PM2的源极和第三NMOS管NM3的漏极并连接电源电压。
从图1可以得到本实施例中产生基准电压VREF_CTAT的原理。在300K时，第一三极管Q1的基极-发射极电压VBE1为604mV，对其温度特性进行一阶近似，其温度系数TC为-2.21mV/K，即：
VBE1≈604mV-(T-300)×2.21mV (1)
因此，基准电压VREF_CTAT的表达式为
Figure BDA0002699013520000041
其中VT为热电压，Y0是直流量，后面可以抵消，不会对迟滞带来影响；k0是基准电压VREF_CTAT的电压变化斜率，根据设置第一三极管Q1和第二三极管Q2的尺寸比、以及第三电阻R3和第一电阻R1的阻值比可以调节k0，本实施例以第一三极管Q1和第二三极管Q2的尺寸比为1:8，第三电阻R3和第一电阻R1的阻值比为0.25:1.5为例进行说明，但该取值不用于限制本发明。
从图2可以看出本发明的过温保护原理，本发明利用了参考电压VREF_CTAT的CTAT特性结合两个不同的PTAT特性的第一参考电压Vbias_ref_4和第二参考电压Vbias_ref_5设置温度检测迟滞窗口。
如图3所示，本发明提出的一种低功耗抗干扰的过温保护电路包括第五PMOS管PM5、第六PMOS管PM6、第七PMOS管PM7、第八PMOS管PM8、第四NMOS管NM4、第五NMOS管NM5、第六NMOS管NM6、第七NMOS管NM7、第八NMOS管NM8、第九NMOS管M14、第十NMOS管M15、施密特触发器SMT1、第一反相器INV1、第二反相器INV2和第三反相器INV3，第五PMOS管PM5的栅极连接与绝对温度成反比的基准电压VREF_CTAT，其源极连接第六PMOS管PM6的源极和第七PMOS管PM7的漏极，其漏极连接第四NMOS管NM4的栅极和漏极、第五NMOS管NM5的栅极、第六NMOS管NM6的栅极和第七NMOS管NM7的栅极；第六PMOS管PM6的栅极连接第九NMOS管M14的漏极和第十NMOS管M15的漏极，其漏极连接第五NMOS管NM5的漏极和第八NMOS管NM8的栅极；第六NMOS管NM6和第七NMOS管NM7的漏极分别连接第四NMOS管NM4的源极和第五NMOS管NM5的源极，其源极均连接第八NMOS管NM8的源极并接地；第七PMOS管PM7和第八PMOS管PM8的栅极均连接使能信号EN_L，其源极均连接偏置电流IS；施密特触发器SMT1的输入端连接第八PMOS管PM8的漏极和第八NMOS管NM8的漏极，其输出端通过第一反相器INV1后连接第十NMOS管M15的栅极和第二反相器INV2的输入端；第三反相器INV3的输入端连接第二反相器INV2的输出端和第九NMOS管M14的栅极，其输出端作为过温保护电路的输出端；第十NMOS管M15的源极连接第一参考电压Vbias_ref_4，第九NMOS管M14的源极连接第二参考电压Vbias_ref_5，第一参考电压Vbias_ref_4和第二参考电压Vbias_ref_5均与绝对温度成正比，且第一参考电压Vbias_ref_4大于第二参考电压Vbias_ref_5，以设置迟滞窗口，实现具有迟滞功能的过温保护。其中第四NMOS管NM4、第五NMOS管NM5、第六NMOS管NM6、第七NMOS管NM7构成共源共栅结构，降低了电路功耗。
第一参考电压Vbias_ref_4和第二参考电压Vbias_ref_5可由具体PTAT特性的电流转电压得到，比如外部输入一个偏置电流IBIAS并在转换电阻上转换成对应的电压，通过设置转换电阻和外部偏置电流IBIAS能够调整第一参考电压Vbias_ref_4和第二参考电压Vbias_ref_5的电压变化斜率。
第一参考电压Vbias_ref_4的表达式为：
Figure BDA0002699013520000051
第二参考电压Vbias_ref_5的表达式为：
Figure BDA0002699013520000052
其中R是通过转换电阻的电阻值，k4是第一参考电压Vbias_ref_4的电压变化斜率，k5是第二参考电压Vbias_ref_5的电压变化斜率。
令本实施例中温度检测迟滞窗口在130℃到150℃之间，计算迟滞量：
Figure BDA0002699013520000061
将式(5)中的①减去②，得：
Figure BDA0002699013520000062
由此可知，要实现本实施例设置的迟滞窗口，需要令基准电压VREF_CTAT与第二参考电压Vbias_ref_5的斜率具有约2倍关系，就可以使得迟滞量为所需要的20℃。如果需要设置其他温度检测迟滞窗口，只需要根据设定的温度检测迟滞窗口的两个温度值，确定迟滞量，再调整基准电压VREF_CTAT的电压变化斜率k0、第一参考电压Vbias_ref_4的电压变化斜率k4和第二参考电压Vbias_ref_5的电压变化斜率k5中的任意一个或多个即可以满足该迟滞量即可。
在正常工作时，过温保护电路输出端产生的过温标志信号OT_H输出为低，过温保护电路选择第二参考电压Vbias_ref_5为比较点电压；在过温时，过温标志信号OT_H输出为高，过温保护电路选择第一参考电压Vbias_ref_4作为比较点电压。根据上式可以推得：
Figure BDA0002699013520000063
Figure BDA0002699013520000064
其中TH、TL指的是迟滞窗口上限和下限，本实施例中设计的是150℃和130℃，但由于k0与k5不是精确的两倍关系，所以上限稍微有点误差。
综上所述，本发明具有CTAT特性的基准电压VREF-CTAT与具有PTAT特性的参考电压Vbias-ref_4、Vbias-ref_5实现温度检测的迟滞窗口，解决了传统过温保护电路只设置一个温度检测值导致的滞后性引起器件容易烧坏的问题，防止芯片温度过高影响器件寿命；且与传统过温保护电路利用零温度系数的参考电压相比，迟滞窗口的裕度更大，抗干扰能力更强；利用低压共源共栅(cascode)结构降低了功耗；能够在0.18μm CMOS工艺下实施。
本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种低功耗抗干扰的过温保护电路，其特征在于，包括第五PMOS管、第六PMOS管、第七PMOS管、第八PMOS管、第四NMOS管、第五NMOS管、第六NMOS管、第七NMOS管、第八NMOS管、第九NMOS管、第十NMOS管、施密特触发器、第一反相器、第二反相器和第三反相器，
第五PMOS管的栅极连接与绝对温度成反比的基准电压，其源极连接第六PMOS管的源极和第七PMOS管的漏极，其漏极连接第四NMOS管的栅极和漏极、第五NMOS管的栅极、第六NMOS管的栅极和第七NMOS管的栅极；
第六PMOS管的栅极连接第九NMOS管的漏极和第十NMOS管的漏极，其漏极连接第五NMOS管的漏极和第八NMOS管的栅极；
第六NMOS管和第七NMOS管的漏极分别连接第四NMOS管的源极和第五NMOS管的源极，其源极均连接第八NMOS管的源极并接地；
第七PMOS管和第八PMOS管的栅极均连接使能信号，其源极均连接偏置电流；
施密特触发器的输入端连接第八PMOS管的漏极和第八NMOS管的漏极，其输出端通过第一反相器后连接第十NMOS管的栅极和第二反相器的输入端；
第三反相器的输入端连接第二反相器的输出端和第九NMOS管的栅极，其输出端作为所述过温保护电路的输出端；
第十NMOS管的源极连接第一参考电压，第九NMOS管的源极连接第二参考电压，所述第一参考电压和所述第二参考电压均与绝对温度成正比，且所述第一参考电压大于所述第二参考电压；
所述过温保护电路通过所述第一参考电压和所述第二参考电压设置温度检测迟滞窗口，通过调整所述基准电压的电压变化斜率、所述第一参考电压的电压变化斜率和所述第二参考电压的电压变化斜率中的任意一个或多个，使得所述温度检测迟滞窗口的迟滞量满足所需设定值。
2.根据权利要求1所述的低功耗抗干扰的过温保护电路，其特征在于，所述过温保护电路还包括基准电压产生模块，所述基准电压产生模块包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第一三极管、第二三极管、第三三极管、第四三极管、第一NMOS管、第二NMOS管、第三NMOS管、第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管和第四PMOS管，其中第一电阻和第二电阻的阻值相等；
第一三极管的基极连接第一电阻的一端、第二电阻的一端和第四电阻的一端并产生所述基准电压，其集电极连接第二三极管的基极、第三三极管的基极和第一电阻的另一端，其发射极连接第二三极管的发射极并通过第三电阻后连接第三三极管的发射极和第四三极管的发射极；
第四三极管的基极连接第二三极管的集电极和第二电阻的另一端，其集电极连接第二NMOS管的源极；
第一NMOS管的栅极连接第四电阻的另一端、第三NMOS管的源极和第二NMOS管的栅极，其源极连接第三三极管的集电极，其漏极连接第三PMOS管的栅极和漏极以及第四PMOS管的栅极；
第四PMOS管的源极连接第二PMOS管的漏极，其漏极连接第三NMOS管的栅极和第二NMOS管的漏极；
第一PMOS管的栅漏短接并连接第二PMOS管的栅极和第三PMOS管的源极，其源极连接第二PMOS管的源极和第三NMOS管的漏极并连接电源电压。
3.根据权利要求2所述的低功耗抗干扰的过温保护电路，其特征在于，通过设置所述基准电压产生模块中第一三极管和第二三极管的尺寸比、以及第三电阻和第一电阻的阻值比，能够调整所述基准电压的电压变化斜率。
4.根据权利要求1或3所述的低功耗抗干扰的过温保护电路，其特征在于，所述第一参考电压和所述第二参考电压根据外部偏置电流在转换电阻上进行电流-电压转换得到，通过设置所述转换电阻和所述外部偏置电流能够调整所述第一参考电压的电压变化斜率和所述第二参考电压的电压变化斜率。
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