CN112859998A - 一种低功耗芯片的过温保护电路 - Google Patents

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黄祥林
李富华
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    • G05F1/567—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc using semiconductor devices in series with the load as final control devices sensing a condition of the system or its load in addition to means responsive to deviations in the output of the system, e.g. current, voltage, power factor for temperature compensation

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Abstract

本发明提供一种低功耗芯片的过温保护电路，包括：第一电流镜、第二电流镜、PMOS管PM3、NMOS管NM1、NM2、NM3、NM4、三极管Q1、Q2、运算放大器AMP、反相器INV1和INV2，运算放大器AMP作为比较器使用，运算放大器AMP的同相端与NMOS管NM1的栅极连接、反相端接在了与温度无关的基准电压Vref上、输出端与反相器INV1连接，反相器INV1与反相器INV2串联，反相器INV1的输出信号OVT_N输入到NMOS管NM3的栅极，反相器INV2的输出信号OVT_P输入到PMOS管PM3的栅极和NMOS管NM4的栅极，通过比较运算放大器AMP同相端的电压VNTAT与反相端的电压Vref，从而控制输出信号OVT_N、OVT_P为高电平或低电平，从而改变PMOS管PM3、NMOS管NM3和NMOS管NM4的通断状态，使得温度未超过过温点时芯片正常工作、温度超过过温点时芯片受保护被关闭。

Description

一种低功耗芯片的过温保护电路
技术领域
本发明涉及集成电路设计领域，更具体地，涉及一种低功耗芯片的过温保护电路。
背景技术
芯片的过温保护电路是一种常用且一直需要处于开启状态的保护电路，如果芯片在高温的环境下持续工作，将会有烧毁芯片内部器件的风险，所以过温保护电路是在温度过高时，提供保护动作，并具有一定的迟滞功能，在温度下降到一个安全值时，重新使芯片正常工作。
传统的芯片的过温保护电路有两种，第一种如图1所示，通过电流镜镜像一路与温度呈正相关的电流(ICTAT)流过两个电阻，从而产生一个与温度呈负相关的电压(VCTAT)。用于作比较器使用的运算放大器AMP同相端接一个与温度无关的带隙基准电压(VBG)，反相端接一个负温度系数的电压，运放的输出OVT接在NMOS管NM1的栅端，同时OVT也作为过温保护信号。当温度比较低未发生过温时，VBG<VCTAT,OVT为低电平，NM1截止,电阻R1接入电路当中，芯片正常工作；当温度持续上升并超过过温点时，VBG>VCTAT,OVT从低电平跳变为高电平，NM1导通，电阻R1被短路，芯片受保护被关闭。由于电阻R1被短路，只有当温度下降到比过温点更低时，OVT才回到低电平，使芯片重新正常工作。
第二种常见的芯片的过温保护电路，如图2所示，该电路利用三极管Q1的基极-发射极电压VBE的负温特性代替了传统结构中的VCTAT电压，其中要求IBias具有零温特性，从而产生了基准电压输入到了运算放大器的反相端。
但是，现有技术的芯片的过温保护电路，在低功耗应用环境中都不适用，低功耗应用中，电流必须非常小，此时需要通过流过一个电阻来产生一个比较高的电压，势必会要求电阻的阻值变得非常大，那么版图的面积势必会急剧增加。
有鉴于此，为了解决低功耗应用环境下，即低功耗芯片中的过温保护电路，若按照现有技术进行设计，版图面积势必会过大的问题，本发明提出了一种结构简单、功耗极低，无需电阻的过温保护电路，极大的减小版图面积。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种低功耗芯片的过温保护电路，结构简单、功耗极低、无需电阻，并且极大的减小了版图面积。
一种低功耗芯片的过温保护电路，包括：第一电流镜、第二电流镜、PMOS管PM3、NMOS管NM1、NMOS管NM2、NMOS管NM3、NMOS管NM4、三极管Q1、三极管Q2、运算放大器AMP、反相器INV1和反相器INV2，所述第二电流镜与PMOS管PM3串联并且与第一电流镜并联，再与NMOS管NM1连接；三极管Q1、三极管Q2及NMOS管NM4串联，并且与NMOS管NM2和NMOS管NM3并联，然后与NMOS管NM1连接，所述NMOS管NM2与NMOS管NM3串联；运算放大器AMP作为比较器使用，运算放大器AMP的同相端与NMOS管NM1的栅极连接，电压为VNTAT，运算放大器AMP的反相端接在了与温度无关的基准电压Vref上，运算放大器AMP的输出端与反相器INV1连接，反相器INV1与反相器INV2串联，反相器INV1的输出信号OVT_N输入到NMOS管NM3的栅极，反相器INV2的输出信号OVT_P输入到PMOS管PM3的栅极和NMOS管NM4的栅极，通过比较运算放大器AMP同相端的电压VNTAT与反相端的电压Vref，从而控制输出信号OVT_N、OVT_P为高电平或低电平，从而改变PMOS管PM3、NMOS管NM3和NMOS管NM4的通断状态，使得温度未超过过温点时芯片正常工作、温度超过过温点时芯片受保护被关闭。
在一些实施方式中，所有MOS管均为增强型MOS管，所有的MOS管均工作在亚阈值区。
在一些实施方式中，PMOS管PM1与PMOS管PM2组成共源共栅结构的第一电流镜，PMOS管PM4与PMOS管PM5组成共源共栅结构的第二电流镜，用于提高电流镜的复制精度，第一电流镜与第二电流镜的宽长比的比值为1：M，M＞0，PMOS管PM1与PMOS管PM4的栅极接在了VB1的电压偏置上，PMOS管PM2与PMOS管PM5的栅极接在了VB1、VB2的电压偏置上。
在一些实施方式中，PMOS管PM3、NMOS管NM3和NMOS管NM4均作为开关管使用的MOS管，PMOS管PM3和NMOS管NM4的控制信号为OVT_N，NMOS管NM3的控制信号为OVT_P。
在一些实施方式中，NMOS管NM1与NMOS管NM2宽长比一致接成二极管结构，三极管Q1与三极管Q2发射极面积相同也接成二极管结构。
在一些实施方式中，信号OVT_N与OVT_P用于改变PMOS管PM3、NMOS管NM3和NMOS管NM4的通断情况产生迟滞，同时也输入到后端的数字电路中提供过温保护动作。
在一些实施方式中，当温度未超过过温点时，比较运算放大器AMP同相端的电压大于反相端的电压，VNTAT>Vref,比较运算放大器AMP的输出为高电平，信号OVT_N为低电平,信号OVT_P为高电平,此时NMOS管NM4导通、NMOS管NM3和PMOS管PM3截止，NMOS管NM2所在支路开路(断开)，三极管Q1和三极管Q2接入电路，流过NMOS管NM1的电流为ID,芯片正常工作。
进一步的，当温度比较低未发生过温时，比较运算放大器AMP同相端的电压VNTAT的表达式为S1：
Figure BDA0002961211410000031
其中，VGS1为NMOS管NM1的栅极与源极之间的电压，VBE为三极管的发射极与基极之间的电压，三极管Q1与三极管Q2的发射极与基极之间的电压近似相等，统一由VBE来表示，Vth1为NMOS管NM1的阈值电压，n为亚阈值斜率修正因子，VT为热电压，ID为此时流过NMOS管NM1的电流，W为NMOS管NM1的导电沟道宽度，L为NMOS管NM1的导电沟道长度，μn为电子迁移率，COX为NMOS管NM1的单位面积栅氧电容。
在一些实施方式中，当温度上升超过过温点时，比较运算放大器AMP同相端的电压＜反相端的电压，VNTAT<Vref,比较运算放大器AMP的输出从高电平跳变为低电平，信号OVT_N为从低电平跳变为高电平,信号OVT_P为从高电平跳变为低电平,以此来指示系统过温，并触发保护动作，此时NMOS管NM4截止、NMOS管NM3和PMOS管PM3导通，NMOS管NM2接入电路，三极管Q1和三极管Q2所在支路开路(断开)，流过NMOS管NM1的电流为(M+1)ID，芯片受保护被关闭。
进一步的，当温度下降到低于过温点时，信号OVT_N为低电平,信号OVT_P为高电平,芯片重新正常工作。
进一步的，当温度上升超过过温点时，比较运算放大器AMP同相端的电压VNTAT的表达式为S2：
Figure BDA0002961211410000041
其中，VGS1为NMOS管NM1的栅极与源极之间的电压，VGS2为NMOS管NM2的栅极与源极之间的电压，Vth为NMOS管的阈值电压，NMOS管NM1的阈值电压与NMOS管NM2的阈值电压近似相等，统一由Vth来表示，n为亚阈值斜率修正因子，VT为热电压，M为第一电流镜与第二电流镜的宽长比的比值，μn为电子迁移率，NMOS管NM1的单位面积栅氧电容与NMOS管NM2的单位面积栅氧电容相等，统一由COX表示，NMOS管NM1的导电沟道宽度与NMOS管NM2的导电沟道宽度相等，统一用W表示，NMOS管NM1的导电沟道长度与NMOS管NM2的导电沟道长度相等，统一用L表示。
进一步的，从表达式S2中可以看出，控制M的值，可以控制迟滞量的大小，M越大，迟滞量越小，M越小，迟滞量越大。
进一步的，当温度持续上升且未超过过温点TH时,电压VNTAT遵循VNTAT1的表达式变化，芯片正常工作，当温度继续上到达过温点TH，此时的Vref＝VNTAT，如果温度还在继续上升，则电压VNTAT遵循VNTAT2的表达式变化，同时指示系统发生过温，使芯片作出相应保护动作，若想重新回到Vref＝VNTAT的状态，温度必须下降至TL，芯片才能重新正常工作。
本发明提出的电路全部由常见的MOS管和极三级管构成，对工艺无特殊要求，使用到的器件少，电路支路少，结构简单。本发明提出的电路中第一电流镜与第二电流镜使用的电流均为纳安级，运放也使用纳安级的偏置电流，电路的整体消耗很低，实现了低功耗的目的，同时，本发明提出的电路中没有使用电阻，解决了低功耗芯片中电阻版图面积大的问题。通过利用工作在亚阈值的MOS管VGS和三极管VBE的温度特性，结合开关管的通断，实现了低功耗过温保护及迟滞功能。
附图说明
图1为现有技术的一种芯片的过温保护电路。
图2为现有技术的另一种芯片的过温保护电路。
图3为本申请的低功耗芯片的过温保护电路。
图4为本申请的低功耗芯片的过温保护电路的工作过程原理图。
具体实施方式
描述以下实施例以辅助对本发明的理解。不意在且不应当以任何方式将实施例解释成为限制本发明的保护范围。
在以下描述中，本领域的技术人员将认识到，在本论述的全文中，组件可描述为单独的功能单元(可包括子单元)，但是本领域的技术人员将认识到，各种组件或其部分可划分成单独组件，或者可整合在一起(包括整合在单个的系统或组件内)。
此外，附图内的组件或系统之间的连接并不旨在限于直接连接。相反，在这些组件之间的数据可由中间组件修改、重格式化、或以其它方式改变。另外，可使用另外或更少的连接。还应注意，术语“联接”、“连接”、或“输入”应理解为包括直接连接、通过一个或多个中间设备来进行的间接连接、和无线连接。
实施例1：
一种低功耗芯片的过温保护电路，如图3-图4所示，包括：第一电流镜、第二电流镜、PMOS管PM3、NMOS管NM1、NMOS管NM2、NMOS管NM3、NMOS管NM4、三极管Q1、三极管Q2、运算放大器AMP、反相器INV1和反相器INV2，所述第二电流镜与PMOS管PM3串联并且与第一电流镜并联，再与NMOS管NM1连接；三极管Q1、三极管Q2及NMOS管NM4串联，并且与NMOS管NM2和NMOS管NM3并联，然后与NMOS管NM1连接，所述NMOS管NM2与NMOS管NM3串联；运算放大器AMP作为比较器使用，运算放大器AMP的同相端与NMOS管NM1的栅极连接，电压为VNTAT，运算放大器AMP的反相端接在了与温度无关的基准电压Vref上，运算放大器AMP的输出端与反相器INV1连接，反相器INV1与反相器INV2串联，反相器INV1的输出信号OVT_N输入到NMOS管NM3的栅极，反相器INV2的输出信号OVT_P输入到PMOS管PM3的栅极和NMOS管NM4的栅极，通过比较运算放大器AMP同相端的电压VNTAT与反相端的电压Vref，从而控制输出信号OVT_N、OVT_P为高电平或低电平，从而改变PMOS管PM3、NMOS管NM3和NMOS管NM4的通断状态，使得温度未超过过温点时芯片正常工作、温度超过过温点时芯片受保护被关闭。
所有MOS管均为增强型MOS管，所有的MOS管均工作在亚阈值区。PMOS管PM1与PMOS管PM2组成共源共栅结构的第一电流镜，PMOS管PM4与PMOS管PM5组成共源共栅结构的第二电流镜，用于提高电流镜的复制精度，第一电流镜与第二电流镜的宽长比的比值为1：M，M＞0，PMOS管PM1与PMOS管PM4的栅极接在了VB1的电压偏置上，PMOS管PM2与PMOS管PM5的栅极接在了VB1、VB2的电压偏置上。PMOS管PM3、NMOS管NM3和NMOS管NM4均作为开关管使用的MOS管，PMOS管PM3和NMOS管NM4的控制信号为OVT_N，NMOS管NM3的控制信号为OVT_P。NMOS管NM1与NMOS管NM2宽长比一致接成二极管结构，三极管Q1与三极管Q2发射极面积相同也接成二极管结构。信号OVT_N与OVT_P用于改变PMOS管PM3、NMOS管NM3和NMOS管NM4的通断情况产生迟滞，同时也输入到后端的数字电路中提供过温保护动作。
当温度未超过过温点时，比较运算放大器AMP同相端的电压大于反相端的电压，VNTAT>Vref,比较运算放大器AMP的输出为高电平，信号OVT_N为低电平,信号OVT_P为高电平,此时NMOS管NM4导通、NMOS管NM3和PMOS管PM3截止，NMOS管NM2所在支路开路(断开)，三极管Q1和三极管Q2接入电路，流过NMOS管NM1的电流为ID,芯片正常工作。当温度比较低未发生过温时，比较运算放大器AMP同相端的电压VNTAT的表达式为S1：
Figure BDA0002961211410000061
其中，VGS1为NMOS管NM1的栅极与源极之间的电压，VBE为三极管的发射极与基极之间的电压，三极管Q1与三极管Q2的发射极与基极之间的电压近似相等，统一由VBE来表示，Vth1为NMOS管NM1的阈值电压，n为亚阈值斜率修正因子，VT为热电压，ID为此时流过NMOS管NM1的电流，W为NMOS管NM1的导电沟道宽度，L为NMOS管NM1的导电沟道长度，μn为电子迁移率，COX为NMOS管NM1的单位面积栅氧电容。
当温度上升超过过温点时，比较运算放大器AMP同相端的电压＜反相端的电压，VNTAT<Vref,比较运算放大器AMP的输出从高电平跳变为低电平，信号OVT_N为从低电平跳变为高电平,信号OVT_P为从高电平跳变为低电平,以此来指示系统过温，并触发保护动作，此时NMOS管NM4截止、NMOS管NM3和PMOS管PM3导通，NMOS管NM2接入电路，三极管Q1和三极管Q2所在支路开路(断开)，流过NMOS管NM1的电流为(M+1)ID，芯片受保护被关闭。当温度下降到低于过温点时，信号OVT_N为低电平,信号OVT_P为高电平,芯片重新正常工作。当温度上升超过过温点时，比较运算放大器AMP同相端的电压VNTAT的表达式为S2：
Figure BDA0002961211410000071
其中，VGS1为NMOS管NM1的栅极与源极之间的电压，VGS2为NMOS管NM2的栅极与源极之间的电压，Vth为NMOS管的阈值电压，NMOS管NM1的阈值电压与NMOS管NM2的阈值电压近似相等，统一由Vth来表示，n为亚阈值斜率修正因子，VT为热电压，M为第一电流镜与第二电流镜的宽长比的比值，μn为电子迁移率，NMOS管NM1的单位面积栅氧电容与NMOS管NM2的单位面积栅氧电容相等，统一由COX表示，NMOS管NM1的导电沟道宽度与NMOS管NM2的导电沟道宽度相等，统一用W表示，NMOS管NM1的导电沟道长度与NMOS管NM2的导电沟道长度相等，统一用L表示。
从表达式S2中可以看出，控制M的值，可以控制迟滞量的大小，M越大，迟滞量越小，M越小，迟滞量越大。当温度持续上升且未超过过温点TH时,电压VNTAT遵循VNTAT1的表达式变化，芯片正常工作，当温度继续上到达过温点TH，此时的Vref＝VNTAT，如果温度还在继续上升，则电压VNTAT遵循VNTAT2的表达式变化，同时指示系统发生过温，使芯片作出相应保护动作，若想重新回到Vref＝VNTAT的状态，温度必须下降至TL，芯片才能重新正常工作。
尽管本发明已公开了多个方面和实施方式，但是其它方面和实施方式对本领域技术人员而言将是显而易见的，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。本发明公开的多个方面和实施方式仅用于举例说明，其并非旨在限制本发明，本发明的实际保护范围以权利要求为准。

Claims (10)

1.一种低功耗芯片的过温保护电路，其特征在于，包括：第一电流镜、第二电流镜、PMOS管PM3、NMOS管NM1、NMOS管NM2、NMOS管NM3、NMOS管NM4、三极管Q1、三极管Q2、运算放大器AMP、反相器INV1和反相器INV2，所述第二电流镜与PMOS管PM3串联并且与第一电流镜并联，再与NMOS管NM1连接；三极管Q1、三极管Q2及NMOS管NM4串联，并且与NMOS管NM2和NMOS管NM3并联，然后与NMOS管NM1连接，所述NMOS管NM2与NMOS管NM3串联；运算放大器AMP作为比较器使用，运算放大器AMP的同相端与NMOS管NM1的栅极连接，电压为VNTAT，运算放大器AMP的反相端接在了与温度无关的基准电压Vref上，运算放大器AMP的输出端与反相器INV1连接，反相器INV1与反相器INV2串联，反相器INV1的输出信号OVT_N输入到NMOS管NM3的栅极，反相器INV2的输出信号OVT_P输入到PMOS管PM3的栅极和NMOS管NM4的栅极，通过比较运算放大器AMP同相端的电压VNTAT与反相端的电压Vref，从而控制输出信号OVT_N、OVT_P为高电平或低电平，从而改变PMOS管PM3、NMOS管NM3和NMOS管NM4的通断状态，使得温度未超过过温点时芯片正常工作、温度超过过温点时芯片受保护被关闭。
2.如权利要求1所述的低功耗芯片的过温保护电路，其特征在于，所有的PMOS管和NMOS管均为增强型MOS管，所有的PMOS管和NMOS管均工作在亚阈值区。
3.如权利要求1所述的低功耗芯片的过温保护电路，其特征在于，PMOS管PM1与PMOS管PM2组成共源共栅结构的第一电流镜，PMOS管PM4与PMOS管PM5组成共源共栅结构的第二电流镜，用于提高电流镜的复制精度，第一电流镜与第二电流镜的宽长比的比值为1：M，M＞0，PMOS管PM1与PMOS管PM4的栅极接在了VB1的电压偏置上，PMOS管PM2与PMOS管PM5的栅极接在了VB1、VB2的电压偏置上。
4.如权利要求1所述的低功耗芯片的过温保护电路，其特征在于，PMOS管PM3、NMOS管NM3和NMOS管NM4均作为开关管使用的MOS管，PMOS管PM3和NMOS管NM4的控制信号为OVT_N，NMOS管NM3的控制信号为OVT_P。
5.如权利要求1所述的低功耗芯片的过温保护电路，其特征在于，NMOS管NM1与NMOS管NM2宽长比一致接成二极管结构，三极管Q1与三极管Q2发射极面积相同也接成二极管结构。
6.如权利要求1所述的低功耗芯片的过温保护电路，其特征在于，当温度未超过过温点时，比较运算放大器AMP同相端的电压大于反相端的电压，VNTAT>Vref,比较运算放大器AMP的输出为高电平，信号OVT_N为低电平,信号OVT_P为高电平,此时NMOS管NM4导通、NMOS管NM3和PMOS管PM3截止，NMOS管NM2所在支路开路，三极管Q1和三极管Q2接入电路，流过NMOS管NM1的电流为ID,芯片正常工作。
7.如权利要求6所述的低功耗芯片的过温保护电路，其特征在于，进一步的，当温度比较低未发生过温时，比较运算放大器AMP同相端的电压VNTAT的表达式为S1：
Figure FDA0002961211400000021
其中，VGS1为NMOS管NM1的栅极与源极之间的电压，VBE为三极管的发射极与基极之间的电压，三极管Q1与三极管Q2的发射极与基极之间的电压近似相等，统一由VBE来表示，Vth1为NMOS管NM1的阈值电压，n为亚阈值斜率修正因子，VT为热电压，ID为此时流过NMOS管NM1的电流，W为NMOS管NM1的导电沟道宽度，L为NMOS管NM1的导电沟道长度，μn为电子迁移率，COX为NMOS管NM1的单位面积栅氧电容。
8.如权利要求1所述的低功耗芯片的过温保护电路，其特征在于，当温度上升超过过温点时，比较运算放大器AMP同相端的电压＜反相端的电压，VNTAT<Vref,比较运算放大器AMP的输出从高电平跳变为低电平，信号OVT_N为从低电平跳变为高电平,信号OVT_P为从高电平跳变为低电平,以此来指示系统过温，并触发保护动作，此时NMOS管NM4截止、NMOS管NM3和PMOS管PM3导通，NMOS管NM2接入电路，三极管Q1和三极管Q2所在支路开路(断开)，流过NMOS管NM1的电流为(M+1)ID，芯片受保护被关闭。
9.如权利要求8所述的低功耗芯片的过温保护电路，其特征在于，当温度上升超过过温点时，比较运算放大器AMP同相端的电压VNTAT的表达式为S2：
Figure FDA0002961211400000031
其中，VGS1为NMOS管NM1的栅极与源极之间的电压，VGS2为NMOS管NM2的栅极与源极之间的电压，Vth为NMOS管的阈值电压，NMOS管NM1的阈值电压与NMOS管NM2的阈值电压近似相等，统一由Vth来表示，n为亚阈值斜率修正因子，VT为热电压，M为第一电流镜与第二电流镜的宽长比的比值，μn为电子迁移率，NMOS管NM1的单位面积栅氧电容与NMOS管NM2的单位面积栅氧电容相等，统一由COX表示，NMOS管NM1的导电沟道宽度与NMOS管NM2的导电沟道宽度相等，统一用W表示，NMOS管NM1的导电沟道长度与NMOS管NM2的导电沟道长度相等，统一用L表示。
10.如权利要求8所述的低功耗芯片的过温保护电路，其特征在于，控制M的值，可以控制迟滞量的大小，M越大，迟滞量越小，M越小，迟滞量越大。
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