CN113282129B - 一种纯场效应管低功耗过温保护电路 - Google Patents

一种纯场效应管低功耗过温保护电路 Download PDF

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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

本发明公开了一种纯场效应管低功耗过温保护电路，包括偏置电路、温度电压转换电路、选择电路、比较器和数字输出电路，其中，所述偏置电路的输出与温度电压转换电路的输入连接，温度电压转换电路的输出与选择电路的输入和比较器的输入分别连接，比较器的输出与选择电路的输入连接，选择电路的输出与比较器的输入连接。本发明实现了340nA静态电流的低功耗、实现了温度的滞回比较、避免了使用三极管、避免了使用电阻、避免了使用启动电路。

Description

一种纯场效应管低功耗过温保护电路
技术领域
本发明属于温度保护电路技术领域，具体涉及一种纯场效应管低功耗过温保护电路。
背景技术
当前模拟集成电路制造业已经极为发达，面积越来越小，所造成的散热问题逐渐成为芯片设计中亟待发展的方向。在该问题得到完美地解决之前，过温保护电路似乎是一个治标不治本的解决方案。当温度大于截止温度Tstop时，过温保护电路是芯片停止工作，防止芯片被烧坏；芯片停止工作后，温度下降，当温度小于重启温度Trst时，过温保护电路又将使芯片重新工作(Tstop>Trst)，最终实现滞回效果。
现有技术包括三种技术方案：
1.传统利用三极管VBE负温度系数及滞回比较器的过温保护电路。
2.一种利用零温度系数电流源的过温保护电路。
3.一种利用负温度系数电流源的低功耗温度保护电路。
上述三种技术方案的现有技术缺点：
1.利用三极管VBE负温度系数及滞回比较器的过温保护电路，该电路的缺点是混用了双极性晶体管和场效应管，并使用了大阻值的电阻，对工艺要求高的同时还占用了很多面积。
2.一种利用零温度系数电流源的过温保护电路，该电路虽未使用三极管，当依旧使用了电阻，占用了一定的面积，并且还需要启动电路作为辅助电路。
3.一种利用负温度系数电流源的低功耗温度保护电路，该电路未使用双极性晶体管，利用场效应管对温度的电流特性配合电阻实现过温保护，未使用三极管且不需要启动电路，此外还是用了工作在亚阈值区的场效应管，实现了低功耗的要求，但缺点是依然使用了大电阻，占用了一定的面积。
发明内容
本发明为解决上述技术问题，采用如下的技术方案：
一种纯场效应管低功耗过温保护电路，包括偏置电路、温度电压转换电路、选择电路、比较器和数字输出电路，其中，所述偏置电路的输出与温度电压转换电路的输入连接，温度电压转换电路的输出与选择电路的输入和比较器的输入分别连接，比较器的输出与选择电路的输入连接，选择电路的输出与比较器的输入连接；
所述偏置电路包括两条支路，第一条支路包括场效应管M0、Mb1、Mb2、Mb3和Mb4，第二条支路包括场效应管Mb1c、Mb2c、Mb3c和Mb5；所述温度电压转换电路包括三条支路，第一条支路包括场效应管MPref和Mref，第二条支路包括MPstop和Mstop，第三条支路包括场效应管MPrst和Mrst；所述比较器包括场效应管M5、M6、M7、M8和M9；所述数字输出电路包括两条支路，第一条支路包括场效应管M1和M2，第二条支路包括场效应管M3和M4；所述选择电路包括场效应管Mt1、Mt2、Mt3和Mt4；
其中，M0、Mb1、Mb1C、M5、MPref、MPstop、MPrst的源端均连接到vdd；
Mb3、Mb2、Mb2C、M8、M9、M2、M4、Mref、Mstop、Mrst的源端和Mb4、Mb5的栅端均连接到gnd；
Mb2的栅端、漏端和Mref的栅端连接到Vsth_1；
Mb2C的栅端、漏端和Mstop、Mrst的栅端连接到Vsth_2；
M7的栅端、Mref的漏端、MPref的漏端均连接到V_t_ref；
M6的栅端、Mt1和Mt3的漏端、Mt2和Mt4的漏端均连接到V_com；
Mstop的漏端、Mt2的源端、MPref的漏端、Mt1的源端连接到V_t_stop；
Mrst的漏端、Mt4的源端、MPrst的漏端、Mt3的源端连接到V_t_rst；
M1的漏端、M2的漏端、M3的栅端、M4的栅端连接到Vc_n；
M3的漏端、M4的漏端连接到Vc_n；
Mb3、Mb3C的栅端和漏端相连；
M0、Mb1、Mb1C、M5的栅端和M0的漏端连接在一起；
MPref、MPstop、MPrst的栅端连接在一起；
Mb1的漏端和Mb4、Mb3的源端相连；
Mb1C的漏端和Mb5、Mb3C的源端相连；
Mb3的源端与Mb2的漏端相连；
Mb3C的源端与Mb2C的漏端相连；
M5的漏端与M7、M6的源端相连；
M7的漏端、M8的漏端、M8的栅端、M9的栅端连接在一起；
M6的漏端、M9的漏端、M1的栅端、M2的栅端均连在一起；
MPref的漏端和栅端、MPstop的栅端、MPrst的栅端连接在一起；
其中vdd为电源电压，gnd为电源地。
优选地，所述偏置电路中场效应管Mb1、Mb1C完全相同；场效应管Mb2、Mb2C完全相同；场效应管Mb3、Mb3C完全相同；场效应管Mb4、Mb5宽长比不同，且(W/L)Mb4>(W/L)Mb5，其中，(W/L)Mb4为场效应管Mb4的长宽比，(W/L)Mb5为场效应管Mb5的长宽比，工作在饱和区的场效应管Mb4、Mb5的漏电流分别为：
IDS,Mb4＝0.5μpCox(W/L)Mb4(|VGS,Mb4|-|VTHp|)2 (1)
IDS,Mb5＝0.5μpCox(W/L)Mb5(|VGS,Mb5|-|VTHp|)2 (2)
其中，μP为P型区内的空穴迁移率，COX为栅电容密度，VTHp为P型场效应管的阈值电压，VGS，Mb4为场效应管Mb4的栅源电压，VGS，Mb5为场效应管Mb5的栅源电压；
可得，IDS，Mb4≠IDS，Mb5，且因(W/L)Mb4>(W/L)Mb5，故IDS，Mb4>IDS，Mb5，而电流镜场效应管Mb1、Mb1C流过的漏电流完全一样，IDS，Mb1＝IDS，Mb1C，根据基尔霍夫电流定律可知，场效应管Mb2、Mb2C流过的漏电流不相等，
IDS，Mb2≠IDS，Mb2C，且IDS，Mb2<IDS，Mb2C。
优选地，所述场效应管Mb2、Mb2C均工作在亚阈值区，且VGS，Mb2＝VDS，Mb2，VGS，Mb2C＝VDS，Mb2C，VGS，Mb2为场效应管Mb2的栅源电压，VDS，Mb2为场效应管Mb2的漏源电压，VGS，Mb2C为场效应管Mb2C的栅源电压，VDS，Mb2C为场效应管Mb2C的漏源电压，因此二者亚阈值漏电流公式如下：
其中，IDO为亚阈临界饱和电流，ξ为亚阈斜率因子，VT为热电压，
由公式(3)、(4)和IDS，Mb2<IDS，Mb2C可知，VGS，Mb2C>VGS，Mb2，利用VGS，Mb2得到近似于N型场效应管亚阈值开启电压的偏置电压Vsth_1；利用VGS，Mb2C得到近似于N型场效应管亚阈值开启电压的偏置电压Vsth_2，且Vsth_2>Vsth_1。
优选地，所述温度电压转换电路中，场效应管MPref、MPstop、MPrst完全相同，栅极电位均为V_t_ref，其中V_t_ref也为MPref的漏极电位和Mref的漏极电位；场效应管Mref、Mstop、Mrst的宽长比各不相同，且(W/L)Mrst>(W/L)Mstop>(W/L)Mref，其中(W/L)Mrst为场效应管Mrst的宽长比，(W/L)Mstop为场效应管Mstop的宽长比，(W/L)Mref为场效应管Mref的宽长比，且令V_t_rst为MPrst和Mrst的漏极电位；V_t_stop为MPstop和Mstop的漏极电位；Vsth_2为场效应管Mref的栅极电位；Vsth_1为场效应管Mrst和场效应管Mstop的栅极电位。
优选地，所述温度电压转换电路中第一条支路中，场效应管Mref始终工作在亚阈值区，其漏电流公式为：
而场效应管MPref始终工作在饱和区，其漏电流公式为：
IDS,MPref＝0.5μpCox(W/L)MPref(vdd-V_t_ref-|VTHp|)2 (6)
根据基尔霍夫电流定律IDS，MPref＝IDS，Mref，得到V_t_ref是一个与温度线性相关的值，而温度系数中包含了(W/L)Mref这一项，故调整(W/L)Mref的大小,得到不随温度变化的V_t_ref。
优选地，所述温度电压转换电路中第二条支路中，场效应管Mstop始终工作在亚阈值区，其漏电流公式为：
由公式(7)可知，当温度很低的时候，处于亚阈值区的场效应管Mstop漏电流主要受Vsth_2的影响，调整Mb4、Mb5的宽长比(W/L)Mb4和(W/L)Mb5得到具有合适差值的Vsth_2和Vsth_1；再调整MPref和MPstop的宽长比(W/L)MPrst和(W/L)MPstop使得在低温时IDS，Mstop<IDS，Mref；当温度升高时，漏电流上升的斜率逐渐受场效应管的宽长比影响，因(W/L)MPstop>(W/L)MPref，故随着温度上升IDS，Mstop增长的比IDS，Mref快，在预设的温度范围内，IDS，Mstop与IDS，Mref只有一个公共交点，故无需启动电路；同理IDS，Mrst也只与IDS，Mref有一个公共交点；再考虑场效应管MPstop，场效应管Mstop当做电流源，而MPstop和MPref是一对电流镜，在低温时有IDS，Mstop<IDS，Mref，MPstop只有进入线性区，才使IDS，Mstop＝IDS，MPstop，此时V_t_stop远大于V_t_ref，而随着温度上升，IDS，Mstop上升到与IDS，Mref大小相近，此时MPstop进入饱和区，而当IDS，Mstop>IDS，Mref时，V_t_stop快速下降，变得远小于V_t_ref，至此完成了从温度到电流再到电压的转换。
优选地，所述温度电压转换电路中第三条支路中，场效应管MPrst、MPstop和MPref的宽长比不同，即(W/L)MPrst>(W/L)MPstop>(W/L)MPref，随着温度的上升，V_t_rst<V_t_stop<V_t_ref，导致Tstop>Trst，其中Tstop为整个系统的关断温度，Trst为整个系统的重启温度。
优选地，所述比较器为五管放大器结构。
优选地，所述数字输出电路的两条支路均为数字反相器结构，Vc_n、Vc_p为反相数字输出和正相数字输出，控制停止工作或者重新启动，二者均记高电平为1，低电平为0，输入场效应管M7、M8的栅极电压分别为V_t_ref与V_com，当V_t_ref>V_com时，Vc_n＝0，Vc_p＝1；当V_t_ref<V_com时，Vc_n＝1，Vc_p＝0，其中，V_com即为M8的栅极电压，亦为选择电路的输出电压。
优选地，所述选择电路为传输门，当Vc_n＝1，Vc_p＝0时，V_com＝V_t_stop；当Vc_n＝0，Vc_p＝1时，V_com＝V_t_rst。
采用本发明具有如下的有益效果：现有技术大多使用工作在饱和区的场效应管来实现过温保护的功能，消耗的功耗不小。为了解决该问题，本发明使用了工作在亚阈值的场效应管，大幅地降低了静态电流，最终实现了低至340nA静态电流功耗。并且工作在饱和区的场效应管，其电流-温度特性更趋近于线性函数；而工作在亚阈值的场效应管的电流-温度特性更趋近于二次函数，可以通过设计更方便的调节关断温度Tstop和重启温度Trst。
现有技术中很多电路依然需要使用启动电路，而本发明通过将参考场效应管与比较场效应管的栅压设置为不同值，解决了截止时二者电流均为零的交点，无论温度变化范围多大，参考场效应管和比较场效应管的电流交点只有一个，因为省去了启动电路。
现有技术中大多数技术都需要利用三极管具有负温度系数的VBE来实现功能，为了避免三极管与场效应管的混用，本发明利用了场效应管VTH的负温度系数特性和不同宽长比的场效应管随温度变化电流增速不同的特性取代了三极管。
现有技术中基本都需要使用电阻来实现功能，占用了大量的面积，因此本发明决定使用一种新的电路结构，利用工作在亚阈值区的N型场效应管做电流源，二极管接法的P型场效应管做负载和电流镜完成复制比较，成功将温度变化转换为电流变化再转化为电压变化，从而实现纯场效应管的过温保护电路。
综上，本发明提供了一种过温保护的解决方案，实现了340nA静态电流的低功耗、实现了温度的滞回比较、避免了使用三极管、避免了使用电阻、避免了使用启动电路。
附图说明
图1为本发明实施例的纯场效应管低功耗过温保护电路的结构框图；
图2为本发明实施例的纯场效应管低功耗过温保护电路的电路图；
图3为本发明实施例的纯场效应管低功耗过温保护电路的随温度变化的Vsth_2与Vsth_1曲线图；
图4为本发明实施例的纯场效应管低功耗过温保护电路的随温度变化的V_t_ref曲线图；
图5为本发明实施例的纯场效应管低功耗过温保护电路的随温度变化的IDS，Mref、IDS，Mrst与IDS，Mstop曲线图；
图6为本发明实施例的纯场效应管低功耗过温保护电路的随温度变化的V_t_ref、V_t_rst与V_t_stop曲线图；
图7为本发明实施例的纯场效应管低功耗过温保护电路的随温度变化的V_com曲线及与V_t_rst与V_t_stop的关系图；
图8为本发明实施例的纯场效应管低功耗过温保护电路的温度随时间上升下降时，具有滞回特性的Vc_n的曲线图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见图1，所示为本发明实施例的纯场效应管低功耗过温保护电路的结构框图，包括偏置电路10、温度电压转换电路20、选择电路50、比较器30和数字输出电路40，其中，所述偏置电路10的输出与温度电压转换电路20的输入连接，温度电压转换电路20的输出与选择电路50的输入和比较器30的输入分别连接，比较器30的输出与选择电路50的输入连接，选择电路50的输出与比较器30的输入连接；
参见图2为本发明的电路原理图，偏置电路10包括两条支路，第一条支路包括场效应管M0、Mb1、Mb2、Mb3和Mb4，第二条支路包括场效应管Mb1c、Mb2c、Mb3c和Mb5；所述温度电压转换电路20包括三条支路，第一条支路包括场效应管MPref和Mref，第二条支路包括MPstop和Mstop，第三条支路包括场效应管MPrst和Mrst；所述比较器30包括场效应管M5、M6、M7、M8和M9；所述数字输出电路40包括两条支路，第一条支路包括场效应管M1和M2，第二条支路包括场效应管M3和M4；所述选择电路50包括场效应管Mt1、Mt2、Mt3和Mt4；
其中，M0、Mb1、Mb1C、M5、MPref、MPstop、MPrst的源端均连接到vdd；
Mb3、Mb2、Mb2C、M8、M9、M2、M4、Mref、Mstop、Mrst的源端和Mb4、Mb5的栅端均连接到gnd；
Mb2的栅端、漏端和Mref的栅端连接到Vsth_1；
Mb2C的栅端、漏端和Mstop、Mrst的栅端连接到Vsth_2；
M7的栅端、Mref的漏端、MPref的漏端均连接到V_t_ref；
M6的栅端、Mt1和Mt3的漏端、Mt2和Mt4的漏端均连接到V_com；
Mstop的漏端、Mt2的源端、MPref的漏端、Mt1的源端连接到V_t_stop；
Mrst的漏端、Mt4的源端、MPrst的漏端、Mt3的源端连接到V_t_rst；
M1的漏端、M2的漏端、M3的栅端、M4的栅端连接到Vc_n；
M3的漏端、M4的漏端连接到Vc_n；
Mb3、Mb3C的栅端和漏端相连；
M0、Mb1、Mb1C、M5的栅端和M0的漏端连接在一起；
MPref、MPstop、MPrst的栅端连接在一起；
Mb1的漏端和Mb4、Mb3的源端相连；
Mb1C的漏端和Mb5、Mb3C的源端相连；
Mb3的源端与Mb2的漏端相连；
Mb3C的源端与Mb2C的漏端相连；
M5的漏端与M7、M6的源端相连；
M7的漏端、M8的漏端、M8的栅端、M9的栅端连接在一起；
M6的漏端、M9的漏端、M1的栅端、M2的栅端均连在一起；
MPref的漏端和栅端、MPstop的栅端、MPrst的栅端连接在一起；
其中vdd为电源电压，gnd为电源地，所有P型场效应管衬底端均接到vdd；
所有N型场效应管衬底端均接到gnd。
偏置电路10中场效应管Mb1、Mb1C完全相同；场效应管Mb2、Mb2C完全相同；场效应管Mb3、Mb3C完全相同；场效应管Mb4、Mb5宽长比不同，且(W/L)Mb4>(W/L)Mb5，其中，(W/L)Mb4为场效应管Mb4的长宽比，(W/L)Mb5为场效应管Mb5的长宽比，工作在饱和区的场效应管Mb4、Mb5的漏电流分别为：
IDS,Mb4＝0.5μpCox(W/L)Mb4(|VGS,Mb4|-|VTHp|)2 (1)
IDS,Mb5＝0.5μpCox(W/L)Mb5(|VGS,Mb5|-|VTHp|)2 (2)
其中，μP为P型区内的空穴迁移率，COX为栅电容密度，VTHp为P型场效应管的阈值电压，VGS，Mb4为场效应管Mb4的栅源电压，VGS，Mb5为场效应管Mb5的栅源电压；
可得，IDS，Mb4≠IDS，Mb5，且因(W/L)Mb4>(W/L)Mb5，故IDS，Mb4>IDS，Mb5，而电流镜场效应管Mb1、Mb1C流过的漏电流完全一样，IDS，Mb1＝IDS，Mb1C，根据基尔霍夫电流定律可知，场效应管Mb2、Mb2C流过的漏电流不相等，
IDS，Mb2≠IDS，Mb2C，且IDS，Mb2<IDS，Mb2C。
场效应管Mb2、Mb2C均工作在亚阈值区，且VGS，Mb2＝VDS，Mb2，VGS，Mb2C＝VDS，Mb2C，VGS，Mb2为场效应管Mb2的栅源电压，VDS，Mb2为场效应管Mb2的漏源电压，VGS，Mb2C为场效应管Mb2C的栅源电压，VDS，Mb2C为场效应管Mb2C的漏源电压，因此二者亚阈值漏电流公式如下：
其中，IDO为亚阈临界饱和电流，ξ为亚阈斜率因子，VT为热电压，
由公式(3)、(4)和IDS，Mb2<IDS，Mb2C可知，VGS，Mb2C>VGS，Mb2，利用VGS，Mb2得到近似于N型场效应管亚阈值开启电压的偏置电压Vsth_1；利用VGS，Mb2C得到近似于N型场效应管亚阈值开启电压的偏置电压Vsth_2，且Vsth_2>Vsth_1。参见图3。
温度电压转换电路20中，场效应管MPref、MPstop、MPrst完全相同，栅极电位均为V_t_ref，其中V_t_ref也为MPref的漏极电位和Mref的漏极电位；场效应管Mref、Mstop、Mrst的宽长比各不相同，且(W/L)Mrst>(W/L)Mstop>(W/L)Mref，其中(W/L)Mrst为场效应管Mrst的宽长比，(W/L)Mstop为场效应管Mstop的宽长比，(W/L)Mref为场效应管Mref的宽长比，且令V_t_rst为MPrst和Mrst的漏极电位；V_t_stop为MPstop和Mstop的漏极电位；Vsth_2为场效应管Mref的栅极电位；Vsth_1为场效应管Mrst和场效应管Mstop的栅极电位。
温度电压转换电路20中第一条支路中，场效应管Mref始终工作在亚阈值区，其漏电流公式为：
而场效应管MPref始终工作在饱和区，其漏电流公式为：
IDS,MPref＝0.5μpCox(W/L)MPref(vdd-V_t_ref-|VTHp|)2 (6)
根据基尔霍夫电流定律IDS，MPref＝IDS，Mref，得到V_t_ref是一个与温度线性相关的值，而温度系数中包含了(W/L)Mref这一项，故调整(W/L)Mref的大小,得到不随温度变化的V_t_ref。参见图4。
温度电压转换电路20中第二条支路中，场效应管Mstop始终工作在亚阈值区，其漏电流公式为：
由公式(7)可知，当温度很低的时候，处于亚阈值区的场效应管Mstop漏电流主要受Vsth_2的影响，调整Mb4、Mb5的宽长比(W/L)Mb4和(W/L)Mb5得到具有合适差值的Vsth_2和Vsth_1；再调整MPref和MPstop的宽长比(W/L)MPrst和(W/L)MPstop使得在低温时IDS，Mstop<IDS，Mref；当温度升高时，漏电流上升的斜率逐渐受场效应管的宽长比影响，因(W/L)MPstop>(W/L)MPref，故随着温度上升IDS，Mstop增长的比IDS，Mref快，在预设的温度范围内，IDS，Mstop与IDS，Mref只有一个公共交点，故无需启动电路；同理IDS，Mrst也只与IDS，Mref有一个公共交点；且IDS，Mstop与IDS，Mref的公共交点位于105℃；IDS，Mrst与IDS，Mref的公共交点位于165℃，参见图5。再考虑场效应管MPstop，场效应管Mstop当做电流源，而MPstop和MPref是一对电流镜，在低温时有IDS，Mstop<IDS，Mref，MPstop只有进入线性区，才使IDS，Mstop＝IDS，MPstop，此时V_t_stop远大于V_t_ref，而随着温度上升，IDS，Mstop上升到与IDS，Mref大小相近，此时MPstop进入饱和区，而当IDS，Mstop>IDS，Mref时，V_t_stop快速下降，变得远小于V_t_ref，至此完成了从温度到电流再到电压的转换。
温度电压转换电路20中第三条支路中，场效应管MPrst、MPstop和MPref的宽长比不同，即(W/L)MPrst>(W/L)MPstop>(W/L)MPref，随着温度的上升，V_t_rst<V_t_stop<V_t_ref，参见图6，导致Tstop>Trst，其中Tstop为整个系统的关断温度，Trst为整个系统的重启温度。
比较器30为五管放大器结构。
数字输出电路40的两条支路均为数字反相器结构，Vc_n、Vc_p为反相数字输出和正相数字输出，控制停止工作或者重新启动，二者均记高电平为1，低电平为0，输入场效应管M7、M8的栅极电压分别为V_t_ref与V_com，当V_t_ref>V_com时，Vc_n＝0，Vc_p＝1；当V_t_ref<V_com时，Vc_n＝1，Vc_p＝0，其中，V_com即为M8的栅极电压，亦为选择电路50的输出电压。参见图7。
选择电路50为传输门，当Vc_n＝1，Vc_p＝0时，V_com＝V_t_stop；当Vc_n＝0，Vc_p＝1时，V_com＝V_t_rst。最后实现的时序功能为下表所示：
温度 V_com Vc_n/Vc_p V_com’
增长超过105℃ V_t_stop 1/0 V_t_stop
增长超过165℃ V_t_stop 0/1 V_t_rst
降低超过165℃ V_t_rst 0/1 V_t_rst
降低超过105℃ V_t_rst 1/0 V_t_stop
由上表可知，本电路设计使用选择电路50完成了滞回比较的功能，温度由低到高超过105℃电路继续工作，超过165℃才会关断电路；电路停止工作后温度回落，温度降低超过降低超过165℃时电路不重启，降低超过105℃电路才重启。其中V_com’为V_com下一个状态的取值。参见图8。
本发明1)利用经典亚阈值电压偏置电路，通过调整场效应管Mb4、Mb5宽长比，得到合适差值的Vsth_1与Vsth_2。
2)利用亚阈值区的N型场效应管做电流源，二极管接法饱和区的P型场效应管做负载，通过计算(W/L)Mref的大小,调整V_t_ref的温度系数，最终的到一个不随温度变化的V_t_ref。
3)设计了无需启动电路、三极管、电阻的温度-电流-电压转换电路，成功地只使用场效应管做出了温度-电压转换模块。
4)通过将参考场效应管与比较场效应管的栅压设置为不同值，解决了截止时二者电流均为零的交点，无论温度变化范围多大，参考场效应管和比较场效应管的电流交点只有一个，因为省去了启动电路。
本发明成功的避免了使用启动电路、三极管、电阻，大大的减小了集成电路面积、降低了对工艺的需求；因为大量使用了工作在亚阈值区的场效应管，大幅减小了电路的静态电流，最终使得静态电流低至340nA，而传统过温保护电路要想达到低功耗的要求则需要使用大阻值电阻，浪费面积，且因为电阻本身存在温漂则精度不足。
本发明的静态电流低至340nA，完美实现了温度滞回，保护了电路。超过165℃电路停止工作；低于105℃电路重启。版图面积仅为10um2,大幅减小了芯片面积。
目前的技术很多电路依然需要使用启动电路，而我通过将参考场效应管与比较场效应管的栅压设置为不同值，解决了截止时二者电流均为零的交点，无论温度变化范围多大，参考场效应管和比较场效应管的电流交点只有一个，因为省去了启动电路。目前的大多数技术都需要利用三极管具有负温度系数的VBE来实现功能，为了避免三极管与场效应管的混用，我利用了场效应管VTH的负温度系数特性和不同宽长比的场效应管随温度变化电流增速不同的特性取代了三极管。已有的技术基本都需要使用电阻来实现功能，占用了大量的面积，因此我决定使用一种新的电路结构，利用工作在亚阈值区的N型场效应管做电流源，二极管接法的P型场效应管做负载和电流镜完成复制比较，成功将温度变化转换为电流变化再转化为电压变化，从而实现纯场效应管的过温保护电路。
该电路应用在了一款低功耗高瞬态响应片内电容的LDO上，并且完美实现了温度滞回。超过165℃电路停止工作；低于105℃电路重启。
应当理解，本文所述的示例性实施例是说明性的而非限制性的。尽管结合附图描述了本发明的一个或多个实施例，本领域普通技术人员应当理解，在不脱离通过所附权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以做出各种形式和细节的改变。

Claims (4)

1.一种纯场效应管低功耗过温保护电路，其特征在于，包括偏置电路、温度电压转换电路、选择电路、比较器和数字输出电路，其中，所述偏置电路的输出与温度电压转换电路的输入连接，温度电压转换电路的输出与选择电路的输入和比较器的输入分别连接，比较器的输出与选择电路的输入连接，选择电路的输出与比较器的输入连接；
所述偏置电路包括两条支路，第一条支路包括场效应管M0、Mb1、Mb2、Mb3和Mb4，第二条支路包括场效应管Mb1c、Mb2c、Mb3c和Mb5；所述温度电压转换电路包括三条支路，第一条支路包括场效应管MPref和Mref，第二条支路包括MPstop和Mstop，第三条支路包括场效应管MPrst和Mrst；所述比较器包括场效应管M5、M6、M7、M8和M9；所述数字输出电路包括两条支路，第一条支路包括场效应管M1和M2，第二条支路包括场效应管M3和M4；所述选择电路包括场效应管Mt1、Mt2、Mt3和Mt4；
其中，M0、Mb1、Mb1C、M5、MPref、MPstop、MPrst的源端均连接到vdd；
Mb3、Mb2、Mb2C、M8、M9、M2、M4、Mref、Mstop、Mrst的源端和Mb4、Mb5的栅端均连接到gnd；
Mb2的栅端、漏端和Mref的栅端连接到Vsth_1；
Mb2C的栅端、漏端和Mstop、Mrst的栅端连接到Vsth_2；
M7的栅端、Mref的漏端、MPref的漏端均连接到V_t_ref;
M6的栅端、Mt1和Mt3的漏端、Mt2和Mt4的漏端均连接到V_com;
Mstop的漏端、Mt2的源端、MPref的漏端、Mt1的源端连接到V_t_stop；
Mrst的漏端、Mt4的源端、MPrst的漏端、Mt3的源端连接到V_t_rst；
M1的漏端、M2的漏端、M3的栅端、M4的栅端连接到Vc_n；
M3的漏端、M4的漏端连接到Vc_n；
Mb3、Mb3C的栅端和漏端相连；
M0、Mb1、Mb1C、M5的栅端和M0的漏端连接在一起；
MPref、MPstop、MPrst的栅端连接在一起；
Mb1的漏端和Mb4、Mb3的源端相连；
Mb1C的漏端和Mb5、Mb3C的源端相连；
Mb3的源端与Mb2的漏端相连；
Mb3C的源端与Mb2C的漏端相连；
M5的漏端与M7、M6的源端相连；
M7的漏端、M8的漏端、M8的栅端、M9的栅端连接在一起；
M6的漏端、M9的漏端、M1的栅端、M2的栅端均连在一起；
MPref的漏端和栅端、MPstop的栅端、MPrst的栅端连接在一起；
其中vdd为电源电压，gnd为电源地；
所述偏置电路中场效应管Mb1、Mb1C完全相同；场效应管Mb2、Mb2C完全相同；场效应管Mb3、Mb3C完全相同；场效应管Mb4、Mb5宽长比不同，且（W/L）Mb4>（W/L）Mb5，其中，（W/L）Mb4为场效应管Mb4的长宽比，（W/L）Mb5为场效应管Mb5的长宽比，工作在饱和区的场效应管Mb4、Mb5的漏电流分别为：
（1）
（2）
其中，μP为P型区内的空穴迁移率，COX为栅电容密度，VTHp为P型场效应管的阈值电压，VGS，Mb4为场效应管Mb4的栅源电压，VGS，Mb5为场效应管Mb5的栅源电压；
可得，IDS，Mb4≠IDS，Mb5，且因（W/L）Mb4>（W/L）Mb5，故IDS，Mb4>IDS，Mb5，而电流镜场效应管Mb1、Mb1C流过的漏电流完全一样，IDS，Mb1=IDS，Mb1C，根据基尔霍夫电流定律可知，场效应管Mb2、Mb2C流过的漏电流不相等，
IDS，Mb2≠IDS，Mb2C，且IDS，Mb2<IDS，Mb2C；
所述场效应管Mb2、Mb2C均工作在亚阈值区，且VGS，Mb2=VDS，Mb2，VGS，Mb2C=VDS，Mb2C，VGS，Mb2为场效应管Mb2的栅源电压，VDS，Mb2为场效应管Mb2的漏源电压，VGS，Mb2C为场效应管Mb2C的栅源电压，VDS，Mb2C为场效应管Mb2C的漏源电压，因此二者亚阈值漏电流公式如下：
（3）
（4）
其中，IDO为亚阈临界饱和电流，ξ为亚阈斜率因子，VT为热电压，
由公式（3）、（4）和IDS，Mb2<IDS，Mb2C可知，VGS，Mb2C>VGS，Mb2，利用VGS，Mb2得到近似于N型场效应管亚阈值开启电压的偏置电压Vsth_1；利用VGS，Mb2C得到近似于N型场效应管亚阈值开启电压的偏置电压Vsth_2，且Vsth_2>Vsth_1；
所述温度电压转换电路中，场效应管MPref、MPstop、MPrst完全相同，栅极电位均为V_t_ref，其中V_t_ref也为MPref的漏极电位和Mref的漏极电位；场效应管Mref、Mstop、Mrst的宽长比各不相同，且（W/L）Mrst>（W/L）Mstop>（W/L）Mref，其中（W/L）Mrst为场效应管Mrst的宽长比，（W/L）Mstop为场效应管Mstop的宽长比，（W/L）Mref为场效应管Mref的宽长比，且令V_t_rst为MPrst和Mrst的漏极电位；V_t_stop为MPstop和Mstop的漏极电位；Vsth_2为场效应管Mref的栅极电位；Vsth_1为场效应管Mrst和场效应管Mstop的栅极电位；
所述温度电压转换电路中第一条支路中，场效应管Mref始终工作在亚阈值区，其漏电流公式为：
（5）
而场效应管MPref始终工作在饱和区，其漏电流公式为：
（6）
根据基尔霍夫电流定律IDS，MPref=IDS，Mref，得到V_t_ref是一个与温度线性相关的值，而温度系数中包含了（W/L）Mref这一项，故调整（W/L）Mref的大小,得到不随温度变化的V_t_ref；
所述温度电压转换电路中第二条支路中，场效应管Mstop始终工作在亚阈值区，其漏电流公式为：
（7）
由公式（7）可知，当温度很低的时候，处于亚阈值区的场效应管Mstop漏电流主要受Vsth_2的影响，调整Mb4、Mb5的宽长比（W/L）Mb4和（W/L）Mb5得到具有合适差值的Vsth_2和Vsth_1；再调整MPref和MPstop的宽长比（W/L）MPrst和（W/L）MPstop使得在低温时IDS，Mstop<IDS，Mref；当温度升高时，漏电流上升的斜率逐渐受场效应管的宽长比影响，因（W/L）MPstop>（W/L）MPref，故随着温度上升IDS，Mstop增长的比IDS，Mref快，在预设的温度范围内，IDS，Mstop与IDS，Mref只有一个公共交点，故无需启动电路；同理IDS，Mrst也只与IDS，Mref有一个公共交点；再考虑场效应管MPstop，场效应管Mstop当做电流源，而MPstop和MPref是一对电流镜，在低温时有IDS，Mstop<IDS，Mref，MPstop只有进入线性区，才使IDS，Mstop=IDS，MPstop，此时V_t_stop远大于V_t_ref，而随着温度上升，IDS，Mstop上升到与IDS，Mref大小相近，此时MPstop进入饱和区，而当IDS，Mstop>IDS，Mref时，V_t_stop快速下降，变得远小于V_t_ref，至此完成了从温度到电流再到电压的转换；
所述温度电压转换电路中第三条支路中，场效应管MPrst、MPstop和MPref的宽长比不同，即（W/L）MPrst>（W/L）MPstop>（W/L）MPref，随着温度的上升，V_t_rst<V_t_stop<V_t_ref，导致Tstop>Trst，其中Tstop为整个系统的关断温度，Trst为整个系统的重启温度。
2.如权利要求1所述的纯场效应管低功耗过温保护电路，其特征在于，所述比较器为五管放大器结构。
3.如权利要求1所述的纯场效应管低功耗过温保护电路，其特征在于，所述数字输出电路的两条支路均为数字反相器结构，Vc_n、Vc_p为反相数字输出和正相数字输出，控制停止工作或者重新启动，二者均记高电平为1，低电平为0，输入场效应管M7、M8的栅极电压分别为V_t_ref与V_com，当V_t_ref>V_com时，Vc_n=0，Vc_p=1；当V_t_ref<V_com时，Vc_n=1，Vc_p=0，其中，V_com即为M8的栅极电压，亦为选择电路的输出电压。
4.如权利要求3所述的纯场效应管低功耗过温保护电路，其特征在于，所述选择电路为传输门，当Vc_n=1，Vc_p=0时，V_com=V_t_stop；当Vc_n=0，Vc_p=1时，V_com=V_t_rst。
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