CN114185387B - 一种基于电流比较器的低功耗过温保护电路 - Google Patents

一种基于电流比较器的低功耗过温保护电路 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于电流比较器的低功耗过温保护电路，包括：负温系数产生电路、电流比较器和整形电路，其中，负温系数产生电路的输入端连接偏置电压，输出端连接电流比较器的第一输入端；电流比较器的第二输入端连接偏置电压，输出端连接整形电路的输入端；整形电路的输出端输出过温保护控制信号；负温系数产生电路用于产生与温度负相关的电压信号；电流比较器用于比较负温系数产生电路的输出电流和基准电流；整形电路用于根据比较结果输出过温保护控制信号；电流比较器包括迟滞回路，迟滞回路的输出端与整形电路连接。本发明的电路，具有极低的静态功耗，只需给满足晶体管导通的最小偏置电流，电路即可正常工作，适合低功耗应用。

Description

一种基于电流比较器的低功耗过温保护电路
技术领域
本发明属于集成电路技术领域，具体涉及一种基于电流比较器的低功耗过温保护电路。
背景技术
过温保护电路作为所有成熟芯片中必不可少的一个辅助模块，其应用非常广泛。当芯片的工作温度过高时，可能会给芯片带来不可逆的损伤，此时就需要过温保护电路，当检测到温度过高时，迅速关断整个芯片，并能在温度降到一定程度之后自动恢复正常工作。常见的过温保护电路都是利用三极管基极和发射极电压Vbe的负温系数特性与电阻的正温度系数特性，通过比较器进行比较，当温度升高到一定程度时，过温保护电路的输出翻转。
上述方法利用电阻对电源电压直接分压，若想实现低功耗，需要流过电阻的电流非常小，也即电阻非常大，因此需要很大的版图面积。在低功耗设计中，设计过温保护电路时，不可避免的要考虑过温保护电路的功耗，因此，如果用电阻分压的原理，实现低功耗将需要很大的版图面积。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于电流比较器的低功耗过温保护电路。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
本发明提供了一种基于电流比较器的低功耗过温保护电路，包括：负温系数产生电路、电流比较器和整形电路，其中，
所述负温系数产生电路的输入端连接偏置电压，输出端连接所述电流比较器的第一输入端；所述电流比较器的第二输入端连接所述偏置电压，输出端连接所述整形电路的输入端；所述整形电路的输出端输出过温保护控制信号；
所述负温系数产生电路用于产生与温度负相关的电压信号；所述电流比较器用于比较所述负温系数产生电路的输出电流和基准电流；所述整形电路用于根据比较结果输出过温保护控制信号；
所述电流比较器包括迟滞回路，所述迟滞回路的输出端与所述整形电路连接。
在本发明的一个实施例中，所述负温系数产生电路包括第一MOS管和晶体管，其中，
所述第一MOS管的源极连接电源端，栅极作为所述负温系数产生电路的输入端连接所述偏置电压，漏极连接所述晶体管的发射极；
所述晶体管的基极和集电极均连接地端；
所述晶体管的发射极作为所述负温系数产生电路的输出端。
在本发明的一个实施例中，所述电流比较电路包括第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管和第五MOS管，其中，
所述第二MOS管的源极连接电源端，栅极连接所述偏置电压，漏极分别连接所述第三MOS管的漏极、所述第四MOS管的漏极和所述整形电路的输入端；
所述第三MOS管的源极连接接地端，所述第三MOS管的栅极和所述第四MOS管的栅极均连接所述负温系数产生电路的输出端；
所述第四MOS管的源极连接所述第五MOS管的漏极，所述第五MOS管的源极连接所述接地端；
所述第五MOS管的栅极作为所述迟滞回路的输出端连接所述整形电路。
在本发明的一个实施例中，所述整形电路包括第六MOS管、第七MOS管、第八MOS管、第九MOS管、第十MOS管、第十一MOS管、第十二MOS管、第十三MOS管、第十四MOS管、第十五MOS管、第十六MOS管和第十七MOS管，其中，
所述第六MOS管的源极、所述第八MOS管的源极、所述第十MOS管的源极、所述第十五MOS管的漏极、所述第十六MOS管的源极均连接电源端；
所述第六MOS管的栅极和所述第七MOS管的栅极均连接所述电流比较电路的输出端；
所述第六MOS管的漏极分别连接所述第七MOS管的漏极、所述第八MOS管的栅极、所述第九MOS管的栅极和所述迟滞回路的输出端；
所述第八MOS管的漏极连接分别所述第九MOS管的漏极、所述第十MOS管的栅极、所述第十一MOS管的栅极、所述第十二MOS管的栅极和所述第十三MOS管的栅极；
所述第十MOS管的漏极分别连接所述第十一MOS管的源极和所述第十四MOS管的源极；
所述第十一MOS管的漏极分别连接所述第十二MOS管的漏极、所述第十四MOS管的栅极、所述第十五MOS管的栅极、所述第十六MOS管的栅极和所述第十七MOS管的栅极；
所述第十二MOS管的源极分别连接所述第十三MOS管的漏极和所述第十五MOS管的源极；
所述第十六MOS管的漏极和所述第十七MOS管的漏极连接，所述第十六MOS管的漏极作为所述整形电路的输出端输出过温保护控制信号；
所述第七MOS管的源极、所述第九MOS管的源极、所述第十三MOS管的源极、所述第十四MOS管的漏极和所述第十七MOS管的源极均连接地端。
在本发明的一个实施例中，所述晶体管为双极结型晶体管，其发射结电压具有负温度系数。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1.本发明的基于电流比较器的低功耗过温保护电路，具有极低的静态功耗，只需给满足晶体管导通的最小偏置电流，电路即可正常工作，适合低功耗应用；
2.本发明的基于电流比较器的低功耗过温保护电路，利用电流比较器，简化电路结构，无需任何电阻，能实现迟滞过温保护功能，电路面积小，成本低。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种基于电流比较器的低功耗过温保护电路的结构框图；
图2是本发明实施例提供的一种基于电流比较器的低功耗过温保护电路的电路图；
图3是本发明实施例提供的基于电流比较器的低功耗过温保护电路的仿真波形图。
具体实施方式
为了进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及具体实施方式，对依据本发明提出的一种基于电流比较器的低功耗过温保护电路进行详细说明。
有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合附图的具体实施方式详细说明中即可清楚地呈现。通过具体实施方式的说明，可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效进行更加深入且具体地了解，然而所附附图仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明的技术方案加以限制。
实施例一
请结合参见图1和图2，图1是本发明实施例提供的一种基于电流比较器的低功耗过温保护电路的结构框图；图2是本发明实施例提供的一种基于电流比较器的低功耗过温保护电路的电路图。如图所示，本实施例的基于电流比较器的低功耗过温保护电路，包括：负温系数产生电路、电流比较器和整形电路，其中，负温系数产生电路的输入端连接偏置电压V_BIAS_P，输出端连接电流比较器的第一输入端；电流比较器的第二输入端连接偏置电压V_BIAS_P，输出端连接整形电路的输入端；整形电路的输出端输出过温保护控制信号OTP_OUT。
具体地，负温系数产生电路用于产生与温度负相关的电压信号；电流比较器用于比较负温系数产生电路的输出电流和基准电流；整形电路用于根据比较结果输出过温保护控制信号OTP_OUT。
在本实施例中，基准电流由偏置电压V_BIAS_P提供。
在本实施例中，电流比较器包括迟滞回路，迟滞回路的输出端与整形电路连接。
具体地，负温系数产生电路包括第一MOS管M1和晶体管Q1，其中，第一MOS管M1的源极连接电源端VDD，栅极作为负温系数产生电路的输入端连接偏置电压V_BIAS_P，漏极连接晶体管Q1的发射极；晶体管Q1的基极和集电极均连接地端GND；晶体管Q1的发射极作为负温系数产生电路的输出端。
在本实施例中，晶体管Q1为双极结型晶体管，其发射结电压(Vbe)具有负温度系数。偏置电压V_BIAS_P为负温系数产生电路提供偏置电流。
进一步地，电流比较电路包括第二MOS管M2、第三MOS管M3、第四MOS管M4和第五MOS管M5。其中，第二MOS管M2的源极连接电源端VDD，栅极连接偏置电压V_BIAS_P，漏极分别连接第三MOS管M3的漏极、第四MOS管M4的漏极和整形电路的输入端；第三MOS管M3的源极连接接地端GND，第三MOS管M3的栅极和第四MOS管M4的栅极均连接负温系数产生电路的输出端；第四MOS管M4的源极连接第五MOS管M5的漏极，第五MOS管M5的源极连接接地端GND；第五MOS管M5的栅极作为迟滞回路的输出端连接整形电路。
在本实施例中，第四MOS管M4和第五MOS管M5组成迟滞回路。
进一步地，整形电路包括第六MOS管M6、第七MOS管M7、第八MOS管M8、第九MOS管M9、第十MOS管M10、第十一MOS管M11、第十二MOS管M12、第十三MOS管M13、第十四MOS管M14、第十五MOS管M15、第十六MOS管M16和第十七MOS管M17。
其中，第六MOS管M6的源极、第八MOS管M8的源极、第十MOS管M10的源极、第十五MOS管M15的漏极、第十六MOS管M16的源极均连接电源端VDD。第六MOS管M6的栅极和第七MOS管M7的栅极均连接电流比较电路的输出端，第六MOS管M6的漏极分别连接第七MOS管M7的漏极、第八MOS管M8的栅极、第九MOS管M9的栅极和迟滞回路的输出端。
第八MOS管M8的漏极连接分别第九MOS管M9的漏极、第十MOS管M10的栅极、第十一MOS管M11的栅极、第十二MOS管M12的栅极和第十三MOS管M13的栅极。第十MOS管M10的漏极分别连接第十一MOS管M11的源极和第十四MOS管M14的源极。
第十一MOS管M11的漏极分别连接第十二MOS管M12的漏极、第十四MOS管M14的栅极、第十五MOS管M15的栅极、第十六MOS管M16的栅极和第十七MOS管M17的栅极。第十二MOS管M12的源极分别连接第十三MOS管M13的漏极和第十五MOS管M15的源极。
第十六MOS管M16的漏极和第十七MOS管M17的漏极连接，第十六MOS管M16的漏极作为整形电路的输出端输出过温保护控制信号OTP_OUT。第七MOS管M7的源极、第九MOS管M9的源极、第十三MOS管M13的源极、第十四MOS管M14的漏极和第十七MOS管M17的源极均连接地端GND。
进一步地，对本实施例的基于电流比较器的低功耗过温保护电路的工作原理进行说明。
在本实施例中，第一MOS管M1为晶体管Q1提供偏置电流，第二MOS管M2、第三MOS管M3和第四MOS管M4构成电流比较，第五MOS管M5用来控制过温保护电路的迟滞效果。后级的第六MOS管M6～第十七MOS管M17构成的反相器、施密特触发器用于整形。
在温度较低时，负温系数产生电路产生的电压较大，与第二MOS管M2相比，由第三MOS管M3、第四MOS管M4和第五MOS管M5构成的电路下拉能力更强，输出低电平，此时，第五MOS管M5打开，通过后级的反相器、施密特触发器后，输出低电平，电路正常工作。
由于晶体管Q1的发射结电压Vbe具有约-1.5mV/℃的负温度系数，当温度上升时，晶体管Q1上的电压下降导致电流比较器的下拉能力减弱，电平翻转，第五MOS管M5关断，产生过温关断信号。关断之后，电流比较器变为第二MOS管M2和第三MOS管M3，若想恢复正常工作，需要温度降到比过温点更低，第三MOS管M3的栅压比原来更高，才能翻转，因而实现了“迟滞”的效果。
本实施例的基于电流比较器的低功耗过温保护电路，具有极低的静态功耗，只需给满足晶体管导通的最小偏置电流，电路即可正常工作，适合低功耗应用，而且，利用电流比较器，简化电路结构，无需任何电阻，能实现迟滞过温保护功能，电路面积小，成本低。
实施例二
本实施例对实施例一的基于电流比较器的低功耗过温保护电路进行了仿真实验，对其效果进行说明。请参见图3，图3是本发明实施例提供的基于电流比较器的低功耗过温保护电路的仿真波形图。本实施例的实验条件为电源电压3.6V，偏置电流设为34nA，过温保护电路总静态电流约为109nA。如图所示，在本实施例中，在0-150℃对过温保护电路进行直流扫描，过温点约132℃，过温恢复点约102℃。
本实施例的基于电流比较器的低功耗过温保护电路，在温度升高时，产生过温信号，温度下降到一定程度时，恢复正常信号。由于该电路未采用电压比较器，未使用电阻，因而电路的功耗低、电路所占面积小，结构简单。
应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于电流比较器的低功耗过温保护电路，其特征在于，包括：负温系数产生电路、电流比较器和整形电路，其中，
所述负温系数产生电路的输入端连接偏置电压(V_BIAS_P)，输出端连接所述电流比较器的第一输入端；所述电流比较器的第二输入端连接所述偏置电压(V_BIAS_P)，输出端连接所述整形电路的输入端；所述整形电路的输出端输出过温保护控制信号(OTP_OUT)；
所述负温系数产生电路用于产生与温度负相关的电压信号；所述电流比较器用于比较所述负温系数产生电路的输出电流和基准电流；所述整形电路用于根据比较结果输出过温保护控制信号(OTP_OUT)；
所述电流比较器包括迟滞回路，所述迟滞回路的输出端与所述整形电路连接；
所述电流比较器包括第二MOS管(M2)、第三MOS管(M3)、第四MOS管(M4)和第五MOS管(M5)，其中，所述第二MOS管(M2)的源极连接电源端(VDD)，栅极连接所述偏置电压(V_BIAS_P)，漏极分别连接所述第三MOS管(M3)的漏极、所述第四MOS管(M4)的漏极和所述整形电路的输入端；所述第三MOS管(M3)的源极连接接地端(GND)，所述第三MOS管(M3)的栅极和所述第四MOS管(M4)的栅极均连接所述负温系数产生电路的输出端；所述第四MOS管(M4)的源极连接所述第五MOS管(M5)的漏极，所述第五MOS管(M5)的源极连接所述接地端(GND)；所述第五MOS管(M5)的栅极作为所述迟滞回路的输出端连接所述整形电路。
2.根据权利要求1所述的基于电流比较器的低功耗过温保护电路，其特征在于，所述负温系数产生电路包括第一MOS管(M1)和晶体管(Q1)，其中，
所述第一MOS管(M1)的源极连接电源端(VDD)，栅极作为所述负温系数产生电路的输入端连接所述偏置电压(V_BIAS_P)，漏极连接所述晶体管(Q1)的发射极；
所述晶体管(Q1)的基极和集电极均连接地端(GND)；
所述晶体管(Q1)的发射极作为所述负温系数产生电路的输出端。
3.根据权利要求1所述的基于电流比较器的低功耗过温保护电路，其特征在于，所述整形电路包括第六MOS管(M6)、第七MOS管(M7)、第八MOS管(M8)、第九MOS管(M9)、第十MOS管(M10)、第十一MOS管(M11)、第十二MOS管(M12)、第十三MOS管(M13)、第十四MOS管(M14)、第十五MOS管(M15)、第十六MOS管(M16)和第十七MOS管(M17)，其中，
所述第六MOS管(M6)的源极、所述第八MOS管(M8)的源极、所述第十MOS管(M10)的源极、所述第十五MOS管(M15)的漏极、所述第十六MOS管(M16)的源极均连接电源端(VDD)；
所述第六MOS管(M6)的栅极和所述第七MOS管(M7)的栅极均连接所述电流比较器的输出端；
所述第六MOS管(M6)的漏极分别连接所述第七MOS管(M7)的漏极、所述第八MOS管(M8)的栅极、所述第九MOS管(M9)的栅极和所述迟滞回路的输出端；
所述第八MOS管(M8)的漏极连接分别所述第九MOS管(M9)的漏极、所述第十MOS管(M10)的栅极、所述第十一MOS管(M11)的栅极、所述第十二MOS管(M12)的栅极和所述第十三MOS管(M13)的栅极；
所述第十MOS管(M10)的漏极分别连接所述第十一MOS管(M11)的源极和所述第十四MOS管(M14)的源极；
所述第十一MOS管(M11)的漏极分别连接所述第十二MOS管(M12)的漏极、所述第十四MOS管(M14)的栅极、所述第十五MOS管(M15)的栅极、所述第十六MOS管(M16)的栅极和所述第十七MOS管(M17)的栅极；
所述第十二MOS管(M12)的源极分别连接所述第十三MOS管(M13)的漏极和所述第十五MOS管(M15)的源极；
所述第十六MOS管(M16)的漏极和所述第十七MOS管(M17)的漏极连接，所述第十六MOS管(M16)的漏极作为所述整形电路的输出端输出过温保护控制信号(OTP_OUT)；
所述第七MOS管(M7)的源极、所述第九MOS管(M9)的源极、所述第十三MOS管(M13)的源极、所述第十四MOS管(M14)的漏极和所述第十七MOS管(M17)的源极均连接地端(GND)。
4.根据权利要求2所述的基于电流比较器的低功耗过温保护电路，其特征在于，所述晶体管(Q1)为双极结型晶体管，其发射结电压具有负温度系数。
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