一種過溫保護(hù)電路設(shè)計(jì)

1、CMOS模擬電路課程設(shè)計(jì)種過溫保護(hù)電路設(shè)計(jì)目錄第一部分：溫度保護(hù)電路設(shè)計(jì)、 基本原理三、電路實(shí)現(xiàn)1. 過溫保護(hù)功能的描述2. 遲滯功能的實(shí)現(xiàn)3. 比較器的實(shí)現(xiàn)四、各個(gè)管子的功能介紹五、器件參數(shù)設(shè)計(jì)1. 確定VREF的值2. 3. 確定反饋抽取電流124. 作為電流鏡的管子的參數(shù)選取5. 兩級(jí)運(yùn)放的參數(shù)選取6. 反饋回路參數(shù)確定第二部分電流源設(shè)計(jì)一、電流源電路原理二、器件參數(shù)估算1. 電流分配：2. )X 參數(shù)計(jì)算(30OK)第三部分：仿真結(jié)果與分析驗(yàn)證1整體靜態(tài)工作電流2. 電流源溫度特性3. 電流源電壓特性4. 整體電路工藝穩(wěn)定性第四部分：設(shè)計(jì)總結(jié)參考文獻(xiàn)第一部分溫度保護(hù)電路設(shè)計(jì)一基本原理如

2、圖1所示，Qo的作用是檢測(cè)芯片工作溫度的。在正常情況下，三極管反射極 的電位VE即比較器負(fù)端電位比正端電位髙，比較器輸岀低電平，芯片正常工作。 當(dāng)溫度升髙時(shí)，由于三極管EB結(jié)電壓的是負(fù)溫度系數(shù)，三極管發(fā)射極到基極的電 壓臥會(huì)降低，但是由于基極電位是基準(zhǔn)電壓VREFl,故三極管的發(fā)射極電壓即比 較器的負(fù)端電位會(huì)降低。當(dāng)溫度超過翻轉(zhuǎn)閾值的時(shí)候，比較器負(fù)端電位會(huì)降到比 正端的電位VREF2低，比較器就會(huì)輸岀髙電平，從而關(guān)斷功率開關(guān)器件，避免芯 片被燒毀。遲滯產(chǎn)生電路的作用是在芯片正常工作和過溫時(shí)產(chǎn)生大小不同的電 流，改變比較器的翻轉(zhuǎn)閾值。從而防止功率開關(guān)器件在翻轉(zhuǎn)點(diǎn)頻繁開啟和關(guān)斷。圖1溫度保護(hù)電路原

3、理圖二電路實(shí)現(xiàn)1.過溫保護(hù)功能的描述當(dāng)管芯溫度超過16(C時(shí)，過溫保護(hù)電路輸岀控制信號(hào)OUTPUT輸出為高電平; 直到溫度降至14(C時(shí)，過溫保護(hù)電路輸出控制信號(hào)OUTPUT才重新變?yōu)榈碗娖?。圖2過溫保護(hù)實(shí)際電路2 遲滯功能的實(shí)現(xiàn)當(dāng)溫度沒有達(dá)到過溫點(diǎn)時(shí)，OUTPUT為低電平,管關(guān)斷,流過Q。的電流為S 根據(jù)三極管發(fā)射結(jié)電壓與電流的關(guān)系可知EB(QQ> vEBNOMAL = VT In(2)當(dāng)溫度達(dá)到160cC,比較器輸出變?yōu)轶{電平，血管的柵極變?yōu)楦唠娖?，進(jìn)而 打開治管，從而流過Qo管的電流減少，變?yōu)镮-I2,這時(shí)Vt()導(dǎo)致VBE(QO)進(jìn)一步減小，減小的量為溫度的遲滯量為:(4)式中A

4、。為三極管EB結(jié)電壓的溫度系數(shù)(常溫下該值約為一2mV / K) 0由于遲滯,只有當(dāng)溫度下降到160,lC低20*fC的溫度,才能使VEB(Or)±升到使比較器翻轉(zhuǎn)。比較器翻轉(zhuǎn)后，輸出為低電平,M13管關(guān)閉，如果此時(shí)溫度在上升, VEB畑必須上升到VEB (U,>比較器才會(huì)再次翻轉(zhuǎn)，這樣就實(shí)現(xiàn)遲滯。3. 比較器的實(shí)現(xiàn)根據(jù)圖2,、比較器是一個(gè)兩級(jí)比較器，第一級(jí)采用有源電流鏡負(fù)載的差動(dòng)放 大器，第二級(jí)采用電流源負(fù)載共源級(jí)放大器。當(dāng)VKB(QO) <VREF時(shí)，OUT翻轉(zhuǎn)為髙電 平。反之，輸出為低電平。為了得到較髙的分辨率，需要比較器有較髙的增益。 下面分析該比較器的增益。第一

5、級(jí)增益：(6)(5)RM =)kn6(2,HlkH6)!(7)第二級(jí)的增益：從輸出節(jié)點(diǎn)往上看，Rt>tll=(Sm2+8,nh2)Vo2從輸出節(jié)點(diǎn)向下看，所以，有=Gmo(10)R°u；=(2 + 2X12lk,0(11)1= GR'Pr Oltt(12)總的增益為A= AiA2（13）從上面對(duì)增益的推導(dǎo)中可知該比較器的增益足夠髙，滿足髙分辨率的要求。三. 各個(gè)管子的功能介紹如圖2所示，址、帕以及Q1構(gòu)成了溫度檢驗(yàn)電路，其中M1. M2是低壓工作的電 流鏡提供了 I”由于三極管f具有負(fù)溫度系數(shù)，基本隨溫度升高而線性減小，所 以VEB可以檢測(cè)溫度。為了提高放大倍數(shù)以及輸出

6、擺幅，比較莽采用兩級(jí)運(yùn)放構(gòu)成。 M5、M6、M11. M12. M16. M17構(gòu)成了有源電流鏡負(fù)載的第一級(jí)差動(dòng)放大器，其中M“ Mg是低壓工作的電流鏡，Mw、是有源電流鏡負(fù)載。M。血構(gòu)成第二級(jí)共源級(jí)放 大器，恥是低壓共源共柵電流鏡提供尾電流。也、MS為低壓共源共柵電流鏡提 供偏置，你、血與鬼構(gòu)成共源共柵電流鏡，將基準(zhǔn)電流鏡像過來作為電流源。血、 M2。為M14的柵壓提供偏置。Mg與MW, bl占M22分別構(gòu)成電流鏡0 M13. Ml提遲滯產(chǎn)生 電路，OUTPUT為低電平，血管關(guān)斷，反饋回路不抽取電流，三極管IE=I1;OUTPUT為高電平，M門管打開,反饋回路抽取電流I2 （I2大小取決于M

7、18. M22構(gòu) 成的電流鏡）。四. 器件參數(shù)設(shè)計(jì)整體靜態(tài)電流指標(biāo)：（VDD=全典型模型，TeMP=27 oC條件下）60uA,由 于電流源要輸出10 A電流剩下50 A分配20 A給電流源電路，剩下30 A給過溫 保護(hù)電路。1.過溫保護(hù)電路器件參數(shù)設(shè)計(jì)電流提供的基準(zhǔn)電流設(shè)定為5 A,過溫保護(hù)電路有6條支路初步初步每條支 路分配5 UA,即I1=5A， 確定VREF的值斷開反饋回路，用理想電流源ISS代替【2。當(dāng)ISS=5 A時(shí)，對(duì)電路進(jìn)行直流溫度 掃描，掃描區(qū)間從-40oC-200cC,步長(zhǎng)19,觀察三極管QeI的V陰MO0C時(shí)，VEB=O所以初步設(shè)定Vra 確定反饋抽取電流12斷開反饋回路

8、，用理想電流源ISS代替【2。對(duì)ISS進(jìn)行參數(shù)掃描，觀察VE訐所對(duì)應(yīng) 的溫度。ISS=IPA5 UA,步長(zhǎng) 1 nA：Iss=I P A T=0CIss=2 A T=cCISS=I A2 A,步長(zhǎng) A:ISS= U A T=0CISS= A T=0CISS=UA A,步長(zhǎng) A:ISS= A T=oCISS= U A T=OC所以，初步確定反饋抽取的電流I2=5 A A=A從而可以確定仰管與M22管的寬長(zhǎng)比(Ir) I L / _ 3.48若管子仏的寬長(zhǎng)比取為2,溝道長(zhǎng)度取InA,并聯(lián)管字?jǐn)?shù)取為4,即Wn=2A, Ln= 1 A, MUtiPIy=4,則MlS的寬長(zhǎng)比取為2,溝道長(zhǎng)度取1 A,并

9、聯(lián)管子數(shù)取為 3, PWn=2A, Ln= lA, MUtiPIy=3 作為電流鏡的管子的參數(shù)選取由于每條支路的電流都相等，所以相關(guān)的管子參數(shù)取成相同即可。N型管子(M2i, M22) : Wn=2 A, Ln= lA, MUtiPIy=4；P型管子(Mg, M0): WP=I At LP= At MUtiPIy=2；低壓共源共柵電流鏡的管子(M1M6): Wp=20 A, LP= A, Mutiply=I; 為低壓共源共柵電流鏡提供偏置的管子(M：, MQ： Wp=20A, Lp= A, Mutiply=I;共源共柵電流鏡的管子(Mm, MIg) : MW的參數(shù)與相同,的參數(shù)可取Wn=IO

10、A, Ln= 1 A, MUtiPIy=I；為共源共柵電流鏡提供偏置的管子(MEMJ : MG參數(shù)可與M“取成相同，M22 與M19取成相同，將的柵壓偏置為Vgs20+Vgs15o 兩級(jí)運(yùn)放的參數(shù)選取第一級(jí)(M“、M12.6、M): M. M12,Wn=40A, Ln= 1 A, Mutiply=I; M116.Miw,Wn=20 A, Ln= 1 A, MUtiPIy=I；第二級(jí)(Mo,M1,M2):MO的參數(shù)確定應(yīng)依據(jù)反相器的輸入特性，滿足%) < DD ½)D1 - oD2 > Yf/Mo的參數(shù)取為Wn=80 A, Ln= 1 A, MUtiPly=I ； MIX

11、參數(shù)取為Wp=20 A, LP= A, MUtiPly=I ； 反饋回路參數(shù)確定M韻勺參數(shù)已根據(jù)反饋回路抽取的電流確定；的參數(shù)確定應(yīng)依據(jù)反相器的輸 出特性，滿足rDD oD3 ½7D4- ½7S13 > VOLV -V -V -IV <yVDD OD3 yOD4 1 vTH3 VOHM3的參數(shù)可取Wn=IO A, Ln= IuA, Mutiply=I;第二部分電流源設(shè)計(jì)一.電流源電路原理?yè)Q為基準(zhǔn)電流。5.6支路為4支路電流的鏡像。 由于X,Y點(diǎn)電位以及1,2支路電流相等，則:VT In. = Vf In+ IRi (1)解得1,2支路電流（PTAT電流）:Vf

12、In 72(2)對(duì)晶體管:VnE _%-(4 + 加)嶺_TTL T節(jié)點(diǎn)M電壓為:因此只要h為正的溫度系數(shù)，:為負(fù)的溫度系數(shù)，調(diào)節(jié)&則在一定溫度范 圍內(nèi)人的溫度系數(shù)可以很小(這里忽略電阻溫度系數(shù))。調(diào)節(jié)支路3, 4M0S管的寬長(zhǎng)比，可使N電位與M點(diǎn)相同則4支路電流：A即為溫度系數(shù)很小的電流，注意到兀與電壓源無關(guān)，則得到的A也于電 壓源無關(guān)，這樣再由電流鏡鏡像可得到不同電流值的基準(zhǔn)電流。二.器件參數(shù)估算： 電流分配：整體靜態(tài)電流指標(biāo)：(VDD=全典型模型，TemP=27 oC條件下)<60A,由 于電流源要輸岀10A電流剩下50 A分配20 A給電流源電路，剩下30 A 給過溫保護(hù)

13、電路。除去啟動(dòng)電路與輸出電路，電流源電路還有5條支路，初步給每條支路分配 4 A電流。即：Z12 =I3 = I4 =4A 參數(shù)計(jì)算(300K)：初步取n二&由(2)式：則：片=13.5KC對(duì)U 2支路電流有:查晶體管模型參數(shù)計(jì)算得到:d"=7138一5 (8)帶入(7)式得:4,-6 = l×7.138,-5×*(%Tj (IO)考慮到時(shí)電路正常工作，取過驅(qū)動(dòng)電壓為，則由(10)解得:'W _ 7 CL)P=(11)由M點(diǎn)溫度系數(shù)為零，即:=0 (12)帶入各參數(shù)求得：E=Ioo35g (13)VR =芋= 2565kC (14)由于各個(gè)支路分配

14、電流相等，因此可使3,4支路MOS管寬長(zhǎng)比與1,2支路相 同。Ly 1對(duì)于n管選?。?-(15)< L Jn 2第三部分仿真結(jié)果與分析驗(yàn)證設(shè)計(jì)指標(biāo)性能參數(shù)測(cè)試條件參數(shù)指標(biāo)工作電壓范圍I整體靜態(tài)電流Vh,全典型模型，TeMP=27 0C<60 電流源指標(biāo)1YimH全典型模型，TeMP=27 0C(10±2) 電流源指標(biāo)2Vm=,全典型模型，TeMP=-40oC"125cC(10±2) 過溫保護(hù)指標(biāo)MOSRESBJTVW)=所列5中模型下滿足：1) 升溫翻轉(zhuǎn)溫度：(160±5)oC2) 降溫翻轉(zhuǎn)溫度： (140±5)0CttttSSSS

15、ffffSffffstt按照以上設(shè)計(jì)的電路，用HSPICE軟件對(duì)其進(jìn)行仿真，器件模型參數(shù)釆用 M的CMOS工藝。仿真結(jié)果如下。1. 整體靜態(tài)工作電流DC ResponseA/DPLUS整體靜態(tài)工作電流大致可分為三個(gè)區(qū)間VDD=OIV,截止區(qū)，總靜態(tài)工作電流為0；VDD=I線性區(qū)，總靜態(tài)工作電流快速線性增長(zhǎng)；VDD=，工作區(qū)，總靜態(tài)工作電流比較穩(wěn)定，隨電壓的增加緩慢增長(zhǎng)。 在工作區(qū)，總的靜態(tài)電流1尸4858A,基本滿足設(shè)計(jì)要求(<60A)。2. 電流源溫度特性>R3PLUSDC RGSPOnSe雖然電流源隨溫度增漲近似線性的增加，但是變化率很小AZ =遲12 0.01 A r Ct

16、I(XrC-(TC 所以，可以看成是與溫度無關(guān)的電流源.Vdo=,全典型模型，TeMP=40125CL產(chǎn)HA可見電流溫度特性非常 穩(wěn)定，符合設(shè)計(jì)要求(IKIO±2 A) o3. 電流源電壓特性KFKleft36CCfiKICftSe電流源隨電壓變化大致可分為三個(gè)區(qū)間VWFoIV,截止區(qū)，IREF為0；VDD=I線性區(qū),U快速線性增長(zhǎng)；Vm)=，工作區(qū)，IliB:比較穩(wěn)定，隨電壓的增加緩慢增長(zhǎng)。在工作區(qū)，Ib9A,基本滿足設(shè)計(jì)要求(I廿=10±2uA)。4. 整體電路工藝穩(wěn)定性O(shè)CReSPowe-OJWTgM -<jrtJTMLLo -OjWTgJJ) -.FVT(C1

17、JJ)<XJTFtIT (CHUUJ-GJWTgS -<jm(oj.o TJWTgJJ) -GJWTgJJ) -<XJTVT(<HUU)rerrpC)如圖所示整體電路工藝穩(wěn)定性比較好，取不同的工藝角進(jìn)行仿真時(shí)，上升翻 轉(zhuǎn)溫度為158162cC,符合設(shè)計(jì)要求(160±5oc);下降翻轉(zhuǎn)溫度為1391421, 符合設(shè)計(jì)要求(140±5C)o第四部分設(shè)計(jì)總結(jié)我們?cè)谠O(shè)計(jì)的過程中將溫度保護(hù)的參考電路進(jìn)行了修改，將反饋回路改為直 接抽取三極管發(fā)射極的電流，這樣差動(dòng)放大器上的兩個(gè)電阻也可以去除，使電路 原理更加簡(jiǎn)單而且簡(jiǎn)化了電路。另外，通過將反饋回路也管改為N管（

18、參考電路為 P管），節(jié)省了一個(gè)反相器。這樣不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工藝上容易實(shí)現(xiàn)，而且對(duì)電源電 壓、工藝參數(shù)變化引起的溫度閾值的漂移具有較強(qiáng)的抑制能力。HSPICE仿真結(jié)果 表明，該電路關(guān)斷和恢復(fù)閾值點(diǎn)準(zhǔn)確，遲滯的大小可以調(diào)節(jié)，很好的實(shí)現(xiàn)了過溫 保護(hù)的功能，各項(xiàng)指標(biāo)完全滿足設(shè)計(jì)要求。在此次設(shè)計(jì)中，我們也遇到了很多困難。一些基礎(chǔ)知識(shí)掌握的不是很牢固， 手工計(jì)算的結(jié)果與仿真的結(jié)果差距比較大。在溫度保護(hù)電路中起初我們對(duì)于遲滯 比較器的反饋電路的原理無法理解，通過討論仍然無法解決，我們認(rèn)為這是設(shè)計(jì) 中最關(guān)鍵的問題，而電流源部分由于帶隙基準(zhǔn)學(xué)過，也做過CAD實(shí)驗(yàn)，所以認(rèn)為 問題不大?？墒菍?shí)際情況與預(yù)料的恰恰相反。遲滯比較器的反饋部分通過改變電 路結(jié)構(gòu)一下解決了，但電流源卻一直調(diào)試不出。原以為不是很重要的啟動(dòng)電路部 分，大大影響了電流源的性能。所以最后我們只能抽出兩人調(diào)電流源。最后在大 家通力合作下終于完成了?？梢娫O(shè)計(jì)是一個(gè)整體，電路的任何一個(gè)我們看來不重 要的部分都會(huì)影響整體的性能。一個(gè)部分性能的非常突出，對(duì)整體性能的影響不 大；但如果一個(gè)地方性能不好，整體的性能都會(huì)變差。所以模擬電路設(shè)計(jì)不是要 把一個(gè)部分做的最好，而是將各個(gè)部分協(xié)調(diào)好；不是把一個(gè)指標(biāo)做到最好，而是 將各個(gè)