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在集成電路芯片工作的過程中,不可避免地會(huì)有功率損耗,而這些功率損耗中的絕大部分將轉(zhuǎn)換成熱能散出。在環(huán)境過高、短路等異常情況下,會(huì)導(dǎo)致芯片內(nèi)部的熱量不能被及時(shí)散出,從而不可避免地使芯片工作溫度上升。過高的工作溫度對(duì)芯片工作性能、可靠性和安全性都有很大的影響。研究表明,芯片溫度每升高1℃,管的驅(qū)動(dòng)能力將下降約為%,連線延遲增加%,集成電路失效率增加一倍,因此芯片內(nèi)部必須要有過溫保護(hù)電路來保障芯片安全。文中將介紹一種可用標(biāo)準(zhǔn)工藝實(shí)現(xiàn)的過溫保護(hù)電路。在電路設(shè)計(jì)上,使用了與溫度成正比的電流源電流和具有負(fù)溫度系數(shù)的管工藝中寄生)結(jié)電壓作為兩路差動(dòng)的感溫單元。這種差動(dòng)的傳感方式,可以提高電路對(duì)溫度變化反應(yīng)的靈敏度,同時(shí),其具有的遲滯功能,可以有效的避免熱振蕩對(duì)芯片的損壞。1架構(gòu)原理分析1.1工作原理分析圖1為本設(shè)計(jì)的原理架構(gòu),為 工藝中寄生 三極管,其集電極是必須與地點(diǎn)位連接,為了利用寄生結(jié)導(dǎo)通正向?qū)妷旱呢?fù)溫度特性,把做二極管連接基集也接到地,這樣A點(diǎn)和地之間的電壓VA就具有了結(jié)正向電壓的與溫度成反比的性質(zhì)。由于基準(zhǔn)電路輸出的偏置電壓加在、、的柵極上,則其所在支路上都會(huì)產(chǎn)生 A電流 Aa在提供偏置的同時(shí),也在電阻上產(chǎn)生了與溫度成正比的電壓VB即B點(diǎn)電壓隨之增大。當(dāng)達(dá)到某一溫度H設(shè)定的關(guān)斷溫度后,VH三VA、比較器輸出高電平,經(jīng)過倒相器后,輸出為低電平;此信號(hào)作用于電路的其它模塊后,使整個(gè)芯片停止工作,實(shí)現(xiàn)熱保護(hù)功能。同時(shí),信號(hào)正反饋?zhàn)饔糜跂派?,開啟,加大了電阻上電流,使VB更高。困1過溫保護(hù)電路原理框圖在芯片被熱保護(hù),停止工作后,芯片上的溫度會(huì)從H下降,使得A點(diǎn)電壓VA慢慢上升,B點(diǎn)電壓VB慢慢下降。由于先前 的正反饋?zhàn)饔靡呀?jīng)使VB升高,因此在這種狀態(tài)下,要出現(xiàn)VANVB使比較器輸出翻轉(zhuǎn)情況就需要A點(diǎn)有比先前的電壓VA更大的電壓,相應(yīng)地使得下降時(shí)翻轉(zhuǎn)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的恢復(fù)溫度也會(huì)比H
低。當(dāng)溫度低于后,VB三VA,通過比較器作用后,會(huì)使輸出高電平,使芯片恢復(fù)工作。同時(shí),信號(hào)仍然會(huì)再次正反饋?zhàn)饔糜跂派希P(guān)斷,進(jìn)一步減小了電阻上的電流,使VB更低。整個(gè)工作過程中, 的正反饋起到了遲滯的作用。使得正常工作時(shí), 輸出高電平作用于電路其它模塊。當(dāng)溫度過高時(shí),輸出低電平作用于電路其它模塊,使芯片停止工作,保護(hù)芯片。1.2溫度翻轉(zhuǎn)點(diǎn)的計(jì)算A點(diǎn)的電壓VA為 結(jié)兩邊電壓, 結(jié)電壓的表達(dá)式可寫為%二%也,=九a)lnT-lnA](1)式中V為帶隙電壓,Y和a為器件參數(shù),A代表了那些方程推到過程中與溫度無關(guān)的常量。因?yàn)閂/q可以得到VB隨溫度上升是降低的。其關(guān)于溫度變化的方程為__K(yot)lnT+K(y-a)__K(yot)lnT+K(y-a)(2)如果忽略由溫度變化引起o常溫下約為一如果忽略由溫度變化引起o常溫下約為一近似線性為項(xiàng)變化對(duì)式的影響,/V。為了簡(jiǎn)化計(jì)算,則VB/可近似等于常數(shù)結(jié)關(guān)于溫度的變化方程可%e=[VCo-ln(C)]+C0TB點(diǎn)的電壓為電阻上的電壓,可由歐姆定理計(jì)算得到。B點(diǎn)的電壓為電阻上的電壓,可由歐姆定理計(jì)算得到。計(jì)算溫度上升翻轉(zhuǎn)點(diǎn)H當(dāng)溫度上升時(shí),由前分析可知, 為高電平,截止。因此流入的電流只有一路。此狀態(tài)下VB電壓的表達(dá)式為唳二Ax唳二AxR。翻轉(zhuǎn)點(diǎn)VAV時(shí)的對(duì)應(yīng)方程為(4)[VCo-lnA]-Iyx/?[VCo-lnA]-Iyx/?0(6)Cq式(10即)為過溫保護(hù)工作時(shí)的遲滯量。計(jì)算溫度下降翻轉(zhuǎn)點(diǎn)當(dāng)從高于開啟。因此流入電阻的電流有%二(11計(jì)算溫度下降翻轉(zhuǎn)點(diǎn)當(dāng)從高于開啟。因此流入電阻的電流有%二(11+12)XR。翻轉(zhuǎn)點(diǎn)VAV時(shí)對(duì)應(yīng)方程為溫度下降時(shí),由前分析可知, 為低電平,兩路。此狀態(tài)下VB電壓的表達(dá)式為(7)2實(shí)際電路設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)的過熱保護(hù)電路大體上分為3個(gè)部分,如圖3所示。3.5「 1.5"-5-I~~1_I~I_i_I_I_I__I_I__I_I__I_I__I_1_I_I_i_I_I_I_I_I—I-50.0 0 50.0 100 150 200temp/七圖3輸出TSD隨溫度反向變化時(shí)掃描圖3.51 1.5-_.5~1~1~1~1~1""■1~1~1~1~1~1—?-*—?-1~~~?~_~?~?~?-50.0 0 50.0 100 150 200temp/七圖4輸出TSD隨溫度正向變化時(shí)掃描圖啟動(dòng)電路:?jiǎn)?dòng)電路只有在剛上電的時(shí)候才會(huì)工作,當(dāng)電源電壓從慢慢升高,同時(shí)輸入信號(hào)為低電平時(shí),開關(guān)管就會(huì)被打開,管也會(huì)導(dǎo)通,這樣就會(huì)使得在這條支路上的電壓慢慢升高。以二極管形式連接的的柵端也會(huì)隨之升高,也為右端的,4提供柵極電壓,從而破壞了基準(zhǔn)電路的平衡,使之能夠啟動(dòng)起來。當(dāng)?shù)臇艠O電壓上升到的閾值電壓時(shí),就會(huì)將其導(dǎo)通,使得產(chǎn)生了一個(gè)有電源到地的通路,這樣也就完成了啟動(dòng)電路的功能。偏著電路:此部分電路的工作原理與產(chǎn)生T電流電路的原理基本相同,輸出端的電壓為其它電路提供偏置。、64、4組成的支路將在右端支路的電流取出,經(jīng)過濾波、放大后又鏡像回去,在、44、1的支路上輸出一個(gè)偏置電壓信號(hào)。由于電流鏡的工作原理,所以要求4和64、4均為相同的對(duì)管。另外,此電路中作為關(guān)斷管,當(dāng) 信號(hào)為高電平時(shí),就會(huì)處于導(dǎo)通狀態(tài),這樣這屆就會(huì)將、4關(guān)斷,使得整個(gè)電路關(guān)斷。熱敏關(guān)斷保護(hù)電路:由于基準(zhǔn)電路輸出的偏置電壓加到、、1柵極上,所以在這兩條支路上都會(huì)產(chǎn)生T電流。采用4、 4、 4、 4、構(gòu)成的兩級(jí)比較器來實(shí)現(xiàn)原理等效圖中的功能。此比較器的第一級(jí)為 差動(dòng)輸入。用 做差動(dòng)輸人的作用:1降低了輸入的噪聲。正常情況下,溫度不可能有很劇烈的變化,因此溫度波動(dòng)的頻率不可能很高,所以閃爍噪聲1/將成為噪聲的主要成分。由于 輸入可降低噪聲對(duì)電路的影響; 輸入使共模輸入范圍的下限降低。此電路比較器要比較是接近于 結(jié) 的電壓,用構(gòu)成的輸入端可更好的滿足這種低共模輸入電壓的要求。比較器的第二級(jí)為共源放大器,作為比較器的第二級(jí),其主要作用增大了輸出擺幅、提高了增益和輸入的分辨率,加快了高低電平的轉(zhuǎn)換速率。電路中電容(的作用:電容0可以抑制一些干擾量在比較器通向輸入端電阻風(fēng)上產(chǎn)生的電壓波動(dòng),以防止系統(tǒng)被擾動(dòng)引起的誤動(dòng)作。、仿真測(cè)試按照以上設(shè)計(jì)的電路。用 對(duì)其進(jìn)行仿真,器件的模型參數(shù)采用0.p工藝。圖為過溫保護(hù)電路的輸出控制信號(hào)1,隨溫度上升和下降的曲線。電源電壓取、 。從仿真結(jié)果可以看出,該電路實(shí)現(xiàn)了良好的“溫度遲滯”特性。遲滯功能有效的避免了芯片
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