一种过温保护电路设计

1、CMOS模拟电路课程设计种过温保护电路设计目录第一部分：温度保护电路设计、 基本原理三、电路实现1. 过温保护功能的描述2. 迟滞功能的实现3. 比较器的实现四、各个管子的功能介绍五、器件参数设计1. 确定VREF的值2. 3. 确定反馈抽取电流124. 作为电流镜的管子的参数选取5. 两级运放的参数选取6. 反馈回路参数确定第二部分电流源设计一、电流源电路原理二、器件参数估算1. 电流分配：2. )X 参数计算(30OK)第三部分：仿真结果与分析验证1整体静态工作电流2. 电流源温度特性3. 电流源电压特性4. 整体电路工艺稳定性第四部分：设计总结参考文献第一部分温度保护电路设计一基本原理如

2、图1所示，Qo的作用是检测芯片工作温度的。在正常情况下，三极管反射极 的电位VE即比较器负端电位比正端电位髙，比较器输岀低电平，芯片正常工作。 当温度升髙时，由于三极管EB结电压的是负温度系数，三极管发射极到基极的电 压臥会降低，但是由于基极电位是基准电压VREFl,故三极管的发射极电压即比 较器的负端电位会降低。当温度超过翻转阈值的时候，比较器负端电位会降到比 正端的电位VREF2低，比较器就会输岀髙电平，从而关断功率开关器件，避免芯 片被烧毁。迟滞产生电路的作用是在芯片正常工作和过温时产生大小不同的电 流，改变比较器的翻转阈值。从而防止功率开关器件在翻转点频繁开启和关断。图1温度保护电路原

3、理图二电路实现1.过温保护功能的描述当管芯温度超过16(C时，过温保护电路输岀控制信号OUTPUT输出为高电平; 直到温度降至14(C时，过温保护电路输出控制信号OUTPUT才重新变为低电平。图2过温保护实际电路2 迟滞功能的实现当温度没有达到过温点时，OUTPUT为低电平,管关断,流过Q。的电流为S 根据三极管发射结电压与电流的关系可知EB(QQ> vEBNOMAL = VT In(2)当温度达到160cC,比较器输出变为髙电平，血管的栅极变为高电平，进而 打开治管，从而流过Qo管的电流减少，变为I-I2,这时Vt()导致VBE(QO)进一步减小，减小的量为温度的迟滞量为:(4)式中A

4、。为三极管EB结电压的温度系数(常温下该值约为一2mV / K) 0由于迟滞,只有当温度下降到160,lC低20*fC的温度,才能使VEB(Or)±升到使比较器翻转。比较器翻转后，输出为低电平,M13管关闭，如果此时温度在上升, VEB畑必须上升到VEB (U,>比较器才会再次翻转，这样就实现迟滞。3. 比较器的实现根据图2,、比较器是一个两级比较器，第一级采用有源电流镜负载的差动放 大器，第二级采用电流源负载共源级放大器。当VKB(QO) <VREF时，OUT翻转为髙电 平。反之，输出为低电平。为了得到较髙的分辨率，需要比较器有较髙的增益。 下面分析该比较器的增益。第一

5、级增益：(6)(5)RM =)kn6(2,HlkH6)!(7)第二级的增益：从输出节点往上看，Rt>tll=(Sm2+8,nh2)Vo2从输出节点向下看，所以，有=Gmo(10)R°u；=(2 + 2X12lk,0(11)1= GR'Pr Oltt(12)总的增益为A= AiA2（13）从上面对增益的推导中可知该比较器的增益足够髙，满足髙分辨率的要求。三. 各个管子的功能介绍如图2所示，址、帕以及Q1构成了温度检验电路，其中M1. M2是低压工作的电 流镜提供了 I”由于三极管f具有负温度系数，基本随温度升高而线性减小，所 以VEB可以检测温度。为了提高放大倍数以及输出

6、摆幅，比较莽采用两级运放构成。 M5、M6、M11. M12. M16. M17构成了有源电流镜负载的第一级差动放大器，其中M“ Mg是低压工作的电流镜，Mw、是有源电流镜负载。M。血构成第二级共源级放 大器，恥是低压共源共栅电流镜提供尾电流。也、MS为低压共源共栅电流镜提 供偏置，你、血与鬼构成共源共栅电流镜，将基准电流镜像过来作为电流源。血、 M2。为M14的栅压提供偏置。Mg与MW, bl占M22分别构成电流镜0 M13. Ml提迟滞产生 电路，OUTPUT为低电平，血管关断，反馈回路不抽取电流，三极管IE=I1;OUTPUT为高电平，M门管打开,反馈回路抽取电流I2 （I2大小取决于M

7、18. M22构 成的电流镜）。四. 器件参数设计整体静态电流指标：（VDD=全典型模型，TeMP=27 oC条件下）60uA,由 于电流源要输出10 A电流剩下50 A分配20 A给电流源电路，剩下30 A给过温 保护电路。1.过温保护电路器件参数设计电流提供的基准电流设定为5 A,过温保护电路有6条支路初步初步每条支 路分配5 UA,即I1=5A， 确定VREF的值断开反馈回路，用理想电流源ISS代替【2。当ISS=5 A时，对电路进行直流温度 扫描，扫描区间从-40oC-200cC,步长19,观察三极管QeI的V阴MO0C时，VEB=O所以初步设定Vra 确定反馈抽取电流12断开反馈回路

8、，用理想电流源ISS代替【2。对ISS进行参数扫描，观察VE讦所对应 的温度。ISS=IPA5 UA,步长 1 nA：Iss=I P A T=0CIss=2 A T=cCISS=I A2 A,步长 A:ISS= U A T=0CISS= A T=0CISS=UA A,步长 A:ISS= A T=oCISS= U A T=OC所以，初步确定反馈抽取的电流I2=5 A A=A从而可以确定仰管与M22管的宽长比(Ir) I L / _ 3.48若管子仏的宽长比取为2,沟道长度取InA,并联管字数取为4,即Wn=2A, Ln= 1 A, MUtiPIy=4,则MlS的宽长比取为2,沟道长度取1 A,并

9、联管子数取为 3, PWn=2A, Ln= lA, MUtiPIy=3 作为电流镜的管子的參数选取由于每条支路的电流都相等，所以相关的管子参数取成相同即可。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；低压共源共栅电流镜的管子(M1M6): Wp=20 A, LP= A, Mutiply=I; 为低压共源共栅电流镜提供偏置的管子(M：, MQ： Wp=20A, Lp= A, Mutiply=I;共源共栅电流镜的管子(Mm, MIg) : MW的参数与相同,的参数可取Wn=IO

10、A, Ln= 1 A, MUtiPIy=I；为共源共栅电流镜提供偏置的管子(MEMJ : MG参数可与M“取成相同，M22 与M19取成相同，将的栅压偏置为Vgs20+Vgs15o 两级运放的参数选取第一级(M“、M12.6、M): M. M12,Wn=40A, Ln= 1 A, Mutiply=I; M116.Miw,Wn=20 A, Ln= 1 A, MUtiPIy=I；第二级(Mo,M1,M2):MO的参数确定应依据反相器的输入特性，满足%) < DD ½)D1 - oD2 > Yf/Mo的参数取为Wn=80 A, Ln= 1 A, MUtiPly=I ； MIX

11、参数取为Wp=20 A, LP= A, MUtiPly=I ； 反馈回路参数确定M韵勺参数已根据反馈回路抽取的电流确定；的参数确定应依据反相器的输 出特性，满足rDD oD3 ½7D4- ½7S13 > VOLV -V -V -IV <yVDD OD3 yOD4 1 vTH3 VOHM3的参数可取Wn=IO A, Ln= IuA, Mutiply=I;第二部分电流源设计一.电流源电路原理换为基准电流。5.6支路为4支路电流的镜像。 由于X,Y点电位以及1,2支路电流相等，则:VT In. = Vf In+ IRi (1)解得1,2支路电流（PTAT电流）:Vf

12、In 72(2)对晶体管:VnE _%-(4 + 加)岭_TTL T节点M电压为:因此只要h为正的温度系数，:为负的温度系数，调节&则在一定温度范 围内人的温度系数可以很小(这里忽略电阻温度系数)。调节支路3, 4M0S管的宽长比，可使N电位与M点相同则4支路电流：A即为温度系数很小的电流，注意到兀与电压源无关，则得到的A也于电 压源无关，这样再由电流镜镜像可得到不同电流值的基准电流。二.器件参数估算： 电流分配：整体静态电流指标：(VDD=全典型模型，TemP=27 oC条件下)<60A,由 于电流源要输岀10A电流剩下50 A分配20 A给电流源电路，剩下30 A 给过温保护

13、电路。除去启动电路与输出电路，电流源电路还有5条支路，初步给每条支路分配 4 A电流。即：Z12 =I3 = I4 =4A 参数计算(300K)：初步取n二&由(2)式：则：片=13.5KC对U 2支路电流有:查晶体管模型参数计算得到:d"=7138一5 (8)带入(7)式得:4,-6 = l×7.138,-5×*(%Tj (IO)考虑到时电路正常工作，取过驱动电压为，则由(10)解得:'W _ 7 CL)P=(11)由M点温度系数为零，即:=0 (12)带入各参数求得：E=Ioo35g (13)VR =芋= 2565kC (14)由于各个支路分配

14、电流相等，因此可使3,4支路MOS管宽长比与1,2支路相 同。Ly 1对于n管选取：=-(15)< L Jn 2第三部分仿真结果与分析验证设计指标性能参数测试条件参数指标工作电压范围I整体靜态电流Vh,全典型模型，TeMP=27 0C<60 电流源指标1YimH全典型模型，TeMP=27 0C(10±2) 电流源指标2Vm=,全典型模型，TeMP=-40oC"125cC(10±2) 过温保护指标MOSRESBJTVW)=所列5中模型下满足：1) 升温翻转温度：(160±5)oC2) 降温翻转温度： (140±5)0CttttSSSS

15、ffffSffffstt按照以上设计的电路，用HSPICE软件对其进行仿真，器件模型参数釆用 M的CMOS工艺。仿真结果如下。1. 整体静态工作电流DC ResponseA/DPLUS整体静态工作电流大致可分为三个区间VDD=OIV,截止区，总静态工作电流为0；VDD=I线性区，总静态工作电流快速线性增长；VDD=，工作区，总静态工作电流比较稳定，随电压的增加缓慢增长。 在工作区，总的靜态电流1尸4858A,基本满足设计要求(<60A)。2. 电流源温度特性>R3PLUSDC RGSPOnSe虽然电流源随温度增涨近似线性的增加，但是变化率很小AZ =迟12 0.01 A r Ct

16、I(XrC-(TC 所以，可以看成是与温度无关的电流源.Vdo=,全典型模型，TeMP=40125CL产HA可见电流温度特性非常 稳定，符合设计要求(IKIO±2 A) o3. 电流源电压特性KFKleft36CCfiKICftSe电流源随电压变化大致可分为三个区间VWFoIV,截止区，IREF为0；VDD=I线性区,U快速线性增长；Vm)=，工作区，IliB:比较稳定，随电压的增加缓慢增长。在工作区，Ib9A,基本满足设计要求(I廿=10±2uA)。4. 整体电路工艺稳定性OCReSPowe-OJWTgM -<jrtJTMLLo -OjWTgJJ) -.FVT(C1

17、JJ)<XJTFtIT (CHUUJ-GJWTgS -<jm(oj.o TJWTgJJ) -GJWTgJJ) -<XJTVT(<HUU)rerrpC)如图所示整体电路工艺稳定性比较好，取不同的工艺角进行仿真时，上升翻 转温度为158162cC,符合设计要求(160±5oc);下降翻转温度为1391421, 符合设计要求(140±5C)o第四部分设计总结我们在设计的过程中将温度保护的参考电路进行了修改，将反馈回路改为直 接抽取三极管发射极的电流，这样差动放大器上的两个电阻也可以去除，使电路 原理更加简单而且简化了电路。另外，通过将反馈回路也管改为N管（

18、参考电路为 P管），节省了一个反相器。这样不仅结构简单，工艺上容易实现，而且对电源电 压、工艺参数变化引起的温度阈值的漂移具有较强的抑制能力。HSPICE仿真结果 表明，该电路关断和恢复阈值点准确，迟滞的大小可以调节，很好的实现了过温 保护的功能，各项指标完全满足设计要求。在此次设计中，我们也遇到了很多困难。一些基础知识掌握的不是很牢固， 手工计算的结果与仿真的结果差距比较大。在温度保护电路中起初我们对于迟滞 比较器的反馈电路的原理无法理解，通过讨论仍然无法解决，我们认为这是设计 中最关键的问题，而电流源部分由于带隙基准学过，也做过CAD实验，所以认为 问题不大。可是实际情况与预料的恰恰相反。迟滞比较器的反馈部分通过改变电 路结构一下解决了，但电流源却一直调试不出。原以为不是很重要的启动电路部 分，大大影响了电流源的性能。所以最后我们只能抽出两人调电流源。最后在大 家通力合作下终于完成了。可见设计是一个整体，电路的任何一个我们看来不重 要的部分都会影响整体的性能。一个部分性能的非常突出，对整体性能的影响不 大；但如果一个地方性能不好，整体的性能都会变差。所以模拟电路设计不是要 把一个部分做的最好，而是将各个部分协调好；不是把一个指标做到最好，而是 将各个