一种过温保护电路设计.doc

CMOS模拟电路课程设计 ———一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 电路实现 过温保护功能的描述 迟滞功能的实现 比较器的实现 各个管子的功能介绍 器件参数设计 确定VREF的值 确定反馈抽取电流I2 作为电流镜的管子的参数选取 两级运放的参数选取 反馈回路参数确定 第二部分电流源设计 电流源电路原理 器件参数估算 电流分配： 参数计算（300K） 第三部分：仿真结果与分析验证 整体静态工作电流 电流源温度特性 电流源电压特性 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 如图1所示，Q0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高，比较器输出低电平，芯片正常工作。当温度升高时，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VEB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，比较器就会输出高电平，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.温度保护电路原理图 二．电路实现 1．过温保护功能的描述 当管芯温度超过160℃时，过温保护电路输出控制信号OUTPUT输出为高电平；直到温度降至140℃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，M13管关断，流过QO的电流为I1。根据三极管发射结电压与电流的关系可知 （1） 当温度达到160℃，比较器输出变为高电平，M13管的栅极变为高电平，进而打开M13管，从而流过Q0管的电流减少，变为I1-I2，这时 （2） 导致VBE(Q0)进一步减小，减小的量为 （3） 温度的迟滞量为： （4） 式中A0为三极管EB结电压的温度系数(常温下该值约为一2mV／)。 由于迟滞，只有当温度下降到比160C低20C的温度，才能使VEB（OT）上升到使比较器翻转。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（Q0）必须上升到VEB（NOMAL）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VEB（Q0）VREF时，OUT翻转为高电平。反之，输出为低电平。为了得到较高的分辨率，需要比较器有较高的增益。下面分析该比较器的增益。 第一级增益： （5） （6） （7） 第二级的增益： 从输出节点往上看， （8） 从输出节点向下看， （9） 所以，有 （10） （11） （12） 总的增益为 （13） 从上面对增益的推导中可知该比较器的增益足够高，满足高分辨率的要求。 三．各个管子的功能介绍 如图2所示，M3、M4以及Q0构成了温度检验电路，其中M1、M21，由于三极管VEB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摆幅，比较器采用两级运放构成。M5、M6、M11、M12、M16、M17M5、M6M16、M17。M0～M2M1～M2M7、M8，M14、M19M22构成共源共栅电流镜，将基准电流镜像过来作为电流源。M15、M20M14的栅压提供偏置。M9与M10，M21M22分别构成电流镜。M13、M18OUTPUT为低电平，M13管关断，反馈回路不抽取电流，三极管IE=I1； OUTPUT为高电平，M13管打开，反馈回路抽取电流I2（I2大小取决于M18、M22构成的电流镜）。 四．器件参数设计 整体静态电流指标：（VDD=2.5~5.5V，全典型模型，TeMp=27℃条件下）60μA，由于电流源要输出10μA电流剩下50μA分配20μA给电流源电路，剩下30μA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5μA，过温保护电路有6条支路初步初步每条支路分配5μA，即I1=5μA