一种过温保护电路设计

CMOS模拟电路课程设计

———一种过温保护电路设计

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目录第一部分：温度保护电路设计

一、·

二、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I2

4.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.)

3.参数计算（300K）

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V

EB

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

I1

I2

Q0

M13

<

M

M16

M1

M2

M15

M14

M0

M12

M10

M9

M8

（

M

M6

M5

M4

"

M

M22

M21

M20

M19

M18

M17

【

OUTPUT

2.迟滞功能的实现

当温度没有达到过温点时，OUTPUT 为低电平，M 13管关断，流过Q O 的电流为I 1。根据三极管发射结电压与电流的关系可知

01()()ln EB Q EB NOMAL T I

V V V Is

== （1）

当温度达到160℃，比较器输出变为高电平，M 13管的栅极变为高电平，进而打开M 13管，从而流过Q 0管的电流减少，变为I 1-I 2，这时

012()()ln EB Q EB OT T I I

V V V Is

-== （2）

导致VBE(Q0)进一步减小，减小的量为

0112()(ln ln )EB Q T I I I

V V Is Is

-=- （3）

" 温度的迟滞量为：

EB

delay V T A ∆=

（4） 式中A 0为三极管EB 结电压的温度系数(常温下该值约为一2mV ／K)。 由于迟滞，只有当温度下降到比160"C 低20"C 的温度，才能使V EB （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，V EB （Q0）必须上升到V EB （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V EB （Q0）

第一级增益：

《

11

2

m m g G =

（5）

1116(2)out o o R r r = （6）

11

11116[(2)]2

m v o o g A r r =

（7） 第二级的增益： 从输出节点往上看，

2212()m mb o o out R g g r r ↑=+ （8）

从输出节点向下看，

0o out R r ↓= （9）

)

所以，有

？ VREF

'0m m G G = （10） '22120()out m mb o o o R g g r r r =+ （11） ''2v m out A G R = （12）

总的增益为

12v v v A A A = （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，M 3、M 4以及Q 0构成了温度检验电路，其中M 1、M 2是低压工作的电流镜提供了I 1，由于三极管V EB 具有负温度系数，基本随温度升高而线性减小，所以V EB 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。M 5、M 6、M 11、M 12、M 16、M 17构成了有源电流镜负载的第一级差动放大器，其中M 5、M 6是低压工作的电流镜，M 16、M 17是有源电流镜负载。M 0～M 2构成第二级共源级放大器，M 1～M 2是低压共源共栅电流镜提供尾电流。M 7、M 8为低压共源共栅电流镜提供偏置，M 14、M 19与M 22构成共源共栅电流镜，将基准电流镜像过来作为电流源。M 15、M 20为M14的栅压提供偏置。M 9与M 10，M 21与M 22分别构成电流镜。M 13、M 18是迟滞产生电路，OUTPUT 为低电平，M 13管关断，反馈回路不抽取电流，三极管I E =I 1；

OUTPUT 为高电平，M 13管打开，反馈回路抽取电流I 2（I 2大小取决于M 18、M 22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℃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I 1=5μA ① $ ② 确定VREF 的值

断开反馈回路，用理想电流源I SS 代替I 2。当I SS =5μA 时，对电路进行直流温度扫描，扫描区间从-40℃-200℃，步长1℃，观察三极管Q 0的V EB 。 140℃时，V EB =。所以初步设定V REF =。

③ 确定反馈抽取电流I2

断开反馈回路，用理想电流源I SS 代替I 2。对I SS 进行参数扫描，观察V EB =所对应的温度。

I SS =1μA ～5μA ，步长1μA ： I SS =1μA T=℃ $