CN103050940A - 一种基于亚阈值mos管的过温保护电路 - Google Patents

Abstract

一种基于亚阈值MOS管的过温保护电路，设有温度检测电路、电压比较器及输出整形电路，温度检测电路输出连接到电压比较器，电压比较器输出连接到输出整形电路，输出整形电路反馈输出连接到温度检测电路，输出整形电路产生控制后续电路的输出电压。温度检测电路由亚阈值区的MOS镜像电流源和电阻网络组成，电压比较器采用推挽式两级电压比较器。电路中不使用三极管，提高了温度保护电路的精度，并且适用于普通CMOS工艺。

Description

一种基于亚阈值MOS管的过温保护电路

技术领域

本发明涉及功率集成电路、模拟集成电路中的过温保护电路，特别涉及一种基于亚阈值MOS管的过温保护电路，属于微电子技术领域。

背景技术

集成电路芯片中如电源、驱动器件等的功耗往往很大，开关电源芯片中由于集成了高电压和大电流的功率开关管，功耗会更大。功耗增大使芯片温度升高，如果散热不力、过温保护电路不可靠，很容易造成器件的热击穿，导致器件永久损坏并有可能使芯片烧毁。

一般过温保护电路方案，是采用双极型晶体管负温度特性的导通电压与基准源通过电阻产生的电压进行检测，由于工艺造成的偏差，过温点会出现较大的偏差，从而造成过温保护电路的不稳定。而且双极性晶体管需要占用较大的面积，也使得传统过温保护电路的面积和成本增加。

发明内容

为了解决传统过温保护电路因工艺偏差造成过温点偏移的问题，本发明提供一种基于亚阈值区MOS管温度特性的过温保护电路电路，它不使用三极管，提高了温度保护电路的精度，并且适用于普通CMOS工艺。

本发明的技术方案为：一种基于亚阈值MOS管的过温保护电路，其特征在于：设有温度检测电路、电压比较器及输出整形电路，温度检测电路输出连接到电压比较器，电压比较器输出连接到输出整形电路，输出整形电路反馈输出连接到温度检测电路，输出整形电路产生控制后续电路的输出电压；其中：

温度检测电路包括十个MOS管M1～M10、三个电阻R0、R1、R2，MOS管M1的漏极连接电阻R0的一端及MOS管M2的栅极，MOS管M1的栅极连接电阻R0的另一端并与及MOS管M3的源极连接，MOS管M2的漏极连接MOS管M4的源极，MOS管M3的栅极与MOS管M4的栅极互连并连接MOS管M3的漏极和MOS管M5的漏极，MOS管M5的栅极与MOS管M6的栅极互连并连接MOS管M4的漏极和MOS管M6的漏极，MOS管M6的源极连接MOS管M7的漏极，MOS管M7的栅极、MOS管M8的栅极以及MOS管M9的栅极互连并连接MOS管M8的漏极和MOS管M6的源极，MOS管M7、M8、M9的源极均接电源电压，MOS管M9的漏极连接电阻R1的一端，R1的另一端连接电阻R2的一端及MOS管M10的漏极，电阻R2的另一端以及MOS管M1、M2、M10的源极均接地；

电压比较器包括九个MOS管M11～M19，MOS管M11的漏极连接MOS管M12和MOS管M13的源极，MOS管M12的栅极连接温度检测电路中MOS管M1的漏极，MOS管M13的栅极连接温度检测电路中MOS管M9的漏极，MOS管M12的漏极与MOS管M14的漏极互连并连接到MOS管M14的栅极和MOS管M18的栅极，MOS管M13的漏极与MOS管M15的漏极互连并连接到MOS管M15的栅极和MOS管M19的栅极，MOS管M14、M15、M18、M19的源极均接地，MOS管M18的漏极与MOS管M16的漏极互连并连接MOS管M16和MOS管M17的栅极，MOS管M17的漏极与MOS管M19的漏极连接，MOS管M11、M16、M17的源极均接电源电压；

输出整形电路包括两个反相器INV1及INV2，反相器INV1的输出端连接反相器INV1的输入端并连接到温度检测电路中MOS管M10的栅极，反相器INV1的输入端连接电压比较器中MOS管M17及M19的漏极，反相器INV2的输出端控制后续电路。

所述温度检测电路中的MOS管M1、M2、M3、M4为NMOS管，M1和M2工作在亚阈值区，M3、M4工作在饱和区，MOS管M5、M6、M7、M8均为工作在饱和区的PMOS管。

本发明的优点及显著效果：

（1）本发明采用MOS型过温保护电路，不包含双极型晶体管，能够节省芯片面积和成本。

（2）本发明采用亚阈值MOS管电流源产生的正温度系数电压与负温度系数的亚阈值MOS管栅源电压进行温度检测，可以减小因为工艺偏差造成的过温点偏移过大，提高了电路的稳定性。

附图说明

图1为本发明的原理框图；

图2为本发明的一种具体实现电路图；

图3为本发明与传统过温保护电路效果对比图。

具体实施方式

如图1，本发明电路包括温度检测电路、电压比较器及输出整形电路，温度检测电路输出V_P及V_N连接到电压比较器，电压比较器输出V_O连接到输出整形电路，输出整形电路反馈输出V_FB连接到温度检测电路，输出整形电路产生控制后续电路的输出电压V_OUT。

图2为本发明的一种具体实现电路。温度检测电路1包括亚阈值区的MOS镜像电流源和电阻网络，设有MOS管M1、M2、M3、M4、M5、M6、M7、M8、M9、M10，电阻R0、R1、R2。MOS管M1的漏极连接到节点A，栅极连接到节点B，源极连接到GND；电阻R0连接在节点A和节点B之间；MOS管M2的漏极连接到节点C，栅极连接到节点A，源极连接到GND；MOS管M3的漏极连接到节点D，栅极连接到节点D，源极连接到节点B；MOS管M4的漏极连接到节点E，栅极连接到节点D，源极连接到节点C；MOS管M5的漏极连接到节点D，栅极连接到节点E，源极连接到节点F；MOS管M6的漏极连接到节点E，栅极连接到节点E，源极连接到节点G；MOS管M7的漏极连接到节点F，栅极连接到节点G，源极连接到VDD；MOS管M8的漏极连接到节点G，栅极连接到节点G，源极连接到VDD。MOS管M9的漏极连接到节点H，栅极连接到节点G，源极连接到VDD；电阻R1连接在节点H和节点I之间；电阻R2连接在节点I和GND之间；MOS管M10的漏极连接到节点I，栅极连接到节点O，源极连接到GND。

温度检测电路1中，工作在亚阈值区的NMOS管M1和M2，工作在饱和区的NMOS管M3、M4和PMOS管M5、M6、M7、M8以及电阻R0构成镜像电流源。其中，工作在亚阈值区的NMOS管M1、M2的栅源电压的具有负温度系数，工作在饱和区的NMOS管M3、M4可以屏蔽电源电压对M1、M2的影响，工作在饱和区的PMOS管M5、M6、M7、M8组成的共源共栅电流镜实现电路的精确匹配，产生与温度成正比的电流。PMOS管M9、电阻R1和R2、NMOS管M10组成的电阻网络把电流I_PTAT转换成与温度成正比的电压V_P，开关管M10受反馈信号V_FB作用，控制电阻R2是否短路，实现迟滞功能。利用M2管的栅源电压V_N和电压V_P来检测温度的变化，并作为电压比较器的两个输入。

电压比较器2可以采用各种类型电压比较器，本发明采用的是推挽式两级电压比较器，包括MOS管M11、M12、M13、M14、M15、M16、M17、M18、M19，其中M14、M15、M18、M19为NMOS管，M11、M12、M13、M16、M17均为PMOS管，它们均工作在饱和区。MOS管M11的漏极连接到节点K，栅极连接到节点G，源极连接到VDD；MOS管M12的漏极连接到节点L，栅极连接到节点A，源极连接到节点K；MOS管M13的漏极连接到节点M，栅极连接到节点H，源极连接到节点K；MOS管M14的漏极连接到节点L，栅极连接到节点L，源极连接到GND；MOS管M15的漏极连接到节点M，栅极连接到节点M，源极连接到GND；MOS管M16的漏极连接到节点J，栅极连接到节点J，源极连接到VDD；MOS管M17的漏极连接到节点N，栅极连接到节点J，源极连接到VDD；MOS管M18的漏极连接到节点J，栅极连接到节点L，源极连接到GND；MOS管M19的漏极连接到节点N，栅极连接到节点M，源极连接到GND。

电压比较器2中，MOS管M11作为偏置源为比较器提供偏置，MOS管M12、M13、M14、M15构成比较器的第一级，M16、M17、M18、M19构成比较器第二级，将双端输出转成单端输出V_O，作为输出整形电路的输入。

输出整形电路3包括两个反相器INV1、INV2，INV1连接在节点N和节点O之间；INV2连接在节点O和输出端V_OUT之间，V_OUT作为输出用于控制后续电路，通过反相器INV1改变比较器输入的比较电压值，产生反馈信号V_FB来可控制开关管M10的关断，从而实现滞回功能，防止在过温点产生热振荡。

本发明电路的工作原理及过程：

当温度很低时，MOS管M2的栅源电压V_N高而H点电压V_P低，经过比较器后，N点为低，O点为高，因此MOS管M10被开启，电阻R2被短路。

当温度上升时，V_N下降，V_P升高。在两者某一温度下，V_P将超过V_N，从而使比较器输出节点N变为高，O点变为低，过温信号产生，芯片停止工作。此时M10将被关断，R1与R2串联。

当温度从高温区下降时，由于此时M10关断，R1与R2串联，所以此时V_P大于V_N。当温度降低到某一温度时，V_N又大于V_P，此时O点为高，芯片正常工作。

图3是本发明与传统过温保护电路效果对比图，图中VREF是基准电压，VN1是正常条件下的负温度系数电压、VN2是工艺偏差下的负温度系数电压，VP1是正常条件下的正温度系数电压、VP2是工艺偏差下的正温度系数电压。传统过温保护电路采用VN1与VREF比较检测温度，正常条件下过温点是VN1与VREF的交点A，其对应的温度为T1，工艺发生偏差时过温点是VN1与VREF的交点B，其对应温度为T2，T2到T1的偏移量为ΔT1；本发明采用VN1与VP1比较检测温度，正常条件下过温点是VN1与VP1的交点A，其对应的温度为T1，工艺发生偏差时过温点是VN1与VP的交点C，其对应温度为T3，T3到T1的偏移量为ΔT2。由图可以看出，ΔT2<ΔT1，因此本发明可以很好地缓解工艺偏差造成的过温点偏移现象。

本发明不局限于上述实施方式，不论其实现形式作任何变化，凡是采用亚阈值MOS管温度特性进行温度检测的过温保护电路，均落在本发明保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于亚阈值MOS管的过温保护电路，其特征在于：设有温度检测电路、电压比较器及输出整形电路，温度检测电路输出连接到电压比较器，电压比较器输出连接到输出整形电路，输出整形电路反馈输出连接到温度检测电路，输出整形电路产生控制后续电路的输出电压；其中：

温度检测电路包括十个MOS管M1～M10、三个电阻R0、R1、R2，MOS管M1的漏极连接电阻R0的一端及MOS管M2的栅极，MOS管M1的栅极连接电阻R0的另一端并与及MOS管M3的源极连接，MOS管M2的漏极连接MOS管M4的源极，MOS管M3的栅极与MOS管M4的栅极互连并连接MOS管M3的漏极和MOS管M5的漏极，MOS管M5的栅极与MOS管M6的栅极互连并连接MOS管M4的漏极和MOS管M6的漏极，MOS管M6的源极连接MOS管M7的漏极，MOS管M7的栅极、MOS管M8的栅极以及MOS管M9的栅极互连并连接MOS管M8的漏极和MOS管M6的源极，MOS管M7、M8、M9的源极均接电源电压，MOS管M9的漏极连接电阻R1的一端，R1的另一端连接电阻R2的一端及MOS管M10的漏极，电阻R2的另一端以及MOS管M1、M2、M10的源极均接地；

电压比较器包括九个MOS管M11～M19，MOS管M11的漏极连接MOS管M12和MOS管M13的源极，MOS管M12的栅极连接温度检测电路中MOS管M1的漏极，MOS管M13的栅极连接温度检测电路中MOS管M9的漏极，MOS管M12的漏极与MOS管M14的漏极互连并连接到MOS管M14的栅极和MOS管M18的栅极，MOS管M13的漏极与MOS管M15的漏极互连并连接到MOS管M15的栅极和MOS管M19的栅极，MOS管M14、M15、M18、M19的源极均接地，MOS管M18的漏极与MOS管M16的漏极互连并连接MOS管M16和MOS管M17的栅极，MOS管M17的漏极与MOS管M19的漏极连接，MOS管M11、M16、M17的源极均接电源电压；

输出整形电路包括两个反相器INV1及INV2，反相器INV1的输出端连接反相器INV1的输入端并连接到温度检测电路中MOS管M10的栅极，反相器INV1的输入端连接电压比较器中MOS管M17及M19的漏极，反相器INV2的输出端控制后续电路。

2.根据权利要求1所述的基于亚阈值MOS管的过温保护电路，其特征在于：温度检测电路中的MOS管M1、M2、M3、M4为NMOS管，M1和M2工作在亚阈值区，M3、M4工作在饱和区，MOS管M5、M6、M7、M8均为工作在饱和区的PMOS管。

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