可用于音频功放的过温保护电路设计

2009-11-30 19:56:41来源: 21IC电子网

  在集成电路芯片工作的过程中,不可避免地会有功率损耗,而这些功率损耗中的绝大部分将转换成热能散出。在环境过高、短路等异常情况下,会导致芯片内部的热量不能被及时散出,从而不可避免地使芯片工作温度上升。过高的工作温度对芯片工作性能、可靠性和安全性都有很大的影响。研究表明,芯片温度每升高1℃,MOS管的驱动能力将下降约为4%,连线延迟增加5%,集成电路失效率增加一倍,因此芯片内部必须要有过温保护电路来保障芯片安全。

  文中将介绍一种可用标准CMOS工艺实现的过温保护电路。在电路设计上,使用了与温度成正比的电流源(PTAT电流)和具有负温度系数的PNP管(CMOS工艺中寄生)结电压作为两路差动的感温单元。这种差动的传感方式,可以提高电路对温度变化反应的灵敏度,同时,其具有的迟滞功能,可以有效的避免热振荡对芯片的损坏。

1 架构原理分析

1.1 工作原理分析

  图1为本设计的原理架构,Q1为NWELLCMOS工艺中寄生PNP三极管,其集电极是必须与地点位连接,为了利用寄生PN结导通正向导通电压的负温度特性,把Q1做二极管连接(基集也接到地),这样A点和地之间的电压VA就具有了PN结正向电压的与温度成反比的性质。由于基准电路输出的偏置电压加在M0、M1、M5的栅极上,则其所在支路上都会产生PTAT电流(Proportional to Abso-lute Temperature);在提供偏置的同时,也在电阻R0上产生了与温度成正比的电压VB即B点电压随之增大。当达到某一温度TH(设定的关断温度)后,VH≥VA、比较器Comp输出高电平,经过倒相器INV后,输出TSD为低电平;此信号作用于电路的其它模块后,使整个芯片停止工作,实现热保护功能。同时,TSD信号正反馈作用于M2栅上,开启M2,加大了电阻R0上电流,使VB更高。

 


  在芯片被热保护,停止工作后,芯片上的温度会从TH下降,使得A点电压VA慢慢上升,B点电压VB慢慢下降。由于先前TSD的正反馈作用已经使VB升高,因此在这种状态下,要出现VA≥VB使比较器输出翻转情况就需要A点有比先前的电压VA更大的电压,相应地使得下降时翻转点对应的恢复温度TL也会比TH低。当温度低于TL后,VB≥VA,通过比较器作用后,会使TSD输出高电平,使芯片恢复工作。同时,TSD信号仍然会再次正反馈作用于M2栅上,关断M2,进一步减小了电阻R0上的电流,使VB更低。

  整个工作过程中,TSD的正反馈起到了迟滞的作用。使得正常工作时,TSD输出高电平作用于电路其它模块。当温度过高时,TSD输出低电平作用于电路其它模块,使芯片停止工作,保护芯片。

1.2 温度翻转点的计算

      A点的电压VA为PN结两边电压,PN结电压的表达式可写为

       式中VG为带隙电压,γ和α为器件参数,A代表了那些方程推到过程中与温度无关的常量。因为Vt=kt/q,可以得到VBE随温度上升是降低的。其关于温度变化的方程为

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关键字:PTAT电流  过热保护电路  音频功放

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/szds/2009/1130/article_1079.html
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