功率集成電路中過(guò)熱保護(hù)電路的設(shè)計(jì)

　　引　言

　　過(guò)熱保護(hù)電路對(duì)于功率集成電路而言有著十分重要的意義,所謂功率集成電路就是指有一定負(fù)載能力,有較高電壓輸入輸出的芯片,它主要應(yīng)用于電氣照明設(shè)備中。功率集成電路不同于一般的芯片在于在同一塊芯片里不但集成了低壓數(shù)字或模擬電路,也集成了高壓功率輸出電路。正是因?yàn)橛懈邏汗β瘦敵霾糠?功率集成電路發(fā)熱量比較大,所以,才有必要對(duì)其進(jìn)行過(guò)熱保護(hù),以免燒壞整個(gè)芯片。本文介紹了一種過(guò)熱保護(hù)電路。如何把溫度信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)是設(shè)計(jì)過(guò)熱保護(hù)電路的關(guān)鍵。按照傳統(tǒng)的方法,傳感器可以用熱電偶、熱電阻來(lái)做,但是如果要應(yīng)用于集成電路中,考慮到以上2 種方法不容易集成,因此,不能采用。集成電路中的過(guò)熱保護(hù)電路一般是利用二極管、三極管的溫度特性來(lái)做傳感器。

　　二極管溫度檢測(cè)電路及其原理

　　考慮到二極管的伏安特性對(duì)于溫度比較敏感,因此,可以利用二極管來(lái)做傳感器。

　　由二極管特性曲線可知,隨溫度升高正向特性曲線向左移,反向特性曲線向下移。其變化規(guī)律是:在室溫附近,溫度每升高1 ℃,正向壓降減小2～2.5 mV ;溫度每升高10 ℃,反向電流約增大1 倍。二極管的這種特性為負(fù)溫度特性。

　　二極管在20～150 ℃溫度范圍內(nèi)很好的保持著這一特性。通過(guò)不斷試驗(yàn),并運(yùn)用統(tǒng)計(jì)規(guī)律,可以取其值為- 2. 2 mV/ ℃,即溫度每上升1 ℃,認(rèn)為二極管正向電壓下降2. 2 mV ,而溫度每下降1 ℃,其正向電壓上升2. 2 mV。二極管這種良好的溫度特性,說(shuō)明它本身就是一個(gè)很好的溫度傳感器,而且容易集成。可以通過(guò)測(cè)量其正向電壓的變化而計(jì)算其溫度變化,從而可以很好的控制過(guò)熱保護(hù)電路。二極管溫度檢測(cè)電路如圖1 所示。

　　利用二極管導(dǎo)通電壓會(huì)隨溫度的升高而下降( - 2. 2 mV/ ℃) 的特性,采用將4 個(gè)二極管串聯(lián)作為溫度傳感器(即- 8. 8 mV/ ℃) 。M9 ,M10 ,M11是鏡像電流源組成的恒流源,給4 個(gè)二極管提供電流。芯片整個(gè)工作時(shí),隨著溫度的升高, V 點(diǎn)電壓就會(huì)下降。只要檢測(cè)V 點(diǎn)電壓就能知道當(dāng)前的溫度狀況。這個(gè)電路就完成了把溫度信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)的任務(wù)。以下是這個(gè)電路的仿真結(jié)果。

　　溫度為50 ℃時(shí)的V 點(diǎn)電壓: V = 2. 4 V ;溫度為120 ℃時(shí)的V 點(diǎn)電壓: V = 1. 78 V.有了V 點(diǎn)的電壓信號(hào),再作處理就方便許多。不妨設(shè)計(jì)一個(gè)遲滯比較器,其輸入端低于1. 78 V 就輸出高電平信號(hào)(可以定義高電平為保護(hù)信號(hào)) ,其輸入端高于2. 4 V 就輸出低電平信號(hào),即解除保護(hù)。這就相當(dāng)于溫度超過(guò)120 ℃時(shí)進(jìn)行保護(hù),當(dāng)溫度恢復(fù)到50 ℃時(shí)再解除保護(hù),重新工作。

　　至于遲滯比較器的設(shè)計(jì),在此不多贅述, 。不過(guò)建議使用模擬式的,數(shù)字式的施密特觸發(fā)器雖然也有滯回曲線,但調(diào)試起來(lái)比較困難,因?yàn)槭┟芴赜|發(fā)器的上跳變點(diǎn)V T + 和下跳變點(diǎn)V T - 都和閾值電壓V TH有關(guān),而V TH是隨著溫度的變化而變化的。而模擬式的遲滯比較器的回差電壓值只和參考電壓和內(nèi)部MOS 管的尺寸有關(guān),和溫度無(wú)關(guān),容易調(diào)節(jié)。過(guò)熱保護(hù)電路的方框圖如圖2 所示。

　　仿真結(jié)果幾乎絲毫不差,非常令人滿意。

　　二極管溫度檢測(cè)電路的缺陷及改進(jìn)過(guò)熱保護(hù)電路的另一個(gè)關(guān)鍵在于電路只受溫度變化的影響,不受電壓變化的影響。完全不受電壓變化影響的理想情況是不可能出現(xiàn)的,就要想辦法讓電路盡量少受電壓變化而帶來(lái)的影響。

　　再來(lái)分析以上溫度檢測(cè)電路,把電壓源由原來(lái)的5 V 改為4～6 V 之間變化的三角波,考察V 點(diǎn)的波形可知,120 ℃的曲線誤差為0. 1 V ,折算成溫度就有10 ℃的誤差。50 ℃的曲線誤差就有幾十?dāng)z氏度。因此,有必要對(duì)此進(jìn)行改進(jìn)。

　　解決電壓波動(dòng)的常用方法是加1 個(gè)穩(wěn)壓管。硅穩(wěn)壓管在4 V 以下是負(fù)溫度系數(shù),7 V 以上是正溫度系數(shù),4～7 V 之間的溫度系數(shù)很小,可以忽略不計(jì)。改進(jìn)后的電路如圖3 所示。

　　由仿真結(jié)果可見,加了穩(wěn)壓管之后,電路性能大大改善,只不過(guò)50 ℃和120 ℃時(shí)V 點(diǎn)的電壓值也有所改變,50 ℃時(shí)為2. 16 V ,120 ℃時(shí)為1. 535 V。這樣就徹底解決了電壓波動(dòng)的問(wèn)題。

　　二極管溫度檢測(cè)電路的參數(shù)調(diào)節(jié)

　　調(diào)節(jié)二極管溫度檢測(cè)電路的參數(shù)是為了能更好地適應(yīng)遲滯比較器的參考電壓。在一般的模擬電路中,參考電壓( V ref) 不會(huì)很多,所以,設(shè)計(jì)的電路要符合這個(gè)參考電壓。要注意的是,標(biāo)準(zhǔn)的參考電壓是不允許用來(lái)分壓的。參考電壓如果當(dāng)作電源用分壓再得到另一個(gè)需要的參考電壓,則前一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的參考電壓就會(huì)不準(zhǔn),這樣會(huì)對(duì)其他的電路產(chǎn)生影響。所以,調(diào)節(jié)此電路參數(shù)的目的就是使此電路的上跳變點(diǎn)V T + 和下跳變點(diǎn)V T - 的中間點(diǎn)( V T + +V T - ) / 2 = V ref 。這樣就可以避免用不標(biāo)準(zhǔn)的參考電壓,也就避免了標(biāo)準(zhǔn)參考電壓的分壓行為。

　　假設(shè)在總電路中標(biāo)準(zhǔn)的參考電壓為2. 0 V。則二極管溫度檢測(cè)電路的參數(shù)要調(diào)節(jié)到( V T + + V T - ) / 2= 2. 0 V。調(diào)節(jié)的方法很多,3 個(gè)用作鏡像電流源的MOS管的尺寸可以很方便的調(diào)節(jié),MOS 管尺寸改變則流過(guò)二極管的電流就會(huì)改變,從而引起上下跳變點(diǎn)電壓的改變。甚至還可以調(diào)節(jié)二極管,比如去掉1 個(gè)二極管,就用3 個(gè)二極管來(lái)做溫度檢測(cè)。如圖3 所示的尺寸時(shí),50 ℃時(shí)為2. 16 V ,120 ℃時(shí)為1. 535 V ,即V T + = 1. 535 V , V T - = 2. 16 V。則( V T + + V T - ) / 2= 1. 85 V ,不到2. 0 V。最方便的調(diào)節(jié)方法就是放大二極管前面1 個(gè)NMOS 管的尺寸。尺寸越大則跳變點(diǎn)電壓就越高。當(dāng)然也可以調(diào)節(jié)另外的2 個(gè)MOS 管的尺寸?？傊沟? V T + + V T - ) / 2 = 2. 0 V。

　　最終調(diào)節(jié)后的電路尺寸如圖4 所示。

　　從仿真結(jié)果可以看出,在此參數(shù)下溫度為50 ℃時(shí),V 點(diǎn)電壓為2. 26 V ,溫度為120 ℃時(shí), V 點(diǎn)電壓為1. 69V。則( V T + + V T - ) / 2 = 1. 98 V ,基本滿足設(shè)計(jì)要求。

　　版圖性能的簡(jiǎn)單研究

　　集成電路的設(shè)計(jì)總要最終反映到版圖上,版圖的質(zhì)量一方面和版圖設(shè)計(jì)師的經(jīng)驗(yàn)有關(guān),另一方面又和生產(chǎn)廠家的工藝有關(guān)。

　　畫二極管的時(shí)候要注意在二極管的周圍加上一圈保護(hù)層(用P 擴(kuò)散層或N 擴(kuò)散層,因電路而異) ,以吸收二極管的電流,防止外泄。這是因?yàn)槎O管的電流流向和普通MOS 管是不同的。從剖面圖上看MOS 管的電流就在加電后形成的導(dǎo)電溝道里橫向流動(dòng),而二極管的電流不但會(huì)垂直流動(dòng)而且還會(huì)在襯底上橫向流動(dòng),引起其它電路不正常工作。加了保護(hù)層后就可以把二極管外泄的電流吸收掉。

　　如果有些廠家不提供二極管的設(shè)計(jì)模型,只提供三級(jí)管的模型,這時(shí)可以把三級(jí)管的c 極和b 極短接起來(lái)當(dāng)作二極管來(lái)用。當(dāng)然此時(shí)參數(shù)就要重新調(diào)節(jié),這本身并不復(fù)雜。但是,如果有些廠家只提供垂直型結(jié)構(gòu)的PNP 三極管模型,這就有些麻煩。用垂直型結(jié)構(gòu)的PNP 三極管的c 極和b 極短接是做不出串聯(lián)的溫度檢測(cè)電路。垂直型結(jié)構(gòu)的PNP 三極管從平面上來(lái)看是圍成一圈的結(jié)構(gòu):最里面是P 擴(kuò)散層(三級(jí)管的e 極) ,外面一圈是N 擴(kuò)散層(三級(jí)管的b 極) ,兩者都是被一塊N 阱包圍,N 阱外面又是一圈P 擴(kuò)散層(三級(jí)管的c 極) 。最外面的P 擴(kuò)散層其實(shí)接的是P 型襯底,而P 型襯底是接地的,即c 極接地。采用這樣結(jié)構(gòu)三級(jí)管的β值穩(wěn)定、性能優(yōu)良,但是,這樣就不能把三極管串聯(lián)使用。遇到這種情況沒(méi)有其它辦法,只能舍棄垂直型PNP 三極管而改用其它類型的,但電路的誤差就會(huì)比較大。

　　結(jié)束語(yǔ)

　　介紹了一種利用串連二極管構(gòu)成的過(guò)熱保護(hù)電路的電路結(jié)構(gòu),工作原理,及參數(shù)調(diào)節(jié)的要點(diǎn),也簡(jiǎn)要提及了版圖的繪制。該過(guò)熱保護(hù)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、原理清晰、性能可靠,適用于功率集成電路。