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一种Brokaw带隙基准结构下的过温保护电路设计

2020-03-21 23:35电路技术 人已围观

简介随着集成电路技术的发展,芯片内的器件密度、功率损耗也逐渐增大,从而引起芯片内温度的升高。一旦温度太高超过了芯片的耐受值时,芯片内的集成电路将会受到损坏,从而影响芯...

  随着集成电路技术的发展,芯片内的器件密度、功率损耗也逐渐增大,从而引起芯片内温度的升高。一旦温度太高超过了芯片的耐受值时,芯片内的集成电路将会受到损坏,从而影响芯片的正常工作。因此,为了保证芯片不会因为高温而受到损坏,在芯片内部增加一个 OTP 模块是有必要的。然而传统的 OTP 电路是利用迟滞比较器的特性来避免温度在临界温度点持续波动造成的热震荡现象,在 面对电源电压的波动和工艺的改变时,系统的精度不高,转换速度也比较慢。因此,为了提高系统的精度以及转换速度,本文基于Brokaw 带隙基准结构,利用其中的正温度系数电压,同时通过二选一传输门改变比较器的比较阈值, 实现了一种具备迟滞效应的高精度 OTP 电路。
  
  1  典型 OTP 电路结构原理分析
  
  图1是一种典型的 OTP 电路结构,该电路利用二极管的开启电压随温度变化而逐渐降低的特性,将二极管作为一种温度传感器来实现对温度变化的检测。电路正常工作时,M2和 M3组成镜像电流源,为二极管提供恒定的电流, VD 的电压大于Vref,迟滞比较器输出为低电平。当温度开始升高时,VD 的电压下降,当VD 的电压小于Vref 的电压值时,迟滞比较器输出为高电平,芯片停止工作。稳压管 Dz可以防止电源电压扰动对于比较器的干扰。在此电路中, 稳压管 Dz 的温度系数会随着击穿电压改变而受到影响,所以V  的电压将会因电源电压(VDD)的波动而受到影响,从而减小了 OTP 电路的阈值精度。因此,本文设计了一种高精度的 OTP 电路,VDD 在3~5.5 V 波动时,阈值变化很小,具备高精度的特性。
  图1 典型 OTP 电路
  图1 典型 OTP 电路
  
  2 Brokaw 带隙基准电路设计及其原理分析
  
  在多数IC 芯片中,基准电压模块极其重要,是模数转换,开 关稳压等电路中不可或缺的部分。 本文设计的Brokaw 带隙基准电路结构相对于 Widlar结构等,具有电阻小,输出噪声低的优点。基准电路如图2 所示,左边是带隙基准的启动电路,右边是产生基准电压的核心电路。当芯片上电时,Vs初始为高电平,MN2 开启,基准核心电路开始工作,基准电压VREF 开始上升,此时 MOS 管 MN1 开启将电压Vs拉到低电平使得启动电路关闭,避免对基准电路造成误差。
  图2  Brokaw 带隙基准电压结构
  图2  Brokaw 带隙基准电压结构
  
  其中运放AMP 与 Q1,Q2构成闭环,反馈作用下使得 A1 和 A2 的电位相等,因此,两个 晶体管的支路电流相同。其中 Q2与 Q1的个数比为 N ∶1。由此可得:
  
  公式1-2
  
  则可以得到:
  
  公式3
  公式4
  
  式(4)中VBE2是一个具有负温度系数的电压,在标准室温条件下:
  
  公式5
  
  VT 为一个具有正温度系数的电压,在 标准室温条件下:
  
  公式6
  
  则可以假设:
  
  公式7
  
  通过设置b 的值,基准电压VREF的温度系数可以被调整为零,同时VP 是一个具有正温度特性的电压,可以将其看作一个传感器,用于检测温度的变化。Brokaw带隙基准电压结构相对于 Widlar结构等,R4 电阻值的大小减小了一半,芯片的面积也因此可以缩小,同时降低了输出噪声。
  
  3  高精度 OTP 电路
  
  如图3所示,通过放大器 AMP1 与 MN1 构成闭环形成一个跟随器,VREF 被跟随到 AMP1 的负端,并利用电阻 R0,R1,R2  进行分压产生两个零温度系数的电压Vd1和Vd2,分别将其接入如图4 的二选一传输门两个输入端 D1和 D2,通过控制端CK 和CKB 可以选择Vd1较器COMP 的比较阈值点,其中:
  
  公式8
  公式9
  
  反相器F1转换速度要快,避免传输门的信号出现竞争与冒险现象,之后将被传输门选择的电压Vd1 或者Vd2 与正温度系数电压VP 比较,实现对温度变化的检测。
  图3 OTP 架构图
  图3 OTP 架构图
  图4 二选一传输门电路
  图4 二选一传输门电路
  
  在正常工作状态下,比 较器的负端电压VN  为Vd1, Vp<Vd1,比较器COMP 输出为低电平,施密特触发器输出为高电平,因此在通过反相器后 OTP_OUT 为低电平。当温度开始上升,VP  的电压值也逐步增大,当温度上升至X℃,VP > Vd1时,比较器翻转输出高 电平,传 输门中的MN4、MP4导通,VN =Vd2,OTP_OUT 为高电平,芯片停止工作;随着温度从高变低时,VP 的电压值逐渐减小,当温度降低至 Y℃,V <V  时,比较器再次翻转输出低电平,传输门中 MN3、MP3导通,VN=Vd1,OTP_OUT 跳变回低电平,芯片恢复正常。温度 X℃为过温保护的翻转点,温度Y℃则为过温恢复的翻转点,Y℃ 和 X℃ 的差值即为 OTP电路的温度迟滞量。

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