可用于音頻功放的過溫保護電路設計

在集成電路芯片工作的過程中，不可避免地會有功率損耗，而這些功率損耗中的絕大部分將轉換成熱能散出。在環境過高、短路等異常情況下，會導致芯片內部的熱量不能被及時散出，從而不可避免地使芯片工作溫度上升。過高的工作溫度對芯片工作性能、可靠性和安全性都有很大的影響。研究表明，芯片溫度每升高1℃，MOS管的驅動能力將下降約為4％，連線延遲增加5％，集成電路失效率增加一倍，因此芯片內部必須要有過溫保護電路來保障芯片安全。
文中將介紹一種可用標準CMOS工藝實現的過溫保護電路。在電路設計上，使用了與溫度成正比的電流源(PTAT電流)和具有負溫度系數的PNP管(CMOS工藝中寄生)結電壓作為兩路差動的感溫單元。這種差動的傳感方式，可以提高電路對溫度變化反應的靈敏度，同時，其具有的遲滯功能，可以有效的避免熱振蕩對芯片的損壞。

1 架構原理分析
1．1 工作原理分析
圖1為本設計的原理架構，Q1為NWELLCMOS工藝中寄生PNP三極管，其集電極是必須與地點位連接，為了利用寄生PN結導通正向導通電壓的負溫度特性，把Q1做二極管連接(基集也接到地)，這樣A點和地之間的電壓VA就具有了PN結正向電壓的與溫度成反比的性質。由于基準電路輸出的偏置電壓加在M0、M1、M5的柵極上，則其所在支路上都會產生PTAT電流(Proportional to Abso-lute Temperature)；在提供偏置的同時，也在電阻R0上產生了與溫度成正比的電壓VB即B點電壓隨之增大。當達到某一溫度TH(設定的關斷溫度)后，VH≥VA、比較器Comp輸出高電平，經過倒相器INV后，輸出TSD為低電平；此信號作用于電路的其它模塊后，使整個芯片停止工作，實現熱保護功能。同時，TSD信號正反饋作用于M2柵上，開啟M2，加大了電阻R0上電流，使VB更高。

在芯片被熱保護，停止工作后，芯片上的溫度會從TH下降，使得A點電壓VA慢慢上升，B點電壓VB慢慢下降。由于先前TSD的正反饋作用已經使VB升高，因此在這種狀態下，要出現VA≥VB使比較器輸出翻轉情況就需要A點有比先前的電壓VA更大的電壓，相應地使得下降時翻轉點對應的恢復溫度TL也會比TH低。當溫度低于TL后，VB≥VA，通過比較器作用后，會使TSD輸出高電平，使芯片恢復工作。同時，TSD信號仍然會再次正反饋作用于M2柵上，關斷M2，進一步減小了電阻R0上的電流，使VB更低。
整個工作過程中，TSD的正反饋起到了遲滯的作用。使得正常工作時，TSD輸出高電平作用于電路其它模塊。當溫度過高時，TSD輸出低電平作用于電路其它模塊，使芯片停止工作，保護芯片。