用于低功耗芯片的过温保护电路的制作方法

1.本实用新型涉及集成电路设计领域，更具体地，涉及用于低功耗芯片的过温保护电路。


背景技术：

2.芯片的过温保护电路是一种常用且一直需要处于开启状态的保护电路，如果芯片在高温的环境下持续工作，将会有烧毁芯片内部器件的风险，所以过温保护电路是在温度过高时，提供保护动作，并具有一定的迟滞功能，在温度下降到一个安全值时，重新使芯片正常工作。
3.传统的芯片的过温保护电路如图1所示，通过电流镜镜像一路与温度呈负相关的电流(intat)流过两个电阻，从而产生一个与温度呈负相关的电压(vntat)。用于作比较器使用的运算放大器amp同相端接一个与温度无关的带隙基准电压(vref)，反相端接一个负温度系数的电压，运放的输出vc接在nmos管nm1的栅端，同时vc也作为过温保护信号。当温度比较低未发生过温时，vref<vntat,vc为低电平，nm1截止,电阻r1接入电路当中，芯片正常工作；当温度持续上升并超过过温点时，vref＞vntat,vc从低电平跳变为高电平，nm1导通，电阻r1被短路，芯片受保护被关闭。由于电阻r1被短路，只有当温度下降到比过温点更低时，vc才回到低电平，使芯片重新正常工作。
4.但是，现有技术的芯片的过温保护电路，在低功耗应用环境中都不适用，低功耗应用中，电流必须非常小，此时需要通过流过一个电阻来产生一个比较高的电压，势必会要求电阻的阻值变得非常大，那么版图的面积势必会急剧增加。
5.为了解决低功耗应用环境下，即低功耗芯片中的过温保护电路，若按照现有技术进行设计，版图面积势必会过大的问题，本实用新型提出了一种结构简单、功耗极低，无需电阻的过温保护电路，极大的减小版图面积。


技术实现要素：

6.本实用新型的目的在于，提供用于低功耗芯片的过温保护电路，极大的减小版图面积，并且结构简单、功耗极低。
7.用于低功耗芯片的过温保护电路，包括：第一电流镜、第二电流镜、第三电流镜、nmos管nm1、nmos管nm2、三极管q1、nmos管nm3、运算放大器amp、nmos管nm4、nmos管nm5、nmos管nm6、nmos管nm7、反相器inv1和反相器inv2，所述nmos管nm1与nmos管nm2串联，三极管q1与nmos管nm3串联，nmos管nm1和nmos管nm2与三极管q1和nmos管nm3并联再与第一电流镜串联，nmos管nm4与nmos管nm5串联再与第二电流镜串联，nmos管nm6与nmos管nm7串联再与第三电流镜串联，nmos管nm7的源极与nmos管nm4的源极连接，运算放大器amp的同相端(vntat)与nmos管nm1的漏极连接，运算放大器amp的反相端(vptat)与nmos管nm6的源极连接，运算放大器amp的同相端的电压为温度负相关的电压，运算放大器amp的反相端的电压为温度正相关的电压，运算放大器amp的输出端与反相器inv1连接，反相器inv1与反相器
inv2串联，反相器inv1的输出信号vc_n到nmos管nm2的栅极，反相器inv2的输出信号vc_p到nmos管nm3的栅极，通过运算放大器amp的同相端与反相端的电压大小进行比较，致使运算放大器amp的输出端输出高电平或者低电平，从而改变nmos管nm2与nmos管nm3的通断状态，控制芯片正常工作或者芯片受保护被关闭。
8.在一些实施方式中，所有mos管均为增强型mos管。
9.进一步的，nmos管nm1、nmos管nm4、nmos管nm5、nmos管nm6和nmos管nm7工作在亚阈值区。
10.在一些实施方式中，pmos管pm1与pmos管pm2组成共源共栅结构的第一电流镜，pmos管pm3与pmos管pm4组成共源共栅结构的第二电流镜，pmos管pm5与pmos管pm6组成共源共栅结构的第三电流镜，用于提高电流镜的复制精度，第一电流镜、第二电流镜和第三电流镜的栅极都分别接在了vb1、vb2的电压偏置上，为各支路提供电流偏置。
11.进一步的，pmos管pm1、pmos管pm3和pmos管pm5的栅极接在了vb1的电压偏置上，pmos管pm2、pmos管pm4和pmos管pm6的栅极接在了vb2的电压偏置上。
12.进一步的，第二电流镜与第三电流镜的宽长比(电流比)的比值为1：m，m＞0。
13.在一些实施方式中，nmos管nm2和nmos管nm3是作为开关管使用的nmos管，nmos管nm2的控制信号为vc_n，nmos管nm3的控制信号为vc_p，nmos管nm1接成二极管结构，三极管q1接成二极管结构。
14.进一步的，nmos管nm1的栅极与漏极相连。
15.在一些实施方式中，nmos管nm4与nmos管nm5的宽长比的比值为1：k1，nmos管nm6与nmos管nm7的宽长比的比值为1：k2。
16.进一步的，nmos管nm4的栅极与漏极相连，nmos管nm6的栅极与漏极相连。
17.在一些实施方式中，反相器inv1的输出信号vc_n与反相器inv2的输出信号vc_p，分别改变nmos管nm2与nmos管nm3的通断情况产生迟滞，同时输入到后端的数字电路中提供过温保护动作。
18.进一步的，当温度未超过过温点时，比较运算放大器amp同相端的电压大于反相端的电压，vntat>vptat,比较运算放大器amp的输出为高电平，反相器inv1的输出信号vc_n为低电平，反相器inv2的输出信号vc_p为高电平，nmos管nm2截止、nmos管nm1所在之路断开，nmos管nm3导通、三极管q1接入电路，芯片正常工作。
19.进一步的，当温度上升超过过温点时，比较运算放大器amp同相端的电压小于反相端的电压，vntat＜vptat,比较运算放大器amp的输出从高电平跳变为低电平，反相器inv1的输出信号vc_n跳变为高电平，反相器inv2的输出信号vc_p跳变为低电平，nmos管nm2导通、nmos管nm1接入电路，nmos管nm3截止、三极管q1所在支路断路，以此来指示系统过温，并触发保护动作，芯片受保护被关闭。
20.进一步的，当温度下降到低于过温点时，信号vc_n为低电平,信号vc_p为高电平,芯片重新正常工作。
21.在一些实施方式中，所述nmos管nm7的源极与nmos管nm4的源极的电压为v1，v1的值为vgs5
‑
vgs4,vgs5为nmos管nm5的栅极与源极之间的电压，vgs4为nmos管nm4的栅极与源极之间的电压，v1的具体表达式为s1：
[0022][0023]
其中，n为亚阈值斜率修正因子，v
t
为热电压，k1为nmos管nm4与nmos管nm5的宽长相比的值，i5为流过nmos管nm5的电流，i4为流过nmos管nm4的电流。
[0024]
同理，可以求得比较运算放大器amp同相端的电压vntat的表达式s2和比较运算放大器amp反相端的电压vptat的计算表达式。
[0025]
进一步的，比较运算放大器amp反相端的电压vptat的表达式为s2：
[0026]
vptat＝nv
t ln(m*k1*k2)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(s2)
[0027]
其中，n为亚阈值斜率修正因子，v
t
为热电压，m为第三电流镜与第二电流镜的宽长相比的值，k1为nmos管nm4与nmos管nm5的宽长相比的值，k2为nmos管nm6与nmos管nm7的宽长相比的值。
[0028]
进一步的，当温度未超过过温点时，比较运算放大器amp同相端的电压v
ntat1
＝vbe，vbe为三极管q1的发射极与基极之间的电压。
[0029]
进一步的，当温度上升超过过温点时，比较运算放大器amp同相端的电压v
ntat2
的表达式为s3：
[0030][0031]
其中，v
gs1
为nmos管nm1的栅极与源极之间的电压，v
th1
为nmos管nm1的阈值电压，n为亚阈值斜率修正因子，v
t
为热电压，i
d
为此时流过nmos管nm1的电流，w为nmos管nm1的导电沟道宽度，l为nmos管nm1的导电沟道长度，μ
n
为电子迁移率，c
ox
为nmos管nm1的单位面积栅氧电容。
[0032]
进一步的，从表达式s3中可以看出，控制id的值，可以控制迟滞量的大小，id越大，迟滞量越大，id越小，迟滞量越小。只有当温度下降到比过温点更低时，vc才回到低电平，使芯片重新正常工作。
[0033]
进一步的，当温度持续上升且未超过过温点th时,由于nmos管nm2的截止和nmos管nm3的导通，比较运算放大器amp同相端的电压vntat遵循vntat1的表达式变化，vptat电压值也随温度上升而增大，芯片正常工作；当温度继续上到达过温点th时，vptat＝vntat＝vt1；如果温度还在继续上升，此时比较运算放大器amp的输出电压跳变为低电平，由于nmos管nm2的导通和nmos管nm3的截止，比较运算放大器amp同相端的电压vntat遵循vntat2的表达式变化，同时指示系统发生过温，使芯片作出相应保护动作；只有温度下降至tl时，才能满足vptat＝vntat＝vt2的条件，只有温度下降至比tl更低时，比较运算放大器amp的输出才重新回到高电平，芯片才能重新正常工作。
[0034]
本技术的用于低功耗芯片的过温保护电路，没有使用电阻，解决了低功耗芯片中电阻版图面积大的问题。并且，采用的全部是常见的mos管、三极管，且对使用到的偏置电流的温度特性无特殊要求、无需使用带隙基准电压作为比较器的输入，对使用的工艺也无特殊要求，使用到的器件少，电路支路少，结构简单。本实用新型提出的电路中所有使用到的电流都为纳安级，电路的整体消耗非常低，实现了低功耗的目的。通过利用工作在亚阈值的
mos管vgs和三极管vbe的温度特性，以及利用工作在亚阈区的nmos管，产生了一个与温度呈正相关的电压，结合开关管的通断，实现了低功耗过温保护及迟滞功能。
附图说明
[0035]
图1为现有技术的一种芯片的过温保护电路。
[0036]
图2为本技术的用于低功耗芯片的过温保护电路。
[0037]
图3为本技术的用于低功耗芯片的过温保护电路的工作过程原理图。
具体实施方式
[0038]
描述以下实施例以辅助对本实用新型的理解。不意在且不应当以任何方式将实施例解释成为限制本实用新型的保护范围。
[0039]
在以下描述中，本领域的技术人员将认识到，在本论述的全文中，组件可描述为单独的功能单元(可包括子单元)，但是本领域的技术人员将认识到，各种组件或其部分可划分成单独组件，或者可整合在一起(包括整合在单个的系统或组件内)。
[0040]
此外，附图内的组件或系统之间的连接并不旨在限于直接连接。相反，在这些组件之间的数据可由中间组件修改、重格式化、或以其它方式改变。另外，可使用另外或更少的连接。还应注意，术语“联接”、“连接”、或“输入”应理解为包括直接连接、通过一个或多个中间设备来进行的间接连接、和无线连接。
[0041]
实施例1：
[0042]
用于低功耗芯片的过温保护电路，如图2
‑
图3所示，包括：第一电流镜、第二电流镜、第三电流镜、nmos管nm1、nmos管nm2、三极管q1、nmos管nm3、运算放大器amp、nmos管nm4、nmos管nm5、nmos管nm6、nmos管nm7、反相器inv1和反相器inv2，所述nmos管nm1与nmos管nm2串联，三极管q1与nmos管nm3串联，nmos管nm1和nmos管nm2与三极管q1和nmos管nm3并联再与第一电流镜串联，nmos管nm4与nmos管nm5串联再与第二电流镜串联，nmos管nm6与nmos管nm7串联再与第三电流镜串联，nmos管nm7的源极与nmos管nm4的源极连接，运算放大器amp的同相端(vntat)与nmos管nm1的漏极连接，运算放大器amp的反相端(vptat)与nmos管nm6的源极连接，运算放大器amp的同相端的电压为温度负相关的电压，运算放大器amp的反相端的电压为温度正相关的电压，运算放大器amp的输出端与反相器inv1连接，反相器inv1与反相器inv2串联，反相器inv1的输出信号vc_n到nmos管nm2的栅极，反相器inv2的输出信号vc_p到nmos管nm3的栅极，通过运算放大器amp的同相端与反相端的电压大小进行比较，致使运算放大器amp的输出端输出高电平或者低电平，从而改变nmos管nm2与nmos管nm3的通断状态，控制芯片正常工作或者芯片受保护被关闭。
[0043]
nmos管nm2和nmos管nm3是作为开关管使用的nmos管，nmos管nm2的控制信号为vc_n，nmos管nm3的控制信号为vc_p，nmos管nm1接成二极管结构，三极管q1接成二极管结构。nmos管nm1的栅极与漏极相连。nmos管nm4与nmos管nm5的宽长比的比值为1：k1，nmos管nm6与nmos管nm7的宽长比的比值为1：k2。nmos管nm4的栅极与漏极相连，nmos管nm6的栅极与漏极相连。
[0044]
反相器inv1的输出信号vc_n与反相器inv2的输出信号vc_p，分别改变nmos管nm2与nmos管nm3的通断情况产生迟滞，同时输入到后端的数字电路中提供过温保护动作。当温
度未超过过温点时，比较运算放大器amp同相端的电压大于反相端的电压，vntat>vptat,比较运算放大器amp的输出为高电平，反相器inv1的输出信号vc_n为低电平，反相器inv2的输出信号vc_p为高电平，nmos管nm2截止、nmos管nm1所在之路断开，nmos管nm3导通、三极管q1接入电路，芯片正常工作。当温度上升超过过温点时，比较运算放大器amp同相端的电压小于反相端的电压，vntat＜vptat,比较运算放大器amp的输出从高电平跳变为低电平，反相器inv1的输出信号vc_n跳变为高电平，反相器inv2的输出信号vc_p跳变为低电平，nmos管nm2导通、nmos管nm1接入电路，nmos管nm3截止、三极管q1所在支路断路，以此来指示系统过温，并触发保护动作，芯片受保护被关闭。当温度下降到低于过温点时，信号vc_n为低电平,信号vc_p为高电平,芯片重新正常工作。
[0045]
所述nmos管nm7的源极与nmos管nm4的源极之间的电压为v1，v1的值为vgs5
‑
vgs4,vgs5为nmos管nm5的栅极与源极的电压，vgs4为nmos管nm5的栅极与源极的电压，v1的具体表达式为s1：
[0046][0047]
其中，n为亚阈值斜率修正因子，v
t
为热电压，k1为nmos管nm4与nmos管nm5的宽长相比的值，i5为流过nmos管nm5的电流，i4为流过nmos管nm4的电流。可以求得比较运算放大器amp同相端的电压vntat的表达式s2和比较运算放大器amp反相端的电压vptat的计算表达式。
[0048]
比较运算放大器amp反相端的电压vptat的表达式为s2：
[0049]
vptat＝nv
t ln(m*k1*k2)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(s2)
[0050]
其中，n为亚阈值斜率修正因子，v
t
为热电压，m为第三电流镜与第二电流镜的宽长相比的值，k1为nmos管nm4与nmos管nm5的宽长相比的值，k2为nmos管nm6与nmos管nm7的宽长相比的值。
[0051]
当温度未超过过温点时，比较运算放大器amp同相端的电压v
ntat1
＝vbe，vbe为三极管q1的发射极与基极之间的电压。当温度上升超过过温点时，比较运算放大器amp同相端的电压v
ntat2
的表达式为s3：
[0052][0053]
其中，v
gs1
为nmos管nm1的栅极与源极之间的电压，v
th1
为nmos管nm1的阈值电压，n为亚阈值斜率修正因子，v
t
为热电压，i
d
为此时流过nmos管nm1的电流，w为nmos管nm1的导电沟道宽度，l为nmos管nm1的导电沟道长度，μ
n
为电子迁移率，c
ox
为nmos管nm1的单位面积栅氧电容。从表达式s3中可以看出，控制id的值，可以控制迟滞量的大小，id越大，迟滞量越大，id越小，迟滞量越小。只有当温度下降到比过温点更低时，vc才回到低电平，使芯片重新正常工作。
[0054]
当温度持续上升且未超过过温点th时,由于nmos管nm2的截止和nmos管nm3的导通，比较运算放大器amp同相端的电压vntat遵循vntat1的表达式变化，vptat电压值也随温度上升而增大，芯片正常工作；当温度继续上到达过温点th时，vptat＝vntat＝vt1；如果温
度还在继续上升，此时比较运算放大器amp的输出电压跳变为低电平，由于nmos管nm2的导通和nmos管nm3的截止，比较运算放大器amp同相端的电压vntat遵循vntat2的表达式变化，同时指示系统发生过温，使芯片作出相应保护动作；只有温度下降至tl时，才能满足vptat＝vntat＝vt2的条件，只有温度下降至比tl更低时，比较运算放大器amp的输出才重新回到高电平，芯片才能重新正常工作。
[0055]
所有mos管均为增强型mos管。nmos管nm1、nmos管nm4、nmos管nm5、nmos管nm6和nmos管nm7工作在亚阈值区。pmos管pm1与pmos管pm2组成共源共栅结构的第一电流镜，pmos管pm3与pmos管pm4组成共源共栅结构的第二电流镜，pmos管pm5与pmos管pm6组成共源共栅结构的第三电流镜，用于提高电流镜的复制精度，第一电流镜、第二电流镜和第三电流镜的栅极都分别接在了vb1、vb2的电压偏置上，为各支路提供电流偏置。pmos管pm1、pmos管pm3和pmos管pm5的栅极接在了vb1的电压偏置上，pmos管pm2、pmos管pm4和pmos管pm6的栅极接在了vb2的电压偏置上。第二电流镜与第三电流镜的宽长比(电流比)的比值为1：m，m＞0。
[0056]
本技术的用于低功耗芯片的过温保护电路，没有使用电阻，解决了低功耗芯片中电阻版图面积大的问题。并且，采用的全部是常见的mos管、三极管，且对使用到的偏置电流的温度特性无特殊要求、无需使用带隙基准电压作为比较器的输入，对使用的工艺也无特殊要求，使用到的器件少，电路支路少，结构简单。本实用新型提出的电路中所有使用到的电流都为纳安级，电路的整体消耗非常低，实现了低功耗的目的。通过利用工作在亚阈值的mos管vgs和三极管vbe的温度特性，以及利用工作在亚阈区的nmos管，产生了一个ptat的电压，结合开关管的通断，实现了低功耗过温保护及迟滞功能。
[0057]
尽管本技术已公开了多个方面和实施方式，但是其它方面和实施方式对本领域技术人员而言将是显而易见的，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。本技术公开的多个方面和实施方式仅用于举例说明，其并非旨在限制本技术，本技术的实际保护范围以权利要求为准。