摘 要： 根據汽車發動機控制芯片的工作環境，針對常見的溫度失效問題，提出了一種應用在發動機控制芯片中的帶隙基準電壓源電路。該電路采用0.18 μm CMOS工藝，采用電流型帶隙基準電壓源結構，具有適應低電源電壓、電源抑制比高的特點。同時還提出一種使用不同溫度系數的電阻進行高階補償的方法，實現了較寬溫度范圍內的低溫度系數。仿真結果表明，該帶隙基準電路在-50℃~+125℃的溫度范圍內，實現平均輸出電壓誤差僅5.2 ppm/℃，可用于要求極端嚴格的發動機溫度環境。該電路電源共模抑制比最大為99 dB，可以有效緩解由發動機在不同工況下產生的電源紋波對輸出參考電壓的影響。
關鍵詞： 汽車電子；電路失效；帶隙基準源；電源共模抑制比；電壓紋波
發動機控制芯片在汽車中得到了廣泛的應用，是汽車電子的核心部分之一。發動機控制芯片結合了大量的傳感器接口電路、ADC、控制器等模擬與數字電路模塊。對于模擬電路，過低和過高的溫度，都可能會導致芯片失效。極限溫度導致電路失效的原因通常有：電路的偏置電流隨溫度變化過大，使得電路偏離了正常工作狀態；電路輸出節點的共模電壓隨溫度的變化產生了漂移，導致下一級電路無法正常偏置等問題。
在模擬電路設計中，帶隙基準電壓/電流源負責給偏置電路提供穩定、不隨溫度變化的偏置參考電流和電壓，用來給電路提供穩定的偏置電流和共模電壓。發動機控制芯片通常安裝在發動機周圍，發動機艙在長途行車過程中的極限溫度可能會高達125℃。而在寒冷地區，冷車狀態下發動機艙溫度可能低至-40℃。在如此大的溫度跨度下，要保證發動機控制芯片可以正常運作，參考電流源與參考電壓源的誤差必須控制在很小的范圍之內，這對帶隙基準模塊的設計提出了更高的要求。該基準電路必須在-40℃~125℃的范圍內提供恒定的輸出電壓/電流信號。因此，應該具有更低的溫度系數和更寬的工作溫度范圍。此外，由于發動機的工況經常因行駛情況而改變，同時由于發動機艙內各種電氣開關帶來的電壓波動，給發動機控制芯片供電的電源電壓通常會經歷嚴重的紋波干擾。這要求芯片中的帶隙基準源應具備較強的電源抑制比。本文正是從以上兩點出發，提出了一種針對汽車控制芯片的帶隙基準電壓源電路，用于降低由極限溫度引發的芯片失效風險。
1 帶隙基準電壓源電路設計與分析
帶隙基準的核心原理是產生一個具有一階正溫度系數的電壓/電流量，與一個具有一階負溫度系數的電壓/電流量以一定的系數相加，以達到抵消溫度系數的效果。一個雙極晶體管的基極與發射極電壓Vbe就可以看成是一個常用的負溫度系數源。將一個三極管連接成二極管形式，對Vbe求偏導，可以得到以下結論：
本文提出一種基于不同溫度系數電阻的二階溫度補償方法，其電路原理圖如圖6所示。在圖2所示的一階電路的基礎上增加3個多晶硅電阻(R6~R8)，該電阻與一階電路中的擴散電阻具有不同的溫度系數。仿真結果表明，使用該方法可以實現175℃溫度范圍內0.25 mV的輸出電壓誤差。
由三極管Q1~Q2，電阻R1~R8、晶體管M1~M3、誤差放大器A1組成一階帶隙基準電壓源核心電路。Q3、M6~M8用來產生與溫度呈正比例關系變化的電流IPTAT，提供給發動機控制芯片中的溫度傳感器模塊。R1、R3和R4為擴散電阻，具有正溫度系數。R6~R8為多晶硅電阻，具有負溫度系數，在電路中起到高階溫度補償的作用。M5、M10、R5、Q3組成啟動電路，在芯片上電時，M5導通，當電路進入正常工作狀態后，M5自動被切斷。
式(5)中的前兩項與式(3)相同，第三項為高階補償項。由于R6與R2具有不同溫度系數，故R6/R2至少是溫度的一階函數，由于VT本身是溫度的一階函數，故第三項至少是溫度的二階函數。通過合理地選擇R6值，可以較大程度上抵消Vbe的高階溫度系數。
經過本文方法補償后的輸出電壓隨溫度變化曲線如圖7所示。從圖中可以看出，從-50℃變化到125℃的過程中，輸出電壓最大只變化了0.25 mV，達到了顯著的補償效果。此外，由于采用了電流型帶隙基準源結構，R1、R3與雙極性器件所在支路并聯，降低了所在支路的等效電阻，從而減弱了電源電壓波動對該節點電壓的影響，提高了電源抑制比。圖8所示為誤差放大器A1的原理圖，該誤差放大器使用折疊共源放大結構。輸入跨導級為雙極型NPN管，可以降低放大器失調與噪聲帶來的影響。此外，還需要注意的是，在有誤差放大器的基準電路中，正反饋環路與負反饋環路是同時存在的，如圖6所示，M2、R2、Q2所在支路是負反饋，而M1、Q1所在支路則是正反饋。為了保證電路穩定性，需要使該系統總體上表現為負反饋，因此負反饋系數應該大于正反饋系數。在本設計中，R2與Q2的導通電阻1/gm2的和大于Q1的導通電阻1/gm1，使電路的穩定性得到了保證。
本文提出一種基于使用SMIC 0.18 μm MIXIC工藝，應用于發動機控制芯片的帶隙基準電壓源電路，該電路在一階電流型帶隙基準源基本結構的基礎上，使用不同溫度系數的電阻進行了簡單有效的二階溫度系數補償。該基準電壓源在-50℃~125℃溫度范圍內，輸出參考電壓誤差小于0.25 mV，低頻時電源抑制比可以達到99 dB。該基準電路具有良好的溫度穩定性與抗電源干擾能力，其在發動機控制芯片中有很好的應用價值。
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