CN102338668B - 一种温度检测电路 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种温度检测电路，该电路包括：用于产生第一电压和第二电压的第一电路；其中，第一电压和第二电压分别是所述第一电路中不同的三极管的基极-发射极电压；和用于根据第一电压和第二电压的差值与绝对温度值成正比的关系，对第一电路输出的第一电压和第二电压进行运算的运算电路，使得运算电路输出的电压值等于绝对温度值。本发明技术方案利用三极管之间的基极-发射极电压(即V_BE)的差值就与绝对温度值成正比的特性，对第一电压和第二电压进行运算、输出与绝对温度值对应的电压的运算电路，使得该温度检测电路不需要单独的基准电压源，使得该温度检测电路的结构简单，易于实现。

Description

一种温度检测电路

技术领域

本发明涉及半导体集成电路技术领域，具体涉及一种温度检测电路。

背景技术

电子元器件在工作时都有一定的损耗，大部分的损耗变为热量。大功率器件的热损耗很大，如果不采取合理的散热措施，则器件的温度可能会超过允许的温度极限值，导致器件损坏。功率集成电路的功率密度越来越高，发热问题越来越严重，急需要设计人员尽快解决。

现有技术中在集成电路中增加温度检测电路，通过温度检测电路将温度以数字的形式直接被读取，当温度超出了集成电路温度极限值，就停止集成电路的工作，以防止数据错误等。这种温度检测电路可以被嵌入到各种不同的集成电路中。

现有技术中的温度检测电路通常包括：与绝对温度成比例的(PTAT，ProportionToAbsoluteTemperature)电压产生电路，基准电压源，和运算电路。通过运算电路对从PTAT电压产生电路中输出的PTAT电压，和从基准电压源输出的基准电压进行减法运算后，输出的电压Vtemp为温度检测电路检测到的绝对温度。

通过对现有技术的研究发现，现有技术中温度检测电路中包括有基准电压源，该电路产生的基准电压和PTAT电压需要进行运算，才可以得到一个与绝对温度值相对应的电压。因此，温度检测电路中包括的基准电压源增加了温度检测电路的复杂度，对于空间有严格要求集成电路来说，不利于包含集成电路的芯片的缩小。

发明内容

本发明实施例提供一种温度检测电路，通过本发明实施例提供的温度检测电路，不需要包含基准电压源，降低了温度检测电路的复杂度，简化了电路的实现。

本发明实施例提供一种温度检测电路，包括：

用于产生第一电压和第二电压的第一电路；其中，第一电压和第二电压分别是所述第一电路中不同的三极管的基极-发射极电压；

和用于根据第一电压和第二电压的差值与绝对温度值成正比的关系，对第一电路输出的第一电压和第二电压进行运算的运算电路，使得运算电路输出的电压值与绝对温度值对应。

优选的，所述第一电路具体为与绝对温度成比例的电流产生电路。

优选的，所述运算电路具体包括：第一放大器，第二放大器，电阻R1，电阻R2，电阻R3，和电阻R4；

其中，第一放大器的同相输入端与所述第一电路中的三极管Q1的发射极连接，电阻R1、电阻R2与第一放大器的反相输入端连接成负反馈结构；

第二放大器的同相输入端与所述第一电路中的三极管Q2的发射极连接，电阻R3一端与所述第一放大器的输出端连接，电阻R3另一端与第二放大器的反相输入端连接；电阻R4一端与第二放大器的反相输入端连接，电阻R4另一端与第二放大器的输出端连接；

第二放大器输出端输出的电压值与绝度温度值对应。

优选的，还包括：基准电压源和比较器；

所述比较器的输入端与所述基准电压源输出端连接，所述比较器的输入端还与所述运算电路的输出端连接，所述比较器用于比较运算电路输入的电压与基准电压源输入的电压的大小；若运算电路输入的电压大于或者等于基准电压源输入的电压，则输出低电平；若运算电路输入的电压小于基准电压源输入的电压，则输出高电平。

优选的，所述第一电路中三极管都为PNP型，或者都为NPN型。

优选的，所述第一电路中产生第二电压的三极管Q2和产生第一电压的三极管Q1的发射区-基区面积比为n，n的值在1到50之间。

本发明实施例提供一种温度检测装置，包括：第一电路，运算电路，模数转换单元，和显示单元；

第一电路，用于产生第一电压和第二电压；其中，第一电压和第二电压分别是所述第一电路中不同的三极管的基极-发射极电压；

运算电路，用于根据第一电压和第二电压的差值与绝对温度成正比的关系，对第一电路输出的第一电压和第二电压进行运算，使得运算电路输出的电压值与绝对温度值对应；

模数转换单元的输入端与运算电路输出端连接，模数转换单元用于将输入的电压转换为温度的数字值输出给显示单元；

显示单元，与模数转换单元的输出端连接，用于显示模数转换单元中获得的温度的数字值。

本发明实施例根据两个三极管工作在不相等的电流密度下，那么三极管之间的基极-发射极电压(即V_BE)的差值就与绝对温度成正比的特性，利用多于一个的三极管产生第一电压和第二电压的第一电路，和对第一电压和第二电压进行运算、输出与绝对温度对应的电压的运算电路，使得该温度检测电路的不需要单独的基准电压源，使得该温度检测电路的结构简单，易于实现。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种温度检测电路例图；

图2是本发明实施例提供的另一种温度检测电路图；

图3是第一电路201的一种具体电路图；

图4是本发明实施例提供的一种温度检测装置示意图；

图5是本发明实施例提供的一种温度检测电路示意图。

具体实施方式

本发明实施例提供一种温度检测电路。以下分别进行详细说明。

如图1所示，本发明实施例提供的一种温度检测电路例图。该温度检测电路包括：用于产生第一电压和第二电压的第一电路101；其中，第一电压和第二电压分别是所述第一电路101中不同的三极管的基极-发射极电压；用于根据第一电压和第二电压的差值与绝对温度成正比的关系，对第一电路输出的第一电压和第二电压进行放大并相减的运算电路102，使得运算电路102输出的电压值与绝对温度值对应。这里所说的电压值与绝对温度值对应，具体可以是：电压值等于绝对温度值，或者是电压值与绝对温度值成比例，或者是其它预置的电压值与绝对温度值之间的关系，此处不应该理解为对本发明实施例的限制。

需要理解的是，第一电路101可以是PTAT电流产生电路。

通过上述对一种温度检测电路的说明，根据两个三极管工作在不相等的电流密度下，那么三极管之间的基极-发射极电压(即V_BE)的差值就与绝对温度成正比的特性，该电路中包括利用多于一个的三极管产生第一电压和第二电压的第一电路，和对第一电压和第二电压进行运算、输出与绝对温度对应的电压的运算电路，使得该温度检测电路的不需要单独的基准电压源，使得该温度检测电路的结构简单，易于实现。

图2所示为本发明实施例提供的另一种温度检测电路图，该检测电路与图1所示的温度检测电路是基于相同的原理，该温度检测电路包括：第一电路201和运算电路202。下面对图2所示的电路做说明。

第一电路201为PTAT电流产生电路，图3为第一电路201的一种具体电路图。由于三极管的基极-发射极电压V_BE具有负温度系数的特性，可以得知三极管Q1的基极-发射极电压V_x和三极管Q2的基极-发射极电压V_Y分别如下式(1)、(2)所示：

$V_X=V_T\ln \frac{I_1}{I_{S1}}---\left(1\right);$

$V_Y=V_T\ln \frac{I_2}{{\mathrm{nI}}_{S2}}---\left(2\right);$

其中，V_T＝KT/q，为温度的等效电压；I₁，I₂分别为流过三极管Q1、三极管Q2两条支路的电流；I_S1，I_S2分别为Q1、Q2的反向饱和电流；n为三极管Q2与三极管Q1的发射区-基区面积之比。n的值大于1，通常在50以内。第一电路中三极管属同一类型。

需要说明的是，在第一电路201中四个金属-氧化物-半导体(MOS，Metal-Oxide-Semi-Conductor)晶体管M1、M2、M3、M4所形成的电流镜像电路使得I₁、I₂的值相等，假设该值为I₀(即：I₁＝I₂＝I₀)。假设两个三极管Q1、Q2的类型是相同的，都为衬底PNP类型的三极管，或者是其它类型的三极管，则I_S1，I_S2的值相等，假设该值为I_S(即：I_S1＝I_S2＝I_S)，则可以得出：

$V_X=V_T\ln \frac{I_0}{I_S}---\left(3\right);$

$V_Y=V_T\ln \frac{I_0}{n{I}_S}---\left(4\right);$

进而，三极管Q1、Q2之间基极-发射极电压差即ΔV_BE可以由式(5)表示：

ΔV_BE＝V_BE1-V_BE2＝V_X-V_Y＝V_Tlnn(5)；

式(5)中ΔV_BE的值为电阻R0两端的电压。在可以得知电阻R0两端的电压的情况下，可以得知流经电阻R0上的电流I₀，结合式(5)可以容易得知如下式(6)：

I₀＝ΔV_BE/R₀＝V_Tlnn/R₀(6)；

将式(6)中获得I₀的表达式分别代入式(3)、式(4)得：

$V_X=V_T\ln \frac{(V_T\ln n/R_0)}{I_S}---\left(7\right);$

$V_Y=V_T\ln \frac{(V_T\ln n/R_0)}{n{I}_S}---\left(8\right).$

本发明实施例根据两个三极管工作在不相等的电流密度下，那么它们的基极-发射极电压(即V_BE)的差值就与绝对温度成正比的特性，即PTAT电流产生电路中两个三极管的基极-发射极电压差是与绝对温度程正比的，即：

V_temp＝V_X-V_Y＝kT(9)；

其中，k为比例系数。下面主要对两个三极管的基极-发射极电压差与绝对温度程正比的情况下，实现的一种温度检测电路做说明。

根据对式(9)的说明，本发明实施例提供的温度检测电路中包括的运算电路202的具体结构可以参考图2，包括：第一放大器，第二放大器，电阻R1，电阻R2，电阻R3，和电阻R4。运算电路202的一种具体的连接关系包括：

第一电路201中的一个三极管的发射极与第一放大器的同相输入端连接；电阻R1、R2与第一放大器的反相输入端连接成负反馈结构，具体可以是：电阻R1一端接地，另一端与第一放大器的反相输入端连接；电阻R2一端与第一放大器的反相输入端连接，另一端与第一放大器的输出端连接；

第一电路201中的第二个三极管的发射极与第二放大器的同相输入端连接；电阻R3、R4与第二放大器的反相输入端连接成负反馈结构，具体可以是：电阻R3一端与第一放大器的输出端连接，电阻R3另一端与第二放大器的反相输入端连接；电阻R4一端与第二放大器的反相输入端连接，电阻R4另一端与第二放大器的输出端连接。

通过上述对运算电路202的说明，由于第一放大器“虚短”的特性，第一放大器的反相输入端电压等于同相输入端电压，电阻R1上的电压等于V_Y，因此，可以得到第一放大器的输出端电压V_Z如下：

$V_Z=\frac{(R_1+R_2)}{R_1}\·V_Y---\left(10\right);$

由于第二放大器“虚短”的特性，第二放大器的反相输入端电压等于同相输入端电压，即第二放大器的反相输入端的电压等于V_X，在获取第一放大器输出端电压，第二放大器反相输入端电压的情况下，可以获知第二放大器输出端的电压如下：

$v_{\mathrm{temp}}=V_X(1+\frac{R_4}{R_3})-V_Y(1+\frac{R_2}{R_1})\·\frac{R_4}{R_3}---\left(11\right);$

其中，在对式(9)的说明中已经解释V_temp为与温度成正比的电压。若第二放大器输出的电压与绝对温度成正比，可以令式(11)中：

$1+\frac{R_4}{R_3}=(1+\frac{R_2}{R_1})\·\frac{R_4}{R_3}=a---\left(12\right);$

因此，结合式(5)的结论，和V_T＝KT/q，式(11)可以简化为：

$V_{\mathrm{temp}}=a(V_X-V_Y)=a{V}_T\ln n=\frac{\mathrm{ak}\ln n}{q}\·T---\left(13\right);$

其中，k为玻耳兹曼常数(1.38×10-23JK-1)，q是一个电子电荷(1.6×10-19C)，因此，上述式(13)可以表示如下：

V_temp＝8.625·a·lnn·T·10^-5(V)＝8.625·a·lnn·T·10^-2(mV)(14)；

需要说明的是，为了使得运算电路输出的电压与绝度温度相等，可以令：

8.625·a·lnn·10^-2＝1(15)；

选取合适的a和n的值，使得V_temp＝T(mV)，即输出电压值等于绝对温度值。通常n的取值在1到50之间，表示三极管Q2与Q1的发射区-基区面积之比，其中，三极管Q1的发射区-基区面积为A，三极管Q2的发射区-基区面积为nA。当n确定后，a的取值也是确定的，则根据式(12)可以获知电阻R1、电阻R2、电阻R3、和电阻R4的阻值。例如：当n为8时，电阻阻值之间的关系为：R4＝4.576R3，且R1＝4.576R2。

通过上述对图2的说明，可知本发明实施例提供的一种温度检测电路，根据两个三极管工作在不相等的电流密度下，它们的基极-发射极电压(即V_BE)的差值就与绝对温度值成正比的特性，通过运算电路对输入的两个基极-发射极电压进行运算，该运算电路将输入的两个电压分别进行放大再使得放大后的电压进行减法运算，调整运算电路中电阻的阻值，使得运算电路中输出的电压值等于绝对温度值。该温度检测电路主要利用第一电路和简单运算电路，与现有技术相比，不需要基准电压源，该温度检测电路实现简单，更具有实用性。

还需要说明的是，上述第一电路201的具体实现不限于图2中所说明的结构，还可以是其它结构的PTAT电流产生电路，在PTAT电流产生电路中包括多于一个的三极管。

进一步需要说明的是，上述运算电路202的具体实现不限于图2中所说明的结构，运算电路202还可以是其它结构，此处不是穷举。

本发明实施例还提供了一种温度检测装置，如图4所示，该装置包括：第一电路401，运算电路402，模数转换单元(ADC，Analog-DigitalConverter)403，和显示单元404。

其中，第一电路401和运算电路402，与图2中说明的第一电路201和运算电路202可以是相同的，可以参考上述对图2的说明，此处不重述。

模数转换单元403，将运算电路202输出端与模数转换单元403的输入端连接，将输入的电压转换为温度的数字值输出给显示单元404；

显示单元404，与模数转换单元403的输出端连接，用于显示模数转换单元403中获得的温度的数字值。

本发明实施例还提供了一种温度检测电路，如图5所示，该电路包括：第一电路501，运算电路502，基准电压源503，和比较器504。

其中，第一电路501和运算电路502，与图2中说明的第一电路201和运算电路202可以是相同的，可以参考上述对图2的说明，此处不重述。

基准电压产生单元503，与比较器504的一个输入端相连，用于产生基准电压，将产生的基准电压输入给比较器504；

比较器504，与运算电路502的输出端连接，且与基准电压产生单元503的输出端连接，用于比较运算电路502输入的电压与基准电压产生单元503输入的电压的大小；若运算电路502输入的电压大于或者等于基准电压产生单元503输入的电压，则输出低电平；若运算电路502输入的电压小于基准电压产生单元503输入的电压，则输出高电平。

图5中运算电路502的输入端与比较器的输入端连接，基准电压源503输出的电压V_OTP，可以设计规定V_OTP为353mV，将该V_OTP输入到比较器。当运算电路输出的电压低于353mV，即表示检测出的温度低于80℃，则比较器输出为高电平；当运算电路输出的电压高于353mV，即表示检测出的温度高于80℃，则比较器输出为低电平。通过比较器输出的高电平或者低电平，可以控制集成电路中其它模块的工作模式，例如，当比较器输出为低电平时，可以控制集成电路中的其它模块工作在低功耗模式，从而实现过温度保护。

由于基准电压源503输出的电压V_OTP可以很方便的由电路设计者来控制，只要改变比较器的负输入端的电压V_OTP即可调节芯片的过温保护的阈值温度值，使得该温度保护电路实现简单，应用非常灵活。

图5提供的一种温度检测电路，通过利用基准电压源输出的电压值与运算电路输出的电压值进行比较，如果运算电路输出的电压值大于基准电压源输出的电压值，则通过比较器输出相应的控制信号，控制其它设备在该温度下执行相应的操作。该基准电压源输出的电压值可以理解为判断温度高低的标准。

以上对本发明实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体实施方式对本发明进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及设备；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种温度检测电路，其特征在于，包括：

用于产生第一电压和第二电压的第一电路；其中，第一电压是所述第一电路中三极管Q1的基极-发射极电压，第二电压是所述第一电路中三极管Q2的基极-发射极电压；

和用于根据第一电压和第二电压的差值与绝对温度值成正比的关系，对第一电路输出的第一电压和第二电压进行运算的运算电路，使得运算电路输出的电压值与绝对温度值对应，所述运算电路具体包括：第一放大器，第二放大器，电阻R1，电阻R2，电阻R3，和电阻R4；

其中，第一放大器的同相输入端与所述第一电路中的三极管Q2的发射极连接；电阻R1的一端连接至地，电阻R1另一端与电阻R2串联后连接至所述第一放大器的输出端，电阻R2和电阻R1的公共端与第一放大器的反相输入端连接，构成负反馈结构；

第二放大器的同相输入端与所述第一电路中的三极管Q1的发射极连接，电阻R3一端与所述第一放大器的输出端连接，电阻R3另一端与第二放大器的反相输入端连接；电阻R4一端与第二放大器的反相输入端连接，电阻R4另一端与第二放大器的输出端连接；

第二放大器输出端输出的电压值与绝对温度值对应。

2.根据权利要求1所述温度检测电路，其特征在于，所述第一电路具体为与绝对温度成比例的电流产生电路。

3.根据权利要求1、2其中任一项所述温度检测电路，其特征在于，还包括：基准电压源和比较器；

所述比较器的反向输入端与所述基准电压源输出端连接，所述比较器的正向输入端与所述运算电路的输出端连接，所述比较器用于比较运算电路输入的电压与基准电压源输入的电压的大小；若运算电路输入的电压大于或者等于基准电压源输入的电压，则输出低电平；若运算电路输入的电压小于基准电压源输入的电压，则输出高电平。

4.根据权利要求1所述温度检测电路，其特征在于，所述第一电路中三极管都为PNP型，或者都为NPN型。

5.根据权利要求1所述温度检测电路，其特征在于，所述第一电路中三极管Q2和三极管Q1的发射区-基区面积比为n，n的值在1到50之间。

6.一种温度检测装置，其特征在于，包括：第一电路，运算电路，模数转换单元，和显示单元；

第一电路，用于产生第一电压和第二电压；其中，第一电压和第二电压分别是所述第一电路中不同的三极管的基极-发射极电压；

运算电路，用于根据第一电压和第二电压的差值与绝对温度成正比的关系，对第一电路输出的第一电压和第二电压进行运算，使得运算电路输出的电压值与绝对温度值对应；其中，所述运算电路具体包括：第一放大器，第二放大器，电阻R1，电阻R2，电阻R3，和电阻R4；

其中，第一放大器的同相输入端与所述第一电路中的三极管Q2的发射极连接；电阻R1的一端连接至地，电阻R1另一端与电阻R2串联后连接至所述第一放大器的输出端，电阻R2和电阻R1的公共端与第一放大器的反相输入端连接，构成负反馈结构；

第二放大器的同相输入端与所述第一电路中的三极管Q1的发射极连接，电阻R3一端与所述第一放大器的输出端连接，电阻R3另一端与第二放大器的反相输入端连接；电阻R4一端与第二放大器的反相输入端连接，电阻R4另一端与第二放大器的输出端连接；

第二放大器输出端输出的电压值与绝对温度值对应；

模数转换单元的输入端与运算电路输出端连接，模数转换单元用于将输入的电压转换为温度的数字值输出给显示单元；

显示单元，与模数转换单元的输出端连接，用于显示模数转换单元中获得的温度的数字值。