CN103679246A - 一种嵌入式智能卡芯片的测温方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种嵌入式智能卡芯片的测温方法及装置，涉及芯片测温技术。本发明公开的测温方法包括：将嵌入式智能卡芯片的PAD ESD保护电路中的等效PN结结构作为温度传感器，提供设定电流通过，测量等效PN结结构在常温T_a下的电压值Va和在0摄氏度下的电压值V₀，根据T_a、Va和V₀，确定等效PN结结构的温度系数M；改变嵌入式智能卡芯片的环境温度至期望温度值T，循环进行读卡功能测试；在嵌入式智能卡芯片掉电零时刻，测量等效PN结结构在期望温度值T下的电压值V_T；根据V_T、V_a、T_a和M计算出嵌入式智能卡芯片的当前温度。本发明还公开了一种嵌入式智能卡芯片的测温装置。本申请技术方案大大提高了智能卡芯片温度测量的准确性。

Description

一种嵌入式智能卡芯片的测温方法及装置

技术领域

本发明涉及芯片测温技术，特别涉及一种嵌入式智能卡芯片的测温方法及装置。

背景技术

目前，嵌入式智能卡产品测试验证过程中通常的温度测量基本采用在待测样品附近安置新的温度传感器进行测量的方法，这种方法是以环境温度间接的表征芯片温度，受环境温度的均匀性，稳定性的影响严重，是不科学，不准确的。而且，当芯片在一定的功率下稳定工作时，芯片的实际温度必然会与环境温度存在偏差'T，而传感器根本无法察觉这个偏差，无法做到对芯片温度的实时跟踪。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种嵌入式智能卡芯片测温方法及装置，以提高智能卡芯片温度测量的准确性。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种嵌入式智能卡芯片的测温方法，包括：

将嵌入式智能卡芯片的PAD ESD保护电路中的等效PN结结构作为温度传感器，为所述等效PN结结构提供设定电流通过，并分别测量所述等效PN结结构在常温T_a下的电压值Va和在0摄氏度下的电压值V₀，根据所述T_a、Va和V₀，确定所述等效PN结结构的温度系数M；

改变所述嵌入式智能卡芯片的环境温度至期望温度值T，循环进行读卡功能测试；

当所述嵌入式智能卡芯片收到掉电信号时，在掉电零时刻，测量所述等效PN结结构在期望温度值T下的电压值V_T；

根据所述V_T、V_a、T_a和M计算出所述嵌入式智能卡芯片的当前温度。

可选地，上述方法中，根据所述T_a、Va和V₀，确定所述等效PN结结构的温度系数M指，按照如下公式计算M：

M=△V/△T=（V_a-V₀）/(T_a-273K)。

可选地，上述方法中，根据所述V_T、V_a、T_a和M计算出所述嵌入式智能卡芯片的当前温度指，按照如下公式计算T_c：

T_C=(VT-Va)/M+Ta。

可选地，上述方法中，分别测量所述等效PN结结构在常温T_a下的电压值Va和在0摄氏度下的电压值V₀指：

在常温T_a下，手动产生掉电信号给所述嵌入式智能卡芯片，在掉电零时刻，测量所述等效PN结结构在常温T_a下的电压值Va；

在0摄氏度下，手动产生掉电信号给所述嵌入式智能卡芯片，在掉电零时刻，测量所述等效PN结结构在0摄氏度下的电压值V₀。

可选地，上述方法中，所述期望温度值T属于-20°～+85°范围。

本发明还公开了一种嵌入式智能卡芯片的测温装置，包括恒流源模块、电压采集模块和控制模块，其中：

所述恒流源模块，为嵌入式智能卡芯片的PAD ESD保护电路中的等效PN结结构提供设定电流通过；

所述电压采集模块，根据所述控制模块的控制采集所述等效PN结结构在不同温度下的电压值；

所述控制模块，控制所述电压采集模块测量所述等效PN结结构在常温T_a下的电压值Va，和所述等效PN结结构在0摄氏度下的电压值V₀，根据所述T_a、Va和V₀，计算所述等效PN结结构的温度系数M，并在本嵌入式智能卡芯片的环境温度变化至期望温度值T后，循环进行读卡功能测试，当所述嵌入式智能卡芯片收到掉电信号时，在掉电零时刻控制所述电压采集模块测量所述等效PN结结构在期望温度值T下的电压值V_T，根据所述V_T、V_a、T_a和M计算出所述嵌入式智能卡芯片的当前温度。

可选地，上述装置中，所述控制模块根据所述T_a、Va和V₀，按照如下公式计算M：

M=△V/△T=（V_a-V₀）/(T_a-273K)。

可选地，上述装置中，根据所述V_T、V_a、T_a和M计算出所述嵌入式智能卡芯片的当前温度指，按照如下公式计算T_c：

T_C=(VT-Va)/M+Ta。

可选地，上述装置中，所述控制模块，控制所述电压采集模块测量所述等效PN结结构在常温T_a下的电压值Va，和所述等效PN结结构在0摄氏度下的电压值V₀指：

在常温T_a下，手动产生掉电信号给所述嵌入式智能卡芯片，在掉电零时刻，所述控制模块控制所述电压采集模块测量所述等效PN结结构在常温T_a下的电压值Va；

在0摄氏度下，手动产生掉电信号给所述嵌入式智能卡芯片，在掉电零时刻，所述控制模块控制所述电压采集模块测量所述等效PN结结构在0摄氏度下的电压值V₀。

可选地，上述装置中，所述控制模块为单片机。

可选地，上述装置还包括：

键盘输入模块，根据用户操作向所述控制模块输入所述恒流源模块提供的设定电流值，以及常温T_a值；

所述控制模块，根据输入的设定电流值，控制所述恒流源模块为所述等效PN结结构提供设定电流。

可选地，上述装置还包括：

温度显示模块，显示所述控制模块计算出的M值，以及所述控制模块计算出的所述嵌入式智能卡芯片的当前温度值。

本申请技术方案以待测嵌入式智能卡芯片内嵌等效PN结结构作为温度传感器实现芯片自身温度的直接测试和实时测试，大大提高了智能卡芯片温度测量的准确性。

具体地，本申请技术方案具有如下优点：

1、发挥了PN结温度传感器优点，同时，待测嵌入式智能卡芯片即作为研究对象，又做为测温系统的核心部件而存在；

2、直接测温，由于传感器是待测嵌入式智能卡芯片的一部分，传感器的温度就是芯片的温度，而不是以恒温环境温度作为芯片温度，因此不需等待环境温度足够稳定也可以测试；

3、实时测温，即使芯片的功率耗散产生一定的温差，通过单片机对读卡系统poweroff的响应控制测温系统，就能够做到读卡系统下电后的零时刻采集PN结的压降，因此能实时的反映芯片的真实温度。

附图说明

图1为PAD ESD保护电路原理示意图；

图2为PAD ESD保护电路中等效PN结结构示意图；

图3为本发明提供的嵌入式智能卡芯片测温装置结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文将结合附图对本发明技术方案作进一步详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

实施例1

本申请发明人将PN结正向压降随温度升高而降低的线性特性应用到嵌入式智能卡芯片温度相关特性的研究中，利用待测嵌入式智能卡芯片的PADESD保护电路（如图1所示）中的等效PN结结构（如图2所示），对芯片内部实际温度直接测量。即将待测嵌入式智能卡芯片作为传感器测量芯片温度。

基于上述思想，本实例提供一种嵌入式智能卡芯片测温装置，至少包括恒流源模块、电压采集模块和控制模块，其中：

恒流源模块，为嵌入式智能卡芯片的PAD ESD保护电路中的等效PN结结构提供设定电流通过；

电压采集模块，根据控制采集等效PN结结构在不同温度下的电压值；

具体地，可采用AD电压采集模块，例如AD转换器，采样待测嵌入式智能卡芯片的PAD ESD保护电路中的等效PN结结构的电压，并将采样的电压值转换为数字信号传递给控制模块。

控制模块，控制电压采集模块测量等效PN结结构在常温T_a下的电压值Va，以及等效PN结结构在0摄氏度下的电压值V₀，并根据T_a、Va和V₀，计算等效PN结结构的温度系数M，并在本嵌入式智能卡芯片的环境温度变化至期望温度值T时，循环进行读卡功能测试，当所述嵌入式智能卡芯片收到掉电信号时，在掉电零时刻控制电压采集模块测量等效PN结结构在期望温度值T下的电压值V_T，根据V_T、V_a、T_a和M计算出嵌入式智能卡芯片的当前温度。

一般，PC及上位机软件控制读卡系统和待测样品的通讯，通讯结束后，读卡系统将待测样品（即嵌入式智能卡芯片）Poweroff。

其中，期望温度值T是芯片的设计指标值，例如芯片设计之初希望其能在环境温度为-20°～+85°的范围内都正常工作。为了验证其达到设计指标，设定一个指定的温度来检验。比如20°、80度等等。

需要说明的是，上述控制模块控制电压采集模块测量V_T时，是由掉电信号触发的，而控制模块控制电压采集模块测量Va，以及V₀时，同样是由掉电信号触发的，但不同之处在于，测量V_T之前，嵌入式智能卡芯片处于工作状态，而测量Va，以及V₀时，嵌入式智能卡芯片并未启动，此时，是由手动产生掉电信号以触发控制模块控制电压采集模块进行测量操作的，即在常温T_a下，手动产生掉电信号给嵌入式智能卡芯片，在掉电零时刻，控制模块控制电压采集模块测量等效PN结结构在常温T_a下的电压值Va；在0摄氏度下，手动产生掉电信号给嵌入式智能卡芯片，在掉电零时刻，控制模块控制电压采集模块测量等效PN结结构在0摄氏度下的电压值V₀即可。

上述控制模块可以选用单片机。

另外，在上述装置结构的基础上，还可以增加键盘输入模块，该模块根据用户操作输入电流参数I（即恒流源模块提供的设定电源值）和常温温度值Ta。.其中，I值越小越好，受限于恒流源模块性能；Ta是通过一般的温度计获得的。

还可以包括温度显示模块，显示控制模块（单片机）计算出的M值，以及显示控制模块（单片机）计算的温度值。此时，整个嵌入式智能卡芯片测温装置如图3所示。其中，恒流源模块、电压采集模块、键盘输入模块以及温度显示模块、均可采用逻辑电路或相应的芯片器件等构成。本申请对各模块的实现形式不作任何限制。

下面再介绍上述装置的具体工作流程。整个过程可分为系统校准与温度测量两部分。

首先介绍系统校准过程；

通过输入键盘模块输入恒流源模块提供的设定电流（在校准过程中也可称为设定校准电流），本实施例中，设定电流为1mA（也可选择其他电流值进行校准，但所选电流值应足够小，避免校准电流带来的热效应影响），以及获取常温温度值T_a；

手动产生Poweroff信号，控制模块（如单元片机）响应该Poweroff信号，控制电压采集模块分别采集等效PN结结构在常温T_a和冰水混合物中（0℃）的等效PN结压降即V_a、V₀；

控制模块根据T_a、V_a和V₀计算温度系数M值；

具体地，可根据等式M=△V/△T=（V_a-V₀）/(T_a-273K)计算温度系数M值，M值反映的是在特定的电流条件下，电压随温度变化的规律。

再介绍电压测量过程；

通过输入键盘模块输入恒流源模块提供的设定电流（在此测量过程中也可称为设定测量电流）。本实施例中设定电源为1mA。此处必须与校准电流相同，因为M值是根据校准电流获得的，不同的校准电流得到不同M值；

改变环境温度至设计范围内的某一温度T（即期望温度值T），循环进行读卡功能测试；

控制模块在Poweroff的零时刻触发温度测量，控制电压采集模块测量当前温度下等效PN结结构的V_T；

控制模块利用校准过程获得的M值计算智能芯片的当前温度值：T_c=(V_T-V_a)/M+T_a。

其中，上述计范围内的某一温度T一般属于-25℃～85℃的范围，即智能卡能够正常工作的温度范围。这是为了验证芯片确实达到了设计指标，需进行一系列实验：具体地，温度T可选几个温度点：-25度、0度、50度、85度等。

实施例2

本实施例提供一种嵌入式智能卡芯片的测温方法，包括如下操作：

将嵌入式智能卡芯片的PAD ESD保护电路中的等效PN结结构作为温度传感器，为等效PN结结构提供设定电流通过，并分别测量等效PN结结构在常温T_a下的电压值Va和在0摄氏度下的电压值V₀，根据T_a、Va和V₀，确定等效PN结结构的温度系数M；

改变嵌入式智能卡芯片的环境温度至期望温度值T，循环进行读卡功能测试，当所述嵌入式智能卡芯片收到掉电信号时，在掉电零时刻，测量等效PN结结构在期望温度值T下的电压值V_T；

根据V_T、V_a、T_a和M计算出所述嵌入式智能卡芯片的当前温度。

具体地，本实施例中采用如下公式计算M：

M=△V/△T=（V_a-V₀）/(T_a-273K)。

采用如下公式计算T_c：

T_C=(VT-Va)/M+Ta。

其中，期望温度值T是芯片的设计指标值，例如芯片设计之初希望其能在环境温度为-20°～+85°的范围内都正常工作。为了验证其达到设计指标，设定一个指定的温度来检验。比如20°、80度等等。

还要说明的是，上述方法中，分别测量等效PN结结构在常温T_a下的电压值Va和在0摄氏度下的电压值V₀指：在常温T_a下，手动产生掉电信号给嵌入式智能卡芯片，在掉电零时刻，测量等效PN结结构在常温T_a下的电压值Va；同样地，在0摄氏度下，手动产生掉电信号给嵌入式智能卡芯片，在掉电零时刻，测量等效PN结结构在0摄氏度下的电压值V₀即可。

从上述实施例可以看出，本申请技术方案以待测嵌入式智能卡PAD ESD保护电路中等效PN结结构作为温度传感器，对实验过程中芯片的实际温度进行直接测量，有效解决了测量温度不准确，不科学的问题。同时，本申请技术方案以读卡系统Poweroff信号作为温度测量的触发，在下电零时刻采集PN结结构的压降，做到对芯片温度的实时测量，即使因芯片处于工作状态，其与环境存在温差，也能较准确的采集芯片功率耗散状态下的温度。

本领域普通技术人员可以理解上述方法中的全部或部分步骤可通过程序来指令相关硬件完成，所述程序可以存储于计算机可读存储介质中，如只读存储器、磁盘或光盘等。可选地，上述实施例的全部或部分步骤也可以使用一个或多个集成电路来实现。相应地，上述实施例中的各模块/单元可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。本申请不限制于任何特定形式的硬件和软件的结合。

以上所述，仅为本发明的较佳实例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种嵌入式智能卡芯片的测温方法，其特征在于，包括：

将嵌入式智能卡芯片的PAD ESD保护电路中的等效PN结结构作为温度传感器，为所述等效PN结结构提供设定电流通过，并分别测量所述等效PN结结构在常温T_a下的电压值Va和在0摄氏度下的电压值V₀，根据所述T_a、Va和V₀，确定所述等效PN结结构的温度系数M；

改变所述嵌入式智能卡芯片的环境温度至期望温度值T，循环进行读卡功能测试；

当所述嵌入式智能卡芯片收到掉电信号时，在掉电零时刻，测量所述等效PN结结构在期望温度值T下的电压值V_T；

根据所述V_T、V_a、T_a和M计算出所述嵌入式智能卡芯片的当前温度。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述T_a、Va和V₀，确定所述等效PN结结构的温度系数M指，按照如下公式计算M：

M=△V/△T=（V_a-V₀）/(T_a-273K)。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述V_T、V_a、T_a和M计算出所述嵌入式智能卡芯片的当前温度指，按照如下公式计算T_c：

T_C=(VT-Va)/M+Ta。

4.如权利要求1至3任一项所述的方法，其特征在于，分别测量所述等效PN结结构在常温T_a下的电压值Va和在0摄氏度下的电压值V₀指：

在常温T_a下，手动产生掉电信号给所述嵌入式智能卡芯片，在掉电零时刻，测量所述等效PN结结构在常温T_a下的电压值Va；

在0摄氏度下，手动产生掉电信号给所述嵌入式智能卡芯片，在掉电零时刻，测量所述等效PN结结构在0摄氏度下的电压值V₀。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，

所述期望温度值T属于-20°～+85°范围。

6.一种嵌入式智能卡芯片的测温装置，其特征在于，包括恒流源模块、电压采集模块和控制模块，其中：

所述恒流源模块，为嵌入式智能卡芯片的PAD ESD保护电路中的等效PN结结构提供设定电流通过；

所述电压采集模块，根据所述控制模块的控制采集所述等效PN结结构在不同温度下的电压值；

所述控制模块，控制所述电压采集模块测量所述等效PN结结构在常温T_a下的电压值Va，和所述等效PN结结构在0摄氏度下的电压值V₀，根据所述T_a、Va和V₀，计算所述等效PN结结构的温度系数M，并在本嵌入式智能卡芯片的环境温度变化至期望温度值T后，循环进行读卡功能测试，当所述嵌入式智能卡芯片收到掉电信号时，在掉电零时刻控制所述电压采集模块测量所述等效PN结结构在期望温度值T下的电压值V_T，根据所述V_T、V_a、T_a和M计算出所述嵌入式智能卡芯片的当前温度。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述控制模块根据所述T_a、Va和V₀，按照如下公式计算M：

M=△V/△T=（V_a-V₀）/(T_a-273K)。

8.如权利要求6所述的装置，其特征在于，根据所述V_T、V_a、T_a和M计算出所述嵌入式智能卡芯片的当前温度指，按照如下公式计算T_c：

T_C=(VT-Va)/M+Ta。

9.如权利要求6至9任一项所述的装置，其特征在于，所述控制模块，控制所述电压采集模块测量所述等效PN结结构在常温T_a下的电压值Va，和所述等效PN结结构在0摄氏度下的电压值V₀指：

在常温T_a下，手动产生掉电信号给所述嵌入式智能卡芯片，在掉电零时刻，所述控制模块控制所述电压采集模块测量所述等效PN结结构在常温T_a下的电压值Va；

在0摄氏度下，手动产生掉电信号给所述嵌入式智能卡芯片，在掉电零时刻，所述控制模块控制所述电压采集模块测量所述等效PN结结构在0摄氏度下的电压值V₀。

10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，

所述控制模块为单片机。

11.如权利要求10所述的装置，其特征在于，该装置还包括：

键盘输入模块，根据用户操作向所述控制模块输入所述恒流源模块提供的设定电流值，以及常温T_a值；

所述控制模块，根据输入的设定电流值，控制所述恒流源模块为所述等效PN结结构提供设定电流。

12.如权利要求11所述的装置，其特征在于，该装置还包括：

温度显示模块，显示所述控制模块计算出的M值，以及所述控制模块计算出的所述嵌入式智能卡芯片的当前温度值。

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