CN110828397A - 芯片散热辅助电路和数据处理芯片 - Google Patents

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Abstract

本发明适用于电路技术领域，提供了一种芯片散热辅助电路和数据处理芯片，其中，芯片散热辅助电路包括：至少一路辅助散热支路；至少一路辅助散热支路的第一端与芯片电源的输入端连接，至少一路辅助散热支路的第二端与芯片电源的输出端连接。本发明实施例提供的芯片散热辅助电路和数据处理芯片，由于在芯片电源的输入端和输出端之间并联了辅助散热支路，使芯片的部分功耗消耗在辅助散热支路上，可以减少芯片本身的功耗，降低芯片自身的温度，提高其工作的可靠性。另外，辅助散热支路在电路板上的设置位置并不受限，从而解决了现有技术中增设芯片辅助散热所造成的电路板设计不便的问题。

Description

芯片散热辅助电路和数据处理芯片
技术领域
本发明属于电路技术领域，尤其涉及一种芯片散热辅助电路和数据处理芯片。
背景技术
现在的芯片封装朝着高密度和小型化发展，这必然使得芯片的有效散热面积减小，其功耗发热问题是我们不得不考虑的一个问题。特别是DSP(DigitalSignalProcessing数字信号处理，简称DSP)芯片其具有强大的数据处理能力，其内部部件的开关状态转换十分频繁，这使得DSP器件的功耗在应用系统中占用较大的比例。为了减少芯片功耗，DSP芯片常常采用多电源供电。由于用户不能改变芯片内部结构，为了在使用过程中帮助低芯降低温度，通常会在电路板上增设散热器，例如增设风扇或增加铺铜面积，而上述辅助散热方法都需要在电路板的特定区域进行设置，会对电路板设计造成不便。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种芯片散热辅助电路和数据处理芯片，以解决现有技术中增设芯片辅助散热所造成的电路板设计不便的问题。
根据第一方面，本发明实施例提供了一种芯片散热辅助电路，包括：至少一路辅助散热支路；所述至少一路辅助散热支路的第一端与芯片电源的输入端连接，所述至少一路辅助散热支路的第二端与所述芯片电源的输出端连接。所述至少一路辅助散热支路由电气元件构成。
本发明实施例提供的芯片散热辅助电路，由于在芯片电源的输入端和输出端之间并联了辅助散热支路，使得芯片电源输出的电流与辅助散热支路输出的电流汇聚后流向负载电阻，从而使芯片的部分功耗消耗在辅助散热支路上，在总功耗一定的基础上，可以减少芯片本身的功耗，降低芯片自身的温度，提高其工作的可靠性。另外，辅助散热支路在电路板上的设置位置并不受限，只要将各个辅助散热支路均并联在芯片电源的两端即可，因此，可以根据电路板上其他部分的设计需要，将本发明实施例提供的芯片散热辅助电路任意挪动，从而解决了现有技术中增设芯片辅助散热所造成的电路板设计不便的问题。
结合第一方面，在第一方面的一个具体实施方式中，每一路所述辅助散热支路包括至少一个耗散电阻；当任一所述辅助散热支路包括一个耗散电阻时，所述耗散电阻的第一端与所述芯片电源的输入端连接，所述耗散电阻的第二端与所述芯片电源的输出端连接；当任一所述辅助散热支路包括两个或两个以上耗散电阻时，所述两个或两个以上耗散电阻串联形成耗散电阻串联体；所述耗散电阻串联体的第一端与所述芯片电源的输入端连接，所述耗散电阻串联体的第二端与所述芯片电源的输出端连接。
本发明实施例提供的芯片散热辅助电路，在负载比较均衡的情况下，仅使用电阻作为辅助散热器件，在帮助芯片降压及避免给电路板设计造成不便的同时，降低了芯片散热辅助电路的成本。
结合第一方面，在第一方面的一个具体实施方式中，每一路所述辅助散热支路包括串联的稳压管和第一限流电阻。
本发明实施例提供的芯片散热辅助电路，利用稳压管的反向击穿特性实现对辅助散热支路的限流保护，有利于辅助散热支路为芯片提供长效、稳定的辅助散热保护。
结合第一方面，在第一方面的一个具体实施方式中，每一路所述辅助散热支路包括串联的二极管和第二限流电阻。
本发明实施例提供的芯片散热辅助电路，通过二极管保护芯片电源的输出端不会向芯片电源的输入端反向输电；通过第二限流电阻实现对辅助散热支路的限流保护，有利于辅助散热支路为芯片提供长效、稳定的辅助散热保护。
结合第一方面，在第一方面的一个具体实施方式中，所述每一路所述辅助散热支路还包括正向串联在所述二极管和所述第二限流电阻之间的另一二极管。
本发明实施例提供的芯片散热辅助电路，通过同时设置两个二极管的方式，进一步提高对芯片电源保护的能力，避免某一二极管突然失效时出现芯片电源缺少反向保护的不良状况。此外，电路中使用的二极管并不是理想二极管，每个二极管会有0.7V左右的压降。当仅使用一个二极管时，在芯片轻载或空载的情况下，会导致输出端电流较大；而使用两个二极管则会使压降维持在1.4V左右，再加上电阻的限流作用，会达到更好的保护效果。同时设置两个二极管的辅助散热支路，不仅具有二极管失效保护功能，还能够为辅助散热支路提供更好的限流保护。
结合第一方面，在第一方面的一个具体实施方式中，每一路所述辅助散热支路包括三极管和第三限流电阻；所述三极管的集电极与所述芯片电源的输入端连接，所述三级管的发射极与所述第三限流电阻的一端连接；所述第三限流电阻的另一端与所述芯片电源的输出端连接。
本发明实施例提供的芯片散热辅助电路，通过三极管实现对芯片的辅助散热和对辅助散热支路的限压保护，通过第三限流电阻实现对辅助散热支路的限流保护，有利于辅助散热支路为芯片提供长效、稳定的辅助散热保护。此外，三极管还可以作为开关器件，用以选通其所在的辅助散热支路，从而使用户能够自由选择是否启用本发明实施例提供的芯片散热辅助电路，以及具体启用哪些辅助散热支路，从而增加芯片辅助散热的灵活性。
结合第一方面，在第一方面的一个具体实施方式中，所述芯片散热辅助电路还包括受控开关；所述受控开关与所述至少一路辅助散热支路串联后连接在所述芯片电源的输入端和输出端之间；当满足第一预设条件时，所述受控开关断开；所述第一预设条件为所述芯片的温度小于预设的温度阈值；当满足第二预设条件时，所述受控开关闭合；所述第二预设条件为所述芯片的温度大于或等于预设的温度阈值。
通过在本发明实施例提供的芯片散热辅助电路中设置受控开关，能够实现对辅助散热支路接入或截止的管控，只有在芯片或芯片电源散热量较大时，才接入本发明实施例提供的芯片散热辅助电路，从而帮助芯片或芯片电源散热；在芯片或芯片电源散热量较小时，不接入本发明实施例提供的芯片散热辅助电路，避免芯片散热辅助电路引起功耗增大。
结合第一方面，在第一方面的一个具体实施方式中，所述受控开关为双金属片。
本发明实施例提供的芯片散热辅助电路，利用双金属片的热敏特性，将双金属片作为受控开关，实现对辅助散热支路接入或截止的管控。
根据第二方面，本发明实施例提供了一种数据处理芯片，包括芯片电源和如第一方面或第一方面任一实施方式所述的芯片散热辅助电路。
结合第二方面，在第二方面第一实施方式中，所述芯片散热辅助电路通过印刷电路与所述芯片电源连接。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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芯片散热辅助电路的一个具体示例的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的芯片散热辅助电路的另一个具体示例的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的芯片散热辅助电路的第三个具体示例的电路原理图；
图4是本发明实施例提供的芯片散热辅助电路的第四个具体示例的电路原理图；
图5是本发明实施例提供的芯片散热辅助电路的第五个具体示例的电路原理图；
图6是本发明实施例提供的芯片散热辅助电路的第六个具体示例的电路原理图；
图7是本发明实施例提供的芯片散热辅助电路的第七个具体示例的电路原理图；
图8是本发明实施例提供的数据处理芯片的一个具体示例的结构示意图；
图9是本发明实施例提供的芯片散热辅助电路与数据处理芯片的具体应用场景示意图。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
本发明实施例提供了一种芯片散热辅助电路，如图1所示，该芯片散热辅助电路可以包括至少一路辅助散热支路100。具体的，各个辅助散热支路100的第一端与芯片电源200的输入端连接，各个辅助散热支路的第二端与芯片电源200的输出端连接。
在一具体实施方式中，芯片散热辅助电路可以包括至少两路辅助散热支路100。在芯片散热辅助电路包括至少两路辅助散热支路100的情况下，即在同时包含多路辅助散热支路100的情况下，可以结合印刷电路板布板，灵活地把电气元件设置在印刷电路板的空余位置上。同时，多路辅助散热支路，可以分散散热，芯片散热效果更好。本申请实施例提供的芯片散热辅助电路在芯片输入端和输出端连接具有不同功能的支路，既包括用于散热的支路，例如辅助散热支路100，还可以包括用于扩流的支路，增设辅助散热支路100能够使芯片电源输出的电流与辅助散热支路100输出的电流汇聚后流向负载电阻，从而使芯片的部分功耗消耗在辅助散热支路上，在总功耗一定的基础上，可以减少芯片本身的功耗，降低芯片自身的温度，提高其工作的可靠性。另外，辅助散热支路100在电路板上的设置位置并不受限，只要将各个辅助散热支路100均并联在芯片电源的两端即可，因此，可以根据电路板上其他部分的设计需要，将本发明实施例提供的芯片散热辅助电路100任意挪动，从而解决了现有技术中增设传统的芯片辅助散热器件，例如风扇所造成的电路板设计不便的问题。
在实际应用中，可以使用除风扇以外的其他电气元件，通过并联、串联或并联与串联组合的方式，构成辅助散热支路100。本申请实施例不对辅助散热支路100的具体结构进行限定。
可选的，如图2所示，还可以在图1所示的芯片散热辅助电路中增设一个受控开关101。具体的，受控开关101可以与各个辅助散热支路100串联后连接在芯片电源200的输入端和输出端之间。在图2中，辅助散热支路100的第一端与芯片电源200的输入端连接，辅助散热支路100的第二端与受控开关101的第一端连接，受控开关101的第二端与芯片电源200的输出端连接。
当满足第一预设条件时，受控开关101断开。第一预设条件可以为芯片或芯片电源200的温度小于预设的温度阈值。当满足第二预设条件时，受控开关101闭合，从而将辅助散热支路100接入芯片电源200的输入端和输出端之间，并通过辅助散热支路100帮助芯片或芯片电源200散热。第二预设条件可以为芯片或芯片电源200的温度大于或等于预设的温度阈值。
在一具体实施方式中，受控开关101可以是双金属片。双金属片也称热双金属片，由于各组元层的热膨胀系数不同，当温度变化时，主动层的形变要大于被动层的形变，从而双金属片的整体就会向被动层一侧弯曲，则这种复合材料的曲率发生变化从而产生形变。其中，膨胀系数较高的称为主动层；膨胀系数较低的称为被动层。主动层的材料主要有锰镍铜合金、镍铬铁合金、镍锰铁合金和镍等等；被动层的材料主要是镍铁合金，镍含量为34～50％。
具体的，双金属片的第一端与辅助散热支路100的第二端连接；在满足第一预设条件时，双金属片的第二端与芯片电源200的输出端不接触；在满足第二预设条件时，双金属片的第二端与芯片电源的输出端抵触，从而将辅助散热支路100接入芯片电源200的输入端和输出端之间，并通过辅助散热支路100帮助芯片或芯片电源200散热。
可选的，还可以在图1中芯片电源200的输出端设置负载电阻R1。具体的，负载电阻R1的一端与芯片电源200的输出端连接，负载电阻R1的另一端接地。需要说明的是，并联在芯片电源200两端之间的辅助散热支路100的数量可以根据芯片散热需要任意设置，本发明实施例对此不作限制。
根据基尔霍夫电流定律，在集总电路中，任一时刻流入任一节点的电流等于由该节点流出的电流。也就是说，在任一瞬间，一个节点上各支路电流的代数和恒为零。
在图1或图2所示的电路原理图中，根据基尔霍夫电流定律，能够得出电流I3＝I1+I2。由上述公式可以看出，芯片内部电路(即芯片电源)的部分电流经辅助散热支路供给至芯片外并联的负载电阻R1，也就是说芯片中部分功耗消耗在辅助散热支路上；在总功耗一定的基础上，本发明实施例提供的芯片散热辅助电路可以减少芯片本身的功耗，降级芯片温度，有助于提高芯片的工作可靠性。另外，辅助散热支路可以远离芯片并在电路板上自由排布，在电路板设计上具有更大的灵活性。
可选的，如图3所示，辅助散热支路100可以由耗散电阻R2构成。具体的，耗散电阻R2的两端分别与芯片电源的输入端和输出端连接。以内部集成有LDO(dropout regulator低压线性稳压器，简称LDO)的DSP芯片为例，如图3所示，耗散电阻R2并联在LDO的输入端和输出端之间。需要说明的是，本发明实施例对于由耗散电阻R2构成的辅助散热支路的数量不做限制，图3中以设置了一路上述辅助散热支路为例进行图示。
在实际应用中，辅助散热支路100可以包括至少两个耗散电阻R2，同一辅助散热支路100中包含的各个耗散电阻R2可以采用串联、并联或者串联与并联相结合的方式进行连接。通过在每一路辅助散热支路100中设置多个耗散电阻R2，可以方便用户结合印刷电路板布板，灵活地把各个耗散电阻R2设置在印刷电路板的空余位置上。同时，多个耗散电阻R2的存在，可以分散散热，芯片散热效果更好。
本发明实施例提供芯片散热辅助电路，针对内部集成有LDO的DSP，在其DSP系统电源的两端并联耗散电阻R2，分散DSP芯片LDO转化产生的自身功耗，能有效解决功耗器件本身发热过高导致器件损耗的问题，而且不会影响到其内部的LDO性能。在同样功耗的情况下，通过辅助散热分散其自身功耗，可以降低器件本身的温度，提高器件的可靠性。
可选的，如图4所示，辅助散热支路100可以由串联的稳压管Z1和第一限流电阻R3构成。同样以内部集成有LDO的DSP芯片为例，如图4所示，稳压管Z1的负极与LDO的输入端连接，稳压管Z1的正极与第一限流电阻R3的一端连接，第一限流电阻R3的另一端与LDO的输出端连接。
本发明实施例提供的芯片散热辅助电路，利用稳压管的反向击穿特性实现对辅助散热支路的限流保护，有利于辅助散热支路为芯片提供长效、稳定的辅助散热保护。
可选的，如图5所示，辅助散热支路100可以由串联的二极管D1和第二限流电阻R4构成。同样以内部集成有LDO的DSP芯片为例，如图5所示，二极管D1的正极与LDO的输入端连接，二极管D1的负极与第二限流电阻R4的一端连接，第二限流电阻R4的另一端与LDO的输出端连接。通过二极管D1，通过保护芯片电源(即DSP芯片内的LDO)的输出端不会向芯片电源(即DSP芯片内的LDO)的输入端反向输电。通过第二限流电阻R4能够实现对辅助散热支路100的限流保护，有利于辅助散热支路100为芯片提供长效、稳定的辅助散热保护。为了避免设置单一二极管出现故障时，无法对芯片电源进行有效的反向电流截止保护，在一具体实施方式中，如图6所示，还可以在辅助散热支路100中增设另一二极管D2，使二极管D1和二极管D2共同为芯片电源提供反向电流截止保护。具体的，二极管D2可以正向接在辅助散热支路100中的任意位置；在图6中，将二极管D2正向串联在二极管D1和第二限流电阻R4之间。电路中使用的二极管并不是理想二极管，每个二极管会有0.7V左右的压降。当仅使用一个二极管时，在芯片轻载或空载的情况下，会导致输出端电流较大；而使用两个二极管则会使压降维持在1.4V左右，再加上电阻的限流作用，会达到更好的保护效果。同时设置两个二极管的辅助散热支路，不仅具有二极管失效保护功能，还能够为辅助散热支路提供更好的限流保护。
可选的，如图7所示，辅助散热支路100还可以由三极管Q1和第三限流电阻R5构成。同样以内部集成有LDO的DSP芯片为例，如图7所示，三极管Q1的集电极可以与芯片电源(即DSP芯片内的LDO)的输入端连接，三级管Q1的发射极可以与第三限流电阻R5的一端连接，第三限流电阻R5的另一端可以与芯片电源(即DSP芯片内的LDO)的输出端连接。为了使三极管Q1能够正常导通，还可以在芯片散热辅助电路中增设控制器U1，并将控制器U1的一个输出端OUT1与三极管Q1的基极连接，从而在控制器U1的输出端OUT1输出高电平时将三极管Q1导通，从而使辅助散热支路100能够正常对芯片进行辅助散热。
本发明实施例提供的芯片散热辅助电路，通过三极管Q1实现对芯片的辅助散热和对辅助散热支路100的限压保护，通过第三限流电阻R5实现对辅助散热支路100的限流保护，有利于辅助散热支路100为芯片提供长效、稳定的辅助散热保护。此外，三极管Q1还可以作为开关器件，用以选通其所在的辅助散热支路100，从而使用户能够自由选择是否启用本发明实施例提供的芯片散热辅助电路，以及具体启用哪些辅助散热支路100，从而增加芯片辅助散热的灵活性。
需要说明的是，在图7中选用了NPN型三极管作为开关器件接入辅助散热支路100中，用户也可以选用其他类型的三极管以及场效应管作为开关器件接入辅助散热支路100中，同样能够实现对芯片辅助散热，本发明实施例对此不作限制。用户还可以将开关器件，例如三极管和场效应管，接入图3至图5所示的辅助散热支路100中，从而使对应的辅助散热支路也具有自由选通的功能，从而增加芯片辅助散热的灵活性。此外，辅助散热支路100还可以是电阻、稳压管、二极管、三极管及场效应管等的任意组合电路，图3至图7所示的辅助散热支路100仅是对辅助散热的举例介绍，并不是对辅助散热支路的限定。
本发明实施例还提供了一种数据处理芯片，如图8所示，该数据处理芯片300可以包括：芯片电源200和如图1至图7所示的任一种芯片散热辅助电路400。在数据处理芯片300中，芯片散热辅助电路400可以自由设置位置，例如，芯片散热辅助电路400可以远离芯片电源200及数据处理芯片中的核心处理器，本发明实施例对此不做限制。
现有技术中，在数据处理芯片中增设散热器时，例如增设风扇或增加铺铜面积，都需要在数据处理芯片的特定区域设置上述散热器，例如，需要在靠近核心处理器的位置增设上述散热器，否则难以达到辅助散热的效果，这会对数据处理芯片的设计造成不便。本发明实施例还提供的数据处理芯片，能够自由设置芯片散热辅助电路400的位置，通过印刷电路将芯片散热辅助电路400与芯片电源200连接即可，在辅助散热的同时，解决了现有技术中增设芯片辅助散热所造成的数据处理芯片设计不便的问题。
图9是本发明实施例提供的芯片散热辅助电路与数据处理芯片的具体应用场景示意图。数据处理芯片应该具有电压转换功能，例如能把3.3V电压转换成1.8V，也正是由于存在电压转换，数据处理芯片在电压转换过程中产生的热量才需要辅助散热支路进行散热。同时，数据处理芯片外部还需要设置储能电容、接地电阻、采样电阻及驱动电阻等构成的外围电路，从而扩展数据处理芯片的功能。在图9中，由二极管D44、二极管D45和电阻R200串联组成了一路辅助散热支路100，在需要对数据处理芯片进行辅助散热时，可以将上述辅助散热支路100接入数据处理芯片的+3.3VD与+1.8V端口之间，实现辅助散热。需要说明的是，图9仅为应用场景示意图，在实际应用中，用户可以根据需要自由调整辅助散热支路100的数量，并自由设置每一路辅助散热支路100中电气元件的组成和连接关系，本申请实施例对此不做限制。
以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种芯片散热辅助电路，其特征在于，包括：
至少一路辅助散热支路；
所述至少一路辅助散热支路的第一端与芯片电源的输入端连接，所述至少一路辅助散热支路的第二端与所述芯片电源的输出端连接；
所述至少一路辅助散热支路由电气元件构成。
2.如权利要求1所述的芯片散热辅助电路，其特征在于，
每一路所述辅助散热支路包括至少一个耗散电阻；
当任一所述辅助散热支路包括一个耗散电阻时，所述耗散电阻的第一端与所述芯片电源的输入端连接，所述耗散电阻的第二端与所述芯片电源的输出端连接；
当任一所述辅助散热支路包括两个或两个以上耗散电阻时，所述两个或两个以上耗散电阻串联形成耗散电阻串联体；所述耗散电阻串联体的第一端与所述芯片电源的输入端连接，所述耗散电阻串联体的第二端与所述芯片电源的输出端连接。
3.如权利要求1所述的芯片散热辅助电路，其特征在于，
每一路所述辅助散热支路包括串联的稳压管和第一限流电阻。
4.如权利要求1所述的芯片散热辅助电路，其特征在于，
每一路所述辅助散热支路包括串联的二极管和第二限流电阻。
5.如权利要求4所述的芯片散热辅助电路，其特征在于，所述每一路所述辅助散热支路还包括正向串联在所述二极管和所述第二限流电阻之间的另一二极管。
6.如权利要求1所述的芯片散热辅助电路，其特征在于，
每一路所述辅助散热支路包括三极管和第三限流电阻；
所述三极管的集电极与所述芯片电源的输入端连接，所述三级管的发射极与所述第三限流电阻的一端连接；
所述第三限流电阻的另一端与所述芯片电源的输出端连接。
7.如权利要求1至6中任一项所述的芯片散热辅助电路，其特征在于，所述芯片散热辅助电路还包括受控开关；
所述受控开关与所述至少一路辅助散热支路串联后连接在所述芯片电源的输入端和输出端之间；
当满足第一预设条件时，所述受控开关断开；所述第一预设条件为所述芯片的温度小于预设的温度阈值；
当满足第二预设条件时，所述受控开关闭合；所述第二预设条件为所述芯片的温度大于或等于预设的温度阈值。
8.如权利要求7所述的芯片散热辅助电路，其特征在于，所述受控开关为双金属片。
9.一种数据处理芯片，其特征在于，包括芯片电源和如权利要求1至8任一项所述的芯片散热辅助电路。
10.如权利要求9所述的数据处理芯片，其特征在于，所述芯片散热辅助电路通过印刷电路与所述芯片电源连接。
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