CN110995019A - 功率驱动芯片及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种功率驱动芯片及方法，该功率驱动芯片包含：整合功率模块，设置于封装结构内，并且包含晶体管，以及电连接晶体管的栅极驱动器；控制器，设置于封装结构内，并且电连接整合功率模块；以及多阶段过温保护电路，设置于整合功率模块内，并且测量整合功率模块的内部温度，当内部温度超过第一触发温度，多阶段过温保护电路产生降载驱动信号至控制器，控制器根据降载驱动信号降低整合功率模块的输出功率，当内部温度超过第二触发温度，多阶段过温保护电路产生过载驱动信号至控制器，控制器根据过载驱动信号关闭整合功率模块；其中，第二触发温度高于第一触发温度，可以充分避免功率晶体管面临热失控的状况。

Description

功率驱动芯片及方法
技术领域
本发明是关于功率驱动芯片与方法，尤其是关于电机驱动的过温保护装置及方法。
背景技术
随着工艺技术的进步，晶体管的体积大幅减少，相同面积芯片上的晶体管数量因此得以大幅增加，有一个无法避免的问题也跟着发生了，那就是芯片的发热量也大幅增加。一般的集成电路元件在高温下操作可能会导致切换速度受到影响，或是导致可靠度与寿命的问题。在一些发热量非常高的集成电路芯片如微处理器，目前需要使用外加的散热系统来缓和这个问题。
在功率晶体管的领域里，通道电阻常常会因为温度升高而跟着增加，这样也使得在元件中PN结导致的功率损耗增加。假设外置的散热系统无法让功率晶体管的温度保持在够低的水准，很有可能让这些功率晶体管遭到热失控的命运。
发明内容
为了解决上述的问题，本发明提供一种功率驱动芯片，其包含整合功率模块、控制器以及多阶段过温保护电路。整合功率模块，设置于封装结构内，并且包含晶体管，以及电连接晶体管的栅极驱动器。控制器，设置于封装结构内，并且电连接整合功率模块。多阶段过温保护电路，设置于整合功率模块内，并且测量整合功率模块的内部温度，当内部温度超过第一触发温度，多阶段过温保护电路产生降载驱动信号至控制器，控制器根据降载驱动信号降低整合功率模块的输出功率，当内部温度超过第二触发温度，多阶段过温保护电路产生过载驱动信号至控制器，控制器根据过载驱动信号关闭整合功率模块。其中，第二触发温度高于第一触发温度；在该封装结构内，该控制器堆叠在整合功率模块上。
根据本发明的另一目的提供一种功率驱动芯片，其包含整合功率模块、控制器以及多阶段过温保护电路。整合功率模块，设置于封装结构内，并且包含晶体管，以及电连接晶体管的栅极驱动器。控制器，设置于封装结构内，并且电连接整合功率模块。多阶段过温保护电路，设置于控制器内，并且测量控制器的内部温度，当内部温度超过第一触发温度，多阶段过温保护电路产生降载驱动信号至控制器，控制器根据降载驱动信号降低整合功率模块的输出功率，当内部温度超过第二触发温度，多阶段过温保护电路产生过载驱动信号至控制器，控制器根据过载驱动信号关闭整合功率模块。其中，第二触发温度高于第一触发温度；在该封装结构内，该控制器堆叠在整合功率模块上。
较佳地，当内部温度低于回复驱动温度，多阶段过温保护电路可以产生回复驱动信号至控制器，且控制器根据回复驱动信号提高输出功率。
较佳地，控制器可以根据降载驱动信号降低整合功率模块的驱动电压和/或驱动电流以降低输出功率。
较佳地，控制器可以根据降载驱动信号降低整合功率模块的驱动信号(PWM)的周期以降低输出功率。
较佳地，该第二触发温度为该整合功率模块能承受的最高温度，而该第一触发温度为该控制器能承受的最高温度。
根据本发明的另一目的提供一种功率驱动方法，其包含下列步骤。设置整合功率模块于封装结构内，整合功率模块包含晶体管，以及电连接晶体管的栅极驱动器。设置控制器于封装结构内，并且电连接控制器至整合功率模块。设置多阶段过温保护电路于整合功率模块内，以测量整合功率模块的内部温度。于多阶段过温保护电路内设定第一触发温度，当内部温度超过第一触发温度，多阶段过温保护电路产生降载驱动信号至控制器，控制器根据降载驱动信号降低整合功率模块的输出功率。以及，于多阶段过温保护电路内设定第二触发温度，当内部温度超过第二触发温度，多阶段过温保护电路产生过载驱动信号至控制器，控制器根据过载驱动信号关闭整合功率模块。其中，第二触发温度高于第一触发温度；在该封装结构内，该控制器堆叠在整合功率模块上。
根据本发明的再一目的提供一种功率驱动方法，用于驱动电机，其包含下列步骤。设置整合功率模块于封装结构内，整合功率模块包含晶体管，以及电连接晶体管的栅极驱动器。设置控制器于封装结构内，并且电连接控制器至整合功率模块。设置多阶段过温保护电路于控制器内，以测量控制器的内部温度。于多阶段过温保护电路内设定第一触发温度，当内部温度超过第一触发温度，多阶段过温保护电路产生降载驱动信号至控制器，控制器根据降载驱动信号降低整合功率模块的输出功率。以及，于多阶段过温保护电路内设定第二触发温度，当内部温度超过第二触发温度，多阶段过温保护电路产生过载驱动信号至控制器，控制器根据过载驱动信号关闭整合功率模块。其中，第二触发温度高于第一触发温度；在该封装结构内，该控制器堆叠在整合功率模块上。
较佳地，功率驱动方法可以进一步包含：于多阶段过温保护电路内设定回复驱动温度，当内部温度低于回复驱动温度，多阶段过温保护电路产生回复驱动信号至控制器，且控制器根据回复驱动信号提高输出功率。
较佳地，控制器可以根据降载驱动信号降低整合功率模块的驱动电压和/或驱动电流以降低输出功率。
较佳地，控制器可以根据降载驱动信号降低整合功率模块的驱动信号(PWM)的周期以降低输出功率。
本发明揭露的功率驱动芯片及方法，通过将过温保护电路设置于具有晶体管的功率模块内，或是设置于控制器内来监控功率驱动芯片的内部温度，使得过温保护电路得以近距离且快速地读取晶体管或是控制器所造成的温度。除此之外，本发明所揭露的过温保护电路以多阶段监控方式对功率驱动芯片进行过温保护，充分地避免了功率晶体管面临热失控的状况。
附图说明
图1是绘示根据本发明一实施例的功率驱动芯片方块图。
图2是绘示根据本发明一实施例的功率驱动芯片方块图。
图3是绘示根据本发明一实施例的功率驱动芯片横截面图。
图4是绘示根据已知技术的过热保护机制的示例流程图。
图5是绘示根据本发明一实施例的多阶段过温保护机制的流程图。
图6是绘示根据本发明一实施例的功率驱动方法流程图。
附图编号
100：功率驱动芯片
101：整合功率模块
102：控制器
103：多阶段过温保护电路
110：封装结构
301：接线
302：基板
1011：晶体管
1012：栅极驱动器
Tt1：第一触发温度
Tt2：第二触发温度
S401～S404、S501～S505、S601～S607：步骤
具体实施方式
为利贵审查委员了解本发明的技术特征、内容与优点及其所能达成的功效，兹将本发明配合附图，并以实施例的表达形式详细说明如下，而其中所使用的图式，其主旨仅为示意及辅助说明书之用，未必为本发明实施后的真实比例与精准配置，故不应就所附的图式的比例与配置关系解读、局限本发明于实际实施上的权利要求，合先叙明。
参照图1及图3，图1是绘示根据本发明一实施例的功率驱动芯片方块图，图3是绘示根据本发明一实施例的功率驱动芯片示意图。其中功率驱动芯片100用于驱动电机，功率驱动芯片100包含整合功率模块101、控制器102以及多阶段过温保护电路103。整合功率模块101设置于封装结构110内，并且包含晶体管1011，以及电连接晶体管1011的栅极驱动器1012。控制器102设置于封装结构110内，并且电连接整合功率模块101。整合功率模块101可电连接控制器102，而控制器102用于控制整合功率模块101的运作。例如，整合功率模块101可包含至少一接脚用以电连接控制器102的至少一接脚。
多阶段过温保护电路103设置于整合功率模块101内，用以测量整合功率模块101的内部温度。当整合功率模块101的内部温度超过第一触发温度Tt1，多阶段过温保护电路103产生并传送一降载驱动信号至控制器102，控制器102根据降载驱动信号以控制整合功率模块101降低输出功率。而当整合功率模块101的内部温度超过第二触发温度Tt2，多阶段过温保护电路103产生过载驱动信号至控制器102，控制器102根据过载驱动信号关闭整合功率模块10。第二触发温度Tt2高于第一触发温度Tt1。在一实施例中，第二触发温度Tt2为整合功率模块101能承受的最高温度，而第一触发温度Tt1为控制器102能承受的最高温度。
为了确保电路运作正常，芯片内都会有一高温保护机制；如果芯片内部温度高于一预设温度门槛值，高温保护机制便会减少或停止芯片的运作，藉此让芯片内部温度下降，以避免芯片内电路因为高温而自造成永久性损坏。控制器102的预设温度门槛值是低于整合功率模块101的预设温度门槛值；因为整合功率模块101的功能在于输出大电流给外部负载，所以其电路必须设计成能承受较高的温度，相对的，控制器102的功能在于逻辑运算，其电路设计不会考量承受较高的温度。再者，在背景技术中，控制器102的位置离整合功率模块101较远，所以控制器102电路设计不会考量承受较高的温度。
但是，在本发明中，为了减少芯片封装后的体积，控制器102设置邻近于整合功率模块101，其意味着整合功率模块101产生的温度会直接传导到控制器102，导致在一特定温度下，其低于整合功率模块101的预设温度门槛值(第二触发温度Tt2)，而高于控制器102的预设温度门槛值(第一触发温度Tt1)，使得控制器102会停止运作，进而使得整合功率模块101也停止运作。因此，当控制器102与整合功率模块101设置于同一封装结构时，整合功率模块101可能无法发挥其最大效能。
为了解决上述问题，本发明提出的解决方案在于当整合功率模块101的内部温度超过控制器102的预设温度门槛值(第一触发温度Tt1)，多阶段过温保护电路103产生并传送一降载驱动信号至控制器102，控制器102根据降载驱动信号以控制整合功率模块101降低输出功率。因为整合功率模块101的内部温度会通过接脚或导线传导到控制器102，所以为了避免控制器102为了保护自己而直接停止运作，造成整合功率模块101也被迫停止运作，本发明的多阶段过温保护电路103传送降载驱动信号至控制器102，进而让整合功率模块101降低输出功率，使其温度也会随之下降，可使控制器102的内部温度下降，藉此维持整合功率模块101持续运作。
当整合功率模块101的内部温度超过整合功率模块101的预设温度门槛值(第二触发温度Tt2)，多阶段过温保护电路103产生过载驱动信号至控制器102，控制器102根据过载驱动信号关闭整合功率模块10。如果整合功率模块101的内部温度持续上升而超过第二触发温度Tt2)，表示控制整合功率模块101降低输出功率也无法使整合功率模块101的内部温度降低，有可能是出现短路造成瞬间大电流且电路有永久损坏的危险，因此控制器102根据过载驱动信号关闭整合功率模块101。
图3是绘示根据本发明一实施例的功率驱动芯片示意图，整合功率模块101以及控制器102皆位于相同的封装结构110内，且两者上下堆叠，然而本发明不限于此，整合功率模块101以及控制器102可以位于同一水平位置的方式设置于同一封装结构内。晶体管1011可以是例如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。
请先参照图2，其绘示根据本发明一实施例的功率驱动芯片方块图，本实施例与图1所示实施例不同在于：多阶段过温保护电路103设置于控制器102内，以测量控制器102的内部温度，再根据控制器102的内部温度控制整合功率模块101的输出功率。当多阶段过温保护电路103测量到控制器102的内部温度高于第一触发温度Tt1时，此高温有可能是来自整合功率模块10，所以多阶段过温保护电路103先产生降载驱动信号，控制器102根据降载驱动信号以控制整合功率模块101降低输出功率，使整合功率模块101的内部温度下降，进而使控制器102的内部温度下降，藉此维持整合功率模块101持续运作。
当整合功率模块101的内部温度超过整合功率模块101的预设温度门槛值(第二触发温度Tt2)，多阶段过温保护电路103产生过载驱动信号至控制器102，控制器102根据过载驱动信号关闭整合功率模块10。当整合功率模块101的内部温度超过整合功率模块101的预设温度门槛值(第二触发温度Tt2)，多阶段过温保护电路103产生过载驱动信号，控制器102根据过载驱动信号关闭整合功率模块10。如果整合功率模块101的内部温度持续上升而超过第二触发温度Tt2)，表示控制整合功率模块101降低输出功率也无法使整合功率模块101的内部温度降低，有可能是出现短路造成瞬间大电流且电路有永久损坏的危险，因此控制器102根据过载驱动信号关闭整合功率模块10。
随着工艺技术的进步，晶体管的体积大幅减少，相同面积芯片上的晶体管数量因此得以大幅增加，例如，以本发明的一技术特征：将整合功率模块101以及控制器102设置于相同的封装结构110内来说，控制器102以及晶体管1011本身的发热特性所造成的过热状况将更加严峻，为了解决这个问题，本发明是针对于相同的封装结构110内设置整合功率模块101以及控制器102的状况下，提出设置多阶段过温保护电路103的特征，多阶段过温保护电路103可以如图1实施例所示被设置于整合功率模块101内，和/或如图2实施例所示被设置于控制器102内。
参照图4及图5，图4是绘示根据已知技术的过热保护机制的示例流程图，图5是绘示根据本发明一实施例的多阶段过温保护机制的流程图。相较于已知技术将晶体管直接关闭，本发明提出的多阶段过温保护机制多增加了一组较低的过温保护(Over-temperatureProtection,OTP)触发点，即图5所示的第一触发温度Tt1。
请同时参照图1及图5，当整合功率模块101的内部温度大于第一触发温度Tt1的时候，通过调整整合功率模块101的输出功率等方式，来降低其内部高温，使系统的温度不会继续升高到第二触发温度Tt2，而导致必须关闭整个电机。具体来说，当整合功率模块101的内部温度大于第一触发温度Tt1，多阶段过温保护电路103产生降载驱动信号至控制器102，控制器102根据降载驱动信号降低整合功率模块101的驱动信号(PWM)的周期，或降低整合功率模块101的驱动电压和/或驱动电流，或降低电机的速度，来降低整合功率模块101的输出功率，以降低整合功率模块101的内部温度；当整合功率模块101的内部温度因为上述的输出功率调整而低于回复驱动温度，多阶段过温保护电路103从而产生回复驱动信号至控制器102，且控制器102根据回复驱动信号提高整合功率模块101的输出功率，其中，回复驱动温度低于第一触发温度Tt1。
本发明所提出的多阶段过温保护机制在应用于某些系统上是相当关键的，例如：如果以图4所示的已知技术进行过温保护，当操控遥控飞机时，若发生电机过热的状况，电源供应因而被断开，而丧失飞航控制功能，飞机可能就此失控坠毁。相较之下，若是使用本发明所提出的多阶段过温保护机制，而得以提前进行温度的控制，则可以通过降低电机的转速，使遥控飞机在可以控制的范围内继续飞行或是紧急降落，而非失控坠毁。
参照图6，其绘示根据本发明另一目的提出的功率驱动方法，其包含下列步骤：S601：设置整合功率模块101于封装结构110内，整合功率模块101包含晶体管1011，以及电连接晶体管1011的栅极驱动器1012；S602：设置控制器102于封装结构110内，并且电连接控制器102至整合功率模块101；S603：设置多阶段过温保护电路103于整合功率模块101或控制器102内，以测量整合功率模块101或控制器102的内部温度；其中，多阶段过温保护电路103内设定第一触发温度Tt1、高于第一触发温度Tt1的第二触发温度Tt2以及低于第一触发温度Tt1的回复驱动温度；以及S604：根据该内部温度与第一触发温度Tt1、第二触发温度Tt2以及回复驱动温度的关系控制整合功率模块101的输出功率。其中，当该内部温度超过第一触发温度Tt1，多阶段过温保护电路103产生降载驱动信号至控制器102，控制器102根据降载驱动信号降低整合功率模块101的输出功率；当该内部温度超过第二触发温度Tt2，多阶段过温保护电路103产生过载驱动信号至控制器102，控制器102根据过载驱动信号关闭整合功率模块；以及当该内部温度低于回复驱动温度，多阶段过温保护电路103产生回复驱动信号至控制器102，且控制器102根据回复驱动信号提高整合功率模块的输出功率。
根据上述说明，本发明通过将过温保护电路设置于具有晶体管的整合功率模块内，或是设置于控制器内，藉此监控功率驱动芯片的内部温度，使得过温保护电路得以近距离且快速地测量晶体管或是控制器发热所造成的温度。除此之外，本发明所揭露的过温保护电路以多阶段监控方式对功率驱动芯片进行过温保护，充分地避免了功率晶体管面临热失控的状况。
以上所述仅为举例性，而非为限制性者。任何未脱离本发明的精神与范畴，而对其进行的等效修改或变更，均应包含于权利要求中。

Claims (11)

1.一种功率驱动芯片，其特征在于，包含：
一整合功率模块，设置于一封装结构内，并且包含一晶体管，以及电连接该晶体管的一栅极驱动器；
一控制器，设置于该封装结构内，并且电连接该整合功率模块，用于控制该整合功率模块；以及
一多阶段过温保护电路，设置于该整合功率模块内，并且测量该整合功率模块的一内部温度，当该内部温度超过一第一触发温度，该多阶段过温保护电路产生一降载驱动信号至该控制器，该控制器根据该降载驱动信号降低该整合功率模块的一输出功率，当该内部温度超过一第二触发温度，该多阶段过温保护电路产生一过载驱动信号至该控制器，该控制器根据该过载驱动信号关闭该整合功率模块；
其中，该第二触发温度高于该第一触发温度；在该封装结构内，该控制器堆叠在整合功率模块上。
2.一种功率驱动芯片，其特征在于，包含：
一整合功率模块，设置于一封装结构内，并且包含一晶体管，以及电连接该晶体管的一栅极驱动器；
一控制器，设置于该封装结构内，并且电连接该整合功率模块；以及
一多阶段过温保护电路，设置于该控制器内，并且测量该控制器的一内部温度，当该内部温度超过一第一触发温度，该多阶段过温保护电路产生一降载驱动信号至该控制器，该控制器根据该降载驱动信号降低该整合功率模块的一输出功率，当该内部温度超过一第二触发温度，该多阶段过温保护电路产生一过载驱动信号至该控制器，该控制器根据该过载驱动信号关闭该整合功率模块；
其中，该第二触发温度高于该第一触发温度；在该封装结构内，该控制器堆叠在整合功率模块上。
3.如权利要求1或2所述的功率驱动芯片，其特征在于，当该内部温度低于一回复驱动温度，该多阶段过温保护电路产生一回复驱动信号至该控制器，且该控制器根据该回复驱动信号提高该输出功率。
4.如权利要求3所述的功率驱动芯片，其特征在于，该控制器根据该降载驱动信号降低该整合功率模块的驱动电压和/或驱动电流以降低该输出功率。
5.如权利要求3所述的功率驱动芯片，其特征在于，该控制器根据该降载驱动信号降低该整合功率模块的驱动信号的周期以降低该输出功率。
6.如权利要求1或2所述的功率驱动芯片，其特征在于，该第二触发温度为该整合功率模块能承受的最高温度，而该第一触发温度为该控制器能承受的最高温度。
7.一种功率驱动方法，其特征在于，包含：
设置一整合功率模块于一封装结构内，该整合功率模块包含一晶体管，以及电连接该晶体管的一栅极驱动器；
设置一控制器于该封装结构内，并且电连接该控制器至该整合功率模块；
设置一多阶段过温保护电路于该整合功率模块内，以测量该整合功率模块的一内部温度；
于该多阶段过温保护电路内设定一第一触发温度，当该内部温度超过该第一触发温度，该多阶段过温保护电路产生一降载驱动信号至该控制器，该控制器根据该降载驱动信号降低该整合功率模块的一输出功率；以及
于该多阶段过温保护电路内设定一第二触发温度，当该内部温度超过该第二触发温度，该多阶段过温保护电路产生一过载驱动信号至该控制器，该控制器根据该过载驱动信号关闭该整合功率模块；
其中，该第二触发温度高于该第一触发温度；在该封装结构内，该控制器堆叠在整合功率模块上。
8.一种功率驱动方法，用于驱动一电机，其特征在于，包含：
设置一整合功率模块于一封装结构内，该整合功率模块包含一晶体管，以及电连接该晶体管的一栅极驱动器；
设置一控制器于该封装结构内，并且电连接该控制器至该整合功率模块；
设置一多阶段过温保护电路于该控制器内，以测量该控制器的一内部温度；
于该多阶段过温保护电路内设定一第一触发温度，当该内部温度超过该第一触发温度，该多阶段过温保护电路产生一降载驱动信号至该控制器，该控制器根据该降载驱动信号降低该整合功率模块的一输出功率；以及
于该多阶段过温保护电路内设定一第二触发温度，当该内部温度超过该第二触发温度，该多阶段过温保护电路产生一过载驱动信号至该控制器，该控制器根据该过载驱动信号关闭该整合功率模块；
其中，该第二触发温度高于该第一触发温度；在该封装结构内，该控制器堆叠在整合功率模块上。
9.如权利要求7或8所述的功率驱动方法，其特征在于，进一步包含：
于该多阶段过温保护电路内设定一回复驱动温度，当该内部温度低于该回复驱动温度，该多阶段过温保护电路产生一回复驱动信号至该控制器，且该控制器根据该回复驱动信号提高该输出功率。
10.如权利要求9所述的功率驱动方法，其特征在于，该控制器根据该降载驱动信号降低该整合功率模块的驱动电压和/或驱动电流以降低该输出功率。
11.如权利要求9所述的功率驱动方法，其特征在于，该控制器根据该降载驱动信号降低该整合功率模块的驱动信号的周期以降低该输出功率。
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