CN111367332A - 基于电阻的温度采集电路及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于电阻的温度采集电路及控制方法，其中，基于电阻的温度采集电路，包括热敏电阻，恒流源、电容C、反相器以及时间数字转换器，所述的恒流源经第一开关与所述的热敏电阻串联，所述的电容第一极板经第二开关连接至热敏电阻一端以采集电压，所述的反相器的输入端接所述的电容的第二极板且输出端经第三开关接反相器输入端构成负反馈，同时所述的电容的第一极板经第四开关与参考电压相连，利用反相器代替现有技术中的比较器实现记录与温度相关的高电平电压，所用元件少且功耗比较低。有效解决高功耗芯片的热量检测问题，此温度传感器通过检测芯片温度信息，可以通过调节cpu的频率和电源电压来降低功耗，可以在必要的时候保护电路。

Description

基于电阻的温度采集电路及控制方法

技术领域

本发明涉及大规模集成电路和电源管理技术领域，尤其是涉及一种基于电阻的温度采集电路及控制方法。

背景技术

温度传感器在微控制器，处理器和其他控制型芯片中具有重要的作用。其中的一个作用就是阻止芯片内部出现过热的现象，当局部区域出现过热被其检测到，继而控制芯片的工作频率可以降到很低，甚至芯片可以断电来自我保护。在某些应用领域，功率控制单元需要检测芯片内部的最低温度，然后通过调节电源电压以保持性能，这也离不开温度传感器的检测。

如今有很多实现温度检测的传感器的设计方法主要有：

基于三极管的温度传感器，但由于在比较高端的芯片中，三极管的非线性因素将使得检测精度大打折扣。

基于mos管温度传感器，利用mos管的阈值电压来感知温度，实现了低功耗，也节省了面积。但是mos管的阈值电压随着不同的工艺的演进也不断的调整，在一些产品中会带来不稳定的问题。现在比较流行的是基于电阻的温度传感器，现有技术有的利用文氏电桥(Wien-bridge)，利用电阻电容产生一个与温度有关的相位移，然后用∑△ADC(sigmadelta调制器)提取温度信息，提高了精度却占用很大的面积。

基于电阻的温度传感器，将温度信息驮载在电阻上，并采用了电阻电容充电的思想，最终采用时间数字转换器量化高电平时间，提取出温度信息。此设计思路可以实现很好的精度，但是功耗方面和面积成本方面仍存在诸多不足。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于电阻的温度采集电路，该电路结构简单实现成本低。

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于电阻的温度采集电路的控制方法，其充分利用反相器的负反馈，利用电容实现电阻变化的可时间化测量。

为实现上述目的，本申请的方案为：

一种基于电阻的温度采集电路，包括热敏电阻，恒流源、电容C、反相器以及时间数字转换器，所述的恒流源经第一开关与所述的热敏电阻串联，所述的电容第一极板经第二开关连接至热敏电阻一端以采集电压，所述的反相器的输入端接所述的电容的第二极板且输出端经第三开关接反相器输入端构成负反馈，同时所述的电容的第一极板经第四开关与参考电压相连，所述的时间数字转换器的输入与所述的反相器的输出连接，其中，所述的第一开关、第二开关和第三开关的开关状态与第四开关的开关状态相反且同步受控通断。

优选地，所述的热敏电阻为阻值与温度成正比的热敏电阻，或为负温度系数(NTC)的热敏电阻。

优选地，所述的时间数字转换器包括异步计数器和片外参考时钟。

优选地，当第四开关由断开切换到接通时，电容两极板的电压瞬时变化使得反相器输入端电压跨过阈值电压。

优选地，所述的热敏电阻温控点热敏电阻阻值为0.8-1.2MΩ，电流源为500nA，所述的参考电压为100mv。

优选地，所述的第一开关、第二开关和第三开关由第一控制时序信号控制，所述的第四开关由与第一控制时序信号的相位相反的第二控制时序信号控制。

一种所述的基于电阻的温度采集电路的温度采集方法，包括以下步骤，

1)第一开关、第二开关和第三开关受控闭合，第四开关受控断开，恒流源I_rc流过热敏电阻并在电容的第一极板上施加一个电压V_thermal；该电压V_thermal因温度不同而不同，同时电容的第二极板电压为V_fb；

2)第一开关、第二开关和第三开关受控断开，第四开关受控同步闭合，电容第一极板电压瞬时变为参考电压，第二极板电压瞬时变为V_fb’＝V_fb-Δ，其中Δ为第一极板电压瞬时压降，反相器输出端电位变化，同时时间数字转换器启动计时，

3)电容C的第二极板电压向V_fb恢复，当达到阈值电压时，反相器输出端电压变化同时时间数字转换器停止。

优选地，还包括根据时间数字转换器进行控制输出或者温度值输出的步骤。

本发明的有益效果：

本发明将温度信息驮载在电阻上，通过对电阻电容充电，将温度信息转化成电压，该电压经过反相器的工作状态变化形成与温度相关的电平的时间，最终利用时间数字转换器(TDC)来量化高电平电压的时间。利用反相器代替现有技术中的比较器实现记录与温度相关的高电平电压，功耗比较低。有效解决高功耗芯片的热量检测问题，此温度传感器通过检测芯片温度信息，可以通过调节CPU的频率和电源电压来降低功耗，可以在必要的时候保护电路。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，或者，部分特征和优点可以从说明书推知或毫无疑义地确定，或者通过实施本发明的上述技术即可得知。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施方式，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是温度传感器的功能框图；

图2是温度传感器的两个控制信号的工作时序图；

图3是基于电阻的温度采集电路的示意图；

图4是10位异步计数器电路图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

本实施例的基于电阻的温度采集电路，包括热敏电阻R，恒流源I_bias、电容C、反相器以及时间数字转换器，所述的恒流源经第一开关与所述的热敏电阻串联，所述的热敏电阻的另一端接地V_SS，所述的电容第一极板，如正极板经第二开关连接至热敏电阻R一端以采集电压，该电压因温度不同而具有不同的电压值，所述的反相器的输入端接所述的电容的第二极板，如负极板且输出端经第三开关接输入端构成负反馈，同时所述的电容的第一极板经第四开关与参考电压V_pulse相连，所述的时间数字转换器的输入与所述的反相器的输出连接，其中，所述的第一开关、第二开关和第三开关的开关状态与第四开关的开关状态相反且同步受控通断。如所述的第一开关、第二开关和第三开关由第一控制时序信号如方波信号控制，所述的第四开关由与第一控制时序信号的相位相反的第二控制时序信号控制。

本发明充分利用电容两端电势差不能发生突变的原理，并创造性地利用反相器进行负反馈嵌位电容第二极板的电压，通过合理设置参考电压，利用电流源与参考电压间的切换引入大小与温度有关的电压瞬时变化，同时在变化的同时触发计时，利用测量恢复至阈值电压的时间计数，实现了温度采集，最终实现温度测量。

具体来说，所述的热敏电阻为阻值与温度成正比的热敏(热敏)电阻，或为负温度系数(NTC)的热敏电阻，下文仅以阻值与温度成正比的热敏电阻为例进行示范性说明。

本发明温度传感器可整体划分为三个部分，基于电阻的温度采集和温度信息的转化及数字提取。温度传感器可以由开关在两个相位下控制，其中第一个相位用于温度信息的采集，开关工作时间为40us。第二个相位用于温度信息的转化及数字提取，工作时长为120us。两个相位的工作状态非重叠，如图1所示，可由两个信号实现控制。

具体来说，基于电阻的温度采集阶段：

当第一开关、第二开关和第三开关闭合时，恒流源与热敏电阻接通，则电容C的正极板电压为V_thermal，该V_thermal会因温度变化导致的阻值变化而不同。

V_thermal＝I_rc*R_thermal (1)

R_thermal为热敏电阻R的阻值，其随温度不同而变化。

因反相器处于负反馈状态，即输出端和输入端直接相连，则电容C的负极板电压、输入端和输出端被嵌位在同一电压V_fb，该电压V_fb约为V_dd/2,V_dd为反相器的电源电压，一般为1.2V，即V_fb处于600mv附近，且略高于反相器的阈值电压。此时电容两端的电势差保持在U＝V_thermal-V_fb。此阶段计数器没有工作。

温度信息的转化及数字提取阶段：

当第一开关、第二开关和第三开关断开，同时第四开关闭合，电容C的正极板电压瞬时变为V_pulse，

V_pulse是一个小于V_thermal的偏置电压(参考电压)，接在电容的正极板上后，电容的正极板电压的变化量为：

Δ＝V_thermal-V_pulse (2)

由于电容两端的电势差不能发生突变，所以电容的负极板即反相器的输入端的电压应瞬间变化为V_fb’：

V_fb’＝V_fb-Δ (3)

当第四开关由断开切换到接通时，电容两极板的电压瞬时变化使得反相器输入端电压跨过阈值电压。可以从低电平升高电平并跨过阈值电压，也可以是由高高电平到低电平并跨过阈值电压。本实施例中V_fb’是从V_dd/2附近降低至NMOS管的阈值电压(具体与反相器的尺寸有关系)以下的瞬时低电平，随着V_fb’的瞬间减小，反相器的输出端就会变为高电平，同时输出端的高电平使得时间计数器将开始计数工作。随后电容的负极板电压缓慢上升，当上升并略超过反相器中NMOS管的阈值电压时，反相器输出由高变低，同时时间计数器停止工作。根据时间数字转换器进行控制输出或者温度值输出的步骤。如，若测量时间超出设定值，则进行降频甚至停止处理，或者直接根据标定或者公式计算得到实际温度值进行显示或存储。

计数器记录的这段高电平时间T是由R_thermal和电容C的大小决定的。由于R_thermal是温度的函数，当温度不同时，计数器最终的数字输出也会不同。为了实现时间数字转换器(TDC)，如图4所示，使用了一个10位异步计数器和一个片外20mhz参考时钟，异步计数器经三个输入反相器接入所述的反相器的输出端，当反相器的电压瞬间变化时，信号升降沿经三个输入反相器后对应触发10个D-触发器(DFFs)以对高电平时间进行量化，输出为D[0]-D[9]，其中D[0]是最小有效位，D[9]是最高的位。DFF延迟可能随温度变化，但在ps水平与参考时钟周期相比可以忽略。

为实现最大的分辨率，计数的高电平时间T应该随着温度变化的而尽可能的大。对于给定的电阻类型，最大化温度改变的方法就是增大电阻的阻值，这样带来的弊端就是电阻太大会占用太大的面积，同时为了和电流源合理搭配，可选设计为电阻R＝1M，电流源的电流为500nA，电流太大功耗大，电流太小影响第一个相位时的采样电压，采样电压太小会使得基准电压V_pulse可以做的很小，但是减小了输出高电平时间，从而影响了精度。同时，电容C应该尽可能的大。在考虑用moscap的过程中，发现moscap存在很多的问题，在高温的时候，mos管的栅极漏电问题是不可忽略的，另外mos管的线性范围是有限的，故本发明并没有使用moscap。可选择的电容为30pf。

最后应说明的是：以上所述实施方式，仅为本公开的具体实施方式，用以说明本公开的技术方案，而非对其限制，本公开的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施方式对本公开进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本公开揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施方式所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本公开实施方式技术方案的精神和范围，都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种基于电阻的温度采集电路，其特征在于，包括热敏电阻，恒流源、电容C、反相器以及时间数字转换器，所述的恒流源经第一开关与所述的热敏电阻串联，所述的电容第一极板经第二开关连接至热敏电阻一端以采集电压，所述的反相器的输入端接所述的电容的第二极板且输出端经第三开关接反相器输入端构成负反馈，同时所述的电容的第一极板经第四开关与参考电压相连，所述的时间数字转换器的输入与所述的反相器的输出连接，其中，所述的第一开关、第二开关和第三开关的开关状态与第四开关的开关状态相反且同步受控通断。

2.如权利要求1所述的基于电阻的温度采集电路，其特征在于，所述的热敏电阻为阻值与温度成正比的热敏电阻，或为负温度系数的热敏电阻。

3.如权利要求1所述的基于电阻的温度采集电路，其特征在于，所述的时间数字转换器包括异步计数器和片外参考时钟。

4.如权利要求1所述的基于电阻的温度采集电路，其特征在于，当第四开关由断开切换到接通时，电容两极板的电压瞬时变化使得反相器输入端电压跨过阈值电压。

5.如权利要求1所述的基于电阻的温度采集电路，其特征在于，所述的热敏电阻温控点热敏电阻阻值为0.8-1.2MΩ，电流源为500nA，所述的参考电压为100mv。

6.如权利要求1所述的基于电阻的温度采集电路，其特征在于，所述的第一开关、第二开关和第三开关由第一控制时序信号控制，所述的第四开关由与第一控制时序信号的相位相反的第二控制时序信号控制。

7.一种如权利要求1-6任一项所述的基于电阻的温度采集电路的温度采集方法，其特征在于，包括以下步骤，

1)第一开关、第二开关和第三开关受控闭合，第四开关受控断开，恒流源I_rc流过热敏电阻并在电容的第一极板上施加一个电压V_thermal；该电压V_thermal因温度不同而不同，同时电容的第二极板电压为V_fb；

2)第一开关、第二开关和第三开关受控断开，第四开关受控同步闭合，电容第一极板电压瞬时变为参考电压，第二极板电压瞬时变为V_fb’＝V_fb-Δ，其中Δ为第一极板电压瞬时压降，反相器输出端电位变化，同时时间数字转换器启动计时，

3)电容C的第二极板电压向V_fb恢复，当达到阈值电压时，反相器输出端电压变化同时时间数字转换器停止。

8.如权利要求7所述的控制方法，其特征在于，还包括根据时间数字转换器进行控制输出或者温度值输出的步骤。

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