CN111521285B - 高压集成电路及其温度检测电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高压集成电路及其温度检测电路，包括基准电流生成模块、第一电流生成模块、第二电流生成模块以及减法模块，基准电流生成模块根据电源电压产生基准电流，第一电流生成模块生成第一电流，第二电流生成模块生成第二电流，减法模块根据第一电流和第二电流获取电流差值，并根据电流差值输出电压；本发明技术方案第一电流与第二电流的差值设定电压偏置，通过减法模块输出正温度系数电压，实现了温度检测，并且由于可以通过调整第一电流生成模块的电流镜像模块的比例关系进而调整第一电流，以及通过调整第二电流生成模块中电流镜像模块的比例关系进而调整第二电流，因此可以调整减法模块中偏置电压的大小，并且输出电压灵敏度高。

Description

高压集成电路及其温度检测电路

技术领域

本发明属于集成电路技术领域，尤其涉及一种高压集成电路及其温度检测电路。

背景技术

高压集成电路技术是现代电力电子技术领域内一种不可或缺的技术，越来越多的被应用在功率MOSFET、IGBT的驱动领域。将高压集成电路和高压功率开关器件封装在一起做成的芯片叫做智能功率驱动芯片。由于高压功率开关器件一般工作在高压大电流下，开关损耗较大，产生的热量大，如果这些热能不能迅速地从芯片中散发，将使得芯片内部温度不断地上升。若是在没有任何温度监测措施的情况下，热量的进一步积聚将严重影响了芯片的正常工作，甚至使芯片直接失效。因此，温度检测电路成为了高压集成电路中的重要组成部分。

温度检测电路将芯片内部的温度变化转化为电信号，反馈给前端的微控制器以便实现实时监测，进而保证智能功率驱动芯片能够更加可靠、稳定地正常工作。

图1是一种现有的温度检测电路，包括三极管Q1、三极管Q2、电阻R1、电阻R2、MOS管P1、MOS管P2、MOS管P3、MOS管N1、MOS管N2。其中I1和I2支路构成基准电流产生电路，该基准电流与温度成正比，故称之为PTAT(Proportional To Absolute Temperature)基准电流。由于三极管Q1和三极管Q2的|VBE|之差等于电阻R1上的压降，因此

I1＝I2＝ΔVBE/R1＝VTlnN/R1……(Ⅰ)

式中，VT是热电压，VT＝kT/q；k是波尔兹蔓常数(1.38×10-23J/K)；q是电子的电荷量(1.60×10-19C)；N是三极管Q2发射极与三极管Q1发射极的面积之比；T是热力学温度。MOS管P3镜像I1或I2电流，得到输出电流I3，并作用在电阻R2上得到输出电压Vtemp，故Vtemp可表示为Vtemp＝I3*R2＝(WP3/WP2)*(R2/R1)*kTlnN/q……(Ⅱ)

式中，WP3、WP2分别是MOS管P3、MOS管P2的栅宽，MOS管P3和MOS管P2的栅长相等。由(Ⅱ)式可知，如果电阻R1和电阻R2的温特性完全匹配，那么输出电压Vtemp与T成正比。因此，现有的温度检测电路是一种输出电压与温度成正比的线性检测系统。

现有技术中温度检测电路的温度系数主要来自于热电压dVT/dT＝K/q≈0.085mV/℃，此温度系数小，只能通过增加电流I3或增大电阻R2来调大正温度系数，但与温度相对应的电压值也随之增大，在电压偏置受限(不超过电源VDD)的情况下，使得整体的温度系数仍然较小而无法提高，因而这种温度检测电路的灵敏度较低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高压集成电路及其温度检测电路，旨在解决现有技术中存在温度检测电路的电路设计过于复杂导致芯片体积过大的问题。

本发明是这样实现的，第一方面提供一种高压集成电路的温度检测电路，包括：

基准电流生成模块，其输入端连接电源电压，用于根据电源电压产生基准电流；

第一电流生成模块，其输入端连接电源电压，其控制端连接所述基准电流生成模块的第一输出端，用于根据所述基准电流生成第一电流；

第二电流生成模块，其第一输入端连接电源电压，其控制端连接所述基准电流生成模块的第二输出端，用于根据所述基准电流生成第二电流；

减法模块，其输入端连接所述第一电流生成模块的输出端，其第一输出端连接所述第二电流生成模块的第二输入端，其第二输出端输出偏置电压，用于根据所述第一电流和所述第二电流获取电流差值，并根据所述电流差值输出偏置电压。

本发明第二方面提供一种高压集成电路，所述高压集成电路包括上述的温度检测电路。

本发明提供一种高压集成电路及其温度检测电路，包括基准电流生成模块、第一电流生成模块、第二电流生成模块以及减法模块，基准电流生成模块根据电源电压产生基准电流，第一电流生成模块根据基准电流生成第一电流，第二电流生成模块根据基准电流生成第二电流，减法模块根据第一电流和第二电流获取电流差值，并根据电流差值输出电压；本发明技术方案第一电流生成模块生成的第一电流与第二电流模块生成的第二电流的差值设定电压偏置，通过减法模块输出正温度系数电压，实现了温度检测，并且由于可以通过调整第一电流生成模块的电流镜像模块的比例关系进而调整第一电流，以及通过调整第二电流生成模块中电流镜像模块的比例关系进而调整第二电流，因此可以调整减法模块中偏置电压的大小，并且输出电压灵敏度高。

附图说明

图1为现有技术提供的温度检测电路的电路图；

图2为本发明一实施例所提供的一种高压集成电路的温度检测电路的结构示意图；

图3为本发明一实施例所提供的一种高压集成电路的温度检测电路的电路图；

图4是本发明一实施例所提供的一种高压集成电路的温度检测电路的输出电压随温度变化的仿真曲线图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下结合具体附图对本发明的实现进行详细的描述：

图1示出了本发明一实施例所提供的一种高压集成电路的温度检测电路，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：

本发明一种实施例所提供的一种高压集成电路的温度检测电路，如图1所示，

基准电流生成模块101，其输入端连接电源电压，用于根据电源电压产生基准电流；

第一电流生成模块102，其输入端连接电源电压，其控制端连接基准电流生成模块101的第一输出端，用于根据基准电流生成第一电流；

第二电流生成模块103，其第一输入端连接电源电压，其控制端连接基准电流生成模块101的第二输出端，用于根据基准电流生成第二电流；

减法模块104，其输入端连接第一电流生成模块102的输出端，其第一输出端连接第二电流生成模块103的第二输入端，其第二输出端输出偏置电压，用于根据第一电流和第二电流获取电流差值，并根据电流差值输出电压。

其中，基准电流生成模块101可以包括电流镜模块，电流镜模块通常包括两个MOS管，通过对电源电压进行镜像复制，可以得到基准电流。

其中，第一电流生成模块102可以为MOS管，通过MOS管与基准电流生成模块101中电流镜模块的MOS管形成另一个电流镜模块，通过该电流镜模块对基准电流进行复制得到第一电流。

其中，第二电流生成模块103可以包括电流镜模块和MOS管，通过MOS管与基准电流生成模块101中电流镜模块的MOS管形成另一个电流镜模块，通过该电流镜模块对基准电流进行复制得到第三电流，再通过电流镜模块进行对第三电流进行复制得到第二电流。

其中，减法模块104可以包括两个支路第一支路和第二支路，两个支路的合路通过第一电流，其中第一支路上设有电阻用于形成输出电压，第二支路通过第二电流，则第一支路上的电流值为第一电流与第二电流之间的差值。

本发明提供一种高压集成电路的温度检测电路，包括基准电流生成模块101、第一电流生成模块102、第二电流生成模块103以及减法模块104，基准电流生成模块101根据电源电压产生基准电流，第一电流生成模块102根据基准电流生成第一电流，第二电流生成模块103根据基准电流生成第二电流，减法模块104根据第一电流和第二电流获取电流差值，并根据电流差值输出电压；本发明技术方案第一电流生成模块102生成的第一电流与第二电流模块生成的第二电流的差值设定电压偏置，通过减法模块104输出正温度系数电压，实现了温度检测，并且由于可以通过调整第一电流生成模块102的电流镜像模块的比例关系进而调整第一电流，以及通过调整第二电流生成模块103中电流镜像模块的比例关系进而调整第二电流，因此可以调整减法模块104中偏置电压的大小，同时输出电压灵敏度高。

对于基准电流生成模块101，基准电流生成模块101包括第一电流镜模块111、第二电流镜模块112、第一电阻以及第一开关模块113；

第一电流镜模块111的输入端为基准电流生成模块101的输入端，第一电流镜模块111的第一输出端连接第二电流镜模块112的第一输入端和控制端，并构成基准电流生成模块101的第二输出端，第一电流镜模块111的控制端和第二输出端共接后连接第二电流镜模块112的第二输入端，并构成基准电流生成模块101的第一输出端，第二电流镜模块112的第一输出端连接第一开关模块113的第一输入端，第二电流镜模块112的第二输出端连接第一电阻的第一端，第一电阻的第二端连接第一开关模块113的第二输入端，第一开关模块113的接地端接地。

作为一种实施方式，如图3所示，第一电流镜模块111包括MOS管P1和MOS管P2，MOS管P1的源极和MOS管P2的源极共接形成第一电流镜模块111的输入端，MOS管P1的漏极形成第一电流镜模块111的第一输出端，MOS管P1的栅极、MOS管P2的栅极以及MOS管P2的漏极共接形成第一电流镜模块111的第二输出端；

第二电流镜模块112包括MOS管N1和MOS管N2，MOS管N1的漏极、MOS管N1的栅极以及MOS管N2的栅极共接形成第二电流镜模块112的第一输入端，MOS管N2的漏极形成第二电流镜模块112的第二输入端，MOS管N1的源极为第二电流镜模块112的第一输出端，MOS管N2的源极为第二电流镜模块112的第二输出端；

第一开关模块113包括三极管Q1和三极管Q2，三极管Q1的集电极为第一开关模块113的第一输入端，三极管Q2的集电极为第一开关模块113的第二输入端，三极管Q1的基极、三极管Q1的发射极、三极管Q2的基极以及三极管Q2的发射极共接于地。

对于第一电流生成模块102，作为一种实施方式，如图3所示，第一电流生成模块102为MOS管P3，MOS管P3的源极为第一电流生成模块102的输入端，MOS管P3的栅极为第一电流生成模块102的控制端，MOS管P3的漏极为第一电流生成模块102的输出端。

对于第二电流生成模块103，第二电流生成模块103包括第三电流镜模块131、第二开关模块132、第二电阻以及第四电流镜模块133；

第三电流镜模块131的输入端为第二电流生成模块103的第一输入端，第三电流镜模块131的控制端和第一输出端共接后连接第二开关模块132的输入端，第二开关模块132的控制端为第二电流生成模块103的控制端，第二开关模块132的输出端连接第二电阻的第一端，第二电阻的第二端接地，第三电流镜模块131的第二输出端连接第四电流镜模块133的第二输入端和控制端，第四电流镜模块133的第一输入端为第二电流生成模块103的第二输入端，第四电流镜模块133的接地端接地。

作为一种实施方式，如图3所示，第三电流镜模块131包括MOS管P4和MOS管P5，MOS管P4的源极和MOS管P5的源极共接形成第三电流镜模块131的输入端，MOS管P4的栅极、MOS管P5的栅极以及MOS管P4的漏极共接形成第三电流镜模块131的第一输出端，MOS管P5的漏极形成第三电流镜模块131的第二输出端。

作为一种实施方式，如图3所示，第二开关模块132为MOS管N3，MOS管N3的源极为第二开关模块132的输入端，MOS管N3的栅极为第二开关模块132的控制端，MOS管N3的漏极为第二开关模块132的输出端。

作为一种实施方式，如图3所示，第四电流镜模块133包括MOS管N4和MOS管N5，MOS管N5的漏极为第四电流镜模块133的第一输入端，MOS管N4的漏极、MOS管N4的栅极以及MOS管N5的栅极共接形成第四电流镜模块133的第二输入端，MOS管N4的源极和MOS管N5的源极共接于地。

对于减法模块104，作为一种实施方式，如图3所示，减法模块104包括电阻R3，电阻R3的第一端为减法模块104的输入端、减法模块104的第一输出端和减法模块104的第二输出端，电阻R3的第二端为减法模块104的接地端。

本实施方式的工作原理如下：

第一电流生成模块102输出的高灵敏度PTAT电流(第一电流)由基准电流I1或基准电流I2放大后得到。基准电流I1或基准电流I2的表达式与背景技术中的(I)式相同：I1＝I2＝ΔVBE/R1＝VTlnN/R1，因此高灵敏度PTAT电流(第一电流)I6表示为：

I6＝(WP3/WP2)*kTlnN/(qR1)……(Ⅲ)

式中，WP3、WP2分别是MOS管P3的栅宽、MOS管P2的栅宽，MOS管P3的栅长和MOS管P2的栅长相等，k是波尔兹蔓常数(1.38×10-23J/K)；q是电子的电荷量(1.60×10-19C)；N是三极管Q2发射极与三极管Q1发射极的面积之比；T是热力学温度。

MOS管N1、MOS管N3、三极管Q1、电阻R2形成一个电流镜像结构。MOS管N1和MOS管N3的栅宽和栅长都相等。如果MOS管N1和MOS管N3的源极电压始终相等，那么第二电流生成模块103中的电流I3完全复制基准电流I1的电流，与基准电流I1具有相同的温度系数。另一种情况下，如果流过MOS管N3的电流I3始终等于流过MOS管N1的基准电流I1，那么MOS管N1和MOS管N3的源极电压也应相等，而且I3＝I1＝|VBE1|/R1，其中，VBE1为三极管Q1的基极和发射极之间的电压，|VBE1|具有负温度系数，电阻R1如果采用高阻多晶电阻，那么也具有负温度系数。本发明的温度检测电路将这种电流镜像结构运用在上述两种情况之间，使得镜像得到的电流I3的温度系数由基准电流I1的温度系数、三极管Q1的|VBE1|的温度系数、电阻R2的温度系数共同决定，整体表现出正温度系数且温度系数小，即得到低灵敏度PTAT电流。根据MOS管的饱和电流公式，流过MOS管N1和MOS管N3的电流的可以分别表示为：

I1＝(1/2)*(μnCOXWP1/LP1)*(VG1-|VBE1|-VTHN1)2……(Ⅳ)

I3＝(1/2)*(μnCOXWP3/LP3)*(VG1-I3*R2-VTHN3)2……(Ⅴ)

式中，μn是电子的迁移率，COX是单位面积的栅氧化电容，WP1/LP1、WP3/LP3分别是MOS管N1的宽长比、MOS管N3的宽长比，VG1是MOS管N1的栅极电压，VTHN1、VTHN3是MOS管N1的阈值电压、MOS管N3的阈值电压。MOS管N1、MOS管N3的尺寸和阈值电压都相等，根据式(Ⅳ)、式(Ⅴ)可推导出电流I3的表达式为式(Ⅵ)：

I3＝(|VBE1|/R2)+{R2(2AI1)1/2+1±[2R2(2AI1)1/2+1+2R2A|VBE1|]1/2}/(R22A)；

式中，A＝μnCOXWP1/LP1。从式(Ⅵ)可知，电流I3的温度系数与|VBE1|、R2、I1的温度系数有关，同时可以看出，电流I3与温度不再是简单的线性关系。MOS管P4和MOS管P5形成电流镜，使电流I3复制到电流I4，MOS管N4和MOS管N5也形成电流镜，再使电流I4复制到电流I5。电流I5作为低灵敏度PTAT电流并送至减法电路与高灵敏度的PTAT电流I6相减，最后在电阻R3上得到输出电压Vtemp，因此Vtemp可表示为式(Ⅲ)：

Vtemp＝R3*[(WP3/WP2)*kTlnN/(qR1)-(WP5/WP4)*(WN5/WN4)*I3]

式中，WP5、WP4、WN5、WN4分别是MOS管P5、MOS管P4、MOS管N5、MOS管N4的栅宽，MOS管P5、MOS管P4的栅长相等，MOS管N5、MOS管N4的栅长也相等。由于电流I3温度系数小，Vtemp的温度系数主要由(Ⅲ)式第一项决定，因此通过设计N、电阻R3和电阻R1的比例、MOS管P3的栅宽和MOS管P2的栅宽的比例，还有电阻R2、MOS管P5的栅宽和MOS管P4的栅宽的比例、MOS管N5的栅宽和MOS管N4的栅宽的比例的设定，就可以得到高灵敏度的输出电压和任意常温下的电压偏置。

图4给出了本发明的温度检测电路的输出电压随温度变化的仿真曲线。从图4可以看出，输出电压Vtemp与温度成正比，其温度系数为20.3mV/℃，常温下的输出电压值为894.7mV。

与现有技术相比，本发明技术方案的优点在于该温度检测电路的输出电压灵敏度高，利用高灵敏度的PTAT电流与低灵敏度的PTAT电流相减来设定电压偏置，在电阻R3上输出正温度系数电压，从而实现温度检测电路的功能。

本发明实施例二还提供了一种高压集成电路，包括上述温度检测电路。

需要说明的是，由于本发明实施例二所提供的高压集成电路包括图3所示的温度检测电路，因此，本发明实施例所提供的集成电路的具体工作原理，可参考前述关于图3的详细描述，此处不再赘述。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高压集成电路的温度检测电路，其特征在于，包括：

基准电流生成模块，其输入端连接电源电压，用于根据电源电压产生基准电流；

第一电流生成模块，其输入端连接电源电压，其控制端连接所述基准电流生成模块的第一输出端，用于根据所述基准电流生成第一电流；

第二电流生成模块，其第一输入端连接电源电压，其控制端连接所述基准电流生成模块的第二输出端，用于根据所述基准电流生成第二电流；

减法模块，其输入端连接所述第一电流生成模块的输出端，其第一输出端连接所述第二电流生成模块的第二输入端，其第二输出端输出偏置电压，用于根据所述第一电流和所述第二电流获取电流差值，并根据所述电流差值输出电压；

所述第二电流生成模块包括第三电流镜模块、第二开关模块、第二电阻以及第四电流镜模块；

所述第三电流镜模块的输入端为所述第二电流生成模块的第一输入端，所述第三电流镜模块的控制端和第一输出端共接后连接所述第二开关模块的输入端，所述第二开关模块的控制端为所述第二电流生成模块的控制端，所述第二开关模块的输出端连接第二电阻的第一端，第二电阻的第二端接地，所述第三电流镜模块的第二输出端连接所述第四电流镜模块的第二输入端和控制端，所述第四电流镜模块的第一输入端为所述第二电流生成模块的第二输入端，所述第四电流镜模块的接地端接地。

2.根据权利要求1所述的温度检测电路，其特征在于，所述基准电流生成模块包括第一电流镜模块、第二电流镜模块、第一电阻以及第一开关模块；

所述第一电流镜模块的输入端为所述基准电流生成模块的输入端，所述第一电流镜模块的第一输出端连接所述第二电流镜模块的第一输入端和控制端，并构成所述基准电流生成模块的第二输出端，所述第一电流镜模块的控制端和第二输出端共接后连接所述第二电流镜模块的第二输入端，并构成所述基准电流生成模块的第一输出端，所述第二电流镜模块的第一输出端连接所述第一开关模块的第一输入端，所述第二电流镜模块的第二输出端连接所述第一电阻的第一端，所述第一电阻的第二端连接所述第一开关模块的第二输入端，所述第一开关模块的接地端接地。

3.根据权利要求2所述的温度检测电路，其特征在于，所述第一电流镜模块包括MOS管P1和MOS管P2，所述MOS管P1的源极和所述MOS管P2的源极共接形成所述第一电流镜模块的输入端，所述MOS管P1的漏极形成所述第一电流镜模块的第一输出端，所述MOS管P1的栅极、所述MOS管P2的栅极以及所述MOS管P2的漏极共接形成所述第一电流镜模块的第二输出端；

所述第二电流镜模块包括MOS管N1和MOS管N2，所述MOS管N1的漏极、所述MOS管N1的栅极以及所述MOS管N2的栅极共接形成所述第二电流镜模块的第一输入端，所述MOS管N2的漏极形成所述第二电流镜模块的第二输入端，所述MOS管N1的源极为所述第二电流镜模块的第一输出端，所述MOS管N2的源极为所述第二电流镜模块的第二输出端；

所述第一开关模块包括三极管Q1和三极管Q2，所述三极管Q1的集电极为所述第一开关模块的第一输入端，所述三极管Q2的集电极为所述第一开关模块的第二输入端，所述三极管Q1的基极、所述三极管Q1的发射极、所述三极管Q2的基极以及所述三极管Q2的发射极共接于地。

4.根据权利要求2所述的温度检测电路，其特征在于，所述第一电流生成模块为MOS管P3，所述MOS管P3的源极为所述第一电流生成模块的输入端，所述MOS管P3的栅极为所述第一电流生成模块的控制端，所述MOS管P3的漏极为所述第一电流生成模块的输出端。

5.根据权利要求1所述的温度检测电路，其特征在于，所述第三电流镜模块包括MOS管P4和MOS管P5，所述MOS管P4的源极和所述MOS管P5的源极共接形成所述第三电流镜模块的输入端，所述MOS管P4的栅极、所述MOS管P5的栅极以及所述MOS管P4的漏极共接形成所述第三电流镜模块的第一输出端，所述MOS管P5的漏极形成所述第三电流镜模块的第二输出端。

6.根据权利要求1所述的温度检测电路，其特征在于，所述第二开关模块为MOS管N3，所述MOS管N3的源极为所述第二开关模块的输入端，所述MOS管N3的栅极为所述第二开关模块的控制端，所述MOS管N3的漏极为所述第二开关模块的输出端。

7.根据权利要求1所述的温度检测电路，其特征在于，所述第四电流镜模块包括MOS管N4和MOS管N5，所述MOS管N5的漏极为所述第四电流镜模块的第一输入端，所述MOS管N4的漏极、所述MOS管N4的栅极以及所述MOS管N5的栅极共接形成所述第四电流镜模块的第二输入端，所述MOS管N4的源极和所述MOS管N5的源极共接于地。

8.根据权利要求2所述的温度检测电路，其特征在于，所述减法模块包括电阻R3，所述电阻R3的第一端为所述减法模块的输入端、所述减法模块的第一输出端和所述减法模块的第二输出端，所述电阻R3的第二端为所述减法模块的接地端。

9.一种高压集成电路，其特征在于，所述高压集成电路包括如权利要求1至8任一项所述的温度检测电路。

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