CN114023739B - 温度感测电路及热反馈保护电路 - Google Patents

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Abstract

本申请实施例提供一种温度感测电路及热反馈保护电路，所述温度感测电路包括：零温度系数电压电路，用于提供基准电压；温度加权电路，与所述零温度系数电压电路连接，用于感测温度并基于所感测的温度调节输出的热折返信号；以及所述温度加权电路包括负温度系数的三极管，以基于所述三极管的基极‑发射极电压和所述基准电压调节所述热折返信号。本申请通过温度感测电路感测外部电路的温度并基于所感测的温度调节输出的热折返信号以控制反馈电路，进而控制驱动控制电路的输出，能够在感测到集成电路温度在达到高温后即进入热反馈环，从而降低系统功率，减少发热量和保持系统稳定，并且结构简单，成本低。

Description

温度感测电路及热反馈保护电路
技术领域
本说明书涉及集成电路设计领域，具体涉及一种温度感测电路及热反馈保护电路。
背景技术
随着集成电路行业的飞速发展，集成电路（或芯片）的集成度越来越高，功耗也随之不断增大，使得集成电路在长时间工作时或如短路等电路异常情况下，集成电路温度会迅速升高。
过温保护是集成电路应用中重要的保护功能，作为一种保护机制，过温保护功能可以有效的在集成电路温度过高时，关断电路，并且在温度下降到安全值时，使电路重新正常工作，从而避免集成电路器件异常或烧毁的风险。
目前的热反馈保护电路，需要通过一比较器比较一个不随温度变化的基准电压和随温度升高而减小的负温度系数电压电路的电压，在温度持续上升超过过温点时，比较器输出翻转，产生的输出信号发生跳变，通过比较器的输出信号来控制反馈电路的内部参考电压。该实现方式需要外部电路有效控制进入热反馈模式的温度点，并且热反馈模式的开启依赖于信号的跳变，不能平滑地进入热反馈模式，而且需要在系统外围添加负温度系数（NTC）电阻和相当多的被动元件，成本与体积都相对高。
因此，需要一种结构简单的温度感测电路及热反馈保护电路。
发明内容
有鉴于此，本说明书实施例提供一种温度感测电路及热反馈保护电路，能够在感测到集成电路温度达到高温后即进入热反馈环，从而能够降低系统功率，减少发热量和保持系统稳定。
本说明书实施例提供以下技术方案：
本说明书实施例提供一种温度感测电路，所述电路包括：零温度系数电压电路，用于提供基准电压；温度加权电路，与零温度系数电压电路连接，用于感测温度并基于所感测的温度调节输出的热折返信号，其中所述温度加权电路包括负温度系数的三极管，以基于所述三极管的基极-发射极电压和所述基准电压调节所述热折返信号。
在一个实施例中，所述温度加权电路包括电流源、第一偏置电流源、第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管和第一三极管，其中：所述第一MOS管的栅极连接至所述基准电压，其漏极接地；所述第一MOS管和所述第二MOS管的源极均连接至所述电流源；所述第二MOS管的栅极连接至第一三极管的集电极，其漏极连接至第三MOS管的漏极；所述第三MOS管和所述第四MOS管连接形成电流镜，所述第四MOS管的漏极输出热折返信号；以及所述第一三极管的基极-集电极相连接，其集电极连接至所述第一偏置电流源，其发射极接地，使得施加至第二MOS管栅极的电压为其基极-发射极电压。
在一个实施例中，所述第一MOS管和所述第二MOS管是PMOS管，所述第三MOS管和所述第四MOS管是NMOS管。
在一个实施例中，所述热折返信号的表达式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
其中，I_foldback为所述热折返信号，I为所述电流源提供的电流，Vbg为所述基准电压，Vbe为所述第一三极管的基极-发射极电压，w/L为第一MOS管M1和第二MOS管M2的宽长比，
Figure 10000230474850
=(0.5)*μ n *Cox，μ n 为载流子迁移率，Cox为单位面积栅氧电容。
在一个实施例中，所述温度加权电路包括第二三极管、第三三极管、第四三极管、第五三极管、第二偏置电流源、第三偏置电流源和第一电阻，其中所述第二三极管的基极连接所述基极-发射极电压，其发射极经由所述第二偏置电流源接地；所述第三三极管的基极连接至所述基准电压，其发射极连接至第三偏置电流源，其集电极接地；所述第四三极管的基极连接至所述第三三极管的发射极，其发射极经由第一电阻连接至第五三极管的发射极，其集电极输出热折返信号；以及所述第五三极管的基极连接至第二三极管的发射极，其集电极接地。
在一个实施例中，所述第二三极管和所述第四三极管是NPN型三极管，所述第三三极管和第五三极管是PNP型三极管。
在一个实施例中，所述热折返信号的表达式为：
Figure 843894DEST_PATH_IMAGE002
其中，I_foldback为所述热折返信号，Vbg为所述基准电压，Vbe为所述基极-发射极电压，R1为所述第一电阻的电阻值。
在一个实施例中，所述温度加权电路包括第六三极管和第二电阻，其中所述第六三极管的基极连接基准电压，其发射极经由第二电阻接地，其集电极输出热折返信号。
在一个实施例中，所述热折返信号的表达式：
Figure 165154DEST_PATH_IMAGE003
其中，I_foldback为所述热折返信号，Vbg为所述基准电压，Vbe为所述基极-发射极电压，R2为所述第二电阻的电阻值。
本说明书实施例还提供一种热反馈保护电路，包括以上所述的温度感测电路。
在一个实施例中，所述热反馈保护电路进一步包括：反馈电路，其第一输入端接收来自外部电路的反馈电压，其第二输入端连接在参考电压和所述温度感测电路之间，用于接收温控电压；驱动控制电路，连接至所述反馈电路的输出端并输出驱动控制信号，其中所述反馈电路用于基于所述反馈电压和所述温控电压的电压值调节输出的信号，进而控制驱动控制电路输出的驱动控制信号。
在一个实施例中，所述反馈电路包括运算放大器，所述运算放大器的第一输入端接收温控电压，第二输入端接收来自外部电路的反馈电压，所述运算放大器用于根据所述温控电压和所述反馈电压进行输出并通过所述反馈电压将其输出锁定在恒定值，进而控制所述驱动控制电路的驱动控制信号以对外部电路进行反馈控制。
在一个实施例中，所述运算放大器为负反馈运算放大器。
与现有技术相比，本说明书实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到的有益效果至少包括：
本申请通过温度感测电路感测外部电路的温度并基于随温度变化的基极-发射极电压和基准电压调节输出的热折返信号以控制反馈电路，进而控制驱动控制电路的输出，能够在感测到集成电路温度在达到高温后即进入热反馈环，从而降低系统功率，减少发热量和保持系统稳定，并且结构简单，成本低。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例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申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是示出了根据本申请一实施例的热反馈保护电路的结构示意图；
图2是根据本申请一实施例的温度加权电路的结构示意图；
图3是根据本申请一实施例的反馈电路的示意图；
图4是根据本申请一实施例的温度加权电路；
图5是根据本申请另一实施例的温度加权电路；
图6是根据本申请又一实施例的温度加权电路。
具体实施方式
下面结合附图对本申请实施例进行详细描述。
以下通过特定的具体实例说明本申请的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本申请的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本申请的基本构想，图式中仅显示与本申请中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践所述方面。
在现有技术中，热反馈模式的开启依赖于比较器的跳变，不能平滑地进入热反馈。因此，本申请提出一种温度感测电路及热反馈保护电路，其通过温度感测电路产生出的输出信号来改变内部参考电压的电压值，进而控制驱动器的输出以保护外部电路，从而不需要外部电路有效控制进入热反馈模式的温度点，并且不出现跳变，可以平滑地的开启热反馈。
以下结合附图，说明本申请各实施例提供的技术方案。
图1是示出了根据本申请一实施例的热反馈保护电路100的结构示意图。如图1所示，热反馈保护电路100包括温度感测电路101、反馈电路102和驱动控制电路103，其中温度感测电路101用于感测外部电路（例如，集成电路或芯片）的温度并基于所感测的温度调节输出的热折返信号；反馈电路102的第一输入端接收来自外部电路的反馈电压Vfb，其第二输入端连接在参考电压Vref和温度感测电路101之间，用于接收温控电压Vth（即，反馈电路102中的内部参考电压）；驱动控制电路103连接至反馈电路102的输出端并基于反馈电路102输出的信号输出驱动控制信号，其中反馈电路102用于基于反馈电压Vfb和温控电压Vth的电压值调节其输出的信号，进而控制驱动控制电路103输出的驱动控制信号Vdr。
图2示出了根据本申请一实施例的温度感测电路101的结构示意图。如图2所示，温度感测电路101可包括零温度系数电压电路201和温度加权电路202，其中零温度系数电压电路201用于提供基准电压Vbg；温度加权电路202与零温度系数电压电路201连接，用于感测温度（例如，集成电路或芯片的温度）并基于基准电压Vbg和所感测的温度调节输出的热折返信号，其中温度加权电路202包括负温度系数的三极管，以基于三极管的基极-发射极电压和基准电压调节热折返信号。
在一个实施例中，零温度系数电压电路可包括带隙电路，用于产生不随温度变化的恒定基准电压Vbg。可以理解，本申请的零温度系数电压电路可以是能够产生恒定基准电压的任何结构的电路。
图3示出了根据本申请一实施例的反馈电路102的示意图。如图3所示，反馈电路102可包括运算放大器301，运算放大器301的第一输入端接收温控电压Vth，第二输入端接收来自外部电路（例如，集成电路系统）的反馈电压Vfb，用于根据温控电压Vth和反馈电压Vfb进行输出并且通过反馈电压Vfb将其输出锁定在恒定值（即，将反馈电路102的输出锁定在恒定电流或恒定电压），进而控制驱动控制电路103的驱动控制信号Vdr以对集成电路系统进行热反馈控制并使得集成电路系统达到稳定状态。具体而言，运算放大器301的第一输入端经由一电阻R连接至参考电压Vref，并且其第一输入端还连接至温度加权电路202的输出端，以在温度感测电路101的热折返信号控制下，调节第一输入端的温控电压Vth，进而调节运算放大器301的输出电压V_ctrl。
在一个实施例中，运算放大器301为负反馈运算放大器。运算放大器301的正输入端经由一电阻R连接至参考电压Vref，并且其正输入端还连接至温度加权电路202以接收热折返信号I_foldback/V_foldback，换而言之，运算放大器301的正输入端连接在串联连接的电阻R和温度加权电路202之间，其正输入端的电压Vth=Vref-R*I_foldback。运算放大器301的负输入端接收来自外部电路的反馈电压Vfb。
举例而言，当集成电路系统温度升高使得温度加权电路202输出的热折返信号I_foldback/V_foldback增大时，温控电压Vth会随着热折返信号的增大而减小。当温控电压Vth减小时，运算放大器301的输出Vctrl也会随着温控电压Vth的减小而减小，并通过Vctrl调节驱动控制电路的驱动控制信号Vdr以控制集成电路系统使其功率降低，进而降低集成电路系统的温度。相应地，来自集成电路系统的反馈电压Vfb也减小，并且最终反馈电压Vfb的电压值接近于温控电压Vth的电压值。由于两个输入端的电压趋于相等，运算放大器301进入虚短路状态，其输出被锁定在恒定值，同时集成电路温度也趋于稳定。此时，集成电路系统由于温度稳定而实现了系统稳态。
图4示出了根据本申请一实施例的温度加权电路202。如图4所示，所述温度加权电路102可包括电流源I、第一偏置电流源I Q1 、第一MOS管M1、第二MOS管M2、第三MOS管M3、第四MOS管M4和第一三极管Q1。
第一MOS管M1的栅极连接至零温度系数电压电路（即，连接至基准电压Vbg），其漏极接地；第一MOS管M1和第二MOS管M2的源极均连接至电流源I；第二MOS管M2的栅极连接至第一三极管Q1的集电极，其漏极连接至第三MOS管的漏极。第三MOS管M3的栅漏相连接，第三MOS管M3和第四MOS管M4的栅极相连，并且它们的源极均接地，第三MOS管M3和第四MOS管M4连接形成电流镜，流过第四MOS管M4的电流一阶近似为第四MOS管M4与第三MOS管M3的宽长比，第四MOS管M4的漏极作为温度加权电路202（也即，温度感测电路101）的输出端并且连接至运算放大器301的第二输入端。第一三极管Q1的基极-集电极相连接，其集电极还连接至第一偏置电流源I Q1 ，其发射极接地，使得施加至第二MOS管M2栅极的电压为其基极-发射极电压Vbe。通过利用三极管基极-发射极电压Vbe的负温度特性，当温度升高时，基极-发射极电压Vbe降低，以感测集成电路系统或芯片温度的变化。
在一个实施例中，第一MOS管M1和第二MOS管M2是PMOS管，第三MOS管M3和第四MOS管M4是NMOS管。
在一个实施例中，第三MOS管M3与第四MOS管M4具有相同的宽长比。
在一个实施例中，第一三极管Q1是NPN型三极管。
在图4中，当低温时Vbg<Vbe，第三MOS管M3不导通，使得第四MOS管M4的漏极没有电流，当温度升高至Vbg>Vbe时，第三MOS管M3漏极电压增大并导通，使得第四MOS管M4的漏极产生热折返信号I_foldback以用于调节温控电压Vth，进而控制反馈电路102。热折返信号I_foldback的表达式如下：
Figure 388325DEST_PATH_IMAGE001
其中，I为电流源提供的电流，Vbg为基准电压，Vbe为第一三极管Q1的基极-发射极电压，w/L为第一MOS管M1和第二MOS管M2的宽长比，
Figure 10000230486514
=(0.5)*μ n *Cox，μ n 为载流子迁移率，Cox为单位面积栅氧电容。
图5是根据本申请另一实施例的温度加权电路
Figure 10000230571747
。如图5所示，温度加权电路
Figure 10000230579715
包括第二三极管Q2、第三三极管Q3、第四三极管Q4、第五三极管Q5、第二偏置电流源I Q2 、第三电流源I Q3 和第一电阻R1。
第二三极管Q2的基极连接至一负温度系数的三极管（未示出）的基极-发射极电压Vbe，其发射极经由第二偏置电流源I Q2 接地，第三三极管Q3的基极连接至基准电压Vbg，其发射极连接至第三偏置电流源I Q3 ，其集电极接地。第四三极管Q4的基极连接至第三三极管Q3的发射极，其发射极经由第一电阻R1连接至第五三极管Q5的发射极，其集电极作为温度加权电路202（也即，温度感测电路101）的输出端并且连接至运算放大器301的第二输入端。第五三极管Q5的基极连接至第二三极管Q2的发射极，其集电极接地。
在一实施例中，第二三极管Q2和第四三极管Q4是NPN型三极管，第三三极管Q3和第五三极管Q5是PNP型三极管。
在图5中，基准电压Vbg经过第三和第四三极管Q3和Q4电平移位（level shift）至第一电阻R1的与第四三极管Q4的发射极连接的一端，Vbe经过第二和第五三极管Q2和Q5电平移位至第一电阻R1的与第五三极管Q5的发射极连接的一端，即，电阻R两端的跨压为Vbg-Vbe。在低温时Vbg<Vbe，第四三极管Q4的集电极没有电流，当温度升高至Vbg>Vbe时，第四三极管Q4导通产生电流I_foldback，以用于调节温控电压Vth，进而控制反馈电路102。热折返信号I_foldback的表达式如下：
Figure 718812DEST_PATH_IMAGE002
其中，Vbg为基准电压，Vbe为基极-发射极电压，R1为第一电阻的电阻值。
图6是根据本申请又一实施例的温度加权电路
Figure 10000230624946
。如图6所示，温度加权电路
Figure 10000230634403
可包括第六三极管Q6和第二电阻R2。第六三极管Q6的基极连接至基准电压Vbg，其发射极经由第二电阻R2接地，其集电极作为温度加权电路202（也即，温度感测电路101）的输出端并且连接至运算放大器301的第二输入端。
在一个实施例中，第六三极管Q6是负温度系数的三极管，优选地，是NPN型三极管。
在图6中，基准电压Vbg接在第六三极管Q6的基极，随着温度升高到某一程度时第六三极管Q6导通在发射极形成Vbg-Vbe的压降，因为Vbg是零温度系数，而Vbe为负温度系数，因此电阻R2两端的跨压越来越大，进而三极管Q6产生更大的导通电流I_foldback以用于调节温控电压Vth，进而控制反馈电路102。热折返信号I_foldback的表达式如下：
Figure 976618DEST_PATH_IMAGE003
其中，Vbg为基准电压，Vbe为基极-发射极电压，R2为第二电阻的电阻值。
需要注意的是，在本申请的实施例中，热折返信号是以电流形式表示，但本申请不限于此，也可以以电压形式表示。
本申请的一种温度感测电路及热反馈保护电路能够在感测到集成电路温度在达到高温后即进入热反馈环，从而降低系统功率，减少发热量和保持系统稳定，并且结构简单，成本低。应用于发光二极管电路或芯片，能够提升LED驱动芯片的寿命跟可靠度，减少外在元件的面积及制造成本。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例侧重说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于后面说明的方法实施例而言，由于其与系统是对应的，描述比较简单，相关之处参见系统实施例的部分说明即可。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种温度感测电路，其特征在于，所述电路包括：
零温度系数电压电路，用于提供基准电压；
温度加权电路，与所述零温度系数电压电路连接，用于感测温度并基于所述基准电压和所感测的温度调节输出的热折返信号，
其中所述温度加权电路包括负温度系数的第一三极管，以基于所述第一三极管的基极-发射极电压和所述基准电压调节所述热折返信号，所述温度加权电路还包括电流源、第一偏置电流源、第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管和第四MOS管，其中：
所述第一MOS管的栅极连接至所述基准电压，其漏极接地；
所述第一MOS管和所述第二MOS管的源极均连接至所述电流源；
所述第二MOS管的栅极连接至所述第一三极管的集电极，其漏极连接至第三MOS管的漏极；
所述第三MOS管和所述第四MOS管连接形成电流镜，所述第四MOS管的漏极输出热折返信号；以及
所述第一三极管的基极-集电极相连接，其集电极连接至所述第一偏置电流源，其发射极接地，使得施加至第二MOS管栅极的电压为其基极-发射极电压。
2.根据权利要求1所述的温度感测电路，其特征在于，所述第一MOS管和所述第二MOS管是PMOS管，所述第三MOS管和所述第四MOS管是NMOS管。
3.根据权利要求2所述的温度感测电路，其特征在于，所述热折返信号的表达式为：
Figure 568873DEST_PATH_IMAGE001
其中，I_foldback为所述热折返信号，I为所述电流源提供的电流，Vbg为所述基准电压，Vbe为所述第一三极管的基极-发射极电压，w/L为第一MOS管M1和第二MOS管M2的宽长比，
Figure 10000130461682
=(0.5)*μ n *Cox，μ n 为载流子迁移率，Cox为单位面积栅氧电容。
4.一种温度感测电路，其特征在于，所述电路包括：
零温度系数电压电路，用于提供基准电压；
温度加权电路，与所述零温度系数电压电路连接，用于感测温度并基于所述基准电压和所感测的温度调节输出的热折返信号，
其中所述温度加权电路包括负温度系数的三极管，以基于所述三极管的基极-发射极电压和所述基准电压调节所述热折返信号，所述温度加权电路还包括第二三极管、第三三极管、第四三极管、第五三极管、第二偏置电流源、第三偏置电流源和第一电阻，其中：
所述第二三极管的基极连接至所述基极-发射极电压，其发射极经由所述第二偏置电流源接地；
所述第三三极管的基极连接至所述基准电压，其发射极连接至第三偏置电流源，其集电极接地；
所述第四三极管的基极连接至所述第三三极管的发射极，其发射极经由第一电阻连接至第五三极管的发射极，其集电极输出热折返信号；以及
所述第五三极管的基极连接至第二三极管的发射极，其集电极接地。
5.根据权利要求4所述的温度感测电路，其特征在于，所述第二三极管和所述第四三极管是NPN型三极管，所述第三三极管和第五三极管是PNP型三极管。
6.根据权利要求5所述的温度感测电路，其特征在于，所述热折返信号的表达式为：
Figure 862713DEST_PATH_IMAGE002
其中，I_foldback为所述热折返信号，Vbg为所述基准电压，Vbe为所述基极-发射极电压，R1为所述第一电阻的电阻值。
7.一种热反馈保护电路，其特征在于，所述电路包括根据权利要求1至6中任一项所述的温度感测电路。
8.根据权利要求7所述的热反馈保护电路，其特征在于，所述热反馈保护电路进一步包括：
反馈电路，其第一输入端接收来自外部电路的反馈电压，其第二输入端连接在参考电压和所述温度感测电路之间，用于接收温控电压；
驱动控制电路，连接至所述反馈电路的输出端并基于所述反馈电路输出的信号输出驱动控制信号，
其中所述反馈电路用于基于所述反馈电压和所述温控电压的电压值调节输出的信号，进而控制驱动控制电路输出的驱动控制信号。
9.根据权利要求8所述的热反馈保护电路，其特征在于，所述反馈电路包括运算放大器，所述运算放大器的第一输入端接收温控电压，第二输入端接收来自外部电路的反馈电压，所述运算放大器用于根据所述温控电压和所述反馈电压进行输出并通过所述反馈电压将其输出锁定在恒定值，进而控制所述驱动控制电路的驱动控制信号以对外部电路进行反馈控制。
10.根据权利要求9所述的热反馈保护电路，其特征在于，所述运算放大器为负反馈运算放大器。
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