CN115711679A - 热传感器及芯片 - Google Patents

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CN115711679A CN202211295751.1A CN202211295751A CN115711679A CN 115711679 A CN115711679 A CN 115711679A CN 202211295751 A CN202211295751 A CN 202211295751A CN 115711679 A CN115711679 A CN 115711679A
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黄俊嘉
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Abstract

本发明公开一种热传感器，包括：带隙电路，输出与温度有关的电压；双相电压频率转换器，在正常阶段耦合到所述带隙电路，以基于所述与温度有关的电压执行电压频率转换，并在系数截取阶段与所述带隙电路断开，以基于电源电压执行电压频率转换；以及频率计，耦合至所述双相电压频率转换器，以计算与所述双相电压频率转换器的正常阶段相对应的与温度有关的频率和与所述双相电压频率转换器的系数截取相对应的与温度无关的频率，其中提供与温度有关的频率和与温度无关的频率，以进行消除非理想系数的温度评估。

Description

热传感器及芯片
技术领域
本发明涉及电学技术领域，尤其涉及一种热传感器及芯片。
背景技术
在电子设备中，例如使用快速应用处理器(application processor，AP)的现代移动设备中，最高工作速度通常受散热问题的限制。因此，准确的温度感测对于最大化电子设备的运行速度至关重要。通常，将热传感器(thermal sensor)放置在芯片中。热传感器的电阻器和电容器的老化可能会降低温度感测的准确性。或者，封装应力也可能会改变热传感器中使用的电阻器和电容器，从而影响温度感测。
因此，需要提供一种准确性更高的热传感器。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种热传感器，具有更高的准确性。
根据本发明的第一方面，公开一种热传感器，包括：
带隙电路，输出与温度有关的电压；
双相电压频率转换器，在正常阶段耦合到所述带隙电路，以基于所述与温度有关的电压执行电压频率转换，并在系数截取阶段与所述带隙电路断开，以基于电源电压执行电压频率转换；
开关电容器电阻器，包括电容器；以及
频率计，耦合至所述双相电压频率转换器，以计算与所述双相电压频率转换器的正常阶段相对应的与温度有关的频率和与所述双相电压频率转换器的系数截取相对应的与温度无关的频率；
其中，通过将所述与温度相关频率和所述与温度无关频率进行组合，消除由于所述开关电容器电阻器的所述电容器引起的非理想系数。
根据本发明的第二方面，公开一种热传感器，包括：
带隙电路，输出与温度有关的电压；
双相电压频率转换器，在正常阶段耦合到所述带隙电路，以基于所述与温度有关的电压执行电压频率转换，并在系数截取阶段与所述带隙电路断开，以基于电源电压执行电压频率转换；
开关电容器电阻器以及除法器；以及
频率计，耦合至所述双相电压频率转换器，以计算与所述双相电压频率转换器的正常阶段相对应的与温度有关的频率和与所述双相电压频率转换器的系数截取相对应的与温度无关的频率；
其中，所述开关电容器电阻器基于经过所述除法器之后的振荡信号来模仿电阻器。
根据本发明的第三方面，公开一种芯片，包括：
如上所述的热传感器；以及
处理器，基于与温度有关的频率和与温度无关的频率来评估温度数据，并基于所述温度数据来评估温度值，
其中，当评估所述温度数据时，所述处理器通过所述与温度无关的频率来消除所述与温度有关的频率的非理想系数。
本发明的热传感器由于计算与所述双相电压频率转换器的正常阶段相对应的与温度有关的频率和与所述双相电压频率转换器的系数截取相对应的与温度无关的频率，这样就可以根据所提供与温度有关的频率和与温度无关的频率，以方便下一步进行消除非理想系数的温度评估，从而消除由于电子组件的老化效应或封装应力而导致的劣化，提高热传感器可以得到的温度的准确性。
附图说明
图1描绘了根据本发明示例性实施例的具有热传感器102的芯片100；
图2描绘了根据本发明的示例性实施例的双相电压频率转换器108的细节；
图3是示出根据本发明的示例性实施例的热传感器102的热感测过程的流程图。
具体实施方式
贯穿以下描述和权利要求书使用某些术语，其指代特定部件。如本领域的技术人员将理解的，电子设备制造商可以用不同的名称来指代组件。本文文件无意区分名称不同但功能相同的组件。在以下描述和权利要求中，术语“包括”和“包含”以开放式方式使用，因此应解释为表示“包括但不限于...”。同样，术语“耦合”旨在表示间接或直接的电连接。因此，如果一个设备耦合到另一设备，则该连接可以是通过直接电连接，或者是通过经由其他设备和连接件的间接电连接。
图1描绘了根据本发明示例性实施例的具有热传感器102的芯片100。
热传感器(或称为温度传感器)102采用基于晶体管的设计(而不是使用电阻器或ETF(electrothermal filter，电热滤波器))，基于晶体管的设计批量生产更为稳健，并且温度系数模型在设计时间更为精确。热传感器102具有电荷泵(charge pump)电路104、带隙(bandgap)电路106、双相(dual-phase)电压频率(voltage-to-frequency)转换器108和频率计(frequency meter)110。电源电压VDD(例如，大约0.5V，例如0.568V)泵浦(pump)到更高电位(level)的CPV(例如1.2V左右)进行带隙电路106的操作(operation)，从而为带隙电路106提供更大的动态余量(headroom)。带隙电路亦可称为带差参考电路。
带隙电路106包括晶体管，晶体管的结点(junction)正向偏置电压VBE(forward-bias voltage)随结点温度而变化。带隙电路106输出与温度无关的(temperature-independent)参考电压VREF以及与温度有关的(temperature-dependent)电压VBE/2(其中与温度有关的电压VBE/2也可以是其他数值，例如1.2VBE、1.1VBE或VBE/3等等，本实施例中与温度有关的电压VBE/2仅为举例说明。此外与温度无关的参考电压VREF也可以根据与温度有关的电压的数值来确定)。也即，本实施例中例如带隙电路106可以包括双极结型晶体管，与温度有关的电压VBE/2可以是该双极结型晶体管的基极和发射极之间的电压差的一半，当然如上所述也可以是1.2VBE、1.1VBE或VBE/3等等。在正常阶段(normal phase)中，双相电压频率转换器108基于与温度有关的电压VBE/2和与温度无关的电压VREF执行电压频率转换。产生以与温度有关的频率F1振荡的振荡信号Sosc(因为VREF是与温度无关，VBE/2是与温度有关，因此最后振荡信号Sosc的温度系数(振荡的频率F1)会是VBE/2决定的)。
除了正常阶段外，在本发明中还特别提供了系数截取阶段(coefficientcapturing phase)。在系数截取阶段，双相电压频率转换器108与带隙电路106断开。因此与正常阶段不同，双相电压频率转换器108基于电源电压(例如VDD和VDD/2(其中VDD/2仅为举例说明，并非限制，例如还可以使其他数值，如VDD/3、1.2VDD等等))进行电压频率转换。改变所产生的振荡信号Sosc，使振荡信号Sosc以与温度无关的频率F1_Coeff振荡。与温度无关的频率F1_Coeff用于消除非理想系数。系数截取阶段亦可称为系数捕捉阶段或系数捕获阶段。
由频率计110计算与温度有关的频率F1和与温度无关的频率F1_Coeff。频率计110可以是基于晶体管的热传感器102的数字后端(digital back-end)，并且频率计110耦合至芯片100的处理器。频率计110可以在计算出与温度有关的频率F1和与温度无关的频率F1_Coeff之后，将与温度有关的频率F1和与温度无关的频率F1_Coeff一起传给处理器112。例如频率计110在正常阶段先计算出与温度有关的频率F1，然后存储在寄存器中；接着在系数截取阶段计算出与温度无关的频率F1_Coeff，之后将与温度有关的频率F1和与温度无关的频率F1_Coeff一起传给处理器112。处理器112可以从与温度有关的频率F1推导与温度有关的周期Period_1，并且从与温度无关的频率F1_Coeff得出与温度无关的周期Period_2。与温度有关的周期Period_1的非理想系数显示在与温度无关的周期Period_2中。通过将与温度有关的周期Period_1除以与温度无关的周期Period_2，可以消除与温度有关的周期Period_1的非理想系数。此外，在另一个实施例中，频率计110将与温度有关的频率F1和与温度无关的频率F1_Coeff传给处理器112之后，处理器112直接使用温度有关的频率F1和与温度无关的频率F1_Coeff进行计算(即处理器112不推导出与温度有关的周期Period_1和与温度无关的周期Period_2，而直接例如使用F1除以F1_Coeff)。这样处理器112无需将与温度有关的频率F1和与温度无关的频率F1_Coeff分别转换为温度有关的周期Period_1和与温度无关的周期Period_2(期中与温度有关的频率F1的倒数即为与温度有关的频率F1，与温度无关的频率F1_Coeff的倒数即为与温度无关的周期Period_2)，可直接使用与温度有关的频率F1和与温度无关的频率F1_Coeff进行消除非理想系数的温度评估(例如F1除以F1_Coeff)。这样可以节省计算步骤，更加快速的进行计算和评估，提高效率。本实施例中评估(或称为估计)可以是计算，例如使用数学步骤或公式等进行计算。
在示例性实施例中，处理器112基于与温度有关的周期Period_1和与温度无关的周期Period_2(或处理器112基于与温度有关的频率F1和与温度无关的频率F1_Coeff)来评估温度数据x，然后基于温度数据x来评估温度值T。因为在温度数据x的评估过程中，与温度有关的周期Period_1的非理想系数可以由温度无关周期Period_2消除(例如，通过将Period_1除以Period_2，或者F1除以F1_Coeff)，所以从温度数据评估的温度值Tx是可靠的。热传感器102内的电子组件的劣化(例如，由于老化效应或封装应力而导致的劣化(degradation))不影响热传感器102的精度。根据高精度温度值T，处理器112可以有效地优化芯片100的运转或操作。具有这种稳健的热传感器102的芯片100在汽车电子设备中能够很好地工作，从而保证了汽车电子设备较长的使用寿命。
图2描绘了根据本发明示例性实施例的双相电压频率转换器108的细节。双相电压频率转换器108包括选择电路202和204以及开关电容器积分器回路206。在正常阶段，选择电路202和204将与温度有关的电压VBE/2和与温度无关的电压VREF传递给开关电容器积分器回路206，并且开关电容器积分器回路206产生以与温度有关的频率F1振荡的振荡信号Sosc。在系数截取阶段，选择电路202和204将直流电压VDD和VDD/2传递到开关电容积分器回路206，从而由开关电容积分器回路206产生以与温度无关的频率F1_Coeff振荡的振荡信号Sosc。
开关电容器积分器回路206包括积分器208(包括开关电容器电阻器210)，压控振荡器(voltage controlled oscillator，VCO)212和除法器(divider)214。开关电容器电阻器210通过积分器208的输入端子耦合到积分器208。当与温度无关的参考电压VREF耦合至积分器208的参考端子(图中运算放大器的“+”端子)时，开关电容器电阻器210接收与温度有关的电压VBE/2。当直流电压VDD/2耦合到积分器208的参考端子时，该开关电容器电阻器210接收直流电压VDD。压控振荡器212根据积分器208的输出电压产生振荡信号Sosc。开关电容器电阻器210可以模仿(mimic)电阻器，例如开关电容器电阻器210基于除法器214之后的振荡信号来模仿电阻器。压控振荡器212包括与积分器208的输出端连接的电阻器R1、与电阻器R1连接的晶体管M3(连接于晶体管M3的栅极端)、耦接于电阻器R1和晶体管M3之间的电容器C1(电容器C1的另一端可接地)。晶体管M3(源极或漏极)耦接于电压，例如为0.568伏特(当然可根据需要自由设置)。
如图所示，开关电容器电阻器210具有开关216和218以及电容器Cx。除法器214耦接于压控振荡器212的输出端，并耦接于开关216和218，以控制开关216和218。开关216和218分别由除法器214的输出信号和反相输出信号控制。电容器Cx具有用于接收与温度有关的的电压VBE/2或直流电压VDD的第一端子，以及通过第二开关218耦合到积分器208的输入端子(图中运算放大器的“-”端子)的第二端子。开关216耦合在电容器Cx的第一端子和第二端子之间。积分器208还包括耦接于积分器208的输入端子(图中运算放大器的“-”端子)与算放大器的输出端子之间的电容器Cc。
根据图2的电路设计，与温度有关的频率F1和与温度无关的频率F1_Coeff都涉及关于开关电容器电阻器210的电容器Cx的信息，这些信息可能会受到老化效应或封装应力的影响。通过将与温度有关的频率F1和与温度无关频率F1_Coeff进行组合(例如，将Period_1除以Period_2，或者将F1除以F1_Coeff)，消除了由于开关电容器电阻器210的电容器Cx引起的非理想系数。评估没有非理想系数的温度数据x。因此，可以评估高精度温度值T。其中，将与温度有关的频率F1和与温度无关频率F1_Coeff进行组合的步骤可以由热传感器之外的部件完成，例如可以由处理器进行操作；而热传感器提供上述两个频率，从而为下一步的组合或计算提供的基础。在一个较优的实施例中，将与温度有关的频率F1和与温度无关频率F1_Coeff进行组合可以是将与温度有关的频率F1处以与温度无关频率F1_Coeff，以消除Rx和Cx，即消除了变量Rx和Cx的影响，从而使得到的温度值更加准确。
在正常阶段，与温度有关的频率F1对应于温度有关的周期Period 1，Rx·Cx(VBE/2VREF-1)。也即
Figure BDA0003902942930000051
当然与温度有关的频率F1＝1/Period_1。由于老化效应或封装应力，电容器Cx上可能会有不理想的变化。为了截取电容器Cx的当前值，将双相电压频率转换器108切换到系数截取阶段。
在系数截取阶段，与温度无关的频率F1_Coeff对应于与温度无关的周期Period_2，Rx·Cx。也即Period_2＝Rx·Cx，当然与温度无关的频率F1_Coeff＝1/Period_2。与温度无关的周期Period_2携带关于电容器Cx的当前值的信息。
由频率计110计算并发送到处理器112的与温度有关的频率F1和与温度无关的频率F1_Coeff可以由处理器112转换为Period_1和Period_2。当然处理器112也可以不将与温度有关的频率F1和与温度无关的频率F1_Coeff分别转换为Period_1和Period_2，而是直接使用与温度有关的频率F1和与温度无关的频率F1_Coeff进行评估或计算，以得到温度数据x；作为示例，本实施例中处理器112可以进一步通过以下计算评估温度数据x：
Figure BDA0003902942930000061
其中，Rx_cali、Cx_cali、VBE_cali和VREF_cali是在工厂中测量并在芯片100中刻录的常数。在评估的温度数据x中，非理想系数Rx·Cx完美消除。处理器112可以通过以下计算来评估温度值T：
T＝ax+b
其中a和b可以是常数，a是斜率值，b是偏移值。根据没有非理想系数的高精度温度数据x，估算的温度值T是准确的。由于老化效应或封装应力，在开关电容器电阻器206内的电容器Cx上可能存在相当大的振动或波动。在本发明中，电容器Cx上的非理想振动不影响热传感器102的精度。另外处理器直接使用与温度有关的频率F1和与温度无关的频率F1_Coeff进行评估或计算时，可以使用与上述类似的公式评估或计算，仅仅是将上述公式中的Period_1和Period_2分别写为1/F1和1/F1_Coeff，其余的计算可以不变。
在一些示例性实施例中，传递到开关电容器积分器回路206的直流电压是VDD和β·VDD。β不限于1/2，可以是任何常数，例如上述的1/3VDD、1.2VDD等等，本实施例中取值为1/2可以方便计算。
在另一个示例性实施例中，不需要与温度无关的参考电压VREF。所公开的双相电压频率转换器在正常阶段中耦合到带隙电路，以基于由带隙电路产生的与温度有关的电压来执行电压频率转换(无需考虑与温度无关的参考电压VREF)。所公开的双相电压频率转换器在系数截取阶段与带隙电路断开连接，以基于从电源电压VDD导出的单个直流电压来执行电压频率转换。
图3是示出根据本发明示例性实施例的热传感器102的热感测过程的流程图。
在步骤S302中，双相电压频率转换器108在正常阶段下运行或操作，以基于与温度有关的电压VBE/2和与温度无关的参考电压VREF进行电压频率转换。从而产生以与温度有关的频率F1振荡的振荡信号Sosc。
在步骤S304中，频率计110计算与温度有关的频率F1。
在步骤S306中，双相电压频率转换器108在系数截取阶段中运行或操作，以基于两个直流电压VDD和VDD/2以及由此产生的振荡来执行电压频率转换。信号Sosc切换为以与温度无关的频率F1_Coeff振荡，该频率包括关于非理想系数的信息。
在步骤S308中，频率计110计算与温度无关的频率F1_Coeff。
在步骤S310中，处理器112基于与温度有关的频率F1(从步骤S304计算)和与温度无关的频率F1_Coeff(从步骤S308计算)评估温度数据x，然后从温度数据x评估温度值T(例如，T＝ax+b)，或基于温度数据x来评估或计算温度值T。
在一些示例性实施例中，热传感器102可以制造为将被装配到任何电子设备中的模块。
本领域的技术人员将容易地观察到，在保持本发明教导的同时，可以做出许多该装置和方法的修改和改变。因此，上述公开内容应被解释为仅由所附权利要求书的界限和范围所限制。

Claims (14)

1.一种热传感器，其特征在于，包括：
带隙电路，输出与温度有关的电压；
双相电压频率转换器，在正常阶段耦合到所述带隙电路，以基于所述与温度有关的电压执行电压频率转换，并在系数截取阶段与所述带隙电路断开，以基于电源电压执行电压频率转换；
开关电容器电阻器，包括电容器；以及
频率计，耦合至所述双相电压频率转换器，以计算与所述双相电压频率转换器的正常阶段相对应的与温度有关的频率和与所述双相电压频率转换器的系数截取相对应的与温度无关的频率；
其中，通过将所述与温度相关频率和所述与温度无关频率进行组合，消除由于所述开关电容器电阻器的所述电容器引起的非理想系数。
2.如权利要求1所述的热传感器，其特征在于，还包括：
电荷泵电路，将所述电源电压泵浦到更高的电位以用于所述带隙电路的操作，
其中，所述带隙电路还产生与温度无关的参考电压，以耦合至具有所述与温度有关的电压的双相电压频率转换器。
3.如权利要求1所述的热传感器，其特征在于：
所述双相电压频率转换器包括开关电容器积分器回路；
在所述正常阶段，将所述与温度有关的电压和与温度无关的参考电压耦合到所述开关电容积分器回路，并且由所述开关电容积分器回路产生以所述与温度有关的频率振荡的振荡信号；以及
在所述系数截取阶段，从所述电源电压获得的第一直流电压和第二直流电压耦合到所述开关电容器积分器回路，从而由所述开关电容器积分器回路在所述与温度有关的频率下产生所述振荡信号。
4.如权利要求3所述的热传感器，其特征在于，所述开关电容器积分器回路包括：
积分器；
压控振荡器，根据所述积分器的输出电压产生所述振荡信号；以及
除法器，基于所述振荡信号操作所述开关电容器电阻器来模仿电阻器；
其中，所述开关电容器电阻器通过所述积分器的输入端子耦合到所述积分器，当所述与温度无关的参考电压耦合到所述积分器的参考端子时，接收所述与温度有关的电压；当所述与温度无关的参考电压耦合到所述积分器的参考端子时，接收所述第一直流电压。
5.如权利要求4所述的热传感器，其特征在于，所述开关电容器电阻器包括：
第一开关和第二开关，分别由所述除法器的输出信号和反相输出信号控制；以及
其中，所述电容器具有用于接收与温度有关的电压或第一直流电压的第一端子，以及具有通过所述第二开关耦合到所述积分器的输入端子的第二端子，
其中，所述第一开关耦合在所述电容器的第一端子和第二端子之间。
6.如权利要求1或4所述的热传感器，其特征在于：
所述与温度有关的频率和所述与温度无关的频率都涉及关于所述开关电容器电阻器的所述电容器的受到老化效应或封装应力的影响的信息。
7.如权利要求5所述的热传感器，其特征在于，所述双相电压频率转换器还包括：
第一选择电路，将所述与温度有关的电压耦合到所述正常阶段的所述开关电容器电阻器的电容器的第一端子，并在所述系数截取阶段将所述第一直流电压耦合到所述开关电容器电阻器的电容器的第一端子；以及
第二选择电路，在所述正常阶段将所述与温度无关的参考电压耦合到所述积分器的参考端子，在所述系数截取阶段将所述第二直流电压耦合到所述积分器的参考端子。
8.如权利要求1所述的热传感器，其特征在于，所述带隙电路包括双极结型晶体管，并且所述与温度有关的电压是所述双极结型晶体管的基极和发射极之间的电压差的一半。
9.如权利要求3所述的热传感器，其特征在于：
所述第二直流电压是所述第一直流电压的一半。
10.一种热传感器，其特征在于，包括：
带隙电路，输出与温度有关的电压；
双相电压频率转换器，在正常阶段耦合到所述带隙电路，以基于所述与温度有关的电压执行电压频率转换，并在系数截取阶段与所述带隙电路断开，以基于电源电压执行电压频率转换；
开关电容器电阻器以及除法器；以及
频率计，耦合至所述双相电压频率转换器，以计算与所述双相电压频率转换器的正常阶段相对应的与温度有关的频率和与所述双相电压频率转换器的系数截取相对应的与温度无关的频率；
其中，所述开关电容器电阻器基于经过所述除法器之后的振荡信号来模仿电阻器。
11.一种芯片，其特征在于，包括：
如权利要求1至10任一一项所述的热传感器；以及
处理器，基于与温度有关的频率和与温度无关的频率来评估温度数据，并基于所述温度数据来评估温度值，
其中，当评估所述温度数据时，所述处理器通过所述与温度无关的频率来消除所述与温度有关的频率的非理想系数。
12.如权利要求11所述的芯片，其特征在于：
在评估所述温度数据时，所述处理器将所述与温度有关的频率除以所述与温度无关的频率，以消除受所述开关电容器电阻器的电容器影响的非理想系数。
13.如权利要求12所述的芯片，其特征在于：
所述处理器通过执行以下计算来评估所述温度值，
T＝ax+b，
其中T是温度值，x是温度数据，a是斜率值，b是偏移值。
14.如权利要求11所述的芯片，其特征在于，所述处理器从所述与温度有关的频率得到与温度有关的周期，从所述与温度无关的频率得到与温度无关的周期，以基于所述与温度有关的周期和所述与温度无关的周期来评估所述温度数据，并基于所述温度数据来评估所述温度值，
其中，当评估所述温度数据时，所述处理器通过所述与温度无关的周期来消除所述与温度有关的周期的非理想系数。
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