CN115855289A - 一种温度检测模块和过温保护电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种温度检测模块和过温保护电路，温度检测模块包括：电流镜单元、第一MOS管、偏置电流调节单元和温感电压输出单元；第一MOS管的控制端提供零温度系数参考电压信号；偏置电流调节单元耦接在电流镜单元和第一MOS管之间，用于使第一MOS管处于零温度系数工作状态；温感电压输出单元中与第一MOS管的零温度系数点相同的第二MOS管耦接电流镜单元并输出温度感测信号。过温保护电路包括温度检测模块和比较模块。本发明利用MOS管的零温度系数特性实现了一种无需依赖BJT双极结型晶体管器件的温度检测模块以及应用该温度检测模块的过温保护电路，整体结构简洁，降低了组建电路的成本；检测的稳定性和可靠性较高；调节更加灵活，提高了使用的方便性。

Description

一种温度检测模块和过温保护电路

技术领域

本发明涉及开关电源过温保护技术领域，具体而言，涉及一种温度检测模块和过温保护电路。

背景技术

在开关电源领域，需要在芯片超过合理工作温度后，切断功率输出，保护芯片和整个系统，因此需要专门设计过温保护（OTP, Over Temperature Protection）电路。

传统的OTP电路通常由带隙基准源，温度检测电路，比较器等电路构成。其中基准电路或温度检测电路，通常都使用BJT器件实现，需要使用特定工艺，如BCD工艺。且BJT器件面积较大，需要消耗较大芯片面积。为了摆脱对BJT器件的依赖，业界也提出了很多基于CMOS工艺的基准电压源和OTP电路设计方法，例如利用CMOS亚阈区特性来实现基准电压和温度检测。

无论采用BCD工艺还是CMOS工艺实现温度检测电路，都存在电路复杂，成本较高的问题。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在现有实现温度检测电路的方式中，大部分需要依赖BJT器件，而BJT器件会占用较大芯片面积；部分不需要依赖BJT器件的方法中使用的工艺操作难道大、电路结构复杂、制作成本较高的技术问题之一。

为此，本发明第一方面提供了一种温度检测模块包括：电流镜单元，包括第一输出端、第二输出端和第三输出端，所述电流镜单元的第一输出端输出第一电流，所述电流镜单元的第二输出端输出第二电流，所述电流镜单元的第三输出端输出第三电流；第一MOS管，具有第一端、第二端和控制端，所述第一MOS管的第一端耦接所述电流镜单元的第一输出端，所述第一MOS管的第二端电连接参考地，所述第一MOS管的控制端提供零温度系数参考电压信号；偏置电流调节单元，耦接在电流镜单元和第一MOS管之间，用于调节流入第一MOS管的控制端的偏置电流，使第一MOS管处于零温度系数工作状态；以及温感电压输出单元，包括与第一MOS管的零温度系数点相同的第二MOS管，所述第二MOS管具有第一端、第二端和控制端，所述第二MOS管的第一端耦接所述电流镜单元的第三输出端，所述第二MOS管的第二端电连接参考地，所述第二MOS管的控制端耦接第二MOS管的第一端，所述电流镜单元的第三输出端的电压信号为温度感测信号，所述温度感测信号代表所述温度检测模块所在环境的温度。

根据本发明上述技术方案的一种温度检测模块，还可以具有以下附加技术特征：

在上述技术方案中，所述偏置电流调节单元包括：第一开关管，具有第一端、第二端和控制端，所述第一开关管的第一端耦接所述电流镜单元的第二输出端，所述第一开关管的第二端耦接第一MOS管的控制端，所述第一开关管的控制端耦接第一MOS管的第一端；以及第一电阻，具有第一端和第二端，第一电阻的第一端耦接第一MOS管的控制端，第一电阻的第二端电连接参考地。

在上述技术方案中，所述第一MOS管工作在饱和区。

在上述技术方案中，所述第一电流与所述第二电流成相等。

在上述技术方案中，所述第一电流与所述第三电流成比例关系，其中，所述第一电流大于所述第三电流。

在上述技术方案中，所述温感电压输出单元还包括第二电阻，所述电流镜单元的第三输出端通过第二电阻耦接至第二MOS管的第一端。

在上述技术方案中，所述第二电阻为零温度系数电阻。

在上述技术方案中，所述电流镜单元包括共源共栅连接的第一P型MOS管、第二P型MOS管和第三P型MOS管；所述第一P型MOS管的漏极耦接至第一MOS管的第一端；所述第二P型MOS管的漏极耦接至第一MOS管的控制端；以及所述第三P型MOS管的漏极耦接至第二MOS管的第一端。

在上述技术方案中，所述第一P型MOS管的宽长比等于第二P型MOS管的宽长比，所述第一P型MOS管的宽长比大于第三P型MOS管的宽长比。

本发明第二方面提供了一种过温保护电路，包括：如上述技术方案中任一项所述的温度检测模块；以及比较模块，所述比较模块具有第一输入端、第二输入端和输出端；比较模块的第一输入端接收零温度系数参考电压信号，比较模块的第二输入端接收温度感测信号，零温度系数参考电压信号和温度感测信号在比较模块中完成比较后经比较模块的输出端输出过温指示信号，用于指示是否过温。

综上所述，由于采用了上述技术特征，本发明的有益效果是：

利用MOS管的零温度系数特性实现了一种无需依赖BJT双极结型晶体管器件的温度检测模块以及应用该温度检测模块的过温保护电路，整体结构简洁，仅需MOS管和电阻即可实现电路的组建，降低了组建过温保护电路的成本；利用工作在零温度系数点的MOS管输出的零温度系数参考电压信号作为OTP比较中的基准信号，使另一被偏置在零温度系数点以下的MOS管输出的温度感测信号作为OTP比较中的比较信号，将比较信号与基准信号比对后输出过温指示信号，用于指示是否过温；环境温度检测的稳定性好，过温比较结果的可靠性高；同时，电路中可通过多种方式实现OTP翻转点的调节，使调节更加灵活，提高了使用的方便性。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述部分中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明一个实施例的一种温度检测模块的电路原理图；

图2是本发明一个实施例的一种温度检测模块中电流镜比例对V_sense温度曲线的影响示意图；

图3是本发明一个实施例的一种过温保护电路中零温度系数电阻的阻值对V_sense温度曲线的影响示意图；

图4是本发明一个实施例的一种过温保护电路中比较模块的原理示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其它不同于在此描述的方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。在整个说明书中对“一个实施例”或“一实施例”的引用意味着结合该实施例所描述的特定特征、结构或特点被包括在本发明的至少一个实施例中。因此，贯穿本说明书在各处出现的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”并不一定都是指同一实施例。动词“包括”和“具有”在本文中用作开放限制，其既不排除也不要求还存在未叙述特征。除非另有明确说明，否则从属权利要求中记载的特征可以相互自由组合。在整个文件中使用“一”或“一个”（即，单数形式）限定的元件，并不排除多个这个元件的可能。更进一步地，所描述的特征、结构或特点可以在一个或多个实施例中以任何合适方式组合。除非另外指明，否则术语“连接”被用于指定电路元件之间的直接电连接，而术语“耦接”被用于指定可以是直接的或可以经由一个或多个其他元件的电路元件之间的电连接。相反，当称元件“直接连接到”或“直接耦接到”另一元件时，不存在中间元件。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。当提及节点或端子的电压时，除非另外指示，否则认为该电压是该节点与参考电位（通常是地）之间的电压。下面参照图1至图4来描述根据本发明一些实施例提供的一种温度检测模块和过温保护电路。

图1示出了一些实施例中温度检测模块的电路结构。

如图1所示，本发明第一个实施例提出的一种温度检测模块包括电流镜单元、第一MOS管NM1、偏置电流调节单元和温感电压输出单元。

其中，电流镜单元包括输入端、第一输出端、第二输出端和第三输出端，所述电流镜单元的输入端接收供电电压信号VDD，所述电流镜单元的第一输出端输出第一电流i1，所述电流镜单元的第二输出端输出第二电流i2，所述电流镜单元的第三输出端输出第三电流i3。由于电流镜具有较好的电流匹配精度，因此在本实施例中采用电流镜单元分别向第一MOS管NM1和温感电压输出单元中的第二MOS管NM2提供偏置电流；其中，电流镜单元通过第一输出端将第一电流i1输入至第一MOS管NM1的第一端，通过第三输出端将第三电流i3输入至第二MOS管NM2的第一端。具体地，可通过设置电流镜单元内部电流镜元件的宽长比比例，调节第一电流i1和第三电流i3的比例关系。

应当说明的是，本说明书中所提到的MOS管为金属氧化物半导体场效应管(MetalOxideSemiconductor Field Effect Transistor，MOSFET)。MOS管的零温度系数（ZTC，ZeroTemperature Coefficient）特性是一种独特的温度系数特性。如果给工作在饱和区的MOS管合适的偏置电流，则迁移率和过驱动电压的温度系数会相互抵消，该偏置工作点则是MOS管的零温度系数点。该点的栅源电压Vgs则是零温度系数电压。当偏置电流小于该点时，则Vgs是负温度系数电压；当偏置电流大于该点时，Vgs则是正温度系数电压。

其中，第一MOS管NM1具有第一端、第二端和控制端，所述第一MOS管NM1的第一端耦接所述电流镜单元的第一输出端，所述第一MOS管NM1的第二端电连接参考地，所述第一MOS管NM1的控制端提供零温度系数参考电压信号V_ref。具体地，第一MOS管NM1具有漏极、源极和栅极，第一MOS管NM1的漏极耦接电流镜单元的第一输出端，第一MOS管NM1的源极电连接参考地，第一MOS管NM1的栅极输出零温度系数参考电压信号V_ref。

偏置电流调节单元耦接在电流镜单元和第一MOS管NM1之间，用于调节流入第一MOS管NM1的控制端的偏置电流，使第一MOS管NM1处于零温度系数工作状态；即通过偏置电流调节单元调节流入第一MOS管NM1的控制端的偏置电流，从而使第一MOS管NM1的偏置工作点处于零温度系数点，当第一MOS管NM1工作在零温度系数点状态时，第一MOS管NM1栅极的输出信号将不会受温度影响成为零温度系数参考电压信号V_ref，可将该零温度系数参考电压信号V_ref输出至比较元件等后级电路中，作为比较元件中的基准电压信号。偏置电流调节单元分别与电流镜单元和第一MOS管NM1相连，电流镜单元输出的电流流入偏置电流调节单元，通过设置在偏置电流调节元件中具有分压分流功能的元件实现对第一MOS管NM1的偏置电流的调节，其中具有分压分流功能的元件可以为电阻等耗能元件或开关管等功率半导体器件。

在一些实施例中，偏置电流调节单元还具有使第一MOS管NM1工作在饱和区的功能，如设置可调电阻和/或开关管等对第一MOS管NM1进行负反馈调节，使第一MOS管NM1工作在饱和区。采用开关管时，可选择MOSFET或双极性晶体管（Bipolar JunctionTransistor，BJT）或结型场效应管(Junction Field EffectTransistor，JFET)或绝缘栅双极型晶体管(Insulated GateBipolar Transistor，IGBT)等合适的功率器件。

在另一个具体实施例中，所述偏置电流调节单元包括第一开关管和第一电阻R1。在一个实施例中，第一开关管可选用MOS管，在本实施例中第一开关管被示意为第三MOS管NM3。第三MOS管NM3具有第一端、第二端和控制端，所述第三MOS管NM3的第一端耦接所述电流镜单元的第二输出端，所述第三MOS管NM3的第二端耦接第一MOS管NM1的控制端，所述第三MOS管NM3的控制端耦接第一MOS管NM1的第一端；更为具体的，第三MOS管NM3具有漏极、源极和栅极，第三MOS管NM3的漏极耦接电流镜单元的第二输出端，第三MOS管NM3的源极耦接第一MOS管NM1的栅极，第三MOS管NM3的栅极耦接第一MOS管NM1的漏极；通过第三MOS管NM3实现对第一MOS管NM1的负反馈调节，使第一MOS管NM1工作在饱和区。第一电阻R1，具有第一端和第二端，第一电阻R1的第一端耦接第一MOS管NM1的控制端，第一电阻R1的第二端电连接参考地；第一电阻R1用于调节流入第一MOS管NM1的偏置电流，在一些实施例中，电流镜单元使流向第一MOS管NM1和第一电阻R1的电流相同，即第一电流i1与第二电流i2相等；第一电阻R1的阻值需根据第一MOS管NM1的零温度系数工作点的电流电压值进行设计，在电流确定的条件下，通过选择合适的第一电阻R1的阻值，就能够使第一MOS管NM1工作在零温度系数工作点；需要说明的是，如果第一电流i1刚好能够使第一MOS管NM1工作在零温度系数点，则第一电流i1可直接作为流过第一MOS管NM1的偏置电流，此时可以省略第一电阻R1。

温感电压输出单元包括与第一MOS管NM1的零温度系数点相同的第二MOS管NM2，所述第二MOS管NM2具有第一端、第二端和控制端，所述第二MOS管NM2的第一端耦接所述电流镜单元的第三输出端，所述第二MOS管NM2的第二端电连接参考地，所述第二MOS管NM2的控制端耦接第二MOS管NM2的第一端；具体地，第二MOS管NM2具有漏极、源极和栅极，第二MOS管NM2的漏极耦接电流镜单元的第三输出端，第二MOS管NM2的源极电连接参考地，所述第二MOS管NM2的栅极耦接第二MOS管NM2的源极；当第三电流i3不等于第一电流i1时，流入第一MOS管NM1和第二MOS管NM2的偏置电流就不相同，由于两者的零温度系数点相同，则第二MOS管NM2就会被偏置在零温度系数点以上或以下，其栅极电压为正温度系数电压或负温度系数电压；由于第二MOS管NM2的栅极与电流镜单元的第三输出端耦接，则所述电流镜单元的第三输出端的电压信号可作为温度感测信号V_sense，所述温度感测信号V_sense代表所述温度检测模块所在环境的温度。

在一些实施例中，通过设置第三电流i3的大小，使第二MOS管NM2被偏置在零温度系数点以下，具体可使第三电流i3小于第一电流i1，此时温度感测信号V_sense呈负温度系数变化，其电压随温度的升高而降低；将温度感测信号V_sense输出至比较元件等后级电路中，与输入至比较元件中的零温度系数参考电压信号V_ref进行比较，即可检测温度检测模块所在位置的环境温度。

在一些实施例中，为使第一MOS管NM1与第二MOS管NM2的零温度系数点相同，应使第一MOS管NM1与第二MOS管NM2尺寸完全一样，并严格匹配。

本发明第二个实施例提出了一种温度检测模块，且在第一个实施例的基础上，所述电流镜单元包括共源共栅连接的第一P型MOS管PM1、第二P型MOS管PM2和第三P型MOS管PM3。所述第一P型MOS管PM1的漏极为电流镜单元的第一输出端，耦接至第一MOS管NM1的漏极，使第一电流i1流向第一MOS管NM1；所述第二P型MOS管PM2的漏极为电流镜单元的第二输出端，耦接至第一MOS管NM1的栅极，使第二电流i2流向第三MOS管NM3；所述第三P型MOS管PM3的漏极为电流镜单元的第三输出端，耦接至第二MOS管NM2的漏极，使第三电流i3流向第二MOS管NM2。

在一些实施例中，为使第一电流i1与第二电流i2相等，所述第一P型MOS管PM1的宽长比等于第二P型MOS管PM2的宽长比，此时流过第一MOS管NM1和第一电阻R1的电流相等。

在一些实施例中，为使第一电流i1大于第三电流i3，所述第一P型MOS管PM1的宽长比大于第三P型MOS管PM3的宽长比，此时第一MOS管NM1工作于零温度系数点，第二MOS管NM2被偏置在零温度系数点以下，第二MOS管NM2的栅源电压Vgs呈现出负温度系数。

具体地，所述第一P型MOS管PM1宽长比与第三P型MOS管PM3的宽长比和第一电流i1与第三电流i3成等比例关系，具体的比例可以为2:1、3:2、3:1等，只要保证第一P型MOS管PM1宽长比大于第三P型MOS管PM3的宽长比即可；并且可以通过设置不同的第一P型MOS管PM1宽长比与第三P型MOS管PM3的宽长比的比例，调节温度感测信号V_sense的温度曲线的斜率，当第一电流i1与第三电流i3的比值越大，温度感测信号V_sense的温度曲线的斜率越大，温度采样电压将在更短的温度区间到达参考电压值。

如图2所示，当温度感测信号V_sense的温度曲线的斜率不同时，与零温度系数参考电压信号V_ref温度曲线的相交点也不同，温度感测信号V_sense温度曲线的斜率越小，温度感测信号V_sense温度曲线与零温度系数参考电压信号V_ref温度曲线的相交点对应的温度越高，该相交点可作为后级电路中比较元件的翻转点，即当温度感测信号V_sense温度曲线与零温度系数参考电压信号V_ref温度曲线相交后，表明温度达到设定的阈值，超出芯片的合理工作温度要求，可采用相应的保护措施，如切断功率输出；同理，可以根据芯片的合理工作温度要求，设置第一P型MOS管PM1宽长比与第三P型MOS管PM3的宽长比的比例。

在一个具体实施例中，第一P型MOS管PM1、第二P型MOS管PM2、第三P型MOS管PM3的宽长比的比例为2:2:1。

本发明第三个实施例提出了一种温度检测模块，且在上述任一实施例的基础上，所述温感电压输出单元还包括第二电阻R2，所述电流镜单元的第三输出端通过第二电阻R2耦接至第二MOS管NM2的第一端。具体地，第二电阻R2的一端与电流镜单元的第三输出端相连，另一端耦接至第二MOS管NM2的栅极。第二电阻R2的作用为抬高第二MOS管NM2栅极的输出电压；通过调节第二电阻R2的阻值使得零温度系数参考电压信号V_ref和温度感测信号V_sense的温度曲线在不同的温度下相交，实现对OTP翻转点的调节。

如图3所示，当增加第二电阻R2的阻值抬高温度感测信号V_sense时，将会增加温度感测信号V_sense温度曲线的截距，在不同的第二电阻R2阻值下，温度感测信号V_sense温度曲线与零温度系数参考电压信号V_ref温度曲线的交点不同，截距越大，温度感测信号V_sense温度曲线与零温度系数参考电压信号V_ref温度曲线交点对应的温度越高。

作为优选地，所述第二电阻R2为零温度系数电阻，采用零温度系数电阻的零温度系数特性避免第二电阻R2被环境温度影响从而对温度感测信号V_sense的输出结果产生干扰。

图1和图4示出了一些实施例中过温保护电路的电路结构。

本发明第四个实施例提出了一种过温保护电路，如图1和图4所示，包括如上述任一实施例中所述的温度检测模块以及比较模块。所述比较模块具有第一输入端、第二输入端和输出端；比较模块的第一输入端接收零温度系数参考电压信号V_ref，比较模块的第二输入端接收温度感测信号V_sense，零温度系数参考电压信号V_ref和温度感测信号V_sense在比较模块中完成比较后经比较模块的输出端输出过温指示信号VOTP，用于指示是否过温；如当温度感测信号V_sense大于或等于零温度系数参考电压信号V_ref时，即判定过温，可通过后级电路启动保护程序。

其中，比较模块可以为逻辑比较器或比较电路等。

在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。应当理解，当称“元件/电流/电压/信号”“连接到”或“耦接”到另一元件时或“元件/电流/电压/信号”与另一“元件”相连时，它可以是直接连接或耦接到另一元件或者可以存在中间元件。相反，当称元件“直接连接到”或“直接耦接到”另一元件时，不存在中间元件。

凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种温度检测模块，其特征在于，包括：

电流镜单元，包括第一输出端、第二输出端和第三输出端，所述电流镜单元的第一输出端输出第一电流，所述电流镜单元的第二输出端输出第二电流，所述电流镜单元的第三输出端输出第三电流；

第一MOS管，具有第一端、第二端和控制端，所述第一MOS管的第一端耦接所述电流镜单元的第一输出端，所述第一MOS管的第二端电连接参考地，所述第一MOS管的控制端提供零温度系数参考电压信号；

偏置电流调节单元，耦接在电流镜单元和第一MOS管之间，用于调节流入第一MOS管的控制端的偏置电流，使第一MOS管处于零温度系数工作状态；以及

温感电压输出单元，包括与第一MOS管的零温度系数点相同的第二MOS管，所述第二MOS管具有第一端、第二端和控制端，所述第二MOS管的第一端耦接所述电流镜单元的第三输出端，所述第二MOS管的第二端电连接参考地，所述第二MOS管的控制端耦接第二MOS管的第一端，所述电流镜单元的第三输出端的电压信号为温度感测信号，所述温度感测信号代表所述温度检测模块所在环境的温度。

2.根据权利要求1所述的温度检测模块，其特征在于，所述偏置电流调节单元包括：

第一开关管，具有第一端、第二端和控制端，所述第一开关管的第一端耦接所述电流镜单元的第二输出端，所述第一开关管的第二端耦接第一MOS管的控制端，所述第一开关管的控制端耦接第一MOS管的第一端；以及

第一电阻，具有第一端和第二端，第一电阻的第一端耦接第一MOS管的控制端，第一电阻的第二端电连接参考地。

3.根据权利要求2所述的温度检测模块，其特征在于，所述第一MOS管工作在饱和区。

4.根据权利要求1所述的温度检测模块，其特征在于，所述第一电流与所述第二电流相等。

5.根据权利要求1所述的温度检测模块，其特征在于，所述第一电流与所述第三电流成比例关系，其中，所述第一电流大于所述第三电流。

6.根据权利要求1所述的温度检测模块，其特征在于，所述温感电压输出单元还包括第二电阻，所述电流镜单元的第三输出端通过第二电阻耦接至第二MOS管的第一端。

7.根据权利要求6所述的温度检测模块，其特征在于，所述第二电阻为零温度系数电阻。

8.根据权利要求1所述的温度检测模块，其特征在于，所述电流镜单元包括共源共栅连接的第一P型MOS管、第二P型MOS管和第三P型MOS管；

所述第一P型MOS管的漏极耦接至第一MOS管的第一端；

所述第二P型MOS管的漏极耦接至第一MOS管的控制端；以及

所述第三P型MOS管的漏极耦接至第二MOS管的第一端。

9.根据权利要求8所述的温度检测模块，其特征在于，所述第一P型MOS管的宽长比等于第二P型MOS管的宽长比，所述第一P型MOS管的宽长比大于第三P型MOS管的宽长比。

10.一种过温保护电路，其特征在于，包括：

如权利要求1至9中任一项所述的温度检测模块；以及

比较模块，所述比较模块具有第一输入端、第二输入端和输出端；比较模块的第一输入端接收零温度系数参考电压信号，比较模块的第二输入端接收温度感测信号，零温度系数参考电压信号和温度感测信号在比较模块中完成比较后经比较模块的输出端输出过温指示信号，用于指示是否过温。

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