CN115933777A - 温度稳定系统及芯片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种温度稳定系统及芯片，温度稳定系统包括：温度感知电路、控制电路以及加热电路。根据本发明的温度稳定系统，通过温度感知电路基于外部环境温度和裸片的温度产生用于表征外部环境温度或裸片的温度的表征信号；通过控制电路基于表征信号产生一电压信号，并根据裸片的目标温度对参考电压信号或电压信号进行调节以基于参考电压信号和电压信号输出控制信号；通过加热电路基于控制信号的控制将裸片的温度稳定至目标温度。整体温度稳定系统可以设置多档目标温度，通过负反馈环路实现裸片的温度稳定于目标温度，降低芯片性能对外部环境温度变化的敏感度。

Description

温度稳定系统及芯片

技术领域

本发明是关于集成电路领域，特别是关于一种温度稳定系统及芯片。

背景技术

目前很多芯片产品本身性能会受到外部环境温度的影响，当芯片工作时如果外部环境变化较为剧烈，可能会使得芯片关键性能参数产生一定程度的偏移。尤其是对于较为高精度的芯片产品，往往需要通过精细的电路设计或者校准方案来尽可能减弱外部环境温度变化对性能指标的影响程度。

芯片产生热量的方式主要是芯片工作时片上器件所产生的功耗，而将热量散发出去的方式主要是：通过封装顶部和外部空气进行热交换以及通过封装底部和引脚与电路板进行热交换。也就是说封装是芯片与外部环境进行热交换的媒介。

对于芯片产品而言，封装材料会标明外部环境和裸片(die)之间的热阻大小，可以把裸片(die)当作热源，裸片(die)本身的发热功率作为热源功率，通过封装热阻的大小可以计算在一定热源功率下的外部环境温度T_A与裸片(die)上的温度T_j之间的温度差。在相同芯片发热功率下，封装热阻越大，代表外部环境温度和内部裸片(die)温度差越大。

如何提供一种温度稳定控制系统，以降低芯片产品外部环境温度变化对芯片本身带来的影响，成为了本领域亟待解决的问题。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种温度稳定系统，其能够在外部环境温度或者裸片(die)的温度产生变化时，通过控制裸片(die)的温度来使得芯片内部温度保持相对稳定，极大降低了芯片性能参数对于温度环境的敏感度。

为实现上述目的，本发明的实施例提供了一种温度稳定系统，包括：温度感知电路、控制电路以及加热电路。

温度感知电路基于外部环境温度和裸片的温度产生用于表征外部环境温度或裸片的温度的表征信号；控制电路基于表征信号产生一反馈电压信号，并根据裸片的目标温度对参考电压信号或反馈电压信号进行调节以基于参考电压信号和反馈电压信号输出控制信号；加热电路基于控制信号的控制将裸片的温度稳定至目标温度。

在本发明的一个或多个实施例中，所述温度感知电路包括第一MOS管、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第一三极管、第二三极管以及运算放大器；

所述第一三极管的基极与集电极相连且同时与第一电阻的第一端以及运算放大器的第一输入端相连，所述第二三极管的基极与集电极相连且同时与第三电阻的第一端相连，所述第一三极管和第二三极管的发射极与地电压相连；或者

所述第一三极管的基极与集电极相连且同时与地电压相连，所述第二三极管的基极与集电极相连且同时与地电压相连，所述第一三极管的发射极与第一电阻的第一端以及运算放大器的第一输入端相连，所述第二三极管的发射极与第三电阻的第一端相连；

所述第一三极管和第二三极管的个数比为1：N，N≥2；

所述第三电阻的第二端与运算放大器的第二输入端以及第二电阻的第一端相连，所述运算放大器的输出端与第一MOS管的栅极相连，所述第一MOS管的源极与电源电压相连，所述第一电阻的第二端、第二电阻的第二端与第一MOS管的漏极相连。

在本发明的一个或多个实施例中，所述控制电路包括：

采集单元，用于采集温度感知电路产生的表征信号而输出采集信号；

电阻单元，用于将采集信号转换为反馈电压信号；

误差放大器，具有第一输入端和第二输入端以及输出端，其中，所述第一输入端接收所述反馈电压信号，所述第二输入端接收参考电压信号，所述输出端基于所述反馈电压信号和参考电压信号输出控制信号。

在本发明的一个或多个实施例中，所述采集单元包括电流镜电路。

在本发明的一个或多个实施例中，所述电阻单元包括一个或多个电阻，多个所述电阻相互串联和/或并联，通过将其中一个或多个电阻的两端进行短接或者将短接的两端断开以修调电阻单元的总电阻。

在本发明的一个或多个实施例中，一个或多个所述电阻的两端通过熔丝或者开关相连。

在本发明的一个或多个实施例中，所述参考电压信号具有与不同目标温度相对应的多个电压值。

在本发明的一个或多个实施例中，所述加热电路包括功率管和加热元件，所述功率管的栅极用于接收控制信号，所述功率管的源极与电源电压相连，所述加热元件与功率管的漏极相连。

在本发明的一个或多个实施例中，所述加热元件为电阻、二极管或三极管中的一个或多个，和/或所述功率管为MOS管、三极管或者IGBT模块。

在本发明的一个或多个实施例中，所述参考电压信号由温度感知电路产生。

本发明还公开了一种芯片，包括所述的温度稳定系统。

与现有技术相比，根据本发明实施例的温度稳定系统及芯片，通过温度感知电路基于外部环境温度和裸片的温度产生用于表征外部环境温度或裸片的温度的表征信号；通过控制电路基于表征信号产生一电压信号，并根据裸片的目标温度对参考电压信号或电压信号进行调节以基于参考电压信号和电压信号输出控制信号；通过加热电路基于控制信号的控制将裸片的温度稳定至目标温度。整体温度稳定系统可以设置多档目标温度，通过负反馈环路实现裸片的温度稳定于目标温度，降低芯片性能对外部环境温度变化的敏感度。

附图说明

图1是根据本发明一实施例的温度稳定系统的系统原理图。

图2是根据本发明一实施例的温度感知电路的电路原理图。

图3是根据本发明一实施例的控制电路的电路原理图。

图4是根据本发明一实施例的加热电路的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施例进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施例的限制。

除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。

如图1所示，一种温度稳定系统，包括：温度感知电路10、控制电路20以及加热电路30。

温度感知电路10用于感知外部环境温度和裸片(die)的温度，并产生用于表征外部环境温度或裸片(die)的温度的表征信号。表征信号可以是电压信号，也可以是电流信号。在本实施例中，该表征信号为电流信号。控制电路20基于表征信号产生一反馈电压信号，并根据裸片的目标温度对参考电压信号或电压信号进行调节以基于参考电压信号和反馈电压信号输出控制信号。加热电路30基于控制信号的控制将裸片(die)的温度稳定至目标温度。

进一步的，在本实施例中，在外部环境温度发生变化时，温度感知电路10感知到外部环境温度变化并将变化以电压信号或者电流信号的方式传递给控制电路20。控制电路20通过将电压信号或者电流信号与设定的参考电压信号作比较，将电压信号或者电流信号与设定的参考电压信号的偏差值传递给加热电路30进而进行加热。

当裸片(die)的温度变化时，温度感知电路10输出的电压信号或者电流信号IPTAT也会发生变化并再传递给控制电路20以对加热电路30进行控制，至此形成一个闭环的温度控制。

其中，如图2所示，温度感知电路10包括第一MOS管M1、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第一三极管Q1、第二三极管Q2以及运算放大器A1。

具体的，第一三极管Q1的基极与集电极相连且同时与第一电阻R1的第一端以及运算放大器A1的第一输入端相连，第二三极管Q2的基极与集电极相连且同时与第三电阻R3的第一端相连，第一三极管Q1和第二三极管Q2的发射极与地电压相连。

第三电阻R3的第二端与运算放大器A1的第二输入端以及第二电阻R2的第一端相连，运算放大器A1的输出端与第一MOS管M1的栅极相连，第一MOS管M1的源极与电源电压相连。第一电阻R1的第二端、第二电阻R2的第二端与第一MOS管M1的漏极相连且可以输出参考电压信号。

第一三极管Q1的第一输入端为负输入端，第二三极管Q2的第二输入端为正输入端。在其他实施例中，第一三极管Q1的第一输入端为正输入端，第二三极管Q2的第二输入端为负输入端。

在其他实施例中，第一三极管Q1和第二三极管Q2可以采用PNP型三极管。即第一三极管Q1的基极与集电极相连且同时与地电压相连，第二三极管Q2的基极与集电极相连且同时与地电压相连，第一三极管Q1的发射极与第一电阻R1的第一端以及运算放大器A1的第一输入端相连，第二三极管Q2的发射极与第三电阻R3的第一端相连。

在本实施例中，第一三极管Q1和第二三极管Q2连接成二极管形式，第一三极管Q1和第二三极管Q2的个数比为1：N，N≥2，通过运算放大器A1将第一电阻R1的第一端的电压以及第三电阻R3的第二端和第二电阻R2的第一端相连形成的连接点的电压进行钳位进而在第三电阻R3上产生一个ΔVBE的压降(

其中k为玻尔兹曼常数，q为电子电荷量，T为温度)，从而在第三电阻R3上产生一个正温变化且随外部环境温度和裸片的温度变化的电流(即表征信号)，该电流大小为

在其他实施例中，也可以将温度感知电路10中的部分器件替换成负温度系数的器件，从而在第三电阻R3上产生一个负温变化的电流。

如图3所示，控制电路20包括：采集单元21、电阻单元22和误差放大器Op。

误差放大器Op具有第一输入端和第二输入端以及输出端，在本实施例中，第一输入端为负输入端，第二输入端为正输入端。在其他实施例中，第一输入端也可以为正输入端，第二输入端也可以为负输入端。误差放大器Op的第一输入端与采集单元21和电阻单元22相连，误差放大器Op的第二输入端与参考电压信号VREF相连。

采集单元21用于采集温度感知电路10产生的表征信号而输出采集信号IPTAT。电阻单元22用于将采集信号IPTAT转换为反馈电压信号。误差放大器Op的第一输入端接收反馈电压信号，误差放大器Op的第二输入端接收参考电压信号VREF，误差放大器Op的输出端基于反馈电压信号和参考电压信号VREF输出控制信号VOUT。

在本实施例中，采集单元21为电流镜电路，通过电流镜电路将第二电阻R2上产生的电流按比例复制给电阻单元22。在其他实施例中，也可以采用其它能够将第二电阻R2上的电流采集出来的采集电路。

在本实施例中，电阻单元22包括一个或者多个电阻，多个电阻相互串联和/或并联的，通过将其中一个电阻或多个电阻的两端进行短接或者将短接的两端断开以修调电阻单元22的总电阻，一个或多个电阻的两端通过熔丝或者开关相连，熔丝或者开关基于修调码断开或闭合，通过短接或者断开的电阻的数量不同则调节电阻单元22的总电阻，通过修调电阻单元22的总电阻则能够调节反馈电压信号。在其他实施例中，电阻单元22也可以采用其他能够改变阻值的电路实现，调节方式也不仅仅限于采用修调码控制开关或熔丝。

采集单元21传递过来的采集信号IPTAT流过电阻单元22而在误差放大器Op的负输入端产生的电压信号为

α为采集单元21的复制比例，R_C为电阻单元22的总阻值。当误差放大器Op的负输入端的电压信号低于参考电压信号VREF时，误差放大器Op的输出端VOUT输出的控制信号会被拉高，反之控制信号则会被拉低。

在实际使用中，裸片的目标温度可以根据使用环境进行改变，而针对不同的裸片的目标温度，一方面可以将参考电压信号VREF固定，电阻单元22的总电阻为

V_os为误差放大器Op本身的输入失调电压，根据不同温度档位计算所对应的电阻单元22的总电阻，通过调节电阻单元22的总电阻，从而改变误差放大器Op的负输入端的电压信号，以改变误差放大器Op输出的控制信号的大小，继而实现裸片的目标温度的多档调节；另一方面也可以将电阻单元22的总电阻固定，选择具有与不同目标温度相对应的多个电压值的参考电压信号VREF，改变参考电压信号VREF以实现裸片(die)的目标温度的多档调节。参考电压信号VREF可以采用温度感知电路10产生的参考电压信号并经采样、分压调节等电路进行参考电压信号VREF的调节，也可以采用其他参考电压产生电路产生的参考电压，为保证参考电压信号VREF的精度可以通过校准电路对参考电压信号VREF进行温度校准，使得参考电压信号VREF不受温度的影响。

误差放大器Op和运算放大器A1的输入失调电压会使裸片(die)的实际目标温度与理论目标温度之间存在偏差，这个偏差可以看作一个温度失调，通过控制误差放大器Op和运算放大器A1本身的失调电压可以对最终的温度失调进行控制。

如图4所示，加热电路30包括功率管M2和加热元件31。功率管M2的栅极用于接收误差放大器Op的输出端VOUT输出的控制信号，功率管M2的源极与电源电压相连，加热元件31与功率管M2的漏极相连。

在本实施例中，加热元件31优选采用电阻。在其他实施例中，加热元件31可以采用二极管或三极管等可以产生热量的元器件，或者采用电阻、二极管和三极管中的两个或三个组合的方式。

在本实施例中，功率管M2为P沟道的MOS功率管。在其他实施例中，功率管M2还可以为N沟道的MOS功率管、NPN型三极管、PNP型三极管或者IGBT模块。

当误差放大器Op输出的控制信号被拉高时，功率管M2的栅源电压|V_GS|变小，功率管M2开启受限，功率管M2的漏源电流|I_DS|变小，加热电路30所输出的热功率P_T＝V_DD*|I_DS|减小，V_DD为电源电压，加热效果减弱，反之则会增加输出热功率，使裸片(die)温度上升。

在本实施例中，假定外部环境温度为T_A，裸片(die)的初始温度为T_j，封装热阻为θ(热阻θ反映的是材料对于热流传导的阻碍能力，热阻θ越大代表材料对热传导的阻碍效果越强，外部环境温度的获取就是通过封装热阻θ来反映外部环境温度变化时对裸片(die)的温度影响)，初始状态下的加热元件电流为I_DS，裸片(die)上的其他模块总热功率为P_O，那么裸片(die)总的热功率可以表示为V_DD*I_DS+P_O。在对应封装热阻θ下，裸片(die)总热功率所产生的温度差ΔT＝(V_DD*I_DS+P_O)*θ。该温度差ΔT会通过温度感知电路10产生电流的变化为

进而在误差放大器Op的负输入端产生的电压的变化量

R_C为对应设定温度挡位下电阻单元22的总阻值。误差放大器Op的负输入端的电压变化导致控制信号被拉高或拉低，进而控制功率管M2的漏源电流改变裸片(die)的总热功率。

当外部环境温度较低导致初始裸片(die)温度低于设定的目标温度时，控制电路20会增大功率管M2的漏源电流，以提升裸片(die)的总热功率使得裸片(die)的温度升高直至达到所设定的目标温度。反之如果外部环境温度较高使得初始裸片(die)温度已经高于设定的目标温度时，此时控制电路20会处于开环状态，不会再进行额外的加热处理，裸片(die)的温度会随外部环境温度变化而变化直至其低于所设定的目标温度。

本发明还公开了一种芯片，包括上述的温度稳定系统。

前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (11)

1.一种温度稳定系统，其特征在于，包括：

温度感知电路，基于外部环境温度和裸片的温度产生用于表征外部环境温度或裸片的温度的表征信号；

控制电路，基于表征信号产生一反馈电压信号，并根据裸片的目标温度对参考电压信号或反馈电压信号进行调节以基于参考电压信号和反馈电压信号输出控制信号；以及

加热电路，基于控制信号的控制将裸片的温度稳定至目标温度。

2.如权利要求1所述的温度稳定系统，其特征在于，所述温度感知电路包括第一MOS管、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第一三极管、第二三极管以及运算放大器；

所述第一三极管的基极与集电极相连且同时与第一电阻的第一端以及运算放大器的第一输入端相连，所述第二三极管的基极与集电极相连且同时与第三电阻的第一端相连，所述第一三极管和第二三极管的发射极与地电压相连；或者

所述第一三极管的基极与集电极相连且同时与地电压相连，所述第二三极管的基极与集电极相连且同时与地电压相连，所述第一三极管的发射极与第一电阻的第一端以及运算放大器的第一输入端相连，所述第二三极管的发射极与第三电阻的第一端相连；

所述第一三极管和第二三极管的个数比为1：N，N≥2；

所述第三电阻的第二端与运算放大器的第二输入端以及第二电阻的第一端相连，所述运算放大器的输出端与第一MOS管的栅极相连，所述第一MOS管的源极与电源电压相连，所述第一电阻的第二端、第二电阻的第二端与第一MOS管的漏极相连。

3.如权利要求1所述的温度稳定系统，其特征在于，所述控制电路包括：

采集单元，用于采集温度感知电路产生的表征信号而输出采集信号；

电阻单元，用于将采集信号转换为反馈电压信号；

误差放大器，具有第一输入端和第二输入端以及输出端，其中，所述第一输入端接收所述反馈电压信号，所述第二输入端接收参考电压信号，所述输出端基于所述反馈电压信号和参考电压信号输出控制信号。

4.如权利要求3所述的温度稳定系统，其特征在于，所述采集单元包括电流镜电路。

5.如权利要求3所述的温度稳定系统，其特征在于，所述电阻单元包括一个或多个电阻，多个所述电阻相互串联和/或并联，通过将其中一个或多个电阻的两端进行短接或者将短接的两端断开以修调电阻单元的总电阻。

6.如权利要求5所述的温度稳定系统，其特征在于，一个或多个所述电阻的两端通过熔丝或者开关相连。

7.如权利要求3所述的温度稳定系统，其特征在于，所述参考电压信号具有与不同目标温度相对应的多个电压值。

8.如权利要求1所述的温度稳定系统，其特征在于，所述加热电路包括功率管和加热元件，所述功率管的栅极用于接收控制信号，所述功率管的源极与电源电压相连，所述加热元件与功率管的漏极相连。

9.如权利要求8所述的温度稳定系统，其特征在于，所述加热元件为电阻、二极管或三极管中的一个或多个，和/或所述功率管为MOS管、三极管或者IGBT模块。

10.如权利要求1所述的温度稳定系统，其特征在于，所述参考电压信号由温度感知电路产生。

11.一种芯片，其特征在于，包括如权利要求1～10任一项所述的温度稳定系统。

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