CN1774848A

CN1774848A - 保护集成电路的方法和装置

Info

Publication number: CN1774848A
Application number: CNA2004800097177A
Authority: CN
Inventors: B·H·克拉本博尔格
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2003-04-11
Filing date: 2004-04-07
Publication date: 2006-05-17
Also published as: WO2004091067A1; EP1467459A1; KR20050123151A; TW200509495A; EP1616380A1; US20060232903A1; JP2006523023A

Abstract

一种保护集成电路免于由于过热而损坏的方法和装置，该集成电路包括多个功率晶体管(208a，208b，208n)。每个功率晶体管(208)配备有各自的温度测量电路(200a，200b，200n)。温度测量基于流经反偏pn结的电流与温度的关系。所有温度测量电路(200)与下拉线(202)，即计时器(204)的触发输入相连。计时器(204)产生馈给到关断电路(206)的具有固定周期的脉冲，在任何一个功率晶体管(208)中的温度被确定为超出某个预定的阈值温度时，该关断电路通过将基极拉到发射极关断所有晶体管(208)以及其所有驱动晶体管。还提供一个全局温度传感器(210)以测量集成电路的小信号部分的温度，并在该温度被确定为超出某个预定全局阈值温度时关断电路。

Description

保护集成电路的方法和装置

本发明涉及保护集成电路的方法和装置，特别是，但不必排他地，涉及保护音频集成电路和类似电路免于由于过热而损坏的方法和装置。

过热可以永久性地损坏集成电路装置。设计成传输高输出功率的集成电路，例如音频功率集成电路，能够产生足够的自热达到这些临界温度。这可能由于短路、低欧姆负载、缺少散热器而发生。为了防止这些情况下的损坏，需要保护电路，其通常包括设置成在到达最大温度时切断集成电路的内电路。

通用全局温度保护电路趋于响应于在硅片上某处测得的单个温度。例如，在美国专利No.4667265中描述了这种全局保护电路的一个例子，其中，温度测量基于反偏的pn结的漏电流。然而，用于高输出功率的集成电路包含多个大的输出晶体管，而且，因为由每个晶体管到温度测量点的(不同)距离导致的测量结果中的延迟和出错，该方法在保护集成电路免受功率晶体管中的过高温度方面通常不够迅速或者不够准确，这可能导致永久的损坏。

为了防止功率晶体管中的这种损坏，甚至在晶体管温度远低于临界水平的时候，仍趋向于测量晶体管中的耗散并将其限制在最大值。这意味着产品的输出功率受到人为的和不必要的限制，并且更大的功率晶体管将需要达到更高的输出功率规格。

而其它商业上可获得的集成电路借助于感应发射极(例如，美国专利No.4669026中描述的)，在每个功率晶体管中使用局部温度测量。这种局部温度测量用来在其超过某个阀值温度时减少功率晶体管的电流增益。用电流增益的减小补偿基极电流的进一步增加，使得输出电流(和功率耗散)不再响应于驱动电流，并且温度维持在该阈值附近。

该方法的主要优点在于它防止了上述不必要的输出功率限制。该感应-发射极的位置尽可能地靠近功率产生区域(优选地位于功率晶体管中间)，这使得在温度测量中可能的出错和延迟最少。晶体管完全利用动态安全工作区。然而，该方法的一个显著缺点是，与感应发射极相连的电流源需要某一电压以进行正确的操作。对于低端功率晶体管，这意味着功率发射极不能直接与地相连，而是需要在发射极和地之间提供电阻。这导致不希望的最大输出功率的减少，特别是在低电源电压的情况下。

该方法的另一个缺点是需要大电容以为每个功率晶体管的温度控制回路提供稳定性。美国专利No.4669026中参照的20pF的电容器相当于功率晶体管面积本身很大的比例(20％)。该方法的另一个缺点是由于总反馈回路中晶体管的使用，因为当该反馈回路试图通过增加功率晶体管的驱动电流驱使某一输出电流流出该集成电路时，该局部反馈回路趋于通过放弃部分驱动电流来减少功率晶体管的电流增益而起反作用。结果是驱动级将箝位在其最大驱动电流。

我们现在发明一种改进的配置。

根据本发明，提供一种保护集成电路免于由于过热而损坏的方法，该集成电路包括两个或两个以上晶体管，该方法包括以下步骤：

i)测量每个所述晶体管中的温度；和

ii)如果所述晶体管中任一个的测量温度超出了第一预定阈值温度，则禁用所述晶体管中的至少一个一段预定的时间；

该方法特征在于，温度测量通过测量流经关于所述晶体管中每一个设置的反偏二极管的电流执行。

根据本发明，提供保护集成电路免于由于过热而损坏的装置，该集成电路包括两个或两个以上晶体管，该装置包括：

i)测量所述晶体管中每一个的温度的装置；和

ii)如果所述晶体管中任何一个的测量温度超过预定的阈值温度，禁止所述晶体管中至少一个一段预定时间的装置；

该保护装置的特征在于，测量温度的装置包括测量流经关于所述晶体管中每一个提供的反偏二极管的电流的装置。

本发明进一步扩展至一种集成电路，其包括多个功率晶体管，以及如上定义的保护所述集成电路免于由于过热而损坏的装置。

本发明还进一步扩展至制造包括两个或两个以上晶体管的集成电路的方法，该方法包括以下步骤：关于所述晶体管中的每一个提供反偏二极管，以及监测流经所述反偏二极管中每一个的电流以确定各个晶体管温度的装置；以及提供在所述晶体管中的任一个的温度被确定为超过预定的阈值温度情况下，禁用所述晶体管中的一个或多个的装置。

这样，本发明提供保护集成电路免于由于过热而损坏的方法和装置，其专门基于功率晶体管中的温度测量。耗散不受限制(根据本发明的一个实施例，峰值达到250瓦特每沟道)。仅当到达不可接受的温度时集成电路才关断(一段预定的时间，例如3.5ms)。这最大化了集成电路(例如放大器)的输出功率，并在下面情况保护电路：

缺少外部散热器；

输出与电源电压引脚之间短路；

输出与接地引脚之间短路；

负载(SE或BTL)短路；

欧姆负载极低。

根据本发明使用的方法，将保护电路的设计减少成功率晶体管内部的快速局部温度测量、计时器电路和关断功率晶体管的关断电路。

有益地，除了在各个晶体管的每一个中实现局部温度测量外，还提供在集成电路的小信号部分实现全局温度测量的装置。这种温度测量优选地也基于流经在集成电路的小信号部分中提供的反偏pn结的电流。该系统优选地安置成这样的形式，在任何晶体管或集成电路的小信号部分中的温度被确定为高出某预定的阈值温度(例如，功率晶体管中的185℃，集成电路的小信号部分的150℃)时，关断所有的晶体管。优选地，提供一个计时器以在晶体管关断一段预定时间(例如3.5ms)之后，开启晶体管。

在一个优选实施例中，为所有的温度测量装置提供单个计时器和关断电路，这显著地减少了集成电路的面积。

本发明的方法和装置特别地，但不是仅仅，适用于音频放大器和类似电路。

这样，总而言之，本发明涉及保护功率晶体管(例如，在功率或音频放大器中的功率晶体管)的新颖的方法和电路。根据本发明，通过在多个不同地点、利用反偏二极管的漏电流间接测量(多个)功率晶体管的温度，而实现所述保护。在示例性的双极工艺中，N型外延层和槽((tub)，其中制备有横向PNP晶体管)的P型衬底之间的结形成该二极管。在示例性的实施例中该漏电流可以用作该PNP晶体管的基极电流并直接被该PNP晶体管放大。将放大的漏电流与阈值电流比较。其结果用来驱动一个NPN晶体管，该NPN晶体管启动用来“暂停”功率晶体管的计时器电路。可以调整阈值电流和电流镜，使得“触发”温度也可以被调整。优选地，温度传感器和“信号”(即功率)放大器都集成到单个部件中。

本发明的优势包括：

更大的功率输出

没有不必要的音频死点(audio hole)

工作原理不依赖于：

电源电压

负载阻抗

散热器尺寸

功率耗散

功率晶体管尺寸

管芯贴附质量

封装类型

环境温度

输出电流

本发明的这些和其它方面将从此后描述的实施例得以体现和解释。

本发明的实施例将参照附图仅以实例的方式描述，附图中；

图1是根据本发明的示例性实施例的测量和触发电路的电路图表示；

图2到4是根据本发明的示例性的实施例的功率晶体管结构的平面图，位于中间的隔离岛包含横向PNP晶体管；

图5是根据本发明的示例性的实施例的功率晶体管结构(两个晶体管插指和PNP晶体管)从左到右的示意性剖面图；和

图6是根据本发明的示例性的实施例的热保护方法的示意图。

本发明的示例性实施例中，提供一种保护方法，该方法基于集成电路的管芯表面上的九个温度的测量。8个局部测量基本在8个功率晶体管的每一个的中间实施，一个全局温度测量在集成电路的小信号部分内实施。如果这些温度中的一个被确定为超过最大值(例如在功率晶体管中185℃，在集成电路的小信号部分中150℃)，计时器被启动，其关断所有的功率晶体管一段预定的时间，此处为3.5ms。这段时间内，产品冷却。在预定时间过去后，功率晶体管被再次使能。如果仍有高耗散环境存在，温度将再次升高直到到达临界水平，功率晶体管被再次关断。

参考附图中的图1，温度测量电路基于温度与流经反偏pn结10的电流的关系，pn结10的阳极与P型衬底相连，且阴极与横向PNP晶体管的基极相连，该PNP晶体管的发射极与电源电压(Vs)相连。N型外延层和其中制备有横向PNP晶体管的槽的P型衬底之间的结形成二极管(10)。漏电流(ILeakage)用作PNP 2的基极电流，并直接被放大到该PNP的集电极。这样，温度传感器和信号放大器都集成在单个部件中，这极为节省面积。借助于比率为1∶N的电流镜14，将被放大的漏电流与阈值电流进行比较。其结果用来驱动NPN晶体管16，晶体管16下拉ACTIVATE节点以启动计时器。可利用阈值电流和电流镜比率N，来调整触发器温度。为确保在横向PNP12的温度和实际的功率晶体管温度之间仅有最小差异，PNP12被嵌入到功率晶体管中。

为了最小化局部温度测量中的延时和出错，反偏二极管10应该与热产生区域尽可能靠近。第一要求是功率晶体管结构在高功率耗散水平下也确保均匀的电流分布，以便最高温度发生在功率晶体管的中间。这里，反偏pn结应该被理想放置。本发明的一个示例性实施例中，实现了包含横向PNP晶体管的结隔离岛在功率晶体管的中间。功率晶体管具有几个发射极和集电极插指。隔离岛位于集电极插指的中间使得有源发射极区域的损耗最小。而且，这保证了所述岛被有源的、产生热的晶体管区域包围。参考附图中的图5，功率晶体管100可以在标准双极工艺中制备，以浅P型扩散(SP)作为基极，浅N型扩散(SN)作为发射极，N型外延层作为集电极，掩埋N型层(BN)和具有深N型(DN)和SN的栓作为低欧姆集电极极接触。隔离由到P型衬底的深P扩散(DP)完成。在发射极区域制造H型的孔以形成用于均匀电流分布的分布式的发射极电阻。晶体管布局的顶视图在附图的图2、3和4中示出。

附图的图6中，示意性示出了保护方法。所有的温度测量电路200a、b…都连接到下拉线202，即计时器204的触发输入。该计时器产生供给关断电路206的具有固定周期的脉冲，该关断电路206关断所有功率晶体管208a、b…(通过将基极拉到发射极)以及其所有驱动晶体管。全局温度传感器210与局部传感器基本相同，只是阈值电流I_{threshold，global}较低(因此阈值温度也较低)。

温度传感器在电路的小信号部分中的位置与功率晶体管的距离使得其温度与正常工作条件下散热器的温度很接近。在本发明的示例性实施例中，电路的小信号部分的最大结温，依照通用质量规范(GQS)，为150℃。

这样，总而言之，最常用的保护方法试图防止所有可能导致高温的事件，例如，短路、低欧姆负载、缺少散热器等。然而，所有这些条件引起的实际温度升高取决于很多参数(环境温度、耗散脉冲的长度、功率晶体管尺寸、管芯贴附质量、外部散热器尺寸、电源电压等)。因为所有这些参数的极限和范围，产品的输出功率被人工地定义限制在比它能处理的值小得多的值。例如，当保护基于在10ms期间最大功率耗散50W时，这意味着对于1ms的50W脉冲不必要地启动了保护(而在这些短脉冲内温度升高仍能接受)。另一个解决方法可以是使用温度滞后。然而，因为传感器和功率晶体管之间良好的热耦合，这导致相对高的切换频率(大约几百千赫)，这是不可接受的。

与此对照，本发明的保护方法保护功率晶体管免于出故障的实际原因，即，临界高温。因此不需要规定最小负载阻抗、散热器尺寸等，因为当工作环境变得太糟糕时，产品将被自动保护。换句话说，对于本发明的保护电路的启动，高(局部或全局)温度的原因不是至关重要的。可能归因于：

缺少外部散热器；

输出到电源电压的短路；

输出到地的短路；

负载短路；

高输出电流水平进入到极低欧姆负载；

输出电流和输出电压之间的大的相移(例如在实际的扬声器中)导致的高耗散峰。

所有这些条件都可以导致高的功率晶体管温度，并可以触发保护机制。注意，保护电路仅在必要时启动，所以甚至在短路情况期间，一定量的(脉冲)电流仍可以流经该短路，该电流是功率晶体管能够处理而不超过临界温度值的电流。

本发明的实施例这里仅以实例方式描述，对于本领域技术人员这是显而易见的，即，对描述的实施例可以进行调整和修改而不偏离由所附权利要求定义的本发明的范围。还应当理解这里使用的“包括”一词不排除其它元件或步骤，“一个”一词不排除有多个这样的元件，单个处理器或其它单元可以完成权利要求中陈述的几个装置的功能。

使用由多个温度测量中的任何一个触发的单个计时器和关断电路，避免了对局部控制回路的需要，所述局部控制回路有大电容、稳定性风险并且箝位驱动级。这使得芯片面积和复杂度显著减小，特别是在集成电路具有大量功率晶体管的情况下。

Claims

1、一种保护集成电路免于由于过热而损坏的方法，该集成电路包含两个或更多个晶体管(208)，该方法包括以下步骤：

i)在每个所述晶体管(208)中或上提供温度测量装置(200)；和

ii)如果在任何一个所述晶体管(208)中测得的温度超出第一预定阈值温度，则禁用所述晶体管(208)中的至少一个一段预定的时间；

该方法的特征在于，温度测量装置(200)包括测量流经关于每个所述晶体管(208)提供的反偏二极管(10)的电流的装置。

2、根据权利要求1所述的方法，其中，所述晶体管(208)是功率晶体管。

3、根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述反偏二极管(10)由所述集成电路中的反偏pn结构成。

4、根据权利要求1到3中任何一个所述的方法，包括以下步骤：为集成电路的小信号部分提供温度测量装置(210)，和如果所述集成电路的小信号部分的测量温度超出第二预定阈值温度，则关断所述晶体管(208)一段预定的时间。

5、根据权利要求4所述的方法，其中，为所述集成电路的小信号部分提供的所述温度测量装置(210)包括测量流经反偏二极管的电流的装置。

6、根据权利要求4所述的方法，其中，所述第一预定阈值温度大于所述第二预定阈值温度。

7、根据权利要求1到6中任何一个所述的方法，其中，所述第一和第二预定阈值温度的范围为130℃-200℃。

8、根据权利要求1到7中任何一个所述的方法，其中，所述预定时间段为2到5ms，且该方法包括在所述预定时间段结束后自动使能晶体管(208)的步骤。

9、一种保护集成电路免于由于过热而损坏的装置，该集成电路包括两个或更多个晶体管(208)，该装置包括：

测量每个所述晶体管(208)中温度的装置(200)；和

如果任何一个所述晶体管(208)中测得的温度超过预定阈值温度，则禁用所述晶体管(208)中的至少一个一段预定时间的装置(204，206)；

该保护装置的特征在于，测量温度的装置(200)包括测量流经为每个所述晶体管(208)提供的反偏二极管(10)的电流的装置。

10、根据权利要求9所述的装置，包括用于测量集成电路的小信号部分中的温度的装置(210)。

11、根据权利要求10所述的装置，其中，所述用于测量集成电路的小信号部分中的温度的装置(210)包括测量流经反偏二极管的电流的装置。

12、根据权利要求9到11中任何一个所述的装置，其中，所述晶体管(208)是功率晶体管。

13、根据权利要求9到12中任何一个所述的装置，包括关断装置(206)，其用于在任何一个所述晶体管中的温度被确定为超过所述预定阈值温度的情况下禁用所有所述晶体管。

14、根据权利要求13所述的装置，包括计时器装置(204)，其用于在所述预定时间段结束后使能所述晶体管(208)。

15、根据权利要求9到14中任何一个所述的装置，其中，所述反偏二极管(10)由在所述集成电路中提供的反偏pn结构成。

16、一种集成电路，其包括多个功率晶体管(208)，和根据权利要求9到15中任何一个所述的保护所述集成电路免于由于过热而损坏的装置，所述保护装置包括：用于测量每个所述晶体管(208)中温度的装置(200)；和共用的关断(206)和计时器装置(204)，用于在任何一个所述晶体管(208)中的温度被确定为超过预定阈值温度情况下禁用所有所述晶体管(208)和在所述预定时间段结束后重新使能所述晶体管。

17、一种放大器，包括根据权利要求16所述的集成电路。

18、一种制造包含两个或更多个晶体管(208)的集成电路的方，该方法包括以下步骤：为每个所述晶体管(208)提供反偏二极管(10)，以及监测流经每个所述二极管(10)的电流以确定相应的晶体管(208)的温度的装置；以及提供装置(204，206)，用于在任何所述晶体管(208)被确定为超出预定阈值温度情况下，禁用一个或多个所述晶体管(208)一段预定的时间。