TWI727806B

TWI727806B - 熱感測器及晶片

Info

Publication number: TWI727806B
Application number: TW109116845A
Authority: TW
Inventors: 林大新; 黃俊嘉
Original assignee: 聯發科技股份有限公司
Priority date: 2019-06-06
Filing date: 2020-05-21
Publication date: 2021-05-11
Also published as: EP3748319A1; US20200386629A1; TW202045935A; CN112050960B; CN112050960A; US11513012B2; CN115711679A; EP3748319B1

Abstract

本發明公開一種熱感測器，包括：帶隙電路，輸出與溫度有關的電壓；雙相電壓頻率轉換器，在正常階段耦合到該帶隙電路，以基於該與溫度有關的電壓執行電壓頻率轉換，並在係數截取階段與該帶隙電路斷開，以基於電源電壓執行電壓頻率轉換；以及頻率計，耦合至該雙相電壓頻率轉換器，以計算與該雙相電壓頻率轉換器的正常階段相對應的與溫度有關的頻率和與該雙相電壓頻率轉換器的係數截取相對應的與溫度無關的頻率，其中提供與溫度有關的頻率和與溫度無關的頻率，以進行消除非理想係數的溫度評估。

Description

熱感測器及晶片

本發明涉及電學技術領域，尤其涉及一種熱感測器及晶片。

在電子設備中，例如使用快速應用處理器（application processor，AP）的現代行動設備中，最高工作速度通常受散熱問題的限制。因此，準確的溫度感測對於最大化電子設備的運行速度至關重要。通常，將熱感測器（thermal sensor）放置在晶片中。熱感測器的電阻器和電容器的老化可能會降低溫度感測的準確性。或者，封裝應力也可能會改變熱感測器中使用的電阻器和電容器，從而影響溫度感測。

因此，需要提供一種準確性更高的熱感測器。

有鑑於此，本發明提供一種熱感測器，具有更高的準確性。

根據本發明的第一方面，公開一種熱感測器，包括：帶隙電路，輸出與溫度有關的電壓；雙相電壓頻率轉換器，在正常階段耦合到該帶隙電路，以基於該與溫度有關的電壓執行電壓頻率轉換，並在係數截取階段與該帶隙電路斷開，以基於電源電壓執行電壓頻率轉換；以及頻率計，耦合至該雙相電壓頻率轉換器，以計算與該雙相電壓頻率轉換器的正常階段相對應的與溫度有關的頻率和與該雙相電壓頻率轉換器的係數截取相對應的與溫度無關的頻率，其中提供與溫度有關的頻率和與溫度無關的頻率，以進行消除非理想係數的溫度評估。

根據本發明的第二方面，公開一種晶片，包括：如上所述的熱感測器；以及處理器，基於與溫度有關的頻率和與溫度無關的頻率來評估溫度資料，並基於該溫度資料來評估溫度值，其中，當評估該溫度資料時，該處理器透過該與溫度無關的頻率來消除該與溫度有關的頻率的非理想係數。

本發明的熱感測器由於計算與該雙相電壓頻率轉換器的正常階段相對應的與溫度有關的頻率和與該雙相電壓頻率轉換器的係數截取相對應的與溫度無關的頻率，這樣就可以根據所提供與溫度有關的頻率和與溫度無關的頻率，以方便下一步進行消除非理想係數的溫度評估，從而消除由於電子組件的老化效應或封裝應力而導致的劣化，提高熱感測器可以得到的溫度的準確性。

貫穿以下描述和申請專利範圍書使用某些術語，其指代特定部件。如本領域的技術人員將理解的，電子設備製造商可以用不同的名稱來指代组件。本文檔無意區分名稱不同但功能相同的组件。在以下描述和申請專利範圍中，術語“包括”和“包含”以開放式方式使用，因此應解釋為表示“包括但不限於...”。同樣，術語“耦合”旨在表示間接或直接的電連接。因此，如果一個設備耦合到另一設備，則該連接可以是透過直接電連接，或者是透過經由其他設備和連接件的間接電連接。

第1圖描繪了根據本發明示例性實施例的具有熱感測器102的晶片100。

熱感測器102採用基於電晶體的設計（而不是使用電阻器或ETF（electrothermal filter，電熱濾波器）），基於電晶體的設計批量生產更為穩健，並且溫度係數模型在設計階段更為精確。熱感測器102具有電荷泵（charge pump）電路104、帶隙（bandgap）電路106、雙相（dual-phase）電壓頻率（voltage-to-frequency）轉換器108和頻率計（frequency meter）110。電源電壓VDD（例如，大約0.5V，例如0.568V）泵浦（pump）到更高電位（level）的CPV（例如1.2V左右）進行帶隙電路106的操作（operation），從而為帶隙電路106提供更大的動態餘量（headroom）。帶隙電路亦可稱為帶差參考電路。

帶隙電路106包括電晶體，電晶體的結點（junction）正向偏置電壓VBE（forward-bias voltage）隨結點溫度而變化。帶隙電路106輸出與溫度無關的（temperature-independent）參考電壓VREF以及與溫度有關的（temperature-dependent）電壓VBE / 2（其中與溫度有關的電壓VBE/2也可以是其他數值，例如1.2VBE、1.1VBE或VBE/3等等，本實施例中與溫度有關的電壓VBE/2僅為舉例說明。此外與溫度無關的參考電壓VREF也可以根據與溫度有關的電壓的數值來確定）。也即，本實施例中例如帶隙電路106可以包括雙極結型電晶體，與溫度有關的電壓VBE / 2可以是該雙極結型電晶體的基極和發射極之間的電壓差的一半，當然如上所述也可以是1.2VBE、1.1VBE或VBE/3等等。在正常階段（normal phase）中，雙相電壓頻率轉換器108基於與溫度有關的電壓VBE / 2和與溫度無關的電壓VREF執行電壓頻率轉換。產生以與溫度有關的頻率F1振盪的振盪訊號Sosc（因為VREF是與溫度無關，VBE/2是與溫度有關，因此最後振盪訊號Sosc的溫度係數（振盪的頻率F1）會是VBE/2決定的）。

除了正常階段外，在本發明中還特別提供了係數截取階段（coefficient capturing phase）。在係數截取階段，雙相電壓頻率轉換器108與帶隙電路106斷開。因此與正常階段不同，雙相電壓頻率轉換器108基於電源電壓（例如VDD和VDD / 2（其中VDD/2僅為舉例說明，並非限制，例如還可以使其他數值，如VDD/3、1.2VDD等等））進行電壓頻率轉換。改變所產生的振盪訊號Sosc，使振盪訊號Sosc以與溫度無關的頻率F1_Coeff振盪。與溫度無關的頻率F1_Coeff用於消除非理想係數。係數截取階段亦可稱為係數捕捉階段或係數捕獲階段。

由頻率計110計算與溫度有關的頻率F1和與溫度無關的頻率F1_Coeff。頻率計110可以是基於電晶體的熱感測器102的數位後端（digital back-end），並且頻率計110耦合至晶片100的處理器。頻率計110可以在計算出與溫度有關的頻率F1和與溫度無關的頻率F1_Coeff之後，將與溫度有關的頻率F1和與溫度無關的頻率F1_Coeff一起傳給處理器112。例如頻率計110在正常階段先計算出與溫度有關的頻率F1，然後存儲在寄存器中；接著在係數截取階段計算出與溫度無關的頻率F1_Coeff，之後將與溫度有關的頻率F1和與溫度無關的頻率F1_Coeff一起傳給處理器112。處理器112可以從與溫度有關的頻率F1推導與溫度有關的週期Period_1，並且從與溫度無關的頻率F1_Coeff得出與溫度無關的週期Period_2。與溫度有關的週期Period_1的非理想係數顯示在與溫度無關的週期Period_2中。透過將與溫度有關的週期Period_1除以與溫度無關的週期Period_2，可以消除與溫度有關的週期Period_1的非理想係數。此外，在另一個實施例中，頻率計110將與溫度有關的頻率F1和與溫度無關的頻率F1_Coeff傳給處理器112之後，處理器112直接使用溫度有關的頻率F1和與溫度無關的頻率F1_Coeff進行計算（即處理器112不推導出與溫度有關的週期Period_1和與溫度無關的週期Period_2，而直接例如使用F1除以F1_Coeff）。這樣處理器112無需將與溫度有關的頻率F1和與溫度無關的頻率F1_Coeff分別轉換為溫度有關的週期Period_1和與溫度無關的週期Period_2（期中與溫度有關的頻率F1的倒數即為與溫度有關的頻率F1，與溫度無關的頻率F1_Coeff的倒數即為與溫度無關的週期Period_2），可直接使用與溫度有關的頻率F1和與溫度無關的頻率F1_Coeff進行消除非理想係數的溫度評估（例如F1除以F1_Coeff）。這樣可以節省計算步驟，更加快速的進行計算和評估，提高效率。本實施例中評估（或稱為估計）可以是計算，例如使用數學步驟或公式等進行計算。

在示例性實施例中，處理器112基於與溫度有關的週期Period_1和與溫度無關的週期Period_2（或處理器112基於與溫度有關的頻率F1和與溫度無關的頻率F1_Coeff）來評估溫度資料x，然後基於溫度資料x來評估溫度值T。因為在溫度資料x的評估過程中，與溫度有關的週期Period_1的非理想係數可以由溫度無關週期Period_2消除（例如，透過將Period_1除以Period_2，或者F1除以F1_Coeff），所以從溫度資料評估的溫度值Tx是可靠的。熱感測器102內的電子组件的劣化（例如，由於老化效應或封裝應力而導致的劣化（degradation））不影響熱感測器102的精度。根據高精度溫度值T，處理器112可以有效地優化晶片100的運轉或操作。具有這種穩健的熱感測器102的晶片100在汽車電子設備中能夠很好地工作，從而保證了汽車電子設備較長的使用壽命。

第2圖描繪了根據本發明示例性實施例的雙相電壓頻率轉換器108的細節。雙相電壓頻率轉換器108包括選擇電路202和204以及開關電容器積分器迴路206。在正常階段，選擇電路202和204將與溫度有關的電壓VBE / 2和與溫度無關的電壓VREF傳遞給開關電容器積分器迴路206，並且開關電容器積分器迴路206產生以與溫度有關的頻率F1振盪的振盪訊號Sosc。在係數截取階段，選擇電路202和204將直流電壓VDD和VDD / 2傳遞到開關電容積分器迴路206，從而由開關電容積分器迴路206產生以與溫度無關的頻率F1_Coeff振盪的振盪訊號Sosc。

開關電容器積分器迴路206包括積分器208（包括開關電容器電阻器210），壓控振盪器（voltage controlled oscillator，VCO）212和除法器（divider）214。開關電容器電阻器210透過積分器208的輸入端子耦合到積分器208。當與溫度無關的參考電壓VREF耦合至積分器208的參考端子（圖中運算放大器的“+”端子）時，開關電容器電阻器210接收與溫度有關的電壓VBE / 2。當直流電壓VDD / 2耦合到積分器208的參考端子時，該開關電容器電阻器210接收直流電壓VDD。壓控振盪器212根據積分器208的輸出電壓產生振盪訊號Sosc。開關電容器電阻器210可以模仿（mimic）電阻器，例如開關電容器電阻器210基於除法器214之後的振盪訊號來模仿電阻器。壓控振盪器212包括與積分器208的輸出端連接的電阻器R1、與電阻器R1連接的電晶體M3（連接於電晶體M3的閘極端）、耦接於電阻器R1和電晶體M3之間的電容器C1（電容器C1的另一端可接地）。電晶體M3（源極或漏極）耦接於電壓，例如為0.568伏特（當然可根據需要自由設置）。

如圖所示，開關電容器電阻器210具有開關216和218以及電容器Cx。除法器214耦接於壓控振盪器212的輸出端，並耦接於開關216和218，以控制開關216和218。開關216和218分別由除法器214的輸出訊號和反相輸出訊號控制。電容器Cx具有用於接收與溫度有關的的電壓VBE / 2或直流電壓VDD的第一端子，以及透過第二開關218耦合到積分器208的輸入端子（圖中運算放大器的“-”端子）的第二端子。開關216耦合在電容器Cx的第一端子和第二端子之間。積分器208還包括耦接於積分器208的輸入端子（圖中運算放大器的“-”端子）與算放大器的輸出端子之間的電容器Cc。

根據第2圖的電路設計，與溫度有關的頻率F1和與溫度無關的頻率F1_Coeff都涉及關於開關電容器電阻器210的電容器Cx的資訊，這些資訊可能會受到老化效應或封裝應力的影響。透過將與溫度有關的頻率F1和與溫度無關頻率F1_Coeff進行組合（例如，將Period_1除以Period_2，或者將F1除以F1_Coeff），消除了由於開關電容器電阻器210的電容器Cx引起的非理想係數。評估沒有非理想係數的溫度資料x。因此，可以評估高精度溫度值T。其中，將與溫度有關的頻率F1和與溫度無關頻率F1_Coeff進行組合的步驟可以由熱感測器之外的部件完成，例如可以由處理器進行操作；而熱感測器提供上述兩個頻率，從而為下一步的組合或計算提供的基礎。在一個較優的實施例中，將與溫度有關的頻率F1和與溫度無關頻率F1_Coeff進行組合可以是將與溫度有關的頻率F1處以與溫度無關頻率F1_Coeff，以消除Rx和Cx，即消除了變量Rx和Cx的影響，從而使得到的溫度值更加準確。

在正常階段，與溫度有關的頻率F1對應於溫度有關的週期Period_1，Rx•Cx（VBE / 2VREF-1）。也即

，當然與溫度有關的頻率F1=1/Period_1。由於老化效應或封裝應力，電容器Cx上可能會有不理想的變化。為了截取電容器Cx的當前值，將雙相電壓頻率轉換器108切換到係數截取階段。

在係數截取階段，與溫度無關的頻率F1_Coeff對應於與溫度無關的週期Period_2，Rx•Cx。也即Period_2=Rx•Cx，當然與溫度無關的頻率F1_Coeff=1/Period_2。與溫度無關的週期Period_2攜帶關於電容器Cx的當前值的資訊。

由頻率計110計算並發送到處理器112的與溫度有關的頻率F1和與溫度無關的頻率F1_Coeff可以由處理器112轉換為Period_1和Period_2。當然處理器112也可以不將與溫度有關的頻率F1和與溫度無關的頻率F1_Coeff分別轉換為Period_1和Period_2，而是直接使用與溫度有關的頻率F1和與溫度無關的頻率F1_Coeff進行評估或計算，以得到溫度資料x；作為示例，本實施例中處理器112可以進一步透過以下計算評估溫度資料x ：

x =

=

=

其中，Rx_cali、Cx_cali、VBE_cali和VREF_cali是在工廠中測量並在晶片100中燒錄的常數。在評估的溫度資料x中，非理想係數Rx•Cx完美消除。處理器112可以透過以下計算來評估溫度值T：

T = ax + b

其中a和b可以是常數，a是斜率值，b是偏移值。根據沒有非理想係數的高精度溫度資料x，估算的溫度值T是準確的。由於老化效應或封裝應力，在開關電容器電阻器206內的電容器Cx上可能存在相當大的振動或波動。在本發明中，電容器Cx上的非理想振動不影響熱感測器102的精度。另外處理器直接使用與溫度有關的頻率F1和與溫度無關的頻率F1_Coeff進行評估或計算時，可以使用與上述類似的公式評估或計算，僅僅是將上述公式中的Period_1和Period_2分別寫為1/F1和1/F1_Coeff，其餘的計算可以不變。

在一些示例性實施例中，傳遞到開關電容器積分器迴路206的直流電壓是VDD和β•VDD。 β不限於1/2，可以是任何常數，例如上述的1/3VDD、1.2VDD等等，本實施例中取值為1/2可以方便計算。

在另一個示例性實施例中，不需要與溫度無關的參考電壓VREF。所公開的雙相電壓頻率轉換器在正常階段中耦合到帶隙電路，以基於由帶隙電路產生的與溫度有關的電壓來執行電壓頻率轉換（無需考慮與溫度無關的參考電壓VREF）。所公開的雙相電壓頻率轉換器在係數截取階段與帶隙電路斷開連接，以基於從電源電壓VDD匯出的單個直流電壓來執行電壓頻率轉換。

第3圖是示出根據本發明示例性實施例的熱感測器102的熱感測過程的流程圖。

在步驟S302中，雙相電壓頻率轉換器108在正常階段下運行或操作，以基於與溫度有關的電壓VBE / 2和與溫度無關的參考電壓VREF進行電壓頻率轉換。從而產生以與溫度有關的頻率F1振盪的振盪訊號Sosc。

在步驟S304中，頻率計110計算與溫度有關的頻率F1。

在步驟S306中，雙相電壓頻率轉換器108在係數截取階段中運行或操作，以基於兩個直流電壓VDD和VDD / 2以及由此產生的振盪來執行電壓頻率轉換。訊號Sosc切換為以與溫度無關的頻率F1_Coeff振盪，該頻率包括關於非理想係數的資訊。

在步驟S308中，頻率計110計算與溫度無關的頻率F1_Coeff。

在步驟S310中，處理器112基於與溫度有關的頻率F1（從步驟S304計算）和與溫度無關的頻率F1_Coeff（從步驟S308計算）評估溫度資料x，然後從溫度資料x評估溫度值T（例如，T = ax + b），或基於溫度資料x來評估或計算溫度值T。

在一些示例性實施例中，熱感測器102可以製造為將被裝配到任何電子設備中的模組。

儘管已經對本發明實施例及其優點進行了詳細說明，但應當理解的是，在不脫離本發明的精神以及申請專利範圍所定義的範圍內，可以對本發明進行各種改變、替換和變更。所描述的實施例在所有方面僅用於說明的目的而並非用於限制本發明。本發明的保護範圍當視所附的申請專利範圍所界定者為准。本領域技術人員皆在不脫離本發明之精神以及範圍內做些許更動與潤飾。

100:晶片 102:熱感測器 104:電荷泵電路 106:帶隙電路 108:雙相電壓頻率轉換器 110:頻率計 112:處理器 202、204:選擇電路 206:開關電容器積分器迴路 208:積分器 210:開關電容器電阻器 212:壓控振盪器 214:除法器 216、218:開關 S302、S304、S306、S308、S310:步驟

透過閱讀後續的詳細描述和實施例可以更全面地理解本發明，本實施例參照附圖給出，其中：第1圖描繪了根據本發明示例性實施例的具有熱感測器102的晶片100；第2圖描繪了根據本發明的示例性實施例的雙相電壓頻率轉換器108的細節；和第3圖是示出根據本發明的示例性實施例的熱感測器102的熱感測過程的流程圖。

100:晶片

102:熱感測器

104:電荷泵電路

106:帶隙電路

108:雙相電壓頻率轉換器

110:頻率計

112:處理器

Claims

一種熱感測器，包括：帶隙電路，輸出與感測的溫度有關的電壓；雙相電壓頻率轉換器，在正常感測操作階段耦合到該帶隙電路，以基於該與感測的溫度有關的電壓執行電壓頻率轉換，並在係數截取階段與該帶隙電路斷開，以基於電源電壓執行電壓頻率轉換；以及頻率計，耦合至該雙相電壓頻率轉換器，以計算與該雙相電壓頻率轉換器的正常感測操作階段相對應的與感測的溫度有關的頻率和與該雙相電壓頻率轉換器的係數截取相對應的與溫度無關的頻率，其中提供與感測的溫度有關的頻率和與溫度無關的頻率，以進行消除非理想係數的溫度評估。
如申請專利範圍第1項所述的熱感測器，還包括：電荷泵電路，將該電源電壓泵浦到更高的電位以用於該帶隙電路的操作，其中，該帶隙電路還產生與溫度無關的參考電壓，以耦合至具有該與感測的溫度有關的電壓的雙相電壓頻率轉換器。
如申請專利範圍第2項所述的熱感測器，其中：該雙相電壓頻率轉換器包括開關電容器積分器迴路；在該正常感測操作階段，將該與感測的溫度有關的電壓和該與溫度無關的參考電壓耦合到該開關電容積分器迴路，並且由該開關電容積分器迴路產生以該與感測的溫度有關的頻率振盪的振盪訊號；以及在該係數截取階段，從該電源電壓獲得的第一直流電壓和第二直流電壓耦合到該開關電容器積分器迴路，從而由該開關電容器積分器迴路在該與感測的溫度有關的頻率下產生該振盪訊號。
如申請專利範圍第3項所述的熱感測器，其中，該開關電容器積分器迴路包括：積分器；開關電容器電阻器，透過該積分器的輸入端子耦合到該積分器，當該與溫度無關的參考電壓耦合到該積分器的參考端子時，接收該與感測的溫度有關的電壓；當該與溫度無關的參考電壓耦合到該積分器的參考端子時，接收該第一直流電壓；壓控振盪器，根據該積分器的輸出電壓產生該振盪訊號；以及除法器，基於該振盪訊號操作該開關電容器電阻器來模仿電阻器。
如申請專利範圍第4項所述的熱感測器，其中，該開關電容器電阻器包括：第一開關和第二開關，分別由該除法器的輸出訊號和反相輸出訊號控制；以及電容器，具有用於接收與感測的溫度有關的電壓或第一直流電壓的第一端子，以及透過第二開關耦合到積分器的輸入端子的第二端子，其中，該第一開關耦合在該電容器的第一端子和第二端子之間。
如申請專利範圍第4項所述的熱感測器，其中：該與感測的溫度有關的頻率和該與溫度無關的頻率都涉及關於該開關電容器電阻器的電容器的資訊；以及其中，透過組合該與感測的溫度有關的頻率和該與溫度無關的頻率，以消除由該開關電容器電阻器的電容器引起的非理想係數，並評估用於評估溫度值的溫度資料。
如申請專利範圍第5項所述的熱感測器，其中，該雙相電壓頻率轉換器還包括：第一選擇電路，將該與感測的溫度有關的電壓耦合到該正常感測操作階段的該開關電容器電阻器的電容器的第一端子，並在該係數截取階段將該第一直流電壓耦合到該開關電容器電阻器的電容器的第一端子；以及第二選擇電路，在該正常感測操作階段將該與溫度無關的參考電壓耦合到該積分器的參考端子，在該係數截取階段將該第二直流電壓耦合到該積分器的參考端子。
如申請專利範圍第1項所述的熱感測器，其中，該帶隙電路包括雙極結型電晶體，並且該與感測的溫度有關的電壓是該雙極結型電晶體的基極和發射極之間的電壓差的一半。
如申請專利範圍第3項所述的熱感測器，其中：該第二直流電壓是該第一直流電壓的一半。
一種晶片，包括：如申請專利範圍第1項至第9項任一一項所述的熱感測器；以及處理器，基於與感測的溫度有關的頻率和與溫度無關的頻率來評估溫度資料，並基於該溫度資料來評估溫度值，其中，當評估該溫度資料時，該處理器透過該與溫度無關的頻率來消除該與感測的溫度有關的頻率的非理想係數。
如申請專利範圍第10項所述的晶片，其中：在評估該溫度資料時，該處理器將該與感測的溫度有關的頻率除以該與溫度無關的頻率，以消除受該開關電容器電阻器的電容器影響的非理想係數。
如申請專利範圍第11項所述的晶片，其中：該處理器透過執行以下計算來評估該溫度值，T=ax+b，其中T是溫度值，x是溫度資料，a是斜率值，b是偏移值。
如申請專利範圍第10項所述的晶片，其中，該處理器從該與感測的溫度有關的頻率得到與感測的溫度有關的週期，從該與溫度無關的頻率得到與溫度無關的週期，以基於該與感測的溫度有關的週期和該與溫度無關的週期來評估該溫度資料，並基於該溫度資料來評估該溫度值，其中，當評估該溫度資料時，該處理器透過該與溫度無關的週期來消除該與感測的溫度有關的週期的非理想係數。