WO2020206807A1 - 一种基于寿命衰减速率控制的芯片热保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于寿命衰减速率控制的芯片热保护方法，以寿命衰减速率控制模型为核心，根据结温预测模型输出的芯片实时结温，实时计算芯片寿命衰减速率加速比，实时输出控制命令，实现对下位机的最优控制，进而达到保护芯片的目的。本发明采用寿命衰减速率控制的方法，实时对芯片寿命衰减速率加速比进行均值计算。该方法能够避免电子系统在热振荡和EMC环境下产生的误报警，稳定可靠。本发明采用警告和报警相结合的机制，既能在必要时及时保护芯片，防止芯片过热损坏，又能及时提醒客户改善系统工作环境，防系统报警导致的产线停运。本发明不需要增加任何硬件物料成本，同时该方法具有通用性。

Description

一种基于寿命衰减速率控制的芯片热保护方法 技术领域

本发明涉及一种芯片热保护方法，具体说是一种基于寿命衰减速率控制的芯片热保护方法。

背景技术

芯片是20世纪50年代后期至60年代发展起来的一种新型半导体微电子器件。它是把一定数量的常用电子元件，如电阻、电容、晶体管等，以及这些元件之间的连线，通过半导体工艺集成在一起的具有特定功能的电路。芯片具有体积小，重量轻，引出线和焊接点少，寿命长，可靠性高，性能好等优点，同时成本低，便于大规模生产。它不仅在工业、民用电子设备如控制器、收音机、电视机、计算机等方面得到广泛的应用，同时在军事、通讯、遥控等方面也得到广泛的应用。

随着芯片集成密度和功率密度的不断提高，由耗散功率导致的芯片过热已经成为影响芯片稳定、可靠工作的一个重要因素。因此，如何对芯片进行热保护，进而维持芯片的正常使用也越来越受到重视。对于芯片设计而言，有时因为现有技术水平限制，无法短时间内制造出高结温且长寿命的芯片。为了应对高环温等外部恶劣工况，需要采用寿命衰减速率控制的方法来保护芯片，防止芯片长时间出现结温过高的情况。相反，若芯片在此恶劣工况中长时间运行出现结温过高的情况，且软件未采用寿命衰减速率控制的方法，芯片一旦出现损坏又未及时更换，将会对整个电子系统产生不良影响，甚至造成巨大的损失。

传统的过热保护方案，基本都是在电子系统的热敏感芯片接上温度传感器，温度传感器放置在高温点处，微控制单元MCU实时采集温度传感器的温度，当温度达到热敏感芯片的保护点时，MCU关掉热敏感芯片等运行芯片的电源使能信号，从而使热敏感芯片及其其他功能芯片不 工作，减小甚至关闭了热源。这种传统热保护方案，从现实应用角度来看是模糊粗糙的：(1)当电子系统处于高环温恶劣工况中，温度在热敏感芯片的保护点上下波动时，MCU会反复关掉开启热敏感芯片等运行芯片的电源使能信号，如此反复，使芯片在停止和正常工作两种状态中循环，造成系统的热振荡；(2)当电子系统处于强电磁恶劣工况中，即使温度未达到热敏感芯片的保护点时，MCU受到电磁干扰误关掉热敏感芯片等运行芯片的电源使能信号，从而使热敏感芯片及其其他功能芯片不工作，从而给现实应用造成困难；(3)电子系统应用中，温度传感器断线故障特殊情况并未说明。近年来，随着芯片热保护技术的发展，出现了一些电子系统芯片热可靠性设计的新方法，例如：一种电子系统的过热保护电路和电子系统，用于预测芯片寿命的芯片内建自检电路系统等。

中国发明专利《一种电子系统的过热保护电路和电子系统》(公告号CN104158150A)，公开了一种电子系统的过热保护电路和电子系统，这种电子系统的过热保护电路，在MCU不能控制断开电子系统的工作电源时，启动保护，关掉工作电源，达到高安全度的过热保护，防止安规事件的发生。此专利仅仅强调了高安全度的过热保护，芯片热保护的方法和传统的过热保护方案相比并未改变，从现实应用角度来看仍然是模糊粗糙的。

中国发明专利申请文献《用于预测芯片寿命的芯片内建自检电路系统》(公开号CN107544011A)，公开了用于预测芯片寿命的芯片内建自检电路，为维护人员提供维护依据，提前做好防范，减小不必要的损失。此专利采用芯片内建自检电路预测芯片寿命，是从集成电路设计者的角度考虑的，但是对于芯片使用者而言，芯片内部功能电路已经固化不可更改，更多的是需要从现实应用的角度考虑，所以此专利不具有通用性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，克服现有技术存在的缺陷，提出了一种基于寿命衰减速率控制的芯片热保护方法。以寿命衰减速率控制模型为核心，根据结温预测模型输出的芯片实时结温，实时计算芯片寿命衰减速率加速比，实时输出控制命令，实现对下位机的最优控制，进而达到保护芯片的目的。

一种基于寿命衰减速率控制的芯片热保护方法，其步骤是：

步骤1.根据被测芯片的工作要求，设定被测芯片结温第一阈值T _max1，设定被测芯片结温第二阈值T _max2，T _max1>T _max2；设定被测芯片热保护监测时间间隔ΔT。

根据芯片厂家提供的芯片结温及其对应寿命的关系,采用曲线拟合(或分段拟合)的方法，求得被测芯片平均寿命L与被测芯片结温温度T的函数关系曲线(或者函数关系L＝f(T))。

用内插法(或函数式计算的方法)求得被测芯片工作在第二阈值T _max2结温温度条件下，被测芯片的平均寿命L _max2。

步骤2.每隔单位时间Δt，采用温度传感器实时采集被测芯片正下方PCB板高温点的结温，计算时间间隔ΔT内被测芯片平均结温T _ave；Δt＜ΔT。

步骤3.若ΔT内被测芯片平均结温T _ave大于芯片结温第一阈值T _max1，则直接控制下位机停机，保护被测芯片。

若实时计算的ΔT内被测芯片平均结温T _ave小于第一阈值T _max1，则：

根据被测芯片平均寿命L与被测芯片结温温度T的函数关系曲线，求得被测芯片在结温温度T _ave工况下对应的平均寿命L _ave。

步骤4.计算被测芯片寿命衰减速率加速比为γ _i＝L _ave/L _max2；

步骤5.设定芯片热保护预警时间周期(N×ΔT)，N为自然数；在芯片热保护预警时间周期 内，重复步骤2到步骤4(如遇到被测芯片平均结温T _ave大于芯片结温第一阈值T _max1的情况，则芯片热保护)，获得各ΔT时间段内的γ _i，i＝1,2，……,N。

计算芯片热保护预警时间周期内(N*ΔT)被测芯片寿命衰减速率加速比

若N*ΔT时间内，δ＜N，表明芯片热保护预警时间周期内被测芯片寿命衰减速率较大，属于被测芯片多数ΔT时间段处于结温温度大于第二阈值T _max2的情况，应及时报警并控制下位机停机，保护被测芯片；

若δ≥N，表明固定时间周期内寿命衰减速率较小，属于被测芯片多数ΔT时间段处于结温温度小于第二阈值T _max2的情况，被测芯片正常工作。

本发明提出的基于寿命衰减速率控制的芯片热保护方法，以寿命衰减速率控制模型为核心，实时计算芯片寿命衰减速率加速比，实时输出控制命令，实现对下位机的最优控制，进而达到保护芯片的目的。本发明专利的具体优点如下：(1)传统的热保护方法是使用比较阈值做成过热关断，保护方法简单粗糙。本发明采用寿命衰减速率控制的方法，实时对芯片寿命衰减速率加速比进行均值计算，并进行热保护。该方法能够避免电子系统在热振荡和EMC环境下产生的误报警，稳定可靠，且该方法以芯片寿命模型为基础，理论上较传统热保护方法更加准确、有效。(2)本发明的芯片热保护方法，当芯片结温短时间高于第一阈值T _max1或者温度传感器出现断线故障时，结温预测模型实时输出报警，直接控制下位机停机来保护芯片。当芯片结温小于第一阈值T _max1，根据寿命衰减速率控制模型实时对芯片寿命衰减加速比进行均值计算，根据计算结果判断是否控制下位机停机来保护芯片；当芯片结温大于第二阈值T _max2，寿命衰减速率控制模型实时输出警告。该方法采用警告和报警相结合的机制，既能在必要时及时保护芯片，防止芯片过热损坏，又能及时提醒客户改善电子系统工作环境，以防电子系统报警导致的产线 停运。(3)本发明的芯片热保护方法属于软件的范畴，对于电子系统来说，不需要增加任何硬件物料成本，同时该方法具有通用性。本专利提供的方法真正意义上做到了维持芯片的正常使用。

附图说明

图1是netX芯片平均寿命L与netX芯片结温温度T的函数关系曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明作进一步详细说明。

实施例：

以工业以太网从站netX芯片为例，描述本发明基于寿命衰减速率控制的芯片热保护方法，具体工作过程如下：

步骤1.设定netX芯片结温第一阈值T _max1＝115℃，设定被测芯片结温第二阈值T _max2＝110℃，设定被测芯片热保护监测时间间隔ΔT＝1h。

根据芯片厂家提供的芯片结温及其对应寿命的关系，获取了netX芯片平均寿命L与netX芯片结温温度T的经验数值，见表1.

表1.

采用分段曲线拟合的方法，或得netX芯片平均寿命L与netX芯片结温温度T的函数关系曲线，如图1。

根据图1，用内插法求得被测芯片工作在第二阈值T _max2＝110℃结温温度条件下，netX芯片的平均寿命L _max2＝10年。

步骤2.每隔单位时间Δt＝5min，控制芯片通过温度传感器实时采集netX芯片正下方PCB板环温；结温预测模型每Δt采集计算netX芯片工作结温，并计算ΔT内netX芯片平均结温T _ave。

步骤3.若T _ave大于第一阈值T _max1，结温预测模型直接控制下位机停机来保护netX芯片。

若实时计算的ΔT内netX芯片平均结温T _ave小于第一阈值T _max1，则：

根据netX芯片平均寿命L与被测芯片结温温度T的函数关系曲线，求得netX芯片在结温温度T _ave工况下对应的平均寿命L _ave。

步骤4.计算netX芯片寿命衰减速率加速比为γ _i＝L _ave/L _max2。

步骤5.设定芯片热保护预警时间周期(N×ΔT)，N＝168；在芯片热保护预警时间周期内，重复步骤2到步骤4(如遇到被测芯片平均结温T _ave大于芯片结温第一阈值T _max1的情况，则芯片热保护)，获得各ΔT时间段内的γ _i，i＝1,2，……,N。

计算芯片热保护预警时间周期内(N*ΔT)netX芯片寿命衰减速率加速比

若N*ΔT时间内，δ＜N，表明芯片热保护预警时间周期内netX芯片寿命衰减速率较大，属于netX芯片多数ΔT时间段处于结温温度大于第二阈值T _max2的情况，应及时报警并控制下位机停机，保护被测芯片。

若δ≥N，表明固定时间周期内寿命衰减速率较小，属于netX芯片多数ΔT时间段处于结温温 度小于第二阈值T _max2的情况，netX芯片正常工作。

若检测到T _ave大于结温寿命拟合曲线拐点第二阈值T _max2并且小于T _max1，寿命衰减速率控制模型输出警告命令，表明netX芯片平均结温值临界上限，若检测到T _ave小于T _max2，表明netX芯片平均结温值正常。如图3，寿命衰减速率控制模型将T _ave带入netX芯片结温寿命分段拟合曲线，计算该结温对应的平均寿命L _ave；(4)如图4，寿命衰减速率控制模型根据结温寿命拟合曲线拐点第二阈值T _max2对应平均寿命L _max2，设定T _ave结温相比T _max2的寿命衰减速率控制加速比为γ _i＝L _ave/L _max2；(5)寿命衰减速率控制模型计算固定时间(设为N*ΔT)内寿命衰减速率加速比

(6)在N*ΔT内，若δ<N，表明固定时间内netX芯片寿命衰减速率较大，控制芯片及时报警并控制下位机停机来保护netX芯片，若δ>N，表明固定时间内netX芯片寿命衰减速率较小，控制芯片无报警，netX芯片正常工作。

Claims (1)

1. 一种基于寿命衰减速率控制的芯片热保护方法，其步骤是：

   步骤1.根据被测芯片的工作要求，设定被测芯片结温第一阈值T _max1，设定被测芯片结温第二阈值T _max2，T _max1>T _max2；设定被测芯片热保护监测时间间隔ΔT；

   根据芯片厂家提供的芯片结温及其对应寿命的关系

   根据芯片厂家提供的芯片结温及其对应寿命的关系,采用曲线拟合的方法，求得被测芯片平均寿命L与被测芯片结温温度T的函数关系曲线或函数关系L＝f(T)；

   用内插法或函数式计算的方法，求得被测芯片工作在第二阈值T _max2结温温度条件下，被测芯片的平均寿命L _max2；

   步骤2.每隔单位时间Δt，实时采集被测芯片正下方PCB板高温点的结温，计算时间间隔ΔT内被测芯片平均结温T _ave；Δt＜ΔT；

   步骤3.若ΔT内被测芯片平均结温T _ave大于芯片结温第一阈值T _max1，则直接控制下位机停机，保护被测芯片；

   若实时计算的ΔT内被测芯片平均结温T _ave小于第一阈值T _max1，则：

   根据被测芯片平均寿命L与被测芯片结温温度T的函数关系曲线，求得被测芯片在结温温度T _ave工况下对应的平均寿命L _ave；

   步骤4.计算被测芯片寿命衰减速率加速比为γ _i＝L _ave/L _max2；

   步骤5.设定芯片热保护预警时间周期N×ΔT，N为自然数；在芯片热保护预警时间周期内，重复步骤2到步骤4，获得各ΔT时间段内的γ _i，i＝1,2，……,N；

   计算芯片热保护预警时间周期内(N*ΔT)被测芯片寿命衰减速率加速比

   

   若N*ΔT时间内，δ＜N，表明芯片热保护预警时间周期内被测芯片寿命衰减速率较大，报警并控制下位机停机，保护被测芯片；

   若δ≥N，表明固定时间周期内寿命衰减速率较小，被测芯片正常工作。

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