CN101290525A - 一种芯片的恒温控制方法及其过温保护电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及功率集成电源管理IC芯片领域，具体涉及一种芯片的恒温控制方法及其过温保护电路。该方法将芯片输出电流产生的耗散功率通过热阻转化为芯片内部温度的变化，然后再将芯片温度变化转化为电压信号的变化，将电压信号放大后，控制芯片输出电流，从而调节芯片的耗散功率，实现芯片的恒温控制；其过温保护电路为一个由检温电路、恒温放大器和功率到温度的转换模块形成的闭环控制***。本发明通过把芯片的整个“温度变化”环节用连续时间域的传输函数来量化，从而设计了一个基于闭环控制的温度调节电路，实现了芯片在需要过热保护时，保证芯片无过热危险前提下的输出功率最大化。

Description

一种芯片的恒温控制方法及其过温保护电路

技术领域

本发明涉及功率集成电源管理IC芯片领域，具体涉及一种芯片的恒温控制方法及其过温保护电路。

背景技术

随着IC芯片集成密度和功率密度的不断提高，耗散功率成为影响IC芯片稳定工作的一个关键因素。由于耗散功率传递到周围环境中存在一定的热阻，必然导致芯片温度的升高。显然，输出功率越大，则耗散功率越高，芯片温升也越显著，因此过热保护电路对于功率集成电源管理电路而言有着十分重要的意义，即当集成电路发热量比较大时，很有必要对其进行过热保护，以免烧坏整个芯片。常规的过温保护电路是在芯片温度高于某一温度T1时使芯片停止工作，直到芯片降到一个安全温度T2时(T1一般比T2高20度)芯片才恢复正常工作。在需要大功率密度的应用环境中，芯片要对外界提供很大的功率，所以芯片自身的温度会一直上升。此时如果采用常规的过温保护电路，芯片就会在停止和正常工作两种状态中反复循环，造成了***的热振荡，并降低了芯片的功率密度，因此必须发明一种新的过温保护电路。

发明内容

本发明的目的在于针对现有过温保护电路在实际应用中所存在的问题，提供一种芯片的恒温控制方法及其过温保护电路，从而实现芯片在需要过热保护时的恒温工作功能。

本发明的技术方案如下：一种芯片的恒温控制方法，该方法将芯片输出电流产生的耗散功率通过热阻转化为芯片内部温度的变化，然后再将芯片温度变化转化为电压信号的变化，将电压信号放大后，控制芯片输出电流，从而调节芯片的耗散功率，实现芯片的恒温控制。

如上所述的芯片的恒温控制方法，其中，将芯片温度变化转化为电压信号的变化过程是通过将温度变化转化为PTAT电流的变化，再经过电阻，最终转化为电压信号的变化。所说的将温度变化转化为PTAT电流的变化是采用不同电流密度偏置下的两个双极晶体管的电压差ΔVBE产生的正温度系数特性来实现的。

如上所述的芯片的恒温控制方法，其中，采用恒温放大器对电压信号进行放大。

一种应用于上述芯片恒温控制方法的过温保护电路，包括一个将芯片温度变化转化为电压信号的检温电路、恒温放大器和功率到温度的转换模块，检温电路的输出VA连接到恒温放大器的输入，恒温放大器的输出VB连接功率到温度的转换模块，功率到温度的转换模块输出的温度变化信号T连接到检温电路的输入端。

如上所述的过温保护电路，其中，功率到温度的转换模块为功率MOS管。

如上所述的过温保护电路，其中，检温电路包括由两个双极晶体管T₁和T₂组成的自偏置电流源，T₁和T₂分别与场效应管M₁和M₂连接，一个双极晶体管T₃与T₁构成电流镜像。

本发明通过把芯片的整个“温度变化”环节用连续时间域的传输函数来量化，从而设计了一个基于闭环控制的温度调节电路，实现了芯片在需要过热保护时，保证芯片无过热危险前提下的输出功率最大化。

附图说明

图1为采用恒温控制方式的过温保护电路原理图；

图2为检温电路的电路图；

图3为功率到温度的转换模块的频率特性测试电路图；

图4为恒温控制环路的幅频和相频仿真曲线图。

图1中，1.检温电路  2.恒温放大器  3.功率到温度的转换模块

具体实施方式

下面根据附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明所提供的过温保护电路包括检温电路1、恒温放大器2和功率到温度的转换模块3，此三个部分形成一个闭环控制***，检温电路1的输出VA连接到恒温放大器2的输入，恒温放大器2的输出VB连接功率到温度的转换模块3，功率到温度的转换模块3输出的温度变化信号T连接到检温电路1的输入端，功率到温度的转换模块为功率MOS管，实现芯片恒温控制方式的过温保护功能。设计此闭环控制***，要考虑稳定性与控制精度的折衷关系。本发明所提供的芯片恒温控制方法是将芯片输出电流产生的耗散功率通过热阻转化为芯片内部温度的变化，然后再将芯片温度变化转化为电压信号的变化，将电压信号放大后，控制芯片输出电流，从而调节芯片的耗散功率，实现芯片的恒温控制。

检温电路的具体结构如图2所示。M₁和M₂构成电流镜结构，与双极晶体管T₁和T₂组成自偏置电流源，利用不同电流密度偏置下T₁和T₂基极-射极电压差ΔVBE产生流过T₁集电极-射极的正温度系数特性电流(PTAT电流)，T₁和T₃构成电流镜像，把流过T₁的PTAT电流镜像给T₃，把从而实现T-I转换，其增益的表达式为：

A_(T-I)(0)＝lnm×k/(q×R)，其中m为两个双极晶体管T₁和T₂的发射极面积之比，k为玻尔兹曼常数，q为电子电荷量。

恒温放大器采用闭环放大器方式实现，其增益的表达式为：

A_VTA(S)＝A_VTA(0)/(1+S/S_p1TA)，其中A_VTA(0)为恒温放大器直流增益(闭环放大器反馈系数的倒数，从而通过设定闭环反馈系数精确控制恒温放大器的增益)，S_P1TA是恒温放大器的3db带宽，这是因为恒温放大器的增益带宽积恒定，通过闭环反馈减小恒温放大器的增益，从而增大3db带宽，保证恒温控制环的稳定性。

功率到温度的转换模块把耗散功率通过热阻转化为芯片内部温度的变化，它在物理意义上不属于电学的范畴，但可以用电学范畴的传输函数对其建立频域模型，常用方法是：从热学物理出发，对功率到温度转换模块的频域特性进行建模，最后求出它的极点和零点分布。此种方法理论依据高，但难度大，不适用于工程实践。本发明采用了一种工程的方法来对功率到温度的转换进行频域建模，测试电路如图3所示。实测图3所示电路Vout与Vin的传输函数(对图3电路进行实际流片，用频谱分析仪测试)，得到功率到温度转换模块的频域特性，测试结果如下：功率到温度转换模块的响应速度很慢，可以把它等效为一个主极点小于10Hz的一阶***来进行频域的建模，其增益表达式为：

A_V(I-T)(S)＝A_V(I-T)(0)/(1+S/S_p1(I-T))，其中A_V(I-T)(0)是功率到温度转换模块的直流增益且A_V(I-T)(0)＝P×θ_JA，P是芯片的耗散功率，θ_JA是芯片的热阻；S_P1(I-T)是功率到温度转换模块的3db带宽(约等于10Hz)。

所以恒温控制环的环路增益表达式为：

LOOP_TA(S)＝LOOP_TA(0)/(1+S/S_p1(I-T))(1+S/S_p1TA)其中LOOP_TA(0)是恒温控制环的直流增益，且LOOP_TA(0)＝A_(T-I)(0)×A_VTA(0)×g_m×A_V(I-T)(0)，g_m是功率MOS的小信号跨导。

本发明中的参数如下：

A_(T-I)(0)≈3×10^-8，A_VTA(0)≈5×10⁷，A_V(I-T)(0)≈300，g_m≈2，分析恒温环路稳定性：LOOP_TA(0)≈900，则恒温控制环的单位增益带宽为：

BWG＝900×10Hz≈9KHz

本发明中取S_p1TA＝10KHZ，则恒温控制环的相位裕度为：

θ_MTA＝＝90°-tan^-1(BWG/S_p1TA)＝48°

设VB电压的摆幅为3V，则要求温度变化：

ΔT＝3/[A_(T-I)(0)×A_VTA(0)]＝2℃

通过上述分析可知，在芯片耗散功率过大时，恒温控制方式过温保护电路能使温度稳定在设定温度的±2℃范围内，并且整个恒温控制环在频域上是稳定的，其幅频和相频(用Matlab工具)的仿真曲线如图4所示。

Claims (7)

1.一种芯片的恒温控制方法，其特征在于：该方法将芯片输出电流产生的耗散功率通过热阻转化为芯片内部温度的变化，然后再将芯片温度变化转化为电压信号的变化，将电压信号放大后，控制芯片输出电流，从而调节芯片的耗散功率，实现芯片的恒温控制。

2.如权利要求1所述的芯片的恒温控制方法，其特征在于：将芯片温度变化转化为电压信号的变化过程是通过将温度变化转化为PTAT电流的变化，再经过电阻，最终转化为电压信号的变化。

3.如权利要求2所述的芯片的恒温控制方法，其特征在于：所说的将温度变化转化为PTAT电流的变化是采用不同电流密度偏置下的两个双极晶体管的电压差ΔVBE产生的正温度系数特性来实现的。

4.如权利要求1所述的芯片的恒温控制方法，其特征在于：采用恒温放大器对电压信号进行放大。

5.一种应用于上述芯片恒温控制方法的过温保护电路，其特征在于：包括一个将芯片温度变化转化为电压信号的检温电路(1)、恒温放大器(2)和功率到温度的转换模块(3)，检温电路的输出VA连接到恒温放大器的输入，恒温放大器的输出VB连接功率到温度的转换模块，功率到温度的转换模块输出的温度变化信号T连接到检温电路的输入端。

6.如权利要求5所述的过温保护电路，其特征在于：功率到温度的转换模块为功率MOS管。

7.如权利要求5所述的过温保护电路，其特征在于：检温电路包括由两个双极晶体管T₁和T₂组成的自偏置电流源，T₁和T₂分别与场效应管M₁和M₂连接，一个双极晶体管T₃与T₁构成电流镜像。

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