CN103336549B - 一种集成温度补偿负反馈的芯片结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集成温度补偿负反馈的芯片结构，包括芯片VDD端、芯片GND端、芯片SW端、第一晶体管、第二晶体管、启动电路模块、电源供电模块、逻辑控制模块、驱动模块、以及带温度补偿负反馈模块，其中所述带温度补偿的负反馈模块包括补偿二极管单元（D1）、第一电阻（R1）、第二电阻（R2）、第三电阻（Rsence）、基准电流源（Iref）和比较器。本发明集成了温度补偿负反馈回路，电源芯片的电源***输出电压Vout稳定，与环境温度和芯片结温相关性大幅减弱；将电源管脚与反馈管脚合并为一个管脚，彻底去除了传统方案中FB管脚失效的可能性，直接降低了芯片生产环节的失效率，可以节省***元器件，***成本优势明显。

Description

一种集成温度补偿负反馈的芯片结构

技术领域

本发明涉及一种集成温度补偿负反馈的芯片结构，属于功率半导体领域，具体，适合于电源管理集成电路的应用。

背景技术

图1给出了一种传统的电源芯片结构，芯片主要模块包括：第一晶体管，尺寸远小于第一晶体管的第二晶体管，启动电路模块，电源供电模块，逻辑控制模块，驱动模块，以及负反馈模块。该芯片结构有4个管脚，分别是高压管脚SW，电源管脚VDD，接地管脚GND，以及反馈管脚FB。图2给出了这颗芯片用于原边反馈***原理图，该***主要包括：整流桥D0、滤波电容C1、变压器TR1、电源芯片IC1、连接在芯片SW与VIN之间的RCD吸收回路、与变压器副边连接的DC输出级、与变压器辅助线圈连接的VDD供电回路和FB反馈回路。***工作原理简要描述如下：当DC输出电压Vout低于目标电压时，VDD电压降低，FB电压降低，电源芯片ICI的逻辑控制模块增加第一晶体管的导通时间，以传递更多的能量到变压器的副边，使输出电压Vout升高；当DC输出电压Vout高于目标电压时，VDD电压升高，FB电压升高，电源芯片ICI的逻辑控制模块减少第一晶体管的导通时间，以传递更少的能量到变压器的副边，使输出电压Vout降低；

这种工作方式能实现输出级电压稳定，然而由于***中二极管D5存在温度效应，随***工作环境温度升高二极管D5的BV升高，从而使***的输出电压随环境温度升高而降低。同时当芯片内部基准电压Vref的温度系数与电阻Rsence的温度系数不能抵消时，芯片内部的负反馈回路同样会使***的输出电压随芯片结温升高而变化。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种集成温度补偿负反馈的芯片结构，能够解决***输出电压Vout随温度变化的问题，同时使***元器件更加精简，成本更低。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种集成温度补偿负反馈的芯片结构，包括芯片VDD端、芯片GND端、芯片SW端、第一晶体管、第二晶体管、启动电路模块、电源供电模块、逻辑控制模块、驱动模块、以及带温度补偿负反馈模块，其中芯片VDD端分别与带温度补偿负反馈模块、电源供电模块、启动电路模块连接；所述电源供电模块分别与带温度补偿负反馈模块、逻辑控制模块连接；所述逻辑控制模块分别与启动电路模块、带温度补偿负反馈模块、驱动模块连接；所述驱动模块分别与第一晶体管的栅极、第二晶体管的栅极连接；所述启动电路模块、第一晶体管的漏极、第二晶体管的漏极分别与芯片SW端连接；所述第二晶体管的源端与带温度补偿负反馈模块连接；所述第一晶体管的源端与芯片GND端连接；所述带温度补偿的负反馈模块包括补偿二极管单元、第一电阻、第二电阻、第三电阻、基准电流源和比较器，其中补偿二极管单元的一端与芯片VDD端连接，补偿二极管单元的另一端与第一电阻的一端连接；所述第一电阻的另一端分别与比较器的正端、第二晶体管的源端、第三电阻的一端连接；所述基准电流源的一端与电源供电模块连接，基准电流源的另一端分别与比较器的负端、第二电阻的一端连接；所述第二电阻的另一端和第三电阻的另一端均与芯片VDD端连接。

作为本发明的一种优选技术方案：所述第一电阻、第二电阻和第三电阻为相同类型电阻，且具有相同的温度系数。

作为本发明的一种优选技术方案：所述基准电流源具有零温度系数。

作为本发明的一种优选技术方案：所述补偿二极管单元包括N对正接二极管和反接二极管，所述N对正接二极管和反接二极管的连接方式为串联，其中N为1以上的自然数。

其中第一晶体管作为电路输出级功率开关管，第二晶体管作为第一晶体管的电流采样，启动电路模块在芯片开机时对芯片供电，电源供电模块在芯片正常工作时对芯片供电，逻辑控制模块根据芯片VDD端的反馈控制开关管工作频率和占空比，驱动模块用于驱动第一晶体管和第二晶体管，带温度补偿负反馈模块采样VDD端电压和第二晶体管的电流，运算后与内部基准Iref×R2做比较，反馈给逻辑控制模块。

在带温度补偿负反馈模块中，补偿二极管单元由N对正接二极管和反接二极管串联连接，反接二极管的反向击穿电压BV和正接二极管的正向导通电压Vf这两个参数的温度效应基本相互补偿，基准电流源设置为无温漂电流源，由于第一电阻、第二电阻和第三电阻采用同类型同材料电阻，温度系数相同，所以温度效应相互补偿。这样在整个负反馈回路里，实现电压和电流采样基本与环境温度和芯片结温无关。

本发明具有如下优点及有益效果：

（1）采用该技术的电源芯片的电源***，输出电压Vout稳定，与环境温度和芯片结温相关性大幅减弱。

（2）采用该技术的电源芯片将电源管脚与反馈管脚合并为一个管脚， 彻底去除了传统方案中FB管脚失效的可能性，直接降低了芯片生产环节的失效率。

（3）采用该技术的电源芯片的管脚可以减少到3个，芯片的集成度更高，同时芯片封装成本会降低，同时还可以节省***元器件，***成本优势明显。

使用本发明结构的电源***输出电压随环境温度变化小，并且由于芯片管脚可以减少到只有三个，***简单，成本低，可靠性高。

附图说明

图1为现有技术中的一种传统的芯片结构。

图2为现有技术中的使用传统的芯片结构的***原理图。

图3为本发明的集成温度补偿负反馈的芯片结构。

图4（a）为补偿二极管单元的正接二极管和反接二极管背靠背连接后再串联的示意图；图4（b）为补偿二极管单元的N个正接二极管和反接二极管依次串联的示意图。

图5为本发明的集成温度补偿负反馈的芯片结构的原边反馈***原理图。

图6为本发明的集成温度补偿负反馈的芯片结构的Buck***原理图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式进行描述。

如图3所示，本发明提供了一种集成温度补偿负反馈的芯片结构，包括芯片VDD端、芯片GND端、芯片SW端、第一晶体管、第二晶体管、启动电路模块、电源供电模块、逻辑控制模块、驱动模块、以及带温度补偿负反馈模块，其中芯片VDD端分别与带温度补偿负反馈模块、电源供电模块、启动电路模块连接；所述电源供电模块分别与带温度补偿负反馈模块、逻辑控制模块连接；所述逻辑控制模块分别与启动电路模块、带温度补偿负反馈模块、驱动模块连接；所述驱动模块分别与第一晶体管的栅极、第二晶体管的栅极连接；所述启动电路模块、第一晶体管的漏极、第二晶体管的漏极分别与芯片SW端连接；所述第二晶体管的源端与带温度补偿负反馈模块连接；所述第一晶体管的源端与芯片GND端连接；所述带温度补偿的负反馈模块包括补偿二极管单元D1、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻Rsence、基准电流源Iref和比较器，其中补偿二极管单元D1的一端与芯片VDD端连接，补偿二极管单元D1的另一端与第一电阻R1的一端连接；所述第一电阻R1的另一端分别与比较器的正端、第二晶体管的源端、第三电阻Rsence的一端连接；所述基准电流源Iref的一端与电源供电模块连接，基准电流源Iref的另一端分别与比较器的负端、第二电阻R2的一端连接；所述第二电阻R2的另一端和第三电阻Rsence的另一端均与芯片VDD端连接。

其中第一晶体管作为电路输出级功率开关管，第二晶体管作为第一晶体管的电流采样，启动电路模块在芯片开机时对芯片供电，电源供电模块在芯片正常工作时对芯片供电，逻辑控制模块根据芯片VDD端的反馈控制开关管工作频率和占空比，驱动模块用于驱动第一晶体管和第二晶体管，带温度补偿负反馈模块采样芯片VDD端电压和第二晶体管的电流，运算后与内部基准Iref×R2做比较，反馈给逻辑控制模块。

在带温度补偿负反馈模块中，补偿二极管单元由N对正接二极管和反接二极管串联连接，反接二极管的反向击穿电压BV和正接二极管的正向导通电压Vf这两个参数的温度效应基本相互补偿，基准电流源Iref设置为无温漂电流源，即不随温度变化而变化。由于第一电阻R1、第二电阻R2和第三电阻Rsence采用同类型同材料电阻，温度系数相同，所以温度效应相互补偿。这样在整个负反馈回路里，实现电压和电流采样基本与环境温度和芯片结温无关。

带温度补偿负反馈模块采样芯片VDD端电压和第二晶体管的电流，运算后与内部基准Iref×R2做比较，反馈给逻辑控制模块。通过设计去除采样电压和采样电流的温度效应，以去除整个反馈环路的温度效应。

1）电流采样消除温度系数工作原理描述如下：

比较器正端电压VP由公式（1）决定

VP = Iref * R2                                           (1)

比较器负端电压VN由公式（2）决定

VN = Isence * Rsence                                     (2)

当R2和Rsence采用同类型同材料电阻时，他们的温度效应相互补偿，并且由于Iref的温度系数设置为极小，所以Isence的温度系数极小。其中，Isence是流过电阻Rsence的电流。

2）电压采样消除温度系数工作原理描述如下：

补偿二极管单元D1与第二电阻R2之间结点电压Vfbin由下式决定：

Vfbin = VDD – VD1                                     （3）

其中是，VD1是补偿二极管单元的压降。通过合理设计背靠背二级管，能够使VD1的温度系数接近零，因此在固定输出功率前提下，反馈电压Vfbin的温度系数接近于零。

其中补偿二极管单元的实现方式根据***的需求可以不同，不局限于单个正向二极管与单个负向二极管的连接结构，可以是多个正接二极管加多个反接二极管的串联连接，如图4（a）为补偿二极管单元的正接二极管和反接二极管背靠背连接后再串联的示意图；图4（b）为补偿二极管单元的N个正接二极管和反接二极管依次串联的示意图。

本发明芯片结构在电源***中工作原理描述如下：

（1）当本发明用于原边反馈电源***时，***原理图如图5所示，该***主要包括：整流桥D0、滤波电容C1、变压器TR1、电源芯片IC1、连接在芯片SW与VIN之间的RCD吸收回路、与变压器副边连接的DC输出级、与变压器辅助线圈连接的VDD供电回路和反馈回路。***工作原理简要描述如下：当DC输出电压Vout低于目标电压时，芯片VDD端电压降低，芯片IC2的带温度补偿负反馈模块采样到芯片VDD端电压降低后，使芯片IC2的逻辑控制模块增加第一晶体管的导通时间，以传递更多的能量到变压器的副边，使输出电压Vout升高；当DC输出电压Vout高于目标电压时，芯片VDD端电压升高，芯片IC2的带温度补偿负反馈模块采样到芯片VDD端电压升高后，使芯片IC2的逻辑控制模块减少第一晶体管的导通时间，以传递更少的能量到变压器的副边，使输出电压Vout降低；

图5与图2所示的传统方案对比，芯片IC2无FB反馈管脚，并且同时节省了图2中与FB管脚相连接的嵌位二极管D5和电容C5，因此***方案成本更低。同时使用本发明芯片结构的***方案输出电压随环境温度或芯片结温变化较小，而如前所述，图2结构输出电压随环境温度或芯片结温变化明显。

（2）当本发明用于Buck电源***时，***原理图如图6所示。该***主要包括：整流桥D0、滤波电容C1、电源芯片IC2、连接在芯片GND和***地线之间的二极管D1、连接在芯片GND与输出级之间的电感L1、连接在芯片输出级上的电容C3、连接在芯片VDD与输出级之间的二级管D2、连接在芯片VDD与芯片GND之间的电容C2。***工作原理简要描述如下：当DC输出电压Vout低于目标电压时，VDD电压降低，芯片IC2的带温度补偿负反馈模块采样到VDD电压降低后，使芯片IC2的逻辑控制模块增加第一晶体管的导通时间，以传递更多的能量到电感L1，使输出电压Vout升高；当DC输出电压Vout高于目标电压时，VDD电压升高，芯片IC2的带温度补偿负反馈模块采样到VDD电压升高后，使芯片IC2的逻辑控制模块减少第一晶体管的导通时间，以传递更少的能量到电感L1，使输出电压Vout降低。

使用本发明芯片结构的Buck***与使用图1芯片结构Buck***比较，其优势与用于原边反馈电源***相同，主要表现在成本低、输出温差小等方面。

因此，本发明集成了温度补偿负反馈回路，使用该结构电源***，输出电压随环境温度变化小，并且由于芯片管脚可以减少到只有三个，***简单，成本低。

Claims (4)

1.一种集成温度补偿负反馈的芯片结构，包括芯片VDD端、芯片GND端、芯片SW端、第一晶体管、第二晶体管、启动电路模块、电源供电模块、逻辑控制模块、驱动模块、以及带温度补偿负反馈模块，其中芯片VDD端分别与带温度补偿负反馈模块、电源供电模块、启动电路模块连接；所述电源供电模块分别与带温度补偿负反馈模块、逻辑控制模块连接；所述逻辑控制模块分别与启动电路模块、带温度补偿负反馈模块、驱动模块连接；所述驱动模块分别与第一晶体管的栅极、第二晶体管的栅极连接；所述启动电路模块、第一晶体管的漏极、第二晶体管的漏极分别与芯片SW端连接；所述第二晶体管的源端与带温度补偿负反馈模块连接；所述第一晶体管的源端与芯片GND端连接；其特征在于：所述带温度补偿的负反馈模块包括补偿二极管单元(D1)、第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、第三电阻(Rsence)、基准电流源(Iref)和比较器，其中补偿二极管单元(D1)的一端与芯片VDD端连接，补偿二极管单元(D1)的另一端与第一电阻(R1)的一端连接；所述第一电阻(R1)的另一端分别与比较器的正端、第二晶体管的源端、第三电阻(Rsence)的一端连接；所述基准电流源(Iref)的一端与电源供电模块连接，基准电流源(Iref)的另一端分别与比较器的负端、第二电阻(R2)的一端连接；所述第二电阻(R2)的另一端和第三电阻(Rsence)的另一端均与芯片GND端连接。

2.根据权利要求1所述的集成温度补偿负反馈的芯片结构，其特征在于：所述第一电阻(R1)、第二电阻(R2)和第三电阻(Rsence)为相同类型电阻，且具有相同的温度系数。

3.根据权利要求1所述的集成温度补偿负反馈的芯片结构，其特征在于：所述基准电流源(Iref)具有零温度系数。

4.根据权利要求1所述的集成温度补偿负反馈的芯片结构，其特征在于：所述补偿二极管单元(D1)包括N对正接二极管和反接二极管，所述N对正接二极管和反接二极管的连接方式为串联，其中N为1以上的自然数。