CN210072439U - 芯片内部温度检测预警集成电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种芯片内部温度检测预警集成电路，两级温度检测电路的输出由一级电流选择电路选择出大电流后，经一级电流镜电路输出至下一级电流选择电路，与再一级温度检测电路的输出进行比较输出最大电流，经再一级电流镜电路输出，以此类推，直至第N级温度检测电路的输出与前N‑1级温度检测电路输出被选择出的最大电流进入第N‑1级电流选择电路，经第N‑1级电流选择电路选择出N级温度检测电路中输出的最大电流，经检测电阻转换为电压后与基准电压电路提供的基准电压进行比较，当最大电流超过警戒后，电压比较器的输出产生跳变，从而警示芯片内的被测点的温度最高点已经超过安全限值，实现对多点或多区域温度最高点的检测。

Description

芯片内部温度检测预警集成电路

技术领域

本实用新型属于集成电路技术领域，具体地说，是涉及一种芯片内部温度检测预警集成电路。

背景技术

随着芯片规模与面积的增加，其散热已成为影响芯片性能比较大的因素。通常，芯片温度平均每升高1摄氏度，驱动能力下降4%，连线延迟增加5%，集成电路失效率增加一倍，因此，对于芯片温度的检测就十分重要，从芯片中各个不同关键点或不同区域中找到温度最高的那一点，并进行实时检测和输出尤为重要。

常规的芯片内部温度检测方式主要有两种：芯片片内检测和芯片片外检测。其中，片外检测需要使用额外的分离式温度传感器或红外检测装置，导致检测结构复杂且***庞大，不便应用。片内检测主要应用PN结合热敏电阻的温度特性来设计温度传感器，具有体积小、成本低等优点，这类传感器多是通过一些特定方式产生PTAT（与绝对温度成正比）电流或电压，继而根据该 PTAT电流或电压与温度的线性关系来实现对片内温度的检测。

对于较大面积的芯片来说，不同的区域温度会存在温差，所以现有的片内温度检测电路多为实现单点或单区域检测，但单点或单区域检测出的温度未必是芯片各区域中温度最高的那一点或那一区域的温度，因此存在无法准确获知最高点温度的问题。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种芯片内部温度检测预警集成电路，实现片内多点或多区域温度检测，并能在检测到温度最高点超出限值时发出报警，解决现有单点或单区域检测无法准确获知温度最高点的技术问题。

为解决上述技术问题，本实用新型采用以下技术方案予以实现：

提出一种芯片内部温度检测预警集成电路，包括：第N级温度检测电路，前N-1级温度检测模块、第N-1级电流选择电路、第N-1级电流镜电路、基准电压电路、检测电阻和电压比较电路；所述前N-1级温度检测模块的输出端连接所述第N-1级电流选择电路的第一输入端，所述第N级温度检测电路的输出端连接所述第N-1级电流选择电路的第二输入端，所述第N-1级电流选择电路的输出端连接所述第N-1级电流镜电路的输入端；所述第N-1级电流镜电路的输出端连接所述电压比较电路的第一输入端，所述电压比较电路的第二输入端连接所述基准电压电路的输出端；所述第N-1级电流镜电路的输出对地下拉所述检测电阻；N为大于等于2的整数；其中，所述前N-1级温度检测模块包括第N-1级温度检测电路、前N-2级温度检测模块、第N-2级电流选择电路和第N-1级电流镜电路；所述前N-2级温度检测模块的输出端连接所述第N-2级电流选择电路的第一输入端，所述第N-1级温度检测电路的输出端连接所述第N-2级电流选择电路的第二输入端，所述第N-2级电流选择电路的输出端连接所述第N-2级电流镜电路的输入端；所述第N-2级电流镜电路的输出端为所述前N-1级温度检测模块的输出端。

进一步的，所述温度检测电路包括电源接口、启动接口和电流输出接口，基于所述电流输出接口输出的电流表示温度信息。

进一步的，所述温度检测电路由启动电路、放大器电路、偏置电路和输出电路组成；所述启动电路的输入端为所述启动接口，所述启动电路的输出端连接所述输出电路，所述输出电路的输出端为所述电流输出接口；所述放大器电路和所述偏置电路为所述温度检测电路提供稳定工作电压。

进一步的，所述电流选择电路由两个共源共栅电流镜组成。

进一步的，所述电压比较电路包括电源接口、使能接口、基准电流输入接口、差分输入接口、和比较输出接口；所述第一输入端和所述第二输入端为所述差分输入接口；所述电压比较电路由一级前置放大器电路、二级锁存放大器电路、比较输出电路和第二偏置电路组成；其中，所述第二偏置电路的输入为所述基准电流输入接口，用于为所述电压比较电路提供稳定工作电压；所述一级前置放大器电路、所述二级锁存放大器电路和所述比较电路顺次连接，所述差分输入接口为所述一级前置放大器电路的输入，所述比较输出电路的输出端为所述比较输出接口。

进一步的，所述电压比较电路还包括反向比较输出接口和反向器；所述反向器连接所述比较输出电路，所述反向器的输出端为所述反向比较输出接口。

与现有技术相比，本实用新型的优点和积极效果是：本实用新型提出的芯片内部温度检测预警集成电路，包括N级温度检测电路，根据检测需求设置于芯片内部的多点或多区域上，用于检测多点或多区域的温度，两个温度检测电路的输出的电流经电流选择电路，选择出其中的大电流输出，该输出的大电流再与一个温度检测电路的电流输出经一个电流选择电路的选择，得出三者中最大的电流输出，以此类推，对于N级温度检测电路，第N-1级电流选择电路输出的是N级温度检测电路中输出最大的电流，经检测电阻的转换作为电压比较器的输入，与基准电压进行比较，在筛选出的电流电压大于基准电压时，电压比较器的输出会产生跳变，警示芯片内的被测点的温度最高点已经超过安全限值，从而实现对多点或多区域温度最高点的检测，解决现有单点或单区域检测无法准确获知温度最高点的技术问题。

结合附图阅读本实用新型实施方式的详细描述后，本实用新型的其他特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

图1 为本实用新型提出的芯片内部温度检测预警集成电路的电路架构图；

图2为本实用新型提出的芯片内部温度检测预警集成电路的实施例一的电路架构图；

图3为实施例一中给出的芯片内部温度检测预警集成电路的直流仿真图；

图4为实施例一中给出的芯片内部温度检测预警集成电路的检测结果示例图；

图5为本实用新型提出的芯片内部温度检测预警集成电路的实施例二的电路架构图；

图6为本实用新型提出的温度检测电路的模块架构图；

图7-1至图7-3为本实用新型提出的温度检测电路的电路实施例图；

图8为本实用新型提出的电流选择电路的模块架构图；

图9为本实用新型提出的电流选择电路的电路实施例图；

图10为本实用新型提出的电流镜电路的实施例图；

图11为本实用新型提出的电压比较电路的模块架构图；

图12-1和图12-2为本实用新型提出的电压比较电路的电路实施例图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细的说明。

本实用新型旨在提出一种芯片内部温度检测预警集成电路，对芯片内部多点或多区域实施温度检测，并在其中某点或某个区域的温度超过限值时发出警示信号，实现对多点或多区域最高温度的检测以及报警。

具体的，如图1所示，本实用新型提出的芯片内部温度检测预警集成电路包括第N级温度检测电路、前N-1级温度检测模块

、第N-1级电流选择电路

、第N-1级电流镜电路

、基准电压电路VN、检测电阻R0和电压比较电路V；其中，前N-1级温度检测模块

的输出端连接第N-1级电流选择电路

的第一输入端，第N级温度检测电路

的输出端连接第N-1级电流选择电路

的第二输入端，第N-1级电流选择电路

的输出端连接第N-1级电流镜电路

的输入端；第N-1级电流镜电路

的输出端连接电压比较电路V的第一输入端，电压比较电路V的第二输入端连接基准电压电路VN的输出端；第N-1级电流镜电路

的输出对地下拉检测电阻R0；本申请旨在实现芯片内部多点或多区域的温度检测， 故N为大于等于2的整数。

其中，前N-1级温度检测模块

包括第N-1级温度检测电路

、前N-2级温度检测模块

、第N-2级电流选择电路

和第N-1级电流镜电路

；前N-2级温度检测模块的输出端连接第N-2级电流选择电路

的第一输入端，第N-1级温度检测电路的输出端连接第N-2级电流选择电路

的第二输入端，第N-2级电流选择电路

的输出端连接第N-2级电流镜电路的输入端；第N-2级电流镜电路的输出端为前N-1级温度检测模块

的输出端。

上述电路，共包括N级或N个温度检测电路

、

、……、

，这N个温度检测电路根据温度检测需求设置于芯片内部的若干检测点或区域上，均基于电流或电压与温度的关系来实现片内温度的检测；两个温度检测电路的输出的电流经一级电流选择电路S，选择出其中的大电流输出，该输出的大电流再与一个温度检测电路的电流输出经一个电流选择电路S的选择，得出三者中最大的电流输出，以此类推，对于N级温度检测电路U，第N-1级电流选择电路

输出的是N级温度检测电路中输出最大的电流，经检测电阻R0的转换作为电压比较器V的输入，与基准电压电路VN输出的基准电压进行比较，在筛选出的电流电压大于基准电压时，电压比较器V的输出会产生跳变，警示芯片内的被测点的温度最高点已经超过安全警戒，从而实现对多点或多区域温度最高点的检测，解决现有单点或单区域检测无法准确获知温度最高点的技术问题。

温度检测电路U基于电流或电压与温度的关系来实现对片内温度的检测，具体的，如图6所示，温度检测电路包括3.3V电源接口vdd、启动接口en33和电流输出接口out_ptat，基于电流输出接口out_ptat输出的电流表示温度信息。如图7-1至图7-3所示，温度检测电路由启动电路Ua、放大器电路Ub、偏置电路Uc和输出电路Ud组成；启动电路Ua的输入端为启动接口en33，启动电路Ua的输出端连接输出电路Ud，输出电路Ud的输出端为电流输出接口out_ptat；启动电路Ua用于产生使能信号，启动温度检测电路开始检测。放大器电路Ub和偏置电路Uc为温度检测电路提供稳定工作电压。

具体的参考图7所示电路中，MOS管M1、M98、M101、电阻R10、M2、M3、M100、M109、以及R10到地gnd间连接的所有MOS管，共同构成启动电路U91，启动输入为en33；M117、M118、M119、M120、M121、M122、M123、M124、M71、M72、M73、M74构成折叠共源共栅放大器电路U93，最后剩下所有器件的M110、M111、M112、M113、M125、M126、M127、M76、M75、M128、M129、M130、M131、M132、M77、M78、M79、M80、M81、M82构成偏置电路U94，与放大电路U93一起，为电路的正常工作提供所需的偏置电压稳定工作点，以及限制M112与M113的漏端的电压使其保持在一个相对稳定的且基本相等的电压状态。两个三极管Q6与Q7的基极与发射极之间的电压的差值在R1上产生PTAT（与绝对温度成正比）电流，通过M115与M116的镜像对外输出当前温度下的PTAT电流值做为该电路的表征温度的电流输出信号。

实际应用中，不限定上述电路形式，对于启动电路U91，只要能实现输入3.3V使能信号产生启动信号en的电路均可应用；同理，为电路的正常工作提供所需的偏置电压稳定工作点的放大器电路和偏置电路均可应用。

图8所示，电流选择电路U3主要功能是将输入的两个电流中最大的那一个电流筛选出来并输出，输入引脚包括三个，分别为电流输入接口In1、电流输入接口In2，以及电源接地gnd，输出引脚iout为选择出的最大电流的输出接口，也即，In1为电流选择电路U3的第一输入端，In2为电流选择电路U3的第二输入端，iout为其输出端。如图9所示，电流选择电路U3由两个共源共栅电流镜U81和U82组成，由NMOS管构成，均为共源共栅电流镜电路，NMOS管 M0、M8、M2、M6构成一套常见的cascade（共源共栅）电流镜，与此同时，NMOS管M3、M9、M4、M5、M1、M7构成另一套常见的cascade电流镜，M0与M3的漏端相接作为输出端口iout，M2与M4的漏端相接作为输入端口In1，M1的漏端作为输入端口In2。

当In1>In2时，M4和M5可以完全镜像流过M1和M7的电流In2，因此流过M2和M6的电流为In1-In2，而M1则镜像M0，而M0和M8镜像流过M2和M6的电流，所以M0和M8流过电流为In1-In2，M3和M9则镜像流过M1和M7的电流In2，故而最后输出的电流out为流过M0和M8的电流加上流过M3和M9的电流，使得out=In1-In2+In2=In1。

当In1<In2时，流过M3和M9的电流仅为In1，但此时流过M3和M9的电流却为M1和M7的镜像电流In2，与此同时，M2和M6没有电流，故而最后输出的电流out为流过M0和M8的电流加上流过M3和M0的电流，使得out=0+In2=In2。

可见，两个电流镜电路组成的电流选择电路输出的是两个输入电流中最大的电流。

如图10所示，本实用新型电流镜电路U4采用常规的cascade电流镜，由PMOS管组成，主要起到对电流的镜像功能，将M5和M7流过的电流在M4与M6上进行镜像放大。

基准电压电路U5为常见的1.2V带可输出5uA电流的带系基准电压源电路，除了温度系数要求在8-9ppm外，无其他特殊要求，可采用现有其他基准电压电路实现，不做具体限定。

如图11所示，电压比较电路U6包括3.3V电源接口vdd、使能接口en、电源地接口gnd、基准电流输入接口in5u、差分输入接口vinn和vinp、和比较输出接口vout1/vout2；这里，电压比较电路U6的第一输入端和第二输入端为差分输入接口。

如图12-1和图12-2所示，电压比较电路由一级前置放大器电路Ue、二级锁存放大器电路Uf、比较输出电路Ug和偏置电路组成；其中，偏置电路的输入为基准电流输入接口in5u，用于为电压比较电路U6提供稳定工作电压；一级前置放大器电路Ue、二级锁存放大器电路Uf2和比较电路Ug顺次连接，差分输入接口vinn/vinp为一级前置放大器电路Ue 的输入，比较输出电路Ug的输出端为比较输出接口vout1/vout2。

本电压比较电路U6为两级放大比较电路，因为温度曲线主体是低频信号，对带宽要求不是太高，而放大倍数在该电路中设计为100db左右，为的是增加比较的灵敏度。本实用新型中，输出引脚为两个，分别为未经反向器反向的输出接口vout1，以及经反向器反向的输出接口vout2，相应的，反向器连接比较输出电路，反向器的输出端为反向比较输出接口。

结合图12所示，MOS管M119、M120、M71、M72、M73、M74、M121、M122、M123、M124构成了第一级前置放大器Ue，该放大器是共源共栅折叠型的放大器，是一级增益比较高的放大器。高增益比较灵敏，对细微信号有较好的放大作用。接下来，MOS管M4、M5、M6、M7、M8、M9则构成了二级锁存放大器Uf，该放大器自带锁存结构，且能够更快速的将电压推送到vdd或gnd，是比较器结构中比较常用的中间级放大器。再往后的MOS管M2、M3、M11、M12、M17、M18以及组成反向器的MOS管M19、M20、M21、M22则构成了比较器的输出部分Ug，该结构能够将前级输出的电压信号进行快速的输出，并有一定程度的驱动能力;而且，因为该模块输出部分带有反向结构，会使电路的输出信号正反向可选择，使输出结果的适用性更好。其余剩下的所有器件会构成电路的偏置电路，输入为5uA的基准电流，为电路的正常工作提供所需的偏置电压以及稳定的工作点，以及限制电路的功耗。

下面以两个具体实施例对本实用新型提出的芯片内部温度检测预警集成电路做出详细说明。

实施例一

如图2所示，本实施例中，N=3，也即使用三个温度检测电路U实现对芯片内部三个点的温度检测，并旨在其中一点温度高过警戒时产生警戒信号。

在检测过程中，温度检测电路

和

输出的电流值，经电流选择电路

选择出二者最大的电流输出，假设为

输出的电流

，该电流

经电流镜电路

输出至电流选择电路

的一个输入端，电流选择电路

选择

输出的电流

和温度检测电路

输出的电流中最大者输出，假设为

输出的电流大于

，该电流经电流镜电路的放大后输出至电压比较电路V，经第一电阻R0转换为电压V0，电压比较电路V将转换电压V0与基准电压VZ进行比较，若转化后的电压超过限值，则电压比较器V的输出会产生跳变，从而对温度超高点（温度检测电路所检测的点或区域）发出警示。

本实施例中，基准电压电路提供1.2V电压，输出5uA基准电流且温度系数在8-9ppm，第一电阻R1的值取决于警戒温度的值，设定警戒温度为Tp，检测温度为T，PTAT电流为Iptat，PTAT电压为Vptat，因为PTAT电流与温度是线性的关系，本电路的两者关系仿真得到Iptat=(3.323*

)*T+8.226*

。而其对应的电压为Vptat=Iptat*R1，则R1 =Vptat/（(3.323*

)*T+8.226*

），带入Vptat=1.2V与Tp时，有R1 = 1.2/（(3.323*

)*Tp+8.226*

）。按照此公式设定好与警戒温度对应的R1值，再将R1与M4漏端的连接点接到比较器I2的另一个输入端vinn，即可实现当前温度与警戒温度的实时比对。

验证结果：

首先单独对温度检测模块加上3.3V电压，进行温度的直流仿真，用以验证模块在不同温度下得到的PTAT电流是否如预计的那样呈正常的线性关系，并得到一个相对精确的电流与温度之间的一个温度系数。如图3所示，仿真的是-50摄氏度到150摄氏度范围内温度检测模块输出的PTAT电流的实际结果，该项仿真得到的结果即为PTAT电流与温度之间的一个线性关系曲线，而其温度系数经计算所得为3.323*

安培每摄氏度，基本是符合预期的。

之后再将顶层总体电路加上3.3V电压跑关于温度的直流仿真，用以验证随温度变化的PTAT电压在温度达到警戒温度后是否会产生跳变信号来达到预警的目的。

如图4所示，先设定一个警戒温度为100摄氏度，则通过上述提到的计算R0的电阻值的公式可以计算出R0值为105千欧姆左右，之后仿真-50摄氏度到150摄氏度的温度范围，看当检测到的温度在达到100摄氏度时是否会做出预警信号的跳变反映。其中，曲线1为警戒温度100摄氏度对应的1.2V电压值，曲线2为经过电流选择模块筛选出的温度最高点处检测到的PTAT电流经R0后产生的PTAT电压，曲线3为预警信号；如图显示的仿真结果，PTAT电压在100摄氏度时超过了警戒电压，与此同时，警戒信号在该点实现了由0V到3.3V的电压跳变，达到了预期的预警效果。而且该信号还有反向的信号输出结果可以选用。

由上述来看，整个电路达到了预期的效果，满足了功能需求。

实施例二

如图5所示，本实施例中，N=4，也即使用四个温度检测电路U实现对芯片内部四个点的温度检测，并旨在其中一点温度高过警戒时产生警戒信号。

在检测过程中，温度检测电路

和

输出的电流值，经电流选择电路

选择出二者最大的电流输出，假设为

输出的电流

，该电流

经电流镜电路

输出至电流选择电路

的一个输入端，电流选择电路

选择输出的电流

和温度检测电路

输出的电流中最大者输出，假设为

输出的电流

大于

，该电流经电流镜电路

输出至电流选择电路

的一个输入端，电流选择电路

选择输出的电流

和温度检测电路输出的电流中最大者输出，假设还为

输出的电流

大于，该电流

经电流镜电路

的放大后输出至电压比较电路V，经第一电阻R0转换为电压V0，电压比较电路V将转换电压V0与基准电压VZ进行比较，若转化后的电压超过限值，则电压比较器V的输出会产生跳变，从而对温度超高点（温度检测电路

所检测的点或区域）发出警示。

检测电阻R0的计算以及验证等内容与实施例一相同，本实施例不予赘述。

应该指出的是，上述说明并非是对本实用新型的限制，本实用新型也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本实用新型的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本实用新型的保护范围。

Claims (6)

1.芯片内部温度检测预警集成电路，其特征在于，包括：

第N级温度检测电路，前N-1级温度检测模块、第N-1级电流选择电路、第N-1级电流镜电路、基准电压电路、检测电阻和电压比较电路；

所述前N-1级温度检测模块的输出端连接所述第N-1级电流选择电路的第一输入端，所述第N级温度检测电路的输出端连接所述第N-1级电流选择电路的第二输入端，所述第N-1级电流选择电路的输出端连接所述第N-1级电流镜电路的输入端；所述第N-1级电流镜电路的输出端连接所述电压比较电路的第一输入端，所述电压比较电路的第二输入端连接所述基准电压电路的输出端；所述第N-1级电流镜电路的输出对地下拉所述检测电阻；N为大于等于2的整数；

其中，所述前N-1级温度检测模块包括第N-1级温度检测电路、前N-2级温度检测模块、第N-2级电流选择电路和第N-1级电流镜电路；所述前N-2级温度检测模块的输出端连接所述第N-2级电流选择电路的第一输入端，所述第N-1级温度检测电路的输出端连接所述第N-2级电流选择电路的第二输入端，所述第N-2级电流选择电路的输出端连接所述第N-2级电流镜电路的输入端；所述第N-2级电流镜电路的输出端为所述前N-1级温度检测模块的输出端。

2.根据权利要求1所述的芯片内部温度检测预警集成电路，其特征在于，所述温度检测电路包括电源接口、启动接口和电流输出接口，基于所述电流输出接口输出的电流表示温度信息。

3.根据权利要求2所述的芯片内部温度检测预警集成电路，其特征在于，所述温度检测电路由启动电路、放大器电路、偏置电路和输出电路组成；所述启动电路的输入端为所述启动接口，所述启动电路的输出端连接所述输出电路，所述输出电路的输出端为所述电流输出接口；所述放大器电路和所述偏置电路为所述温度检测电路提供稳定工作电压。

4.根据权利要求1所述的芯片内部温度检测预警集成电路，其特征在于，所述电流选择电路由两个共源共栅电流镜组成。

5.根据权利要求1所述的芯片内部温度检测预警集成电路，其特征在于，所述电压比较电路包括电源接口、使能接口、基准电流输入接口、差分输入接口、和比较输出接口；所述第一输入端和所述第二输入端为所述差分输入接口；

所述电压比较电路由一级前置放大器电路、二级锁存放大器电路、比较输出电路和第二偏置电路组成；其中，所述第二偏置电路的输入为所述基准电流输入接口，用于为所述电压比较电路提供稳定工作电压；所述一级前置放大器电路、所述二级锁存放大器电路和所述比较电路顺次连接，所述差分输入接口为所述一级前置放大器电路的输入，所述比较输出电路的输出端为所述比较输出接口。

6.根据权利要求5所述的芯片内部温度检测预警集成电路，其特征在于，所述电压比较电路还包括反向比较输出接口和反向器；

所述反向器连接所述比较输出电路，所述反向器的输出端为所述反向比较输出接口。

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