TWI392184B - 熱保護電路、功率傳輸積體電路及功率傳輸方法 - Google Patents

Description

熱保護電路、功率傳輸積體電路及功率傳輸方法

下述實施例描述熱保護電路，尤其是通過軟關閉和軟重啟將積體電路充電器晶片的溫度限制在預定的溫度範圍內。

熱保護是功率傳輸電路的首要要求，它能夠防止由於在過高溫度下長時間工作造成的永久性損害。在積體電路(ICs)中，尤其在功率積體電路中，功耗會導致相對較高的溫度。為了避免電路溫度升高而產生的退化現象，或者在某些情況下過熱造成積體電路的破壞性故障，接入一專用的保護電路來關閉或者至少用於關閉積體電路的功率輸出部分並且暫時切斷功耗的主要來源通常是必需的。

熱保護電路能夠通過暫時的過熱關機來限制功率傳輸電路的最高工作溫度。保護電路通過感測功率傳輸電路的溫度來實現保護功能，當電路溫度超過預定的限值時，自動關閉該電路。當電路冷卻到預定的較低溫度時，熱量保護電路隨之開啟電路。

通過熱關斷電路的開啟和關閉，功率傳輸電路可能會振蕩；通過採用滯環，以溫度“範圍”的形式，將關閉溫度與開啟溫度分開，可以減緩這種振蕩。

雖然熱保護電路的任務，例如在集成功率電路中是指，當超過規定的溫度閥值時，關閉具有高功耗的電路元 件，但是保護電路的這種突然的開-關操作可能造成對敏感電路的其他損害或者是由於其他原因而不希望的。

本發明是為了解決上述熱保護電路的突然開-關操作對電路造成損害的問題而提出的。

本發明的一個目的是提供一種熱保護電路，包括電壓調節電流源，用於通過其輸出端連接至電池充電器積體電路；輸入參考電壓埠，經由第一可控開關連接至該電壓調節電流源的輸入端，用於提供一輸入參考電壓至該輸入端；第二可控開關，連接在該輸入端與地之間；以及溫度感測器，分別連接至第一可控開關和第二可控開關，用於感測該電池充電器積體電路的溫度，並產生與第一預定溫度和低於該第一預定溫度的第二預定溫度有關的控制信號來控制第一可控開關和第二可控開關的斷開和閉合。

根據所述的電路，該溫度感測器在該電池充電器積體電路的溫度等於或高於第一預定溫度時，發出控制信號斷開第一可控開關，同時閉合第二可控開關，而在該電池充電器積體電路的溫度等於或低於第二預定溫度時，發出控制信號閉合第一可控開關，同時斷開第二可控開關。

根據所述的電路，在輸入參考電壓埠與第一可控開關 之間增設有緩衝器。

根據所述的電路，第一可控開關、第二可控開關或者兩者均是電晶體。

根據所述的電路，溫度感測器是電壓比較器，用於將該輸入參考電壓與一參考電流的電壓進行比較，並且根據比較結果輸出控制信號。

根據所述的電路，該參考電流由電流鏡產生。

本發明還提供一種限制溫度的功率傳輸積體電路，包括：電壓調節電流源，用於通過其輸出端連接至電池充電器積體電路；輸入參考電壓埠，經由串聯連接的第一電流源、第一可控開關連接至該電壓調節電流源的輸入端，用於提供一輸入參考電壓至該輸入端；第二可控開關，其一端連接至該輸入端，另一端經由第二電流源接地；電容器，連接在該輸入端與地之間；溫度感測器，分別連接至第一可控開關和第二可控開關，用於感測該電池充電器積體電路的溫度，並產生至少與第一預定溫度和低於該第一預定溫度的第二預定溫度有關的控制信號來控制第一可控開關和第二可控開關的斷開和閉合。

根據所述的電路，該溫度感測器在該電池充電器積體電路的溫度等於或高於第一預定溫度時，發出控制信號斷 開第一可控開關，同時閉合第二可控開關，而在該電池充電器積體電路的溫度等於或低於第二預定溫度時，發出控制信號閉合第一可控開關，同時斷開第二可控開關。

根據所述的電路，在輸入參考電壓埠第第一調節開關之間增設有緩衝器。

根據所述的電路，第一調節開關、第二調節開關或者兩者均是電晶體。

根據所述的電路，第一電流源和第二電流源中的至少一個是電流鏡。

根據所述的電路，溫度感測器是電壓比較器，用於將該輸入參考電壓與一參考電流的電壓進行比較，並且根據比較結果輸出控制信號。

本發明還提供一種在集成功率傳輸電路中限制溫度上升的功率傳輸方法，包括以下步驟：提供一輸入參考電壓至電壓調節電流源的輸入端；由該電壓調節電流源產生電壓控制的電流輸出至該集成功率傳輸電路；感測該集成功率傳輸電路的溫度；當該集成功率傳輸電路的溫度等於或高於第一預定溫度時，將該輸入參考電壓從該電壓調節電流源的輸入端斷開；當該集成功率傳輸電路的溫度等於或低於一低於第一預定溫度的第二預定溫度時，將該輸入參考電壓連接至該電壓調節電流源的輸入端。

根據所述的方法，由連接在電壓調節電流源的輸入端與該輸入參考電壓之間的第一開關器件和連接在電壓調節電流源的輸入端與地之間的第二開關器件來完成電壓調節電流源與該輸入參考電壓的連接和斷開。

根據所述的方法，使用電流源、電容器或者它們的組合調節從該電壓調節電流源輸入端觀測到的參考電壓的上升時間和下降時間。

根據所述的方法，由緩衝器將該輸入參考電壓緩衝後提供至電壓調節電流源的輸入端。

根據所述的方法，使用電壓比較器將該輸入參考電壓與一參考電流的電壓進行比較來感測該集成功率傳輸電路的溫度。

本發明提供的熱保護電路使電池充電器積體電路的溫度保持在兩個預定溫度之間，不會發生突然的開關變化，並通過在電路中增加電容器、電流源實現了電路的軟關閉和軟重啟，達到了保護電路的作用。

本發明的各種實施例將不一一贅述。下面的說明文字為這些實施例的理解和實現提供了特定的細節描述。本技術領域的普通技術人員可以理解，即使在缺少很多細節的情況下本發明也可以被實現。此外，可能不會展示或者描述一些公知的結構或者功能，以免使得相關的多種實施例說明模糊。

在下述說明中使用的術語，即使是與本發明某些具體實施例的詳細說明結合使用的，也要以其最寬的合理方式解釋該術語。某些術語可能會在下面予以強調；但是，任何準備以某種受限的方式進行解釋的術語將會在具體的實施方式部分給予公開及明確的定義。

由於封裝所能耗散的功耗有限，線性電池充電器積體電路會過熱。當一全負荷電流給一耗盡的電池充電時，或者充電器的輸入電壓過高時，這種過熱很容易發生。為了防止對充電器造成損害，需要進行過熱保護。本具體實施方式中的所描述的實施例採用了簡單且有效的方法和裝置，在積體電路消耗大量的功率時限制晶片的溫度。這些實施例示出了限制晶片溫度和防止其超過可承受極限值的過熱控制機制。

充電器積體電路的功耗可以用下式表示：I_chg(V_in-V_batt)

其中V_in表示充電器的輸入電壓，V_batt表示充電過程中的瞬間電池電壓，I_chg表示充電電流，通常設置為與參考電壓V_ref成固定比例。

當功率增加的速度大於散熱的速度時，晶片的溫度就會升高。因為散熱是環境溫度、熱量的幾何導管、元件擺放、元件特性等的函數，因此元件的晶片溫度有唯一的確定值。溫度的升高直接影響到電路，因此，需要電路能夠根據本地參數(local parameters)進行自動調整，在繼續執行設定功能的同時保持一定的溫度範圍。

在公開的實施例中，當晶片溫度上升到一預定的閥值時，例如120℃，充電電流I_chg關閉，使積體電路冷卻。在關閉和冷卻階段之後，當積體電路溫度達到預定的較低的閥值後，例如110℃，充電電流重新開啟。通過重復這些過程，即使(V_in-V_batt)過高，晶片溫度也將限制在110-120℃範圍之間。

第1圖顯示了實現上述方法的簡化電路。其中，參考電壓V_ref控制電壓調節電流源108的輸出電流I_chg，對電池110充電。在一實施例中，緩衝器112消除了參考電壓源的電路負載效應。在下面所作的說明中，假設緩衝器112的輸入和輸出電壓是相同的，而在跟一些公開的實施例的創造性方面沒有差別的選擇性實施例中，V_ref可能是不同的。也應該注意到，線性電壓調節電流源是理想的，實際中的電壓調節電流源的表現近似於這種理想化的電壓電流關係。

溫度是一類比量，但是數位系統通常使用溫度來進行測量、控制和保護功能。通過微控制器(μC)讀取溫度在原理上很簡單。微控制器讀取由熱敏電阻組成的分壓電路、類比輸出的溫度感測器或者其他類比的溫度感測元件驅動的類比數位轉換器(ADC)的輸出編碼。然而，當感測器輸出電壓範圍大大小於ADC的輸入電壓範圍，例如當μC的輸入/輸出引腳數量有限或者ADC沒有足夠幅度的輸入電壓，就會需要線性溫度編碼轉換功能。在這種情況下，更改熱敏電阻不是可行的解決途徑。

另外一可能的解決方案是向μC直接傳輸溫度資料。感測器感測晶片溫度，並且由於晶片溫度密切跟隨引線溫度，因此應該安置每一感測器從而將它們的引線溫度推定為監控的元件溫度。在一些情況下，由於感測器的晶片溫度遠遠高於周圍主板溫度，從而溫度沒有與感測器緊密耦合。一內部溫度感測器可能由於溫度故障使ASIC自我關閉；但是，單單這種能力缺乏準確性，也很少能夠發出緊急的熱量過載的系統警告。通過對ASIC晶片增加一外部的可連接的p-n結，通過將兩種或者更多不同的正向電流強制通過感測器結，測量出電壓結果，從而使得直接測量晶片溫度變得可能。兩種電壓之間的差與晶片絕對溫度成比例。

在這裏I₁和I₂是強制通過p-n結的兩個電流，V1和V2是對應的p-n結的正向電壓，k是玻爾茲曼(Boltzmann)常數，T是以K為單位的結點的絕對溫度，q是電子電荷。

這種測量方法需要精確的電路，在排除功率ASIC晶片上的大瞬態的雜訊的同時，生成準確的電流比率，測量出微小的電壓變化。有些解決方案需要一數位介面，這樣，為獲得精確性增加了成本和複雜程度。為了冷卻，同樣要求程式來調整必要的參數。因此，存在著這樣一需求，它可以根據局部熱量狀況和參數，通過簡單的內置電路控制局部溫度、調節功能，而省去不必要的ADC或者μC 支出。

在第1圖所示的示例性實施例中，I_chg與參考電壓V_ref成比例。在其他可選擇的實施例中，上述兩者之間可能存在不同的關係。例如，當積體電路100的溫度達到120℃時，溫度感測器102，通過開關控制信號104，斷開開關S1，通過開關控制信號106，閉合開關S2，將V_ref降低到0V，結果，I_chg也降低到0A。

在雙極型開關中，流過電晶體的電流通路通常有兩個。小的基極電流控制大的集極電流。當開關閉合，小電流流向電晶體的基極。這引起一更大的電流流經射極。電晶體放大這個小電流，使得較大的電流從集極(C)流到射極(E)。當開關斷開時，沒有基極電流通過，因此電晶體切斷集極電流。

由於電晶體的種類很多，開關和開關特性會根據電晶體的特性發生很大變化。此外，這裏也包括能夠作為開關的其他電路和元件。當一電晶體被用作開關，它必須或關或完全導通。在完全導通狀態，電晶體Vce的電壓幾乎為零，電晶體稱為飽和，因為在這種狀況下不能再通過更多的集極電流Ic。由電晶體開關切換的輸出設備通常稱為“負載”，開關切換電路中重要的額定值是最大的集極電流Ic(最大)和最小的電流增益h_FE(min)。電晶體耐壓值可以被忽略，除非使用超過15V的供應電壓。電晶體不能開關切換AC或高壓，通常也不適合用來切換大電流(>5A)。在本發明的實施例中，預期的電流符合這些標準。 最近更多的解決方案使用MOSFET，CMOS，NPN,PNP，和/或其他類型的電晶體。

假設環境溫度低於積體電路溫度，通過關閉充電電流I_chg，積體電路溫度開始向環境溫度降低。例如當積體電路溫度達到110℃時，溫度感測器102通過開關控制信號104閉合開關S1，用開關控制信號106的斷開開關S2，從而導致V_ref和I_chg重新開始它們的最大/原始值。在可一些的實施例中，一單一的控制線可以同時操作開關S1和S2。

如上所述，在可供選擇的實施例中，S1和S2可以是電晶體。第3圖所示的這種實施例中開關是適當偏置的電晶體。在這個實施例中，參考電流的電壓V_d通過比較器310與參考電壓V_ref比較，當晶片溫度超過設定值時發送信號和控制開關。利用元件的滯環特性形成其他的實施例，控制轉換信號。

在應用中，充電電流I_chgD的突然變化不希望的，因此本發明在控制機制中增加了軟關閉和軟重啟的功能。在另一實施例中，如第2圖所示，電壓調節電流源108的參考電壓與電容器114相連，電流源116和118分別與開關S1和S2串聯。在本實施例中，通過電流源116、118和電容器114連接來控制參考電壓的升降率。其中：

在本實施例中，當積體電路200溫度達到例如110℃，溫度感測器102使用開關控制信號104閉合開關S1，使用開關控制信號106時則斷開開關S2。結果使得電流源 116的輸出與電壓調節電流源108的輸入相連；但是，電壓調節電流源108輸入的參考電壓瞬間等於電容器114的電壓，後者在繼續存儲電流源116的電流時保持上升。

常用的電流鏡方法被廣泛用來作為電流源。一理想電流源具有無限大的輸出阻抗。即，即使輸出電壓不穩，輸出電流也不變。換言之，△I/△V=0。一簡單的雙極電流鏡具有兩個相同的電晶體，其中第二個電晶體鏡像第一電晶體的電流。雙極電晶體的電流電壓關係如下：Ic=Is*e^Vbe/Vt

其中飽和電流I_S是個常值。V_be代表基射極間電壓，V_t代表熱電壓。在室溫下kT/q=25.8mV。

相同的電晶體具有相同的I_S。在簡單的電流鏡中，兩個電晶體具有相同的Vbe，因此，兩個電晶體具有相同的I_c。如果基極電流被忽略，I_ref=I_o。因此，當電容器114的電壓上升，電壓調節電流源108的參考電壓也隨之上升，I_chg也隨之上升，直到參考電壓達到其最大電勢。如上所述，V_be和I_chg的上升時間是可控的，實現軟啟動。

在本實施例中，當晶片溫度上升到一預定閥值時，例如120℃，溫度感測器102使用開關控制信號104時斷開開關S1，使用開關控制信號106閉合開關S2，同時在一段可控的時間段內，將V_ref降低到0V，此時I_chg也隨之降低到0A。一旦S1斷開S2閉合，電壓調節電流源108的輸入參考電壓將隨電容器114的電壓變化，後者在充電過程中己經上升到V_ref，同時溫度在120℃之內。

電容器114通過電流源118消耗其電荷、降低電壓調節電流源108的參考電壓都需要一段時間。因此，當電容器114的電壓和電壓調節電流源108的電壓降低時，I_chg也隨之降低，直到參考電壓接近0V，I_chg接近0A。因此，如上所述，V_ref和I_chg的下降時間是可控的，並提供軟關閉。

在這種配置中，積體電路溫度保持在兩個預定溫度之間，例如110℃和120℃，而不會產生突然的開關變化。同樣，在本實施例中，緩衝器112消除了參考電壓源的負載效應。在可選擇的實施例中，一簡單控制線可以同時操作開關S1和S2。另外，在一些電路的IC實施例中，S1和S2可以是電晶體。

第4圖示出的實施例，其中，兩個不受溫度影響的電流源使用兩種電流鏡配置120和122分別與S1和S2相連。在一可選擇的實施例中，只有其中一電源可以通過採用雙極型FETs的電流鏡實現。

【結論】

除非上下文明確要求，否則整個說明書和申請專利範圍中的“包括”、“包含”等類似詞語應當解釋為包含的含義而不是排他或窮舉的含義；也就是說，是“包含，但不局限於”的含義。在這裏所使用的，術語“連接”、“耦合”或者其變型，意味著在兩個或者更多元件之間直接或 者間接地連接；元件之間的連接可以是物理上的、邏輯上的、或者其結合。

此外，本申請中所使用的詞語“這裏”、“上述”、“下面”以及含有類似含義的詞語應當涉及本申請的全部內容，而不是本申請的特定部分。在上下文允許時，上述具體實施方式中使用單數或者複數的詞語也可以分別包括複數或者單數。關於兩個或者更多選項列表的詞語“或者”覆蓋了該詞語的所有下述解釋：列表中的任意選項，列表中的所有選項，以及列表中選項的任意組合。

本發明實施例的上述詳細說明並不是窮舉的或者用於將本發明限制在上述明確的形式上。在上述以示意性目的說明本發明的特定實施例和實例的同時，本領域技術人員將認識到可以在本發明的範圍內進行各種等同修改。

本發明這裏所提供的啟示並不是必須應用到上述系統中，還可以應用到其他系統中。可將上述各種實施例的元件和作用相結合以提供更多的實施例。

可以根據上述詳細說明對本發明進行修改，在上述說明描述了本發明的特定實施例並且描述了預期最佳模式的同時，無論在上文中出現了如何詳細的說明，也可以許多方式實施本發明。上述補償系統的細節在其執行細節中可以進行相當多的變化，然而其仍然包含在這裏所公開的本發明中。

如上述一樣應當注意，在說明本發明的某些特徵或者方案時所使用的特殊術語不應當用於表示在這裏重新定 義該術語以限制與該術語相關的本發明的某些特定特點、特徵或者方案。總之，不應當將在隨附的申請專利範圍中使用的術語解釋為將本發明限定在說明書中公開的特定實施例，除非上述詳細說明部分明確地限定了這些術語。因此，本發明的實際範圍不僅包括所公開的實施例，還包括在申請專利範圍之下實施或者執行本發明的所有等效方案。

在下面以某些特定申請專利範圍的形式描述本發明的某些方案的同時，發明人仔細考慮了本發明各種方案的許多申請專利範圍形式。因此，發明人保留在提交申請後增加附加申請專利範圍的權利，從而以這些附加申請專利範圍的形式追述本發明的其他方案。

S1‧‧‧斷開開關

S2‧‧‧閉合開關

V_batt‧‧‧充電過程中的瞬間電池電壓

V_in‧‧‧充電器的輸入電壓

V_ref‧‧‧參考電壓

100‧‧‧積體電路

102‧‧‧溫度感測器

104、106‧‧‧開關控制信號

108‧‧‧電壓調節電流源

110‧‧‧電池

112‧‧‧緩衝器

114‧‧‧電容器

116、118‧‧‧電流源

200‧‧‧實施例

310‧‧‧比較器

第1圖為本發明一實施例熱保護電路的電路示意圖。

第2圖為本發明另一實施例，帶有軟關閉和軟重啟的熱保護電路的電路示意圖。

第3圖展示的實施例中開關是具有適當偏置的電晶體。

第4圖展示了使用電流鏡結構的不受溫度影響的電流源，該電流鏡結構與開關S1和S2連接。

S1‧‧‧斷開開關

S2‧‧‧閉合開關

V_batt‧‧‧充電過程中的瞬間電池電壓

V_in‧‧‧充電器的輸入電壓

V_ref‧‧‧參考電壓

100‧‧‧積體電路

102‧‧‧溫度感測器

104、106‧‧‧開關控制信號

108‧‧‧電壓調節電流源

110‧‧‧電池

Claims (17)

1. 一熱保護電路，包括：一電壓調節的電流源，用於通過其輸出端連接至電池充電器積體電路；一輸入參考電壓埠，用於提供一輸入參考電壓至該輸入端；第二可控開關，連接在該輸入端與地之間；以及一溫度感測器，分別連接至第一可控開關和第二可控開關，用於感測該電池充電器積體電路的溫度，並產生與第一預定溫度和低於該第一預定溫度的第二預定溫度有關的控制信號來控制第一可控開關和第二可控開關的斷開和閉合。
2. 如申請專利範圍第1項所述的熱保護電路，其特徵在於，該溫度感測器在該電池充電器積體電路的溫度等於或高於第一預定溫度時，發出控制信號斷開第一可控開關，同時閉合第二可控開關，而在該電池充電器積體電路的溫度等於或低於第二預定溫度時，發出控制信號閉合第一可控開關，同時斷開第二可控開關。
3. 如申請專利範圍第1項所述的熱保護電路，其特徵在於，在輸入參考電壓埠和第一可控開關之間增加一緩衝器。
4. 如申請專利範圍第1項所述的熱保護電路，其特徵在於，第一可控開關、第二可控開關或者兩者均是電晶體。
5. 如申請專利範圍第1項所述的熱保護電路，其特徵在於，溫度感應裝置是一電壓比較器，用於將該輸入參考電壓與一參考電流的電壓進行比較，並且根據比較結果輸出控制信號。
6. 如申請專利範圍第5項所述的熱保護電路，其特徵在於，所述的參考電流由電流鏡產生。
7. 一限制溫度的功率傳輸積體電路，其結構包括：電壓調節電流源，用於通過其輸出端連接至電池充電器積體電路；輸入參考電壓埠，經由串聯連接的第一電流源、第一可控開關連接至該電壓調節電流源的輸入端，用於提供一輸入參考電壓至該輸入端；第二可控開關，其一端連接至該輸入端，另一端經由第二電流源接地；電容器，連接在該輸入端與地之間；溫度感測器，分別連接至第一可控開關和第二可控開關，用於感測該電池充電器積體電路的溫度，並產生至少與第一預定溫度和低於該第一預定溫度的第二預定溫度有關的控制信號來控制第一可控開關和第二可控開關的斷開和閉合。
8. 申請專利範圍第7項所述的功率傳輸積體電路，其特徵在於，該溫度感測器在該電池充電器積體電路的溫度等於或高於第一預定溫度時，發出控制信號斷開第一可控開關，同時閉合第二可控開關，而在該電池充電器積體 電路的溫度等於或低於第二預定溫度時，發出控制信號閉合第一可控開關，同時斷開第二可控開關。
9. 如申請專利範圍第7項所述的功率傳輸積體電路，其特徵在於，在輸入參考電壓端口與第一調節開關之間增設有緩衝器。
10. 如申請專利範圍第7項所述的功率傳輸積體電路，其特徵在於，所述的第一調節開關、第二調節開關或者兩者均是電晶體。
11. 如申請專利範圍第7項所述的功率傳輸積體電路，其特徵在於，第一電流源和第二電源流中的至少一個是電流鏡。
12. 如申請專利範圍第7項所述的功率傳輸積體電路，其特徵在於，所述的溫度感應裝置是電壓比較器，用於將該輸入參考電壓與一參考電流的電壓進行比較，並且根據比較結果輸出控制信號。
13. 一集成功率傳輸電路限制溫度上升的功率傳輸方法，包括以下步驟：提供一輸入參考電壓至電壓調節電流源的輸入端；由該電壓調節電流源產生由電壓控制的電流輸出至該集成功率傳輸電路；感應該集成功率傳輸電路的溫度；當該集成功率傳輸電路的溫度等於或高於第一預定溫度時，將該輸入參考電壓從該電壓調節電流源的輸入端斷開； 當該集成功率傳輸電路的溫度等於或低於一低於第一預定溫度的第二預定溫度時，將該輸入參考電壓連接至該電壓調節電流源的輸入端。
14. 如申請專利範圍第13項所述的功率傳輸方法，其特徵在於，由連接在電壓調節電流源的輸入端與該輸入參考電壓之間的第一開關器件和連接在電壓調節電流源的輸入端與地之間的第二開關器件來完成電壓調節電流源與該輸入參考電壓的連接和斷開。
15. 如申請專利範圍第14項所述的功率傳輸方法，其特徵在於，使用電流源、電容器或者它們的組合調節從該電壓調節電流源輸入端觀測到的參考電壓的上升時間和下降時間。
16. 如申請專利範圍第13項所述的功率傳輸方法，其特徵在於，由緩衝器將該輸入參考電壓緩衝後提供至電壓調節電流源的輸入端。
17. 如申請專利範圍第13項所述的功率傳輸方法，其特徵在於，使用電壓比較器將該輸入參考電壓與一參考電流的電壓進行比較來感測該集成功率傳輸電路的溫度。