集成于车规芯片的多模高精度温度传感器的制作方法

本发明属于半导体，涉及一种集成于车规芯片的多模高精度温度传感器。

背景技术：

1、车规芯片内部集成的温度传感器用于实时监测芯片工作结温，其设计需同时满足道路车辆功能安全规范、宽温域高精度测温与低量产测试成本等三大硬性指标。现有的片上温度传感器主要分为两类：第一类为采用铂电阻等分立感温器件，需要外挂独立的模数转换电路（analog to digital convert，adc）完成温度信号数字化，芯片集成度低，无法内嵌于车规mcu、电源管理芯片和功率驱动soc等；第二类为基于双极性晶体管（bipolarjunction transistor,bjt）的cmos集成温度传感器，依靠晶体管的基极-发射极电压（vbe）与基极-发射极电压差值（δvbe）的温变特性实现测温，是片上测温主流方案。

2、随着先进cmos工艺制程持续缩小，工艺内部寄生bjt电流增益显著衰减且器件版图失配加剧，导致传统bjt温度传感器测温精度大幅劣化；同时，传统方案无法兼顾高精度测量、高速过温保护与芯片硬件自检等多类车载工况，仅支持单一线性测温模式，测温精度、功耗与响应速度无法灵活取舍；传统的温度传感器须在多个温度测试点完成增益、失调与基准电压修调校准，而车规芯片生产需要进行长时间的压力可靠性测试，多温度点校准流程会大幅拉长测试工时，显著抬高芯片制造成本；没有集成硬件自检电路且核心模块无冗余，则不能满足车规功能安全单点故障容错要求，而且过温报警阈值固定不可调，在车载复杂变温工况下极易出现误报漏报；此外，共模误差抑制能力弱，adc基准漂移、放大器增益失配与晶体管工艺离散失配等各类系统误差无法抵消，全温域测量偏差大，更无法满足高端车规芯片高精度测温需求。

3、综上，在当前车规芯片行业中，如何设计一种兼容先进小尺寸cmos工艺、支持多组可切换工作模式、免除量产多温点校准且具备超高测温精度，以完全符合车规功能安全标准的片上集成温度传感器，成为了亟需解决的技术问题。

技术实现思路

1、针对上述传统技术中存在的问题，本发明提出了一种集成于车规芯片的多模高精度温度传感器，能够兼容先进小尺寸cmos工艺、支持多组可切换工作模式、免除量产多温点校准且具备超高测温精度，完全符合车规功能安全标准。

2、为了实现上述目的，本发明实施例采用以下技术方案：

3、提供一种集成于车规芯片的多模高精度温度传感器，包括感温电路核心、模式选择译码模块、斩波运算处理模块、缓冲器、模数转换电路、过温报警比较模块及自检接口，模式选择译码模块分别连接感温电路核心、斩波运算处理模块、自检接口及过温报警比较模块，模数转换电路的输入端连接斩波运算处理模块的输出端，模数转换电路的输出端输出用于换算测量温度的数字量化值，缓冲器连接在感温电路核心的输出端与模数转换电路的参考输入端之间；感温电路核心、模数转换电路和过温报警比较模块分别设置有独立备份通路；

4、感温电路核心用于生成与车规芯片的温度强相关的负温度系数电压vbe和正温度系数电压δvbe，模式选择译码模块用于接收外部的寄存器配置控制信号后对应选通不同模拟信号通路，以切换五种工作模式；五种工作模式包括正温度系数量化模式、负温度系数量化模式、非线性正温度系数量化模式、温度报警模式和自检模式；

5、斩波运算处理模块用于对输入的模拟温感电压进行斩波与可调倍数的增益处理，缓冲器用于生成模数转换电路的参考电压并为模数转换电路提供驱动，模数转换电路用于对模拟温感电压过采样量化后输出数字量化值，过温报警比较模块用于根据动态调整的高温报警阈值与低温报警阈值执行微秒级超温报警，自检接口用于向信号链路注入标准测试信号以完成全链路硬件故障检测。

6、在其中一个实施例中，感温电路核心包括两级级联的偏置电流源电路、动态元器件匹配模块dem、感温bjt晶体管阵列和第一时钟产生电路；

7、偏置电流源电路为两级pmos电流镜架构，用于输出两路高阻抗且稳定的偏置电流给动态元器件匹配模块dem，动态元器件匹配模块dem接收第一时钟产生电路输出的周期时序控制信号后动态轮换分配两路偏置电流至感温bjt晶体管阵列，感温bjt晶体管阵列用于输出负温度系数电压和正温度系数电压。

8、在其中一个实施例中，偏置电流源电路包括晶体管mp1、晶体管mp2、晶体管mp3、晶体管mp4、晶体管mp5、晶体管mp6、晶体管mp7、晶体管mp8与偏置电阻r1；

9、晶体管mp1和晶体管mp2串联构成第一级pmos电流镜的左侧支路，晶体管mp3和晶体管mp4串联构成第一级pmos电流镜的右侧支路，晶体管mp1和晶体管mp3的栅极接第一偏置电压，晶体管mp2和晶体管mp4的栅极接第二偏置电压，晶体管mp4的漏极通过偏置电阻r1连接至感温bjt晶体管阵列；

10、晶体管mp5和晶体管mp6串联构成第二级pmos电流镜的左侧支路，晶体管mp7和晶体管mp8串联构成第二级pmos电流镜的右侧支路，晶体管mp5和晶体管mp7的栅极接第一偏置电压，晶体管mp6和晶体管mp8的栅极接第二偏置电压，晶体管mp2的漏极、晶体管mp6的漏极和晶体管mp8的漏极分别连接至感温bjt晶体管阵列。

11、在其中一个实施例中，感温bjt晶体管阵列包括感温三极管q1至感温三极管q8；感温三极管q1至感温三极管q8为npn型感温三极管或pnp型感温三极管；

12、感温三极管q1和感温三极管q2共发射极串联堆叠，感温三极管q3和感温三极管q4共发射极串联堆叠，感温三极管q1的集电极和感温三极管q3的集电极分别连接偏置电流源电路的第一级pmos电流镜，感温三极管q5和感温三极管q6共发射极串联堆叠，感温三极管q7和感温三极管q8共发射极串联堆叠，感温三极管q5的集电极和感温三极管q7的集电极分别连接偏置电流源电路的第二级pmos电流镜；感温三极管q2、感温三极管q4、感温三极管q6和感温三极管q8的发射极分别接地；

13、感温三极管q1、感温三极管q3、感温三极管q5和感温三极管q7的发射极共节点输出第一负温度系数电压，感温三极管q2、感温三极管q4、感温三极管q6和感温三极管q8的发射极共节点输出第二负温度系数电压。

14、在其中一个实施例中，两级pmos电流镜架构中电流镜电流比例配置为1:k:1: k。

15、在其中一个实施例中，斩波运算处理模块包括依次级联的第一斩波开关、可编程增益放大器pga与第二斩波开关，第一斩波开关的输入端连接模式选择译码模块的输出端，第二斩波开关的输出端连接模数转换电路的输入端，可编程增益放大器pga用于对输入的信号进行可调倍数的增益处理；可编程增益放大器pga的增益模式包括单位增益缓冲模式和可编程电压放大模式。

16、在其中一个实施例中，模数转换电路包括级联的二阶δσ积分器与数字抽取滤波器filter，δσ积分器根据模式选择译码模块输出的配置信号，自动切换对应采样时钟和参考电压用于对放大后的温感模拟电压执行过采样量化，输出对应的比特流；

17、数字抽取滤波器filter根据五种工作模式分别配置的独立的滤波参数，对比特流执行抽取与降噪处理后，输出对应的数字量化值。

18、在其中一个实施例中，过温报警比较模块集成参考电压缓冲电路、多路基准选择器mux2、多位修调dac、迟滞电压比较器和动态阈值计算逻辑；

19、参考电压缓冲电路的电源端接电源vdd且接地端接地电压，参考电压缓冲电路的输入端用于接入基准电压vref0，参考电压缓冲电路的输出端连接多位修调dac的输入端，多位修调dac的输出端连接多路基准选择器mux2的一个输入端，多路基准选择器mux2的另一个输入端用于接入基准电压vref0，多路基准选择器mux2的输出端连接迟滞电压比较器的反相输入端，迟滞电压比较器的正相输入端接入第一负温度系数电压vbe1，迟滞电压比较器的输出端用于故障告警信号alarm；多位修调dac的修调控制码code由非线性正温度系数量化模式实时计算生成，用于动态更新迟滞电压比较器的电压翻转阈值。

20、在其中一个实施例中，多模高精度温度传感器的默认驻留的工作模式为温度报警模式，每固定周期自动切换至非线性正温度系数量化模式执行一次高精度测温，刷新过温报警比较模块的多位修调dac的修调控制码code后返回温度报警模式；温度报警模式下模数转换电路的数字抽取滤波器filter与斩波运算处理模块的可编程增益放大器pga全部关闭。

21、在其中一个实施例中，自检接口在芯片上电时，对缓冲器buffer、斩波运算处理模块集成的可编程增益放大器pga、过温报警比较模块的多位修调dac与迟滞电压比较器执行自检，若检测到硬件故障，则芯片的系统强制锁定温度报警模式并锁存对应的故障标识，同时触发过温报警比较模块持续输出故障告警信号。

22、上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点和有益效果：

23、上述集成于车规芯片的多模高精度温度传感器，通过感温电路核心、模式选择译码模块、斩波运算处理模块、模数转换电路、过温报警比较模块及自检接口集成一种多模高精度温度传感器，感温电路核心可通过动态元器件匹配网络消除晶体管失配，同步生成负温度系数电压与正温度系数电压，且设计有五种可寄存器自由切换的工作模式覆盖线性测温、比值式超高精度测温、动态阈值微秒级过温报警及全链路硬件自检，可抵消共模系统误差，全温域测温误差低至±0.1℃；依托比值自补偿特性，量产仅需常温、高温与低温三个测点标定系数，免除了传统传感器多温点逐芯片校准工序，大幅降低车规芯片测试成本，实现微瓦级低功耗与微秒级超限响应；自检模式覆盖信号全链路故障检测，关键电路配置硬件冗余，满足道路车辆功能安全设计需求，适配各代先进cmos工艺，可内嵌于各类车规芯片。