过温保护电路及其测试方法与流程

1.本发明涉及集成电路技术领域，特别涉及一种过温保护电路及其测试方法。


背景技术：

2.随着集成电路产品在集成化、小型化方向上取得进展，在现有的集成电路产品，例如电源、处理器芯片中，经常要面临环境温度过高而导致器件无法正常运行甚至烧毁的问题。因此，现有的芯片中都设有过温保护电路，过温保护电路的作用在于，当芯片的环境温度高于设定值的时候，使芯片停止工作或者进入低功耗模式，使芯片的温度逐渐降低；在芯片的温度低于另一设定值时，使芯片重新进入工作模式。
3.现有技术中，在芯片的制造过程中，需要对其中的过温保护电路进行检测和校准，使过温保护电路能够在设定的温度值工作。但是，测试过程中往往需要利用高温箱等设备对待测芯片提供高温环境，这样不仅加大了测试难度，还增大了校准过程中的误差，不利于芯片的安全运行。
4.因此，需要一种新的过温保护电路，实现对过温保护电路的简易的、精准的测试。


技术实现要素：

5.鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种过温保护电路及其测试方法，从而实现常温下对于过温保护电路的精准测试和校准。
6.根据本发明的一方面，提供一种过温保护电路，其特征在于，包括：
7.信号产生电路，包括第一输入端和第二输入端，所述信号产生电路用于输出控制信号；参考电压电路，耦接于所述信号产生电路的第一输入端，所述参考电压电路响应于所述控制信号，向所述第一输入端输出可切换的参考电压；温度检测电路，耦接于所述信号产生电路的第二输入端，所述温度检测电路用于向所述第二输入端输出响应于温度的温度系数电压；偏置电流电路，耦接于所述温度检测电路，用于向所述温度检测电路输出可变的偏置电流，所述偏置电流用于修调所述温度系数电压。
8.可选地，所述偏置电流电路包括电流调节模块和电流输出模块，所述电流调节模块包括恒流输入端子和电流输出端口，所述电流输出模块包括电流接收端口和至少一个输出端子，所述电流输出端口与所述电流接收端口连接。
9.可选地，所述电流调节模块包括多个电流镜支路，所述多个电流镜支路分别耦接在所述恒流输入端子与地之间或所述电流输出端口与地之间，形成电流镜结构，用于复制所述恒流输入端子接收的恒定电流。
10.可选地，述电流调节模块包括至少一个开关管，所述开关管耦接于所述电流输出端口与所述电流镜支路之间，用于控制所述电流输出端口的输出电流大小。
11.可选地，所述至少一个开关管为mos管。
12.可选地，所述耦接于所述电流输出端口与地之间的电流镜支路包括多个且规格不同，所述多个规格不同的电流镜支路用于按照不同比例复制所述恒定电流，使所述电流输
出端口输出非线性变化的电流，所述非线性变化的电流用于使所述温度系数电压线性变化。
13.可选地，所述电流输出模块包括多个电流镜支路，所述多个电流镜支路分别耦接在所述输出端子与地之间或所述电流接收端口与地之间，形成电流镜结构。
14.可选地，所述多个电流镜支路的规格相同，所述输出端子的输出电流与所述电流接收端口的接收电流大小相同。
15.可选地，所述温度检测电路包括第一双极型晶体管，所述第一双极型晶体管的基极与集电极短接并接地，所述第一双极型晶体管的发射极耦接于第一所述输出端子，所述第一输出端子输出偏置电流以修调所述发射极与所述基极之间的pn结电压，所述pn结电压响应于温度，作为所述温度系数电压输出至所述第二输入端。
16.可选地，所述温度检测电路包括第二双极型晶体管，所述第二双极型晶体管的发射极与所述第一双极型晶体管的基极短接并耦接于第二所述输出端子，所述第二双极型晶体管的基极与集电极短接并耦接与所述第一双极型晶体管的集电极，所述第二双极型晶体管用于提高所述温度检测电路输出的温度系数电压。
17.可选地，所述温度检测电路包括多个双极型晶体管，所述双极型晶体管的数量与所述偏置电流电路的输出端子相同。
18.可选地，所述参考电压电路包括第一开关管、第二开关管和参考电压输出端，所述第一开关管和第二开关管包括输入端、输出端和控制端，所述第一开关管和第二开关管的输出端均耦接于所述参考电压输出端，所述第一开关管的输入端设有第一参考电压，所述第二开关管的输入端设有第二参考电压，所述参考电压输出端连接于所述第一输入端，其中，所述第一参考电压对应于第一预设温度，所述第二参考电压对应于第二预设温度。
19.可选地，所述第一开关管和所述第二开关管为mos管。
20.可选地，所述信号产生电路包括电压比较器、第一非门和第二非门，所述电压比较器的输入端分别连接于所述第一输入端和所述第二输入端，所述第一非门和所述第二非门依次耦接于所述电压比较器的输出端。
21.可选地，所述第一非门和第二非门的输出端分别与所述第一开关管和第二开关管的控制端耦接。
22.可选地，所述第一开关管和所述第二开关管的导通状态响应于所述第一非门和第二非门输出的控制信号，所述控制信号控制所述参考电压电路交替输出所述第一参考电压和第二参考电压，用于控制温度处于所述第一预设温度和第二预设温度之间。根据本发明的另一方面，提供一种过温保护电路的测试方法，其特征在于，包括：温度测量步骤，使所述过温保护电路的温度保持恒定并测定此恒定温度；电压计算步骤，根据所述第一双极型晶体管和第二双极型晶体管的规格、所述第一参考电压与第二参考电压、所述第一预设温度与第二预设温度计算获得所述恒定温度下的结电压；电压调节步骤，调节可变的偏置电流至所述温度检测电路输出的温度系数电压与所述计算获得的结电压相对应。
23.可选地，所述参考电压确定步骤中所述可变的参考电流非线性变化，用于使所述结电压呈线性变化。
24.本发明提供的过温保护电路，改进了现有的过温保护电路，增加了偏置电流电路，用于向用作温度传感器的双极型晶体管提供偏置电流。应当理解的是，pn结电压与其温度
成反比，且pn结处于绝对零度时结电压为固定值。本发明的偏置电流电路能够提供可变的偏置电流，通过控制偏置电流的大小，即可调节pn结电压。具体来说，由已知的pn结在绝对零度和预设温度下的结电压值，可计算获得pn结在常温(27℃)下的结电压值，通过偏置电流电路在常温下调节pn结电压至上述计算值，即可控制所述过温保护电路实现精确运行。本发明的过温保护电路避免了测试过程中需要使用高温箱等复杂设备，同时避免了温度误差导致的结电压误差，提高了芯片运行的安全性。
附图说明
25.通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
26.图1示出了根据现有技术的过温保护电路的示意图解；
27.图2示出了根据本发明实施例的过温保护电路的示意框图；
28.图3示出了根据本发明实施例的过温保护电路的示意图解；
29.图4示出了pn结的结电压与温度的关系；
30.图5示出了根据图3所示的实施例中的偏置电流电路300的示意图解。
具体实施方式
31.以下将参照附图更详细地描述本发明的各种实施例。在各个附图中，相同的元件或者模块采用相同或类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。
32.应当理解，在以下的描述中，当称元件或电路“连接到”另一元件或称元件或电路“连接在”两个节点之间时，它可以直接耦合或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的，或者其结合。相反，当称元件“直接耦合到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。
33.同时，在本专利说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定的组件。本领域普通技术人员应当可理解，硬件制造商可能会用不同的名词来称呼同一个组件。本专利说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。
34.此外，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或者操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其它变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
35.过温保护电路常见于各种芯片中。由于芯片中电路集成度高，电路运行产生的热量无法及时排出，进而导致在芯片工作过程中芯片温度会随着工作时间的增加而升高。应当理解的是，芯片工作状态会受其温度的影响，例如，芯片温度过高会导致芯片烧坏。为保证芯片工作过程中的温度处于安全范围，在芯片中设置过温保护电路是必要的。图1示出了
现有技术的过温保护电路，此过温保护电路用于使芯片工作在安全的温度范围内。
36.图1示出了根据现有技术的过温保护电路的示意图，如图所示，现有技术中的过温保护电路采用反馈调节方式确保芯片温度小于预定值，具体来说，现有技术的过温保护电路包括双极型晶体管q1、信号产生电路100和参考电压电路200。其中，双极型晶体管q1用作温度感受器，具体来说，双极型晶体管q1的基极与集电极短接，基极与发射极之间的pn结电压vbe与其温度成反比，所述pn结电压vbe用于判断芯片温度；参考电压电路200包括一个参考电压输出端子210和两个mos管m1和m2，所述两个mos管m1和m2用作开关管，用于向参考电压输出端子210提供不同的参考电压v1和v2；信号产生电路100包括一个比较器110、两个非门u1和u2，上述参考电压输出端子210和双极型晶体管q1的基极与集电极分别耦接于比较器110的两个输入端，非门u2与u1级联，且u2正向连接在比较器110的输出端与u1的输入端之间，非门u1的输出端otp1与上述mos管m1的栅极耦接，非门u2的输出端otp2与上述mos管m2的栅极耦接，非门u1和u2的输出信号用于调节芯片的工作状态和控制mos管m1和m2的开关状态。
37.现有技术的过温保护电路的缺陷在于，对其进行功能测试时需要提供高温环境，原因在于根据pn结电压与温度的关系，只有当其处于高温环境时结电压才会到达参考电压区间内。技术人员应当理解的是，在例如高温箱中的高温环境中，较难对pn结的温度实现精准控制，这样导致对过温保护电路的测试不仅难度加大，测试的误差也较大。
38.图2示出了本发明的一个实施例的过温保护电路的示意框图，本发明的过温保护电路包括信号产生电路100、参考电压电路200、偏置电流电路300和温度检测电路400。其中，偏置电流电路300耦接于温度检测电路400，提供可变的偏置电流，所述偏置电流用于调节温度检测电路300输出的温度系数电压，温度系数电压还响应于环境温度；信号产生电路100分别与参考电压电路200、温度检测电路400耦接以接收表征设定温度的参考电压与温度系数电压，信号产生电路100用于比较上述两信号并根据结果输出控制信号，控制信号用于控制参考电压电路200输出的参考电压以及过温保护电路所在的电路的工作状态。
39.图3示出了本发明的一个实施例的过温保护电路的结构示意图，本发明的过温保护电路包括信号产生电路100、参考电压电路200、偏置电流电路300和温度检测电路400。其中，偏置电流电路300与温度检测电路400耦接，偏置电流电路300用于向温度检测电路400提供可调控偏置电流；信号产生电路100包括电压比较器110，参考电压电路200和温度检测电路400分别耦接于电压比较器110的两个输入端子上；信号产生电路100通过比较上述两个输入端子的电压输出控制信号，该控制信号用于控制芯片的工作状态和参考电压电路200输出的参考电压。
40.本发明的过温保护电路的温度检测电路400采用温度敏感器件作为温度传感器，具体来说，温度敏感器件能够将温度信号转换为电压信号并输出，即温度检测电路400用于接收芯片的温度并输出与芯片温度有关的温度系数电压。
41.在本发明的实施例中，利用pn结电压vbe与其温度的关系实现芯片温度向温度系数电压的转换。具体来说，温度检测电路400包括至少一个pn结，此pn结的结电压vbe、偏置电流与温度关系如图4所示，具体来说，当pn结处于绝对零度时，pn结电压vbe为固定值；且pn结电压与温度成反比，其系数与偏置电流有关；pn结电压与其偏置电流呈指数关系。因此，pn结电压vbe即可作为输出的温度系数电压。
42.在本发明的一些实施例中，温度检测电路400包括双极型晶体管q1和q2，具体来说，双极型晶体管q1的集电极与双极型晶体管q2的基极与集电极耦接并接地，双极型晶体管q1的基极与双极型晶体管q2的发射极耦接，其中，双极型晶体管q1和q2的基极与发射极之间的pn结用作温度传感器。通过设置双极型晶体管q1和q2，增大了温度检测电路400输出的温度系数电压，使输出的温度系数电压与参考电压大小适配，例如，在本发明的一些实施例中，双极型晶体管q1和q2的规格相同，输出的温度系数电压大小为pn结电压vbe的两倍。应当理解的是，本发明的温度检测电路也可以仅设一个或多个双极型晶体管，与本过温保护电路的其他部分适配即可。
43.本发明的过温保护电路的偏置电流电路300采用电流镜结构输出可变的偏置电流，通过控制导通支路即可控制输出的偏置电流大小。
44.在本发明的过温保护电路中，如图5所示，偏置电流电路300包括电流调节模块310和电流输出模块320。其中，电流调节模块310包括输入端子c，外界恒流源与输入端子c耦接，晶体管t1和t2串联构成电流镜支路t1/t2，电流镜支路t11/t12与输入端子c串联，使电流镜支路t11/t12的电流为固定的基准值。本领域技术人员应当理解，电流镜支路t21/t22、t31/t32、t41/t42、t51/t52、t61/t62和t71/t72的电流与上述基准电流成比例，比例系数与各支路的晶体管有关。电流调节模块310还包括多个开关管构成的开关单元，例如开关管m11-m15。此开关单元耦接于上述电流镜支路t31/t32-t71/t72与电流调节模块310的可调电流输出端口d之间，用于控制电流镜支路t31/t32-t71/t72所在支路的导通状态，此开关单元响应于外界的调节信号。应当理解的是，本发明的电流调节模块310中的电流镜支路数量及其比例可以根据需要任意设置，相应地，开关单元内的开关管数量也不加以限制，能够控制电流镜支路的通断即可，例如，当上述开关管m11-m15中的至少一个导通时，其对应的支路输出电流至可调电流输出端口d，可调电流输出端口d输出的电流为电流镜支路t21/t22的电流与导通的支路电流之和。
45.类似地，电流输出模块320也采用了电流镜结构，具体包括电流镜支路t23/t24、t81/t82和t91/t92，其中，电流镜支路t23/t24与可调电流输出端口d耦接，其电流为可调电流输出端口d的输出电流，电流镜支路t81/t82和t91/t92基于设置在电源电压端与所述可调电流输出端a和b之间的电流镜结构输出偏置电流。具体来说，可调电流输出端a与上述双极型晶体管q1的基极、q2的发射极耦接，可调电流输出端b与双极型晶体管q1的发射极耦接，偏置电流电路300通过可调电流输出端a和b控制温度检测电路400的偏置电流。应当理解，电流输出模块320的可调电流输出端数量与温度检测电路400中设置的双极型晶体管的数量相同。在本发明的一些实施例中，电流镜支路t23/t24、t81/t82和t91/t92的规格相同，输出端口a和b的输出电流相同。
46.在本发明的实施例中，电流调节模块310中的支路数量与电流比例都可以按照实际需要加以调整，例如，相同温度下pn结电压与偏置电流呈指数关系，为了实现对温度检测电路400输出的温度系数电压的线性调制，在一些实施例中，电流镜支路t21/t22、t31/t32、t41/t42、t51/t52、t61/t62和t71/t72的电流比例为2∶1∶1∶2∶2∶5；应当理解，也可以采用若干相同规格的电流镜支路，通过控制不同的导通支路数量也可以达到上述效果。此外，上述开关管可以是双极型晶体管或mos管，排布方式可以是多个管子一端耦接，另一端与对应的电流镜支路耦接，也可以如图5所示分级连接。
47.本发明的过温保护电路的参考电压电路200采用反馈调节方式实现参考电压输出的切换，即参考电压电路200接收信号产生电路100的输出信号，当上述输出信号反转时，参考电压电路200输出的参考电压发生切换。
48.在本发明的过温保护电路中，参考电压电路200包括两个开关管m1、m2和输出端子210，开关管m1和m2的开关状态用于控制输出端子210输出的参考电压。具体来说，开关管m1和m2均包括输入端、输出端和控制端，其中，两个输出端与输出端子210耦接，输入端分别向对应的输出端提供第一参考电压v1和第二参考电压v2，两个控制端otp1和otp2控制对应的输入端与输出端之间的导通情况，应当理解的是，本发明的过温保护电路采用反馈调节方式，参考电路提供电路200的输出状态受信号产生电路100输出的控制信号控制，即上述控制端otp1和otp2均与信号产生电路100的不同输出端耦接。
49.在本发明的一些实施例中，上述开关管m1和m2为mos管，信号产生电路100的输出信号为电平信号，而mos管为电压控制元件，不消耗功率，减少了产热，提高了性能。本领域技术人员应当理解，参考电压电路200的开关管m1和m2也可以是双极型晶体管等其他可用作开关管的器件。
50.本发明的过温保护电路的信号产生电路100通过比较上述温度系数电压与参考电压判断芯片温度是否达到预定值，并根据比较结果输出信号，控制芯片的工作状态。
51.在本发明的过温保护电路中，信号产生电路100包括电压比较器110和两个非门u1、u2，电压比较器110的两个输入端分别与参考电压电路200的输出端210和双极型晶体管q1的发射极耦接，用于比较温度检测电路400输出的pn结结电压vbe与参考电压电路200输出的参考电压的大小。两个非门u1和u2耦接于电压比较器110的输出端，非门u1和u2的输出端分别与开关管m1和m2的控制端otp1和otp2耦接。应当理解，非门u1和u2的输出端输出的信号相反，即开关管m1和m2中仅有一个为导通状态。
52.在本发明的一些实施例中，信号产生电路100中电压比较器110的输出端仅耦接一个非门，本领域技术人员应当理解，上述实施例中设两个非门u1和u2用于信号整形和提高驱动能力，在仅设一个非门时，非门的输出端和电压比较器110的输出端分别耦接于两开关管的控制端。
53.在芯片处于工作状态时，其温度随着工作时间而逐渐升高。此时，芯片温度小于第一预设温度t1，参考电压电路200中开关管m1导通，m2关断，输出端子输出第一参考电压v1；温度检测电路400输出的温度系数电压大于第一参考电压v1。此时，信号产生电路100输出的信号控制芯片持续工作。
54.温度检测电路400输出的温度系数电压随着芯片温度升高而逐渐降低。当芯片温度上升至高于第一预设温度t1时，温度系数电压小于第一参考电压v1，此时，电压比较器110的俩个输入端的输入电压大小关系变化，信号产生电路100的输出信号翻转，控制芯片停止工作；同时，参考电压电路200中开关管m1和m2的控制端otp1和otp2接收的信号翻转，m1关断，m2导通，使输出端子210输出第二参考电压v2，应当理解的是，第二参考电压v2大于第一参考电压v1。
55.在芯片处于停止工作状态时，其温度随着热量逐渐散失而降低。此时，芯片温度大于第二预设温度t2(显然，t1大于t2)，因此，温度检测电路400输出的温度系数电压小于第二参考电压v2。此时，认为芯片处于非安全温度下，信号产生电路100输出的信号控制芯片
处于关闭状态。
56.温度检测电路400输出的温度系数电压随着芯片温度降低而逐渐升高。当芯片温度降低至小于第二预设温度t2时，温度系数电压大于第二参考电压v2，电压比较器110再次发生反转，输出信号控制芯片重新工作，同时开关管m1和m2的开关状态调换，控制参考电压电路200输出第一参考电压v1，也就是当芯片温度降低至t2时，芯片重新进入工作状态。
57.综上，本发明的过温保护电路可以使芯片的温度处于第一预设温度t1和第二预设温度t2之间。
58.本发明的过温保护电路设有偏置电流电路300用于调节温度检测电路400的结电压vbe。应当理解的是，pn结电压大小与pn结的偏置电流呈指数关系，调节偏置电流电路300产生的偏置电流大小即可调节结电压vbe的大小。例如，偏置电流电路300用于调节测试中的过温保护电路的性能。
59.应当理解的是，如果要使现有的过温保护电路工作，即使其输出的信号发生反转，其温度应当处于第一预设温度t1和第二预设温度t2之间，通常来说，上述t1和t2均高于100摄氏度，也就是说，现有的过温保护电路测试中需要提供高温环境，例如高温箱。这样测试不仅增大了测试难度，而且误差较大，导致芯片实际的温度区间与期望值有所偏差，容易导致安全隐患。为了解决此问题，本发明的过温保护电路增加了偏置电流电路300以实现常温下对过温保护电路的测试。
60.如图4所示，结电压vbe与温度呈反比例关系，而且当pn结处于绝对零度(0k)时，其结电压为一固定值，不受偏置电流的影响。也就是说，只要通过调节偏置电流大小调节任一温度下的结电压值，即可调节结电压值在所有温度下的大小，具体来说，也就是调节结电压值在常温下的大小即可控制其在高温下的值。
61.在本发明的一些实施例中，对过温保护电路的测试过程中不需要提供高温环境，从而提高了测试的精确度。具体来说，将过温保护电路置于常温环境(27℃)下并测量温度检测电路400输出的温度系数电压，本领域技术人员应当理解的是，上述第一参考电压v1和第二参考电压v2均由外部电路提供，为确定值，第一预设温度t1和第二预设温度t2也由芯片本身决定，而pn结的结电压与温度呈线性关系，也就是说，除了上述绝对零度对应的固定的电压值外，在pn结的电压-温度关系上还包括至少一个固定点，即常温(27℃)对应的结电压值v是可计算得出的。通过调节偏置电流至计算值v，即可保证过温保护电路工作在预设的温度区间。这样不仅降低了测试难度，也提高了过温保护电路的工作精度。
62.在本发明的一些实施例中，由于pn结的结电压与偏置电流呈指数关系，在修调结电压的过程中，偏置电流呈非线性变化，从而使结电压呈线性变化，以减小误差。
63.本发明还提供了一种集成电路芯片和一种信号处理装置，上述过温保护电路设置于上述集成电路芯片中，上述集成电路芯片包括外部电路，用于向过温保护电路提供调节信号。上述信号处理装置包括上述集成电路芯片，具体来说，信号处理装置可以是智能电视、智能手机、智能手表、平板电脑、电脑、笔记本电脑、一体式电脑、工业电脑、伺服器、金融交易装置、车载电脑中的任意一种。
64.应当说明，本领域普通技术人员可以理解，本文中使用的与电路运行相关的词语“期间”、“当”和“当
……
时”不是表示在启动动作开始时立即发生的动作的严格术语，而是在其与启动动作所发起的反应动作(reaction)之间可能存在一些小的但是合理的一个或
多个延迟，例如各种传输延迟等。本文中使用词语“大约”或者“基本上”意指要素值(element)具有预期接近所声明的值或位置的参数。然而，如本领域所周知的，总是存在微小的偏差使得该值或位置难以严格为所声明的值
65.依照本发明的实施例如上文，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明的保护范围应当以本发明权利要求及其等效物所界定的范围为准。