无线温度传感器芯片的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种无线温度传感器芯片，主要解决了现有技术中存在的缺乏一种安全可靠、功耗较低的无线温度传感器芯片，不能满足技术发展需求的问题。该无线温度传感器芯片包括均集成在一起的电源管理单元、温度传感器单元、带隙基准单元、ADC单元、带电检测单元和射频收发单元，电源管理单元支持前端自取能装置电源输入和外接电源输入，采用耐高压的LDMOS管设计为LDO结构。通过上述方案，本发明达到了结构简单、设计巧妙、工作稳定、性价比较高的目的，具有很高的实用价值和推广价值。
【专利说明】无线温度传感器芯片
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种无线温度传感器芯片。
【背景技术】
[0002]进入21世纪后，自取能无线智能温度传感器正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片测温系统等高科技的方向迅速发展。
[0003]传统的无线温度传感器一般采用电池供电，尽管电池的储能密度和使用寿命随着技术进步不断提高，但仍存在一些无法克服的供能缺陷，诸如供能寿命有限、需重复充电、体积与质量较大等，并不能完全满足无线传感器网络的发展要求。随着无线传感器网络的广泛应用，节点数目越来越庞大，采用电池供电方式的缺陷愈加彰显。近年来，自供能技术作为一种能从根本上解决无线传感器网络节点供能问题的方法被提出，其是一种通过收集周围环境中其他形式的能量并将其转换成电能，为传感器及其它电子设备提供安全、稳定、高效、理论上无寿命限制的电能供给技术。自供能技术最大的优点在于无线传感器可利用周围环境中的能量作为自身的能量供给，从而摆脱了对电网的依赖。因为其独特的自支持特点，符合传感器的发展方向和工业需要，其发展前景十分广阔。
[0004]2005年Michiel A.P.Perti js等发表了高精度智能温度传感器，其原理是基于三极晶体管产生的PTAT电压，通过Σ-Λ式A/D转换器，实现了从_50°C到120°C的3σ误差仅为±0.5°C的智能温度传感器；2006年Faith Kocer等人实现了用RF信号供电的无线温度传感器，无线发射频率为2.3 GHz，待机功耗5 μ Α,发射信号时功率5mA，但是通信距离较短；2010年Fabio Zito等发表了用于生物医学的无线温度传感器，该芯片采用三极晶体管产生PTAT电压，通过Sbit数模转换器将数据提供给射频模块发射，该芯片将射频天线集成在芯片上实现了芯片的小型化。以上学术界的研究已经初步实现了测温电路、无线通信电路的集成，但还未实现系统的自取能，并且大多研究并不是针对于电力传输系统，没有涉及抗干扰设计等方面的研究内容。
[0005]从国外企业产品的调研情况来看，国外公司提供的芯片大多都侧重于将无线通信功能单独用一个芯片来实现，如ADI公司的ADF7021、Nordic公司的NRF2401、TI公司的CCllOO等。组成无线温度传感系统时，还需要在系统中集成独立的ADC和处理器芯片等，这样的实现方式具有较大的通用性和可扩展性，但是，这种方式将导致系统的体积、成本较高。另外，国外公司开发的芯片通常是针对全球的无线频段规划，只有极少数产品能够覆盖我国的470MHz测量频段，目前还没有一款国外公司的芯片能够满足更高要求的取能、测温、AD转换、无线通信和组网协议处理。
[0006]由于我国的集成电路设计行业发展相对较晚，在芯片的设计能力发面与国外先进水平差距较大，尤其是在电力系统领域，目前国内的自取能无线温度传感器设备主要靠购买国外芯片组装而成，自主设计研发的具有低功耗高性能的自取能无线温度传感专用芯片尚未有详细报道，但在某些领域也取得了一些进展，但功能有限，无法满足市场的需求。
【发明内容】
[0007]本发明的目的在于提供一种无线温度传感器芯片，主要解决现有技术中存在的缺乏一种安全可靠、功耗较低的无线温度传感器芯片，不能满足技术发展需求的问题。
[0008]为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下:
无线温度传感器芯片，包括:
电源管理单元，支持前端自取能装置电源输入和外接电源输入，采用耐高压的LDMOS管设计为LDO结构；
温度传感器单元，检测芯片周围的环境温度，并在温度高于阈值时产生过温保护信
号;
带隙基准单元，在设定的温度范围内向AD转换单元提供稳定不变的直流参考电压，并为芯片中其他单元提供稳定的电压或电流偏置；
ADC单元，将采样到的信号与带隙基准单元提供的参考信号逐次进行比较，得出每一位数字转换结果，实现信号的AD转换；
带电检测单元，判断待检测设备是否带电；
射频收发单元，进行信号收发及处理；
所述电源管理单元、温度传感器单元、带隙基准单元、ADC单元、带电检测单元和射频收发单元均集成在一起。
[0009]进一步地，所述射频收发单元包括GFSK射频发射机，对GFSK射频发射机发射的信号进行接收的GFSK射频接收机，以及将GFSK射频接收机接收到的信号进行处理的处理单
J Li ο
[0010]所述GFSK射频发射机基于一个小数N型频率综合器实现；所述GFSK射频接收机包括依次相连的低噪声放大器、下变频混频器、复数带通滤波器、由N级对数放大器组成的限幅器和进行信号AD转换的ADC转换器。
[0011]具体地说，所述电源管理单元包括与电源输入端相连的偏置电路，源极与偏置电路相连的MOS管M3，栅极均与MOS管M3的漏极相连、且源极相互连接的MOS管Ml和MOS管M2，集电极与MOS管Ml的漏极相连的三极管Q1，发射极通过电阻Rl与三极管Ql的发射极相连、集电极与MOS管M2的漏极相连的三级管Q2，源极与MOS管M2的漏极相连、栅极通过电阻R3与三极管Q2的基极相连的MOS管M4，集电极与MOS管M4的栅极相连的三极管Q3，基极与三极管Q3的基极相连的三极管Q4,源极与偏置电路相连、漏极与MOS管M4的栅极相连的MOS管M8，栅极与MOS管M8的栅极相连、漏极与三极管Q4的集电极相连的MOS管M7，源极与MOS管M7的源极相连的MOS管M6，漏极与MOS管M6的漏极相连、源极与MOS管M4的栅极相连的MOS管M5。
[0012]其中，所述温度传感器单元包括PTAT电流源，与PTAT电流源相连的温度传感器输出电路，与温度传感器输出电路相连的过温保护电路。
[0013]本发明中，所述PTAT电流源包括基极相互连接的三极管Q12和三极管Q32，基极与三极管Q32的发射极相连、集电极与三极管Q12的发射极相连的三极管Q22，基极与三极管Q12的发射极相连、集电极与三极管Q32的发射极相连的三极管Q42，以及连接于三极管Q22的发射极与地之间的电阻R12。[0014]更进一步地，所述带隙基准单元包括串联的滑动变阻器R7a、电阻R8a、电阻RSb和滑动变阻器R7b，同相输入端与滑动变阻器R7a的滑动端相连、反相输入端与滑动变阻器R7b的滑动端相连的运算放大器T，基极相互连接的三极管Q13、三极管Q23、三极管Q43和三极管Q53，发射极连接于电阻R8a和电阻R8b之间、基极通过电阻R83连接于三极管Q53集电极的三极管Q33，所述三极管Q13的集电极与滑动变阻器R7a的固定端相连、发射极通过电阻Ri3与三极管Q23的发射极相连，所述三极管Q23的集电极与滑动变阻器R7b的固定端相连。
[0015]与现有技术相比，本发明具有以下有益效果:
(I)本发明中的电源管理单元既支持取能装置的电源输入，也支持外接电源的输入，且采用工艺中能够耐高压的LDMOS管进行设计，因而能适应不同环境下的温度测量，且芯片既能通过自身的温度传感器单元对周围环境温度进行测量，也能够使用外接温度测量传感器进行测量，使用灵活，适用范围广。
[0016](2)本发明中，通过对带隙基准单元的巧妙设计，使得芯片能够稳定工作在技术要求的温度范围内，并为其他电路提供可靠的电压或电流偏置，从而极大地提高整个芯片的
温度可靠性。
[0017](3)本发明中，采用逐次逼近式结构实现温度信号的AD转换，具有结构简单、低成本、低功耗的优势，并通过将射频收发单元设计为低中频的外差式结构，有效降低了芯片的功耗和成本，解决了零中频接收机中本振泄漏、偶次非线性、直流偏移、闪烁噪声和受I/Q失配影响等大问题。
[0018](4)本发明结构简单、设计巧妙、工作稳定、性价比较高，具有突出的实质性特点和显著进步，适合大规模推广应用。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1为本发明的实施示意图。
[0020]图2为本发明中电源管理单元的电路原理图。
[0021]图3为本发明中温度传感器单元的电路原理图。
[0022]图4为本发明中带隙基准单元的电路原理图。
【具体实施方式】
[0023]下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。
实施例
[0024]为了解决现有技术中存在的缺乏一种安全可靠、功耗较低的无线温度传感器芯片，不能满足技术发展需求的问题，如图1~4所示，本发明提供了一种安全性能高、可靠性强、功耗低的无线温度传感器芯片，主要包括电源管理单元、温度传感器单元、带隙基准单元、ADC单元、带电检测单元、射频收发单元等部分，电源管理单元支持包括CT取能装置、电场耦合取能装置等多种前端自取能装置电源输入，也支持外接电源的输入；采集温度的方式既支持芯片内部集成的温度传感器单元，也支持外部接入温度传感器的方式。[0025]为了确保芯片即可用于高压环境也能应用于低压环境，基于本发明取能装置的特点，以及电力设备应用环境的特点，如图2所示，电源管理单元基于LDO结构来实现，且考虑到取能装置可能输出较高的电压，因此采用工艺中能够耐高压的LDMOS管来设计。
[0026]本实施例中提供了一种电源管理单元的电路原理图，如图2所示，整个LDO电路将取能装置输出的高压HV_IN作为供电电源，通过简单的偏置电路(左边两支)产生带隙基准单元的辅助模电路，三极管Ql和三极管Q2作为比例管，产生Λ Vbe (发射极相对于基极的电压)，由电流镜Ml和M2来保证两条支路电流相等，带隙基准电压在A点产生后，通过电阻R3和R4比例升压达到Vb，然后再减去Vgs5 (M0S管Μ5中栅极相对于源极的电压)从而得到AVDD0其中，1?5管14』5^6』7^8以及三极管Q2、Q3共同组成一个简单的反馈回路，实现AVDD的自动调节，即当AVDD电压被拉低时，MOS管Μ5电流增大，通过电流镜的反馈，B点电压被下拉，此时在MOS管Μ4的Ves会上升，从而将B电压点上拉，进而将AVDD抬高，完成反馈，通过这种电路设计，当AVDD不驱动负载时，LDO电路的功耗极低，约为30uA。
[0027]温度传感器单元为一个集成的半导体器件温度传感器电路，用于检测芯片周围的环境温度，并且整个芯片的过温保护信号也基于该电路来产生，本发明中，采集温度的方式既支持芯片内部集成的温度传感器单元，也支持外部接入温度传感器的方式(如钼电阻传感器等)，因而温度传感器单元即可集成于芯片外部，亦可集成于芯片内部。
[0028]本实施例中提供了一种温度传感器单元的电路原理图，如图3所示，左边虚线框中的电路产生一个PTAT电流Iptat，该电流的大小与电阻R12和四个三极管Q12、Q22、Q32、Q42的发射区面积之比有关，该电流经过Pl和P3组成的电流镜产生温度电压信号；该电路中最右边部分为过温保护电路，电路正常工作后，A、B点电压为高电压，C点电压为低电压，此时A点电压Va=Iptat*R32，随着温度的升高，A点电压也升高，当达到某个温度时，A点电压达到三极管Q52的阈值电压，当超过这个温度时三极管Q52导通，其导通后，B点电压变为低电压，此时A点电 压变为Va=Iptat* (R32+R42)，因此B点信号即可作为全芯片的过温保护指示信号。
[0029]带隙基准单元的功能是使芯片能够可靠工作在要求的温度范围内，在整个温度范围内提供稳定不变的直流参考电压，为AD转换单元提供参考电压，并为全芯片的其它单元提供可靠的电压或电流偏置，从而极大地提高整个芯片的温度可靠性，根据实际情况，电压温度系数可以小于10ppm/°C。
[0030]本实施例中提供了一种带隙基准单元的电路原理图，如图4所示，基准电路由三极管Q13和Q23所组成的比例晶体管产生，然后将产生的信号送入由电阻R43、R53、R63组成的分压电阻串，产生所需基准电压Vkef，其中，电阻R53和R7a、R7b是可以进行Tkim调节的可调电阻(如滑动变阻器)，用来提高电阻精度，三极管Q43、Q53以及P4、P5 (P可采用MOS管、运算放大器等器件，只要能实现相应功能便可)生成三极管Q33所需的电压，同时也引入负反馈，来提高环路稳定性，可调电阻R53主要用来产生分压，以精确的产生所需基准电压Veef, P6和运算放大器T 一起为基准电压Vkef提供必要的驱动力，同时通过运算放大器T产生反馈环路，来减小由于负载变化对Vkef的影响。
[0031]为了提高芯片性能、减小功耗，本发明中的ADC单元采用逐次逼近式结构，用以实现温度信号的AD转换，相对于其它形式的ADC单元，采用逐次逼近式结构具有结构简单、低成本、低功耗的明显优势。该种结构的ADC单元可包括16个比例电容、一系列的控制开关以及一个比较器，在逻辑电路的控制下，其将采样得到的模拟温度信号逐次与参考信号进行比较，得出每一位数字转换结果，由于电路的控制主要由数字电路完成，因此具有极低的功耗。
[0032]带电检测单元通过当前感应取能装置是否处于正常输出状态来判定被监测设备是否带电，同时可将带电信息输出，从而辅助实现设备高压带电显示及闭锁功能。
[0033]射频收发单元包括GFSK射频接收机、GFSK射频发射机，由数字基带处理模块和MAC层处理模块构成的处理单元，即射频收发机包括发射和接收两大部分，并可通过一个片上收发开关实现发射和接收在时域的复用。为了降低芯片的功耗和成本，整个接收通道可采用低中频的外差式结构，采用低中频结构只需一次变频，结构简单，成本与零中频式接收机相当，但却能够有效解决零中频接收机中本振泄漏、偶次非线性、直流偏移、闪烁噪声和受I/Q失配影响等大问题，接收机通路中可包括低噪声放大器、下变频混频器、复数带通滤波器、限幅器和一个实现接收强度指示信号AD转换的ADC等，由于该种结构的收发机属于现有技术中已成熟的技术，因而在此不作更多说明。
[0034]本发明中，与其它传统调制模式的发射机不同，本发明中的发射机没有上变频混频器，而是基于一个小数N型频率综合器来实现，且基带电路数字电路和MAC协议处理模块电路都采用数字电路用硬件实现，基带电路的接收部分用以实现进一步的信道滤波、GFSK解调、自动增益控制(AGC)、帧同步；发射部分实现发射功率控制、信道选择以及GFSK频率偏移控制等功能。
[0035]为了实现上述功能，本实施例中给出了一种射频收发单元的电路结构图，GFSK射频接收机包括依次相连的低噪声放大器、下变频混频器、复数带通滤波器、由N级对数放大器组成的限幅器和一个实现接收强度指示信号AD转换的ADC转换器。其中，低噪声放大器将射频信号进行放大以抑止后级电路的噪声，混频器实现射频信号的正交下变频，将信号变频到2MHz的中频，复数带通滤波器进行信道选择和镜频抑制，从而避免使用片外的中频滤波器，复数滤波器优选采用有源放大器结构，提供一定的可调增益，滤波后的中频信号经过限幅器进行限幅放大之后进入基带数字电路。其中，限幅器电路相当于一个I比特的ADC转换器，通过其特殊的对数放大器级联结构可以接收强度指示信号，以辅助基带数字电路实现自动增益控制，以及判断信道是否空闲。为了实现自动增益控制，本发明中的低噪声放大器和有源带通滤波器的增益都可由基带数字电路进行配置，为了降低基带电路的工作频率，中频信号的中心频率可确定为1MHz，采用下边带注入方式，也就是使本振信号低于射频载波信号，例如射频信号为472MHz，则本振信号为470MHz，各信道的本振信号频率以此类推。
[0036]GFSK射频发射机没有上变频混频器，而是基于一个小数N型频率综合器来实现，在发射模式下，数字基带电路输出的数字信息经过GFSK调制，再分别进行高斯滤波和数字调制，从而使整个小数分频器输出经过GFSK控制的射频信号，该信号再经过功率放大之后，从天线发射出去。GFSK信号为恒包络信号，所以本发明中的功率放大器优选采用高效率的E类放大器实现，以降低功率放大器的功耗,并可实现功率放大器的片上集成。功率放大器的发射功率可由基带数字电路进行控制和配置，一般情况下，频率综合器中的Vaj工作频率为载波频率的两倍，经过高速正交二分频之后，输出载波频率，并为接收机提供下变频所需的本振信号。 [0037] 按照上述实施例，便可很好地实现本发明。
【权利要求】
1.无线温度传感器芯片，其特征在于，包括: 电源管理单元，支持前端自取能装置电源输入和外接电源输入，采用耐高压的LDMOS管设计为LDO结构； 温度传感器单元，检测芯片周围的环境温度，并在温度高于阈值时产生过温保护信号; 带隙基准单元，在设定的温度范围内向AD转换单元提供稳定不变的直流参考电压，并为芯片中其他单元提供稳定的电压或电流偏置； ADC单元，将采样到的信号与带隙基准单元提供的参考信号逐次进行比较，得出每一位数字转换结果，实现信号的AD转换； 带电检测单元，判断待检测设备是否带电； 射频收发单元，进行信号收发及处理； 所述电源管理单元、温度传感器单元、带隙基准单元、ADC单元、带电检测单元和射频收发单元均集成在一起。
2.根据权利要求1所述的无线温度传感器芯片，其特征在于，所述射频收发单元包括GFSK射频发射机，对GFSK射频发射机发射的信号进行接收的GFSK射频接收机，以及将GFSK射频接收机接收到的信号进行处理的处理单元。
3.根据权利要求2所述的无线温度传感器芯片，其特征在于，所述GFSK射频发射机基于一个小数N型频率综合器实现；所述GFSK`射频接收机包括依次相连的低噪声放大器、下变频混频器、复数带通滤波器、由N级对数放大器组成的限幅器和进行信号AD转换的ADC转换器。
4.根据权利要求1所述的无线温度传感器芯片，其特征在于，所述电源管理单元包括与电源输入端相连的偏置电路，源极与偏置电路相连的MOS管M3，栅极均与MOS管M3的漏极相连、且源极相互连接的MOS管Ml和MOS管M2，集电极与MOS管Ml的漏极相连的三极管 Q1，发射极通过电阻Rl与三极管Ql的发射极相连、集电极与MOS管M2的漏极相连的三级管Q2，源极与MOS管M2的漏极相连、栅极通过电阻R3与三极管Q2的基极相连的MOS管M4，集电极与MOS管M4的栅极相连的三极管Q3，基极与三极管Q3的基极相连的三极管Q4，源极与偏置电路相连、漏极与MOS管M4的栅极相连的MOS管M8，栅极与MOS管M8的栅极相连、漏极与三极管Q4的集电极相连的MOS管M7，源极与MOS管M7的源极相连的MOS管M6，漏极与MOS管M6的漏极相连、源极与MOS管M4的栅极相连的MOS管M5。
5.根据权利要求1所述的无线温度传感器芯片，其特征在于，所述温度传感器单元包括PTAT电流源，与PTAT电流源相连的温度传感器输出电路，与温度传感器输出电路相连的过温保护电路。
6.根据权利要求5所述的无线温度传感器芯片，其特征在于，所述PTAT电流源包括基极相互连接的三极管Q12和三极管Q32，基极与三极管Q32的发射极相连、集电极与三极管Q12的发射极相连的三极管Q22，基极与三极管Q12的发射极相连、集电极与三极管Q32的发射极相连的三极管Q42，以及连接于三极管Q22的发射极与地之间的电阻R12。
7.根据权利要求1所述的无线温度传感器芯片，其特征在于，所述带隙基准单元包括串联的滑动变阻器R7a、电阻R8a、电阻RSb和滑动变阻器R7b，同相输入端与滑动变阻器R7a的滑动端相连、反相输入端与滑动变阻器R7b的滑动端相连的运算放大器T，基极相互连接的三极管Q13、三极管Q23、三极管Q43和三极管Q53，发射极连接于电阻R8a和电阻R8b之间、基极通过电阻R83连接于三极管Q53集电极的三极管Q33，所述三极管Q13的集电极与滑动变阻器R7a的固定端相连、发射极通过电阻R13与三极管Q23的发射极相连，所述三极管Q23的集电极 与滑动变阻器R7b的固定端相连。
【文档编号】G01K7/00GK103822728SQ201410068436
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2014年2月27日 优先权日:2014年2月27日
【发明者】曾德华, 胡晓林, 王权, 陈友武, 万顺 申请人:成都赛康信息技术有限责任公司