温度检测模块、温度监控电路以及功率芯片的制作方法
本实用新型涉及半导体技术，更具体地，涉及温度检测模块、温度监控电路以及功率芯片。
背景技术：
图1示出根据现有技术的功率芯片的示意性框图。功率芯片110的封装体内合封驱动芯片111至113、组成第一桥臂的高侧开关管m11和低侧开关和m12、组成第二桥臂的高侧开关管m21和低侧开关和m22、组成第三桥臂的高侧开关管m31和低侧开关和m32、以及热敏电阻rt。
热敏电阻rt(按照温度系数极性不同分成ntc和ptc电阻)来检测芯片温度，以实现温度监控的功能。例如，ptc热敏电阻经由功率芯片的一个管脚连接至外部的上拉电阻。电源电压vcc提供至上拉电阻，从而产生偏置电流。偏置电流流过热敏电阻ptc，从而将温度信息转换成检测信号。检测信号的精度越高，对功率芯片的温度监控越准确。
为了保证检测信号值在允许波动范围内，对于封装有ntc热敏电阻的功率芯片，需要明确应用时电源电压vcc的波动水平以及上拉电阻的精度要求(当电源电压vcc波动为±1％，上拉电阻精度选择1％时，检测信号的波动范围约±0.4v)。
在采用热敏电阻作为温度传感器时，检测信号会受电源电压vcc以及上拉电阻的影响，波动范围很大。检测信号值与温度呈非线性关系。对于ntc热敏电阻而言，当温度逐步降低，热敏电阻阻值增大，此时，检测信号将越来越接近电源电压vcc，逐步趋于饱和，非线性度快速增大。由于热敏电阻阻值与温度成非线性关系，批量离散度高，且可检测温度范围小，无法实现功率芯片的可靠温度监控。
此外，热敏电阻封装在功率芯片内部，功率芯片本身需要耗费额外的晶片面积、键合线、以及用于连接上拉电阻的额外管脚，因而导致功率芯片的尺寸和应用成本的增加。在功率芯片内部，由于安规距离等限制，热敏电阻与功率芯片的功率器件的距离较远，无法提供精准的芯片温度。
因此，期待采用新型的温度检测模块替代热敏电阻，以扩大检测信号的线性范围和提高温度检测的准确度。
技术实现要素：
有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种温度检测模块、温度监控电路以及功率芯片，其中，该温度检测模块利用双极型晶体管的基极发射极电压vbe表征温度信息，并且采用补偿电阻补偿双极型晶体管的二阶温度特性，从而可以扩大检测信号的线性范围。
根据本实用新型的第一方面，提供一种温度检测模块，包括：级联的至少两个电流镜，所述至少两个电流镜中的第一级电流镜接收参考电流，最后级电流镜提供与所述参考电流成放大倍数的驱动电流；以及串联连接的至少一个双极晶体管，与所述至少两个电流镜中的最后级电流镜的输出端相连接，并且各自的基极集电极短接以连接成二极管形式，其中，在所述最后级电流镜的输出端提供检测信号，所述检测信号采用所述至少一个双极晶体管的基极发射极电压表征温度信息。
优选地，根据所述检测信号的二阶温度特性设置所述至少两个电流镜的放大倍数，从而补偿所述检测信号的二阶温度特性。
优选地，还包括：第一电阻和第二电阻，在供电端和所述第一级电流镜的输入端之间串联连接，从而产生所述参考电流，其中，所述第一电阻和所述第二电阻的温度系数相反，以获得温度系数恒定的参考电流。
优选地，还包括：第三电阻，与所述至少一个双极晶体管串联连接在所述最后级电流镜的输出端和接地端之间。
优选地，根据以下公式设置所述至少两个电流镜的放大倍数，
根据本实用新型的第二方面，提供一种温度监控电路，包括：温度检测模块，用于获得检测信号；运算放大器，同相输入端和反相输入端分别接收参考信号和所述检测信号，输出端提供误差信号，其中，所述温度监控电路根据所述误差信号产生监控信号，所述温度检测模块包括：级联的至少两个电流镜，所述至少两个电流镜中的第一级电流镜接收参考电流，最后级电流镜提供与所述参考电流成放大倍数的驱动电流；以及串联连接的至少一个双极晶体管，与所述至少两个电流镜中的最后级电流镜的输出端相连接，并且各自的基极集电极短接以连接成二极管形式，其中，在所述最后级电流镜的输出端提供表征温度信息的检测信号，所述检测信号采用所述至少一个双极晶体管的基极发射极电压表征温度信息。
优选地，根据所述检测信号的二阶温度特性设置所述至少两个电流镜的放大倍数，从而补偿所述检测信号的二阶温度特性。
优选地，还包括：第一电阻和第二电阻，在供电端和所述第一级电流镜的输入端之间串联连接，从而产生所述参考电流，其中，所述第一电阻和所述第二电阻的温度系数相反，以获得温度系数恒定的参考电流。
优选地，还包括：第三电阻，与所述至少一个双极晶体管串联连接在所述最后级电流镜的输出端和接地端之间。
优选地，根据以下公式选择所述至少两个电流镜的放大倍数，
优选地，所述运算放大器接收的参考信号是经过补偿所述运算放大器的输入失调电压而获得的参考信号。
优选地，还包括驱动模块，所述驱动模块与所述运算放大器相连接，从而将所述误差信号放大成所述监控信号。
优选地，所述驱动模块包括：推挽放大器，所述推挽放大器的输入端接收所述误差信号，输出端提供所述监控信号；以及低阻保持模块，连接在所述输出端和接地端之间，其中，所述低阻保持模块在所述推挽放大器中的晶体管饱和导通时提供对地低阻路径，从而维持线性输出。
优选地，所述低阻保持模块包括在所述输出端和接地端之间串联连接的相反温度系数的至少两个电阻，或者下拉恒流源。
优选地，所述推挽放大器包括：依次串联连接在供电端和接地端之间的第一放大晶体管、第四电阻第五电阻、第二放大晶体管，其中，所述第一放大晶体管和所述第二放大晶体管分别为双极型晶体管且相反类型，所述推挽放大器的输入端连接至所述第一放大晶体管和所述第二放大晶体管的中间节点，输出端连接至所述第四电阻和所述第五电阻的中间节点。
优选地，还包括：第六电阻，连接在所述运算放大器的反相输入端和所述驱动模块的输出端之间；以及第七电阻，连接在所述运算放大器的反相输入端和所述温度检测模块的输出端之间，其中，所述第六电阻和所述第七电阻组成所述运算放大器的反馈回路。
根据本实用新型的第三方面，提供一种功率芯片，包括：高侧开关管和低侧开关管，所述高侧开关和所述低侧开关管串联连接在供电端和接地端之间形成桥臂，二者的中间节点连接至输出端；以及驱动芯片，与所述高侧开关管的控制端和所述低侧开关管的控制端相连接，分别提供第一开关控制信号和第二开关控制信号，其中，所述驱动芯片中集成有温度监控电路，所述温度监控电路包括：温度检测模块，用于获得检测信号；运算放大器，同相输入端和反相输入端分别接收参考信号和所述检测信号，输出端提供误差信号，其中，所述温度监控电路根据所述误差信号产生监控信号，所述温度检测模块包括：级联的至少两个电流镜，所述至少两个电流镜中的第一级电流镜接收参考电流，最后级电流镜提供与所述参考电流成放大倍数的驱动电流；以及串联连接的至少一个双极晶体管，与所述至少两个电流镜中的最后级电流镜的输出端相连接，并且各自的基极集电极短接以连接成二极管形式，其中，在所述最后级电流镜的输出端提供表征温度信息的检测信号，所述检测信号采用所述至少一个双极晶体管的基极发射极电压表征温度信息。
优选地，根据所述检测信号的二阶温度特性设置所述至少两个电流镜的放大倍数，从而补偿所述检测信号的二阶温度特性。
优选地，还包括：第一电阻和第二电阻，在供电端和所述第一级电流镜的输入端之间串联连接，从而产生所述参考电流，其中，所述第一电阻和所述第二电阻的温度系数相反，以获得温度系数恒定的参考电流。
优选地，还包括：第三电阻，与所述至少一个双极晶体管串联连接在所述最后级电流镜的输出端和接地端之间。
优选地，根据以下公式选择所述至少两个电流镜的放大倍数，
优选地，所述运算放大器接收的参考信号是经过补偿所述运算放大器的输入失调电压而获得的参考信号。
优选地，还包括驱动模块，所述驱动模块与所述运算放大器相连接，从而将所述误差信号放大成所述监控信号。
优选地，所述驱动模块包括：推挽放大器，所述推挽放大器的输入端接收所述误差信号，输出端提供所述监控信号；以及低阻保持模块，连接在所述输出端和接地端之间，其中，所述低阻保持模块在所述推挽放大器中的晶体管饱和导通时提供对地低阻路径，从而维持线性输出。
优选地，所述低阻保持模块包括在所述输出端和接地端之间串联连接的相反温度系数的至少两个电阻，或者下拉恒流源。
优选地，所述推挽放大器包括：依次串联连接在供电端和接地端之间的第一放大晶体管、第四电阻第五电阻、第二放大晶体管，其中，所述第一放大晶体管和所述第二放大晶体管分别为双极型晶体管且相反类型，所述推挽放大器的输入端连接至所述第一放大晶体管和所述第二放大晶体管的中间节点，输出端连接至所述第四电阻和所述第五电阻的中间节点。
优选地，还包括：第六电阻，连接在所述运算放大器的反相输入端和所述驱动模块的输出端之间；以及第七电阻，连接在所述运算放大器的反相输入端和所述温度检测模块的输出端之间，其中，所述第六电阻和所述第七电阻组成所述运算放大器的反馈回路。
在该实施例的温度监控电路中，温度检测模块利用双极型晶体管的基极发射极电压vbe表征温度信息。由于采用双极型晶体管作为敏感元件，因此温度检测模块可以集成于芯片中。上述温度监控电路的各个模块可采用通用的bcd工艺制程实现。bcd工艺是结合了双极型和cmos工艺的单片ic制造工艺。因此，在功率芯片的驱动芯片内部可以集成温度监控电路，从而省去温敏电阻。该集成在芯片内部的温度监控电路提高温度测量的准确性。
在优选的实施例中，温度检测模块根据检测信号的二阶温度特性设置电流镜的放大倍数，从而补偿检测信号的二阶温度特性，因而可以扩大高温区的线性范围。温度检测模块可以进一步包括低阻保持模块，在推挽放大器中的晶体管饱和导通时提供对地低阻路径，从而维持监控信号的线性输出，因而可以扩大低温区的线性范围。根据本实用新型实施例的温度监控模块在高低温区都扩大了线性范围，因而可以扩大温度的检测范围。
在现有的功率芯片中，热敏电阻和驱动芯片均是独立的元件，采用键合线连接然后封装在同一个封装体中。与现有技术不同，根据本实用新型实施例的温度监控模块集成在驱动芯片内部，从而可以省去封装阶段的键合连接，以及省去功率芯片的附加管脚和外围元件。
附图说明
通过以下参照附图对本实用新型实施例的描述，本实用新型的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚。
图1示出根据现有技术的功率芯片的示意性框图。
图2示出根据本实用新型实施例的温度监控电路的示意性框图。
图3示出图1中温度监控电路的检测信号与温度的关系曲线。
图4示出图1中温度监控电路的温度检测模块的示意性电路图。
图5示出图1中温度监控电路的驱动模块的示意性电路图。
图6示出根据本实用新型实施例的功率芯片的示意性框图。
具体实施方式
以下将参照附图更详细地描述本实用新型的各种实施例。在各个附图中，相同的元件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。
下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
图2示出根据本实用新型实施例的温度监控电路的示意性框图。
温度监控电路100包括温度检测模块110、运算放大器120、驱动模块130、以及电阻r0和r1。
温度检测模块110利用双极型晶体管的基极发射极电压vbe表征温度信息，从而产生检测信号vt。运算放大器120的同相输入端和反相输入端分别接收参考信号vref和检测信号vt，输出端提供误差信号va。参考信号vref为内部参考电压，理想情况下为零温系数(宽温度范围内而非某个温度点)。由于运算放大器120不具有输出驱动能力，因此，驱动模块130作为输出缓冲级，将误差信号va放大成监控信号vtm，从而提升端口的驱动能力以及提供静电保护特性。
电阻r0和r1构成反馈回路，二者的电阻类型需一致以满足匹配性原则。电阻r0连接在运算放大器120的反相输入端和驱动模块130的输出端之间，电阻r1连接在运算放大器120的反相输入端和温度检测模块110的输出端之间。该反馈回路将监控信号vtm反馈至运算放大器120的反相输入端。
在该实施例的温度监控电路100中，温度检测模块110利用双极型晶体管的基极发射极电压vbe表征温度信息，对二阶温度特性进行补偿，从而可以扩大检测信号的线性范围。
进一步地，上述温度监控电路100的各个模块可采用通用的bcd工艺制程实现。bcd工艺是结合了双极型和cmos工艺的单片ic制造工艺，可以在晶片上制作出双极型晶体管和mos场效应晶体管。因此，在功率芯片中可以同时集成温度监控电路100和mcu(微控制器)。
在现有的功率芯片中，热敏电阻和mcu均是独立的元件，采用键合线连接然后封装在同一个封装体中。与现有技术不同，根据本实用新型实施例的温度监控模块和mcu则可以集成为单个芯片，从而可以省去封装阶段的键合连接，以及省去功率芯片的附加管脚和外围元件。
图3示出图1中温度监控电路的检测信号与温度的关系曲线。
在根据本实用新型实施例的温度监控电路100中，温度检测模块110获得表征温度信息的检测信号vt，运算放大器120将检测信号vt与参考信号vref相比较以产生误差信号va，驱动模块130将误差信号va放大成监控信号vtm。
该温度监控电路100的信号关系可由下式推导得出：
其中，vt表示运算放大器反相输入端的检测信号，vtm0表示温度检测模块获得的初始检测信号，vref0表示初始参考信号，vos表示运算放大器120的输入失调电压，r0表示电阻r0的值，r1表示电阻r1的值。
故有，
因此，从等式2可以看出，初始检测信号vtm0由两部分构成，一是同相输入端的初始参考信号vref0，二是运算放大器反相输入端的检测信号vt。
在本实用新型中，由于需要得到高精度的监控信号，设计了补偿输入失调电压vos的修调方式，即将输入失调电压vos等效到参考信号vref中去从而抵消输入失调电压vos。因此，监控信号vtm可以进一步表示为：
其中，vref表示在初始参考信号vref0中补偿输入失调电压vos而获得的参考信号。
如果忽略比例电阻的温度特性，则可以得到监控信号vtm的温度系数kt表达式：
在本实用新型实施例的温度监控电路中，参考信号vref的温度系数设计为宽范围内的零温特性，检测信号vt为负温度系数，从而实现一个正温度系数的监控信号vtm随温度线性变化的电压输出。与封装热敏电阻(ntc/ptc)方式相比，本实用新型实施例得到的温度电压特性改进明显。
在低温度区域时，vtm≥vref，将会出现检测信号vt和监控信号vtm至参考地的电流通路，如果驱动模块130的接地通路设计不合理会导致监控信号vtm的非线性。
参见图3，曲线ls1和ls2分别表示现有技术的温度监控电路的输出特性，其线性输出的温度范围小，在高低温下均会进入非线性区。曲线la表示根据本实用新型实施例的温度监控电路的输出特性。监控信号vtm的线性范围接近-40℃～150℃，在低温区域的输出饱和电压v0≈0。
因此，根据本实用新型实施例的温度监控模块在高低温区都扩大了线性范围。
图4示出图1中温度监控电路的温度检测模块的示意性电路图。
温度检测模块110包括至少两个级联的电流镜。在例如，温度检测模块包括组成第一电流镜的nmos晶体管n0和n1、组成第二电流镜的pmos晶体管p0和p1。nmos晶体管n0和n1宽长比为1：m，pmos晶体管p0和p1为1：n。
电阻r10和r11为相反温度特性的电阻，与nmos晶体管n0一起串联连接在供电端vreg和接地端gnd之间，从而产生温度系数恒定的参考电流iref，实现温度补偿。该参考电流经第一电流镜和第二电流镜耦合为驱动电流io＝n*m*iref。
进一步地，pmos晶体管p1、k个双极型晶体管q10、电阻r12依次串联连接在供电端vreg和接地端gnd之间。双极型晶体管q10分别连接成二极管，即基极集电极短接。在每个双极型晶体管q10产生的电压降为基极发射极电压vbe。该实施例采用k个双极型晶体管q10的基极发射极电压vbe表征温度信息，其中，k是大于等于1的整数。
根据上述示意性电路图，可以给出检测信号vt的表达式：
其中，vt表示温度检测模块获得的检测信号，vbe表示双极型晶体管q10的基极发射极电压，vreg表示供电电压，vgs表示pmos晶体管p1的源漏电压，r10、r11和r12分别表示图中相应电阻的阻值，k表示双极型晶体管q10的个数，m和n分别表示第一电流镜和第二电流镜的电流放大倍数。
根据前述内容，电阻r10和r11具有一定温度补偿作用，等式5的右边第二项为温度特性二阶项，可以有效补偿掉vbe的二阶温度特性。因此，可以调整nmos/pmos晶体管的尺寸比例m和n以及电阻r10、r11、r12，以实现检测信号vt的负温度特性线性化，即
其中，c表示双极型晶体管q10的基极发射极电压vbe的一阶温度系数(即，常数)。
从等式6可以看到，该温度检测模块110利用双极型晶体管的基极发射极电压vbe表征温度信息，并且对二阶温度特性进行补偿，从而可以在高温区扩大检测信号的线性范围。
图5示出图1中温度监控电路的驱动模块的示意性电路图。
温度监控电路100中的运算放大器120和驱动模块130对温度检测模块110获得的检测信号vt进行信号处理，获得监控信号vtm。
驱动模块130包括相反类型的双极型晶体管q20和q21、电阻r20和r21。
双极型晶体管q20、电阻r20和r21和双极型晶体管q21依次串联在供电端vcc和接地端gnd之间，从而组成推挽放大器131。推挽放大器131的负载充放电电流取决于双极型晶体管q0和q1的发射极面积。双极型晶体管q20和q21的基极共同连接至输入端，以接收误差信号va。电阻r20和r21的中间节点连接至输出端，以提供监控信号vtm。电阻r20和r21的作用是提高输出端口的静电保护能力。
在上述等式6的基础上，可以进一步获得监控信号vtm的温度系kt，表示为
其中，k表示温度检测模块110中的双极型晶体管q10的个数，c表示双极型晶体管q10的基极发射极电压vbe的一阶温度系数(即，常数)。
从等式7中可以看到，温度监控电路100中的温度检测模块110利用双极型晶体管的基极发射极电压vbe表征温度信息，并且对二阶温度特性进行补偿，从而可以在高温区扩大检测信号的线性范围。因此，监控信号vtm也相应地扩大检测信号的线性范围。
在优选的实施例中，驱动模块130可以包括附加的低阻保持模块132。该低阻保持模块132例如是在输出端和接地端之间串联连接的相反温度系数的两个电阻，或者是下拉恒流源。
在中高温区时，推挽放大器131的输入端的误差信号va高于地位，双极型晶体管q21线性导通。监控信号vtm与检测信号vt相关，从而利用检测信号vt表征温度信息。
在低温区时，推挽放大器131的输入端的误差信号va接近于地位，双极型晶体管q21饱和导通。低阻保持模块132在推挽放大器中的晶体管饱和导通时提供对地低阻路径，从而维持监控信号vtm的线性输出。
该优选实施例的驱动模块130在低温区推挽放大器131中的双极晶体管饱和导通的情形下也可以保证监控信号vtm继续维持线性变化，从而可以有效改善低温区时监控信号vtm输出非线性的问题。
图6示出根据本实用新型实施例的功率芯片的示意性框图。功率芯片210的封装体内合封驱动芯片211至213、组成第一桥臂的高侧开关管m21和低侧开关和m12、组成第二桥臂的高侧开关管m21和低侧开关和m22、组成第三桥臂的高侧开关管m31和低侧开关和m32。
驱动芯片211与高侧开关管的控制端m11和低侧开关管m12的控制端相连接，分别提供相应的开关控制信号。驱动芯片212与高侧开关管的控制端m21和低侧开关管m22的控制端相连接，分别提供相应的开关控制信号。驱动芯片213与高侧开关管的控制端m31和低侧开关管m32的控制端相连接，分别提供相应的开关控制信号。
进一步地，驱动芯片211中集成有如图2所示的温度监控电路100。由于功率芯片210的封装体内合封驱动芯片211至213、组成第一桥臂的高侧开关管m21和低侧开关和m12、组成第二桥臂的高侧开关管m21和低侧开关和m22、组成第三桥臂的高侧开关管m31和低侧开关和m32，因此，当功率芯片210的温度升高时，驱动芯片211的温度也会随之升高，其内部集成的温度检测电路(temperaturesensor)110会将温度信号转换成线性的电压信号vth。
在实际的产品(例如移动电源或充电器)中，功率芯片210与微控制器(mcu)220相连接，直接将电压信号vth送至mcu，实时监控智能功率模块的温度。
应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等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”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，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。
依照本实用新型的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该实用新型仅为所述的具体实施例。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实用新型的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本实用新型以及在本实用新型基础上的修改使用。本实用新型仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
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