专利名称：核心和环境温度检测的自动控制设备及其方法
技术领域：
本发明一般涉及IC(集成电路)的温度检测，尤其涉及IC的核心和环境温度检测的自动控制。
背景技术：
当前市场中诸如DVD(数字多功能盘)接收器、放大器、TV(电视机)、收音机、DVD和MP3播放器之类的大多数电子产品将像MCU(主控单元)或DSP(数字信号处理器)那样的芯片用作系统控制器或处理器。系统的这些芯片和环境的温度两者将影响整个系统的安全，尤其带有塑料外壳的产品。为了避免高温影响，需要过热检测设备为系统设置温度界限。当温度超过预定界限时，将由设备警告控制器/处理器，并且将系统切换到备用模式，或使系统时钟慢下来等。
实现上述温度检测的传统方式例示在图1中。在这个过热检测设备中，将特殊热敏电阻器R4用作热传感器，以便检测环境温度。R2是偏压电阻器，而双极晶体管Q1用于信号检测。
由于R4的热特性，直接影响Q1的基极-发射极电压的节点A处的电压将与温度相对应地发生变化。为了达到某个保护温度水平，将R2的值选择成当温度达到预置水平时，节点A处的电压将对应于双极晶体管的通用基极-发射极阈电压Vbe，例如，0.75V。当所检测的温度低于预置水平时，Q1的基极-发射极电压将低于阈电压Vbe。Q1将停留在截止区，并且节点B处的电压电平将是高电平。当所检测的温度高于预置水平时，Q1的基极-发射极电压将高于阈电压Vbe。Q1将在饱和区中工作，并且节点B处的电压电平将降低成低电平。因此，根据上面特性，节点B处的电压电平可被用来反映系统温度水平，并且当温度太高时，系统将被切换到备用模式或被断电。
但是，这样的过热检测设备需要一种对于用户电子产品来说昂贵的特殊热传感器。此外，这样的过热检测设备不能迅速检测IC芯片的真实温度，并且检测电路的制造技术与芯片的制造技术不相容。
发明内容
在本发明的一个目的中，提出了一种用于集成电路的核心和环境温度检测的自动控制设备。该控制设备包括第一晶体管，其在芯片内起热传感器作用；第二晶体管，其在芯片外，该第二晶体管的工作模式受所述热传感器的输出控制，并且第二晶体管的输出被反馈回芯片以控制温度。
根据本发明，第一晶体管是NMOS(N沟道金属氧化物半导体)晶体管Qn，并且第二晶体管是NPN双极晶体管Q。
根据本发明，所述热传感器的第一电极在芯片外通过第一电阻器R1与电压源Vcc连接，所述热传感器的第二电极与地平面GND连接，并且热传感器的第三电极受芯片的内部信号控制；热传感器的所述第一电极还与NPN双极晶体管Q的一个电极连接，所述NPN双极晶体管Q的第二电极与地平面GND连接，并且第三电极通过第二电阻器R2与电压源Vcc连接；来自所述NPN双极晶体管Q的第三电极的输出被反馈回芯片。
根据本发明，所述NMOS晶体管Qn是芯片内的反相器In的一部分。
根据本发明，在所述热传感器与第一电阻器R1之间存在第三电阻器R3，并且所述热传感器通过第三电阻器R3和第四电阻器R4与所述NPN双极晶体管Q的第一电极连接。
根据本发明，第一晶体管是PMOS(P沟道金属氧化物半导体)晶体管Qp，第二晶体管是PNP双极晶体管Q′。
根据本发明，所述热传感器的第一电极在芯片外通过第一电阻器R1与地平面GND连接，所述热传感器的第二电极与电压源Vcc连接，并且热传感器的第三电极受芯片的内部信号控制；热传感器的所述第一电极还与PNP双极晶体管Q′的一个电极连接，所述PNP双极晶体管Q′的第二电极与电压源Vcc连接，并且第三电极通过第二电阻器R2与地平面GND连接；来自所述PNP双极晶体管Q′的第三电极的输出被反馈回芯片。
根据本发明，所述PMOS晶体管Qp是芯片内的反相器In的一部分。
根据本发明，在所述热传感器与第一电阻器R1之间存在第三电阻器R3，并且所述热传感器通过第三电阻器R3和第四电阻器R4与所述PNP双极晶体管Q′的第一电极连接。
在本发明的另一个目的中，提出了一种用于集成电路的核心和环境温度检测的自动控制的方法，该方法包括如下步骤a)将芯片内的第一晶体管用作热传感器；b)利用热传感器的输出控制第二晶体管的工作模式；和c)将第二晶体管的输出反馈回所述芯片以便限制核心和环境温度。
图1是示出实现IC的温度检测的传统方式的示意图；图2示出了芯片的内部结构；图3(a)示出了芯片输出端处的内部结构；图3(b)示出了图3(a)的逻辑符号；图4示出了MCU NEC78F0124H的NMOS晶体管的导通状态沟道电阻与温度的关系；图5是本发明一个实施例的示意图；图6是图5的局部图；和图7是本发明另一个实施例的示意图。
具体实施例方式
下面将参照实施例进一步描述本发明的技术特征。这些实施例只是优选例子，而不是限制本发明。通过结合附图的下面详细描述，将更好理解本发明。
像MCU/DSP那样的芯片的内部结构例示在图2中。阴影部分是作为芯片核心的硅晶片并且包含数千个电子元件。由于核心区域相对较小，如果内部的电子元件之一可以用作温度检测控制设备中的热传感器，那么，由于所有的元件都处在这样的图钉大小(pin-size)区域中，在很大程度上可以将检测的温度看作核心的温度。
众所周知，输入端口和输出端口通过细软金属线与芯片的内部元件连接。在这种情况下，核心能够通过这些线与外部端口通信。图3(a)是示出芯片输出端处的内部结构的放大示意图。像MCU/DSP那样的芯片的至少一个输出PIN与芯片内由PMOS晶体管Q1与NMOS晶体管Q2串联而形成的反相器连接。图3(b)示出了作为可替代开关的Q1和Q2的工作原理图。当节点C2处的电压高时，Q2导通，而Q1截止，因此，输出将是低电平。当节点C2处的电压低时，Q2截止，而Q1导通，因此，输出将是高电平。
图4示出了NMOS晶体管的静态漏极-源极导通状态电阻与它的沟道温度之间的关系，其中，NMOS晶体管是MCU NEC78F0124H内的反相器的一部分。在24℃的温度下，电阻是50欧姆，并且随着温度升高，电阻相应地增大，这表明了NMOS晶体管用作热传感器的特性。
根据上面情况，如图5所示，可以实现本发明的一个实施例，其中，芯片内的反相器In的NMOS晶体管Qn用作热传感器。R1和R3是可以预置保护温度水平的偏置电阻器。R4、R1、和R2可以当作输出开关用于检测，并且NPN双极晶体管Q用于信号检测。
为了启动温度检测过程，通过将高压施加到NMOS晶体管Qn的栅极，将导通用作温度检测设备中的热传感器的NMOS晶体管Qn。芯片的内部逻辑单元将负责控制检测的开始。当开始检测时，导通NMOS晶体管Qn，以便如图6所示，通过串联NMOS晶体管Qn、R1和R3形成分压器。因此，可以根据如下方程(1)计算节点E上的电压，其中，由于R2、R4和Q在备用模式下具有非常高的阻抗，所以它们的影响可以忽略不计。
Ve＝Vcc*[R3+Rds]/[R3+R1+Rds] (1)由于R4的电阻与Q的基极-发射极电阻相比可以忽略不计，因此可以将节点E处的电压看作Q的基极-发射极电压。因此，利用预期保护温度水平和Q的阈电压，可以选择R1和R3的值。最好，R1可以是4700欧姆，R3可以是1000欧姆，R2可以是10000欧姆，R4可以是1000欧姆。
当核心的温度升高时，NMOS晶体管Qn的沟道温度将上升，节点E处的电压也将上升。在温度升高到界限之前，节点F处的输出是高电平。当温度超过界限，致使达到Q的阈电压时，Q将被导通，然后，节点F处的输出电压将被拉低。节点F处的输出信号变化将警告芯片温度已经超过界限，芯片将采取相应措施，以便通过将系统切换到备用模式，或使工作频率慢下来等减少热量。
在本发明的另一个实施例中，PMOS晶体管Qp被当作温度检测过程中的热传感器。由于与NMOS晶体管相似的热特性，PMOS晶体管的漏极-源极导通状态电阻也随着温度升高而增大。
如图7所示，芯片内的反相器In的PMOS晶体管Qp在外面与偏压电阻器R1和R3连接。R4、R1、和R2可被当作输出开关用于检测，并且PNN双极晶体管Q′用于信号检测。
由于R4的电阻与Q′的基极-发射极电阻相比可以忽略不计，因此可以将节点E上的电压与电压源Vcc之间的电压差看作Q′的基极-发射极电压。因此，利用预期保护温度水平和Q′的阈电压，可以选择R1和R3的值。最好，R1可以是4700欧姆，R3可以是1000欧姆，R2可以是10000欧姆，R4可以是1000欧姆。
当检测温度时，将PMOS晶体管Qp的栅极偏置成低电平，以便开始温度检测。芯片的内部逻辑单元将控制检测的开始。在超过温度界限之前，节点F处的输出为低电平。随着温度升高，节点E处的电压电平下降。当它下降到节点E处的电压电平与电压源Vcc之间的差值达到Q′的阈电压的点时，Q′被导通，然后，节点F上的输出电压上升到高电平。一旦接收到节点F处的信号变化，芯片就采取预置措施降低温度。
根据本发明，单个MOS晶体管起热传感器作用。因此，本发明的实现不局限于在芯片输出端上具有反相器的结构。由于工作模式与本发明的工作模式相同，无论在芯片内部还是外部，将MOS晶体管用作热传感器的其它实现也应该被认为是本发明的变型。此外，芯片外的其它类型晶体管也可以用于信号检测。但是，双极晶体管可以提供较不昂贵和较简单的结构。
在本发明中，利用几个普通电子元件实现IC温度检测和本发明这种无需特意引入昂贵热传感器的成本划算设计对于用户电子产品来说是理想的。
此外，热传感器不需要额外的空间和附加安装步骤，并且，这种设计与芯片的制造技术相容。
在低功耗的趋势下，本发明将仍然适用于具有对放大器或发热元件引起的热量敏感的塑料外壳的电子产品的环境温度检测。
虽然在上面的描述中已知描述了本发明的优选实施例和目的，但本领域的普通技术人员应该明白，可以不偏离本发明地在设计或结构的细节上作许多变化。本发明涵盖单独和以所有可能置换和组合公开的所有特征。
权利要求
1.一种用于集成电路的核心和环境温度检测的自动控制设备，包括第一晶体管，其在芯片内起热传感器作用；第二晶体管，其在芯片外，该第二晶体管的工作模式受所述热传感器的输出控制，并且第二晶体管的输出被反馈回芯片以控制温度。
2.根据权利要求1所述的控制设备，其中，第一晶体管是NMOS晶体管(Qn)，并且第二晶体管是NPN双极晶体管(Q)。
3.根据权利要求2所述的控制设备，其中，所述热传感器的第一电极在芯片外通过第一电阻器(R1)与电压源连接，所述热传感器的第二电极与地平面连接，并且热传感器的第三电极受芯片的内部信号控制；热传感器的所述第一电极还与NPN双极晶体管(Q)的一个电极连接，所述NPN双极晶体管(Q)的第二电极与地平面连接，并且第三电极通过第二电阻器(R2)与电压源连接；来自所述NPN双极晶体管(Q)的第三电极的输出被反馈回芯片。
4.根据权利要求2或3所述的控制设备，其中，所述NMOS晶体管(Qn)是芯片内的反相器(In)的一部分。
5.根据权利要求2或3所述的控制设备，其中，在所述热传感器与第一电阻器(R1)之间存在第三电阻器(R3)，并且所述热传感器通过第三电阻器(R3)和第四电阻器(R4)与所述NPN双极晶体管(Q)的第一电极连接。
6.根据权利要求1所述的控制设备，其中，第一晶体管是PMOS晶体管(Qp)，第二晶体管是PNP双极晶体管(Q′)。
7.根据权利要求6所述的控制设备，其中，所述热传感器的第一电极在芯片外通过第一电阻器(R1)与地平面连接，所述热传感器的第二电极与电压源连接，并且热传感器的第三电极受芯片的内部信号控制；热传感器的所述第一电极还与PNP双极晶体管(Q′)的一个电极连接，所述PNP双极晶体管(Q′)的第二电极与电压源连接，并且第三电极通过第二电阻器(R2)与地平面连接；和来自所述PNP双极晶体管(Q′)的第三电极的输出被反馈回芯片。
8.根据权利要求6或7所述的控制设备，其中，所述PMOS晶体管(Qp)是芯片内的反相器(In)的一部分。
9.根据权利要求6或7所述的控制设备，其中，在所述热传感器与第一电阻器(R1)之间存在第三电阻器(R3)，并且所述热传感器通过第三电阻器(R3)和第四电阻器(R4)与所述PNP双极晶体管(Q′)的第一电极连接。
10.一种用于集成电路的核心和环境温度检测的自动控制的方法，该方法包括如下步骤a)将芯片内的第一晶体管用作热传感器；b)利用热传感器的输出控制第二晶体管的工作模式；和c)将第二晶体管的输出反馈回所述芯片以便限制核心和环境温度。
全文摘要
公开了一种集成电路的核心和环境温度检测的自动控制设备及其方法。通过将芯片内的晶体管用作热传感器，利用几个简单电子元件来检测核心和环境温度，并且，将检测结果反馈回芯片。采取必要措施以冷却系统。
文档编号H01L23/34GK101063888SQ200710101228
公开日2007年10月31日 申请日期2007年4月24日 优先权日2006年4月26日
发明者张振鹏 申请人:汤姆森特许公司