郝炳賢鄭鯤鯤馬玫娟

(廣東省大灣區(qū)集成電路與系統(tǒng)應(yīng)用研究院，廣東 廣州 510535)

隨著汽車電子芯片的功能越來越豐富，處理的能量越來越大，當(dāng)前BCD工藝[1－2]因其優(yōu)良的特性成為汽車電子功率控制芯片的主流設(shè)計(jì)工藝?；贐CD工藝的汽車電子功率控制類芯片往往需要處理較大功率，從而引起器件發(fā)熱，疊加環(huán)境溫度會(huì)進(jìn)一步提升結(jié)溫。過高的結(jié)溫會(huì)影響芯片器件的壽命，甚至損壞芯片里的器件。為了確保汽車電子芯片的正常工作，芯片內(nèi)部通常于高功率電源及驅(qū)動(dòng)附近集成過溫傳感保護(hù)，同時(shí)為了滿足各種不同的驅(qū)動(dòng)需求，往往內(nèi)嵌多種功率管[3]，各種功率驅(qū)動(dòng)分別產(chǎn)生熱點(diǎn)，溫度呈現(xiàn)分布式特征。

汽車電子溫度檢測(cè)傳感電路要求精度高、可靠性高，可擴(kuò)展性強(qiáng)。傳統(tǒng)的溫度傳感方式利用檢測(cè)參考地的二極管電壓來檢測(cè)溫度特性[4－5]，采用改變電阻的方式實(shí)現(xiàn)溫度滯回，該方式的優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)果簡(jiǎn)單，功耗低，缺點(diǎn)為容易受到地信號(hào)的干擾，強(qiáng)干擾環(huán)境免疫能力不高；同時(shí)高溫下二極管電壓值下降過低，溫度檢測(cè)最高值受到限制；電阻工藝變化對(duì)溫度滯回窗口的影響較大。在此基礎(chǔ)上，一些文章提出利用電流遲滯的方式實(shí)現(xiàn)溫度滯回[6]，減小了電阻工藝變化對(duì)溫度遲滯的影響；但是溫度傳感檢測(cè)最高值同樣不高。為了抗強(qiáng)干擾，提高精度，有文章利用三極管的VBE差產(chǎn)生PTAT電流源的方式，通過差分的VBE克服地信號(hào)的干擾[7]，但是電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不適合具備分布式高溫點(diǎn)的汽車電子功率驅(qū)動(dòng)電路。

基于以上傳統(tǒng)方式的缺點(diǎn)，本文基于0.18μm BCD高壓工藝，設(shè)計(jì)了一款溫度檢測(cè)傳感方式，將參考點(diǎn)由地信號(hào)轉(zhuǎn)移到內(nèi)部電源VCC，減小地信號(hào)干擾的影響，提高了最高傳感檢測(cè)溫度，同時(shí)利用三極管和電流切換[8]的簡(jiǎn)單組合實(shí)現(xiàn)分布式檢測(cè)，提高溫度滯回窗口的穩(wěn)定性及電路的可擴(kuò)展性，支持多個(gè)溫度點(diǎn)的檢測(cè)，有利于多通道溫度檢測(cè)復(fù)用同一個(gè)共模參考電壓，節(jié)省了器件數(shù)量及芯片的面積。因此電路適合高溫，多通道，強(qiáng)干擾的汽車電子特殊應(yīng)用環(huán)境。

1 電路實(shí)現(xiàn)和工作原理

本文設(shè)計(jì)的過溫保護(hù)路采用0.18μm BCD工藝，詳細(xì)電路如圖1所示，電路分為三個(gè)部分共模電壓轉(zhuǎn)移電路、溫度比較電路以及溫度滯回控制電路。下面將對(duì)三部分電路進(jìn)行詳細(xì)的描述。

圖1 過溫保護(hù)完整電路圖

如圖1所示，運(yùn)算放大器AMP1和管子MN1組成負(fù)反饋的結(jié)構(gòu)，通過增大運(yùn)算放大器AMP1的增益，并減小其失調(diào)電壓，使得運(yùn)放的正負(fù)兩端電壓相等，運(yùn)放的正向端電壓V BG由芯片內(nèi)部的電壓基準(zhǔn)源產(chǎn)生，因此在R1上產(chǎn)生的電流為:

式中:V BG為電壓基準(zhǔn)，I1為流過R1的電流。因此節(jié)點(diǎn)V A的電壓為:

式中:R3上產(chǎn)生的壓降V R3為:

V A為溫度比較的參考電壓。與傳統(tǒng)過溫比較電路相比，溫度比較的共模參考電壓從GND變成了VCC，這樣的設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn):當(dāng)過溫的閾值很高時(shí)，溫度比較的共模電壓處與較高水平，可以抑制噪聲的干擾。

溫度比較電路通過比較溫度參考電壓V A和二極管接法的Q1發(fā)射極的電壓V B，決定芯片是否過溫。V B的表達(dá)式為:

當(dāng)V A＝V B時(shí)，此時(shí)V BE1代表的溫度即為過溫點(diǎn)。根據(jù)如下公式[9]，可以確定參數(shù)R1和R2的設(shè)計(jì)值。

式中:I C1表示流過Q1集電極的電流，Vt1表示TR＝175℃下的熱電壓，TR表示過溫閾值。由熱電壓V T的計(jì)算公式:

式中:K表示玻爾茲曼常數(shù)，q表示電子的電荷量。在TR＝175℃時(shí)，對(duì)應(yīng)的絕對(duì)溫度T＝175＋273.15＝398.15 K。因此熱電壓是確定的。同時(shí)基準(zhǔn)電壓V BG為芯片內(nèi)部產(chǎn)生的，

也是確定的。通過R2和R1的比值可以確定I C1的大小。

溫度滯回控制電路由NMOS管MN2～MN7組成的電流鏡和三極管Q1組成。

當(dāng)芯片溫度未達(dá)到過溫閾值TR時(shí)，比較器COMP1的輸出為高電壓，MN2導(dǎo)通，因此流過三極管Q1的電流等于I C1，其中流過MN2的電流表示為I C3，流過MN4的電流為I C2，I C1為I C2和I C3之和；當(dāng)芯片溫度達(dá)到過溫閾值時(shí)，比較器COMP1的輸出為低電壓，MN2關(guān)斷，因此流過三極管Q1的電流等于I C2。其中I C1由過溫閾值確定，I C2取決于溫度滯回HYS，具體方法由式(8)推導(dǎo)。

式中:溫度滯回HYS＝TR－TF，I C1等電流通過的高精度電流源[10]產(chǎn)生，工藝偏差小。

每套溫度比較電路和溫度滯回控制電路對(duì)應(yīng)一套過溫閾值檢測(cè)，多通道可配置多路溫度檢測(cè)，芯片采用5通道溫度檢測(cè)單元。

2 版圖設(shè)計(jì)及芯片照片

版圖設(shè)計(jì)如下所述，主要考慮電阻R1和R2的匹配特性[11]；電流鏡MN2－MN7的匹配特性；以及比較器COMP1和運(yùn)放AMP1的匹配特性，減少失調(diào)，提高檢測(cè)精度。同時(shí)考慮在整個(gè)芯片的多通道溫度檢測(cè)中，選擇合理的位置，減小關(guān)鍵路徑線電阻壓降。

圖2 過溫保護(hù)電路的版圖

如圖3所示，溫度傳感芯片包括提出的溫度檢測(cè)傳感模塊，支持多個(gè)功率器件的溫度傳感，本設(shè)計(jì)支持5通道功率器件溫度傳感。

圖3 溫度檢測(cè)傳感模塊

3 仿真與測(cè)試

基于Key-Foundry的0.18μm BCD工藝采用仿真軟件對(duì)過溫保護(hù)電路進(jìn)行溫度直流仿真，其典型情況直流仿真結(jié)果如圖4所述。當(dāng)溫度從130℃上升到230℃的過程中，過溫閾值TR為175℃；溫度恢復(fù)閾值TF為167℃，溫度滯回HYS為8℃。

圖4 過溫保護(hù)電路仿真結(jié)果

從圖5和圖6可以發(fā)現(xiàn)，本文設(shè)計(jì)的過溫保護(hù)電路，在實(shí)際的電源電壓浮動(dòng)5.5 V±10%的范圍內(nèi)，過溫閾值TR對(duì)電源的依賴性為2.11℃/V，過溫恢復(fù)TF對(duì)電源的依賴性為2.22℃/V，溫度滯回HYS對(duì)電源的依賴性僅為0.11℃/V。溫度滯回量對(duì)電源的極低依賴性可以提高系統(tǒng)的可靠性，防止過溫報(bào)警誤觸發(fā)。

圖5 過溫閾值和溫度滯回對(duì)電源電壓的依賴性

圖6 過溫閾值和溫度滯回對(duì)電源電壓依賴性的抽取

芯片的測(cè)試環(huán)境如圖7所示，測(cè)試方法及分析方法為:利用高低溫設(shè)備THERM OSTREAM給PCB建立溫度環(huán)境，同時(shí)利用激勵(lì)設(shè)備給芯片供電，使芯片正常工作；利用數(shù)字萬用表(或者示波器)檢測(cè)過溫輸出跳變點(diǎn)，通過在溫度閾值附近線性增加/減小的掃描溫度，檢測(cè)數(shù)字萬用表的輸出，當(dāng)數(shù)子萬用表跳變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，此時(shí)溫度為過溫檢測(cè)點(diǎn)，當(dāng)數(shù)字萬用表跳變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，此時(shí)溫度為溫度滯回點(diǎn)，通過控制溫度變化的步長(zhǎng)來確保過溫點(diǎn)以及溫度滯回點(diǎn)的精度。

圖7 過溫閾值和溫度滯回的測(cè)試環(huán)境

此外流片封裝完成后，對(duì)芯片的過溫保護(hù)電路進(jìn)行了溫度測(cè)試，因?yàn)樘岢龅臏囟葯z測(cè)傳感芯片采用了5通道溫度檢測(cè)的設(shè)計(jì)，支持5處功率驅(qū)動(dòng)模塊的溫度傳感，因此對(duì)芯片的5通道溫度進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1所示，TR為過溫閾值，測(cè)試結(jié)果顯示，溫度閾值偏差范圍:175℃±2.28%，滿足設(shè)計(jì)要求。

表1 溫度閾值TR的測(cè)試結(jié)果

本文采用共模電壓轉(zhuǎn)換技術(shù)，在高溫下可以保持更穩(wěn)定合適的工作點(diǎn)，產(chǎn)生更高的過溫閾值，同時(shí)采用開爾文連接實(shí)現(xiàn)更高精度的檢測(cè)，使溫度滯回更小。表2將本文設(shè)計(jì)參數(shù)與相關(guān)文獻(xiàn)的參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果顯示提出的電路過溫閾值175℃，溫度滯回8℃，優(yōu)于相關(guān)的參考文獻(xiàn)。同時(shí)本文采用切換電流的方式使電源電壓變化對(duì)溫滯回量的影響減小到0.11℃/V，但是由于仍采用傳統(tǒng)比較器對(duì)過溫進(jìn)行判斷，本文僅僅確保了比較器在電源5V±10%的范圍內(nèi)保持精度，因此電源電壓變化對(duì)過溫點(diǎn)影響偏大。

表2 本文設(shè)計(jì)參數(shù)與相關(guān)文獻(xiàn)參數(shù)具體值比較

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的適用于汽車電子的過溫檢測(cè)傳感電路，通過共模電壓轉(zhuǎn)換技術(shù)，采用開爾文連接方式，實(shí)現(xiàn)了過溫保護(hù)電壓175℃，溫度恢復(fù)電壓167℃，滯回窗口8℃的設(shè)計(jì)要求，同時(shí)減小了電源電壓對(duì)溫度滯回量的影響到0.11℃/V，芯片測(cè)試的結(jié)果顯示過溫閾值175℃±2.28%，誤差滿足設(shè)計(jì)要求。