一種適用于汽車電子的溫度檢測傳感設計*

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計工藝?；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)境溫度會進一步提升結(jié)溫。過高的結(jié)溫會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)動附近集成過溫傳感保護，同時為了滿足各種不同的驅(qū)動需求，往往內(nèi)嵌多種功率管[3]，各種功率驅(qū)動分別產(chǎn)生熱點，溫度呈現(xiàn)分布式特征。

汽車電子溫度檢測傳感電路要求精度高、可靠性高，可擴展性強。傳統(tǒng)的溫度傳感方式利用檢測參考地的二極管電壓來檢測溫度特性[4－5]，采用改變電阻的方式實現(xiàn)溫度滯回，該方式的優(yōu)點在于結(jié)果簡單，功耗低，缺點為容易受到地信號的干擾，強干擾環(huán)境免疫能力不高；同時高溫下二極管電壓值下降過低，溫度檢測最高值受到限制；電阻工藝變化對溫度滯回窗口的影響較大。在此基礎上，一些文章提出利用電流遲滯的方式實現(xiàn)溫度滯回[6]，減小了電阻工藝變化對溫度遲滯的影響；但是溫度傳感檢測最高值同樣不高。為了抗強干擾，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克服地信號的干擾[7]，但是電路結(jié)構(gòu)復雜，不適合具備分布式高溫點的汽車電子功率驅(qū)動電路。

基于以上傳統(tǒng)方式的缺點，本文基于0.18μm BCD高壓工藝，設計了一款溫度檢測傳感方式，將參考點由地信號轉(zhuǎn)移到內(nèi)部電源VCC，減小地信號干擾的影響，提高了最高傳感檢測溫度，同時利用三極管和電流切換[8]的簡單組合實現(xiàn)分布式檢測，提高溫度滯回窗口的穩(wěn)定性及電路的可擴展性，支持多個溫度點的檢測，有利于多通道溫度檢測復用同一個共模參考電壓，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，強干擾的汽車電子特殊應用環(huán)境。

1 電路實現(xiàn)和工作原理

本文設計的過溫保護路采用0.18μm BCD工藝，詳細電路如圖1所示，電路分為三個部分共模電壓轉(zhuǎn)移電路、溫度比較電路以及溫度滯回控制電路。下面將對三部分電路進行詳細的描述。

圖1 過溫保護完整電路圖

如圖1所示，運算放大器AMP1和管子MN1組成負反饋的結(jié)構(gòu)，通過增大運算放大器AMP1的增益，并減小其失調(diào)電壓，使得運放的正負兩端電壓相等，運放的正向端電壓V BG由芯片內(nèi)部的電壓基準源產(chǎn)生，因此在R1上產(chǎn)生的電流為:

式中:V BG為電壓基準，I1為流過R1的電流。因此節(jié)點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，這樣的設計與傳統(tǒng)設計相比，具有如下優(yōu)點:當過溫的閾值很高時，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的表達式為:

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

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，對應的絕對溫度T＝175＋273.15＝398.15 K。因此熱電壓是確定的。同時基準電壓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。

當芯片溫度未達到過溫閾值TR時，比較器COMP1的輸出為高電壓，MN2導通，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；當芯片溫度達到過溫閾值時，比較器COMP1的輸出為低電壓，MN2關斷，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。

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應一套過溫閾值檢測，多通道可配置多路溫度檢測，芯片采用5通道溫度檢測單元。

2 版圖設計及芯片照片

版圖設計如下所述，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和運放AMP1的匹配特性，減少失調(diào)，提高檢測精度。同時考慮在整個芯片的多通道溫度檢測中，選擇合理的位置，減小關鍵路徑線電阻壓降。

圖2 過溫保護電路的版圖

如圖3所示，溫度傳感芯片包括提出的溫度檢測傳感模塊，支持多個功率器件的溫度傳感，本設計支持5通道功率器件溫度傳感。

圖3 溫度檢測傳感模塊

3 仿真與測試

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

圖4 過溫保護電路仿真結(jié)果

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

圖5 過溫閾值和溫度滯回對電源電壓的依賴性

圖6 過溫閾值和溫度滯回對電源電壓依賴性的抽取

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

圖7 過溫閾值和溫度滯回的測試環(huán)境

此外流片封裝完成后，對芯片的過溫保護電路進行了溫度測試，因為提出的溫度檢測傳感芯片采用了5通道溫度檢測的設計，支持5處功率驅(qū)動模塊的溫度傳感，因此對芯片的5通道溫度進行了測試，測試結(jié)果如表1所示，TR為過溫閾值，測試結(jié)果顯示，溫度閾值偏差范圍:175℃±2.28%，滿足設計要求。

表1 溫度閾值TR的測試結(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，產(chǎn)生更高的過溫閾值，同時采用開爾文連接實現(xiàn)更高精度的檢測，使溫度滯回更小。表2將本文設計參數(shù)與相關文獻的參數(shù)進行對比，結(jié)果顯示提出的電路過溫閾值175℃，溫度滯回8℃，優(yōu)于相關的參考文獻。同時本文采用切換電流的方式使電源電壓變化對溫滯回量的影響減小到0.11℃/V，但是由于仍采用傳統(tǒng)比較器對過溫進行判斷，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過溫點影響偏大。

表2 本文設計參數(shù)與相關文獻參數(shù)具體值比較

4 結(jié)論

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