用于溫度感測的系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明總體上涉及電子電路，并且在特定實施例中涉及用于溫度感測的系統(tǒng)和方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 電子開關(guān)（諸如MOSFET、IGBT或者其他類型的晶體管）被廣泛地用作用于開關(guān)電 氣負載（諸如電機、燈、磁性閥門等）的電子開關(guān)。在這些應用中，電子開關(guān)與負載串聯(lián)連 接，其中具有電子開關(guān)和負載的串聯(lián)電路被連接在電源端子之間。可以通過接通和關(guān)斷電 子開關(guān)來接通和關(guān)斷負載。
[0003] 通常，作為導通狀態(tài)的電子開關(guān)的電阻的電子開關(guān)的導通電阻小于負載的電阻， 因此在正常操作狀態(tài)下，當電子開關(guān)接通時，跨電子開關(guān)的電壓降明顯小于跨負載的電壓 降。然而，當負載中存在短路并且電子開關(guān)處于導通狀態(tài)時，跨電子開關(guān)的電壓降增加并且 電子開關(guān)中耗散的電功率增加。所耗散的功率的增加導致電子開關(guān)的溫度增加。
[0004] 另外，在負載中沒有短路的正常操作期間，高電流應用增加電子開關(guān)中耗散的電 功率，從而造成電子開關(guān)的溫度增加。抬升環(huán)境溫度也可以增加電子開關(guān)的結(jié)溫。不管溫 度增加是否指示短路問題是由于正常的高電流操作引起的還是由于更高的環(huán)境溫度造成 的，太多的溫度增加在一些情況下可能導致設備故障或者損壞或者在其他情況下可能導致 非最佳性能。為了防止性能降低或者故障，可以檢測電子開關(guān)中的溫度并且可以在溫度達 到給定溫度門限時關(guān)斷電子開關(guān)。
[0005] 為了檢測電子開關(guān)中的溫度，可以在相同的封裝件內(nèi)部包括具有電子開關(guān)的溫度 測量設備，或者可以向包含電子開關(guān)的封裝件附接溫度測量設備。溫度測量設備包括間接 測量電子開關(guān)的溫度的溫度傳感器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 根據(jù)一種實施例，一種操作測量電路的方法包括：在第一模式期間偏置感測晶體 管以沿著第一方向通過第一傳導溝道傳導電流；在第二模式期間向感測晶體管的本體二極 管中注入測量電流；在注入測量電流時測量跨感測晶體管的第一電壓；以及基于第一電壓 確定感測晶體管的溫度。在注入測量電流時，沿著與第一方向相反的第二方向注入測量電 流。感測晶體管被集成在具有負載晶體管的半導體本體中，負載晶體管具有第二傳導溝道， 并且第一傳導溝道和第二傳導溝道被耦合到輸入節(jié)點。
【附圖說明】
[0007] 為了更完整地理解本發(fā)明及其優(yōu)點，現(xiàn)在參考結(jié)合附圖給出的以下描述，在附圖 中：
[0008] 圖1圖不實施例測量系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖；
[0009] 圖2圖示根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的二極管電路的示意圖；
[0010] 圖3圖不另一實施例測量系統(tǒng)的不意圖；
[0011] 圖4圖不另外的實施例測量系統(tǒng)的不意圖；
[0012] 圖5圖示操作中的實施例測量系統(tǒng)的波形圖；
[0013] 圖6a和圖6b圖不實施例開關(guān)和測量系統(tǒng)的不意圖；
[0014] 圖7圖不實施例開關(guān)系統(tǒng)的不意圖；
[0015] 圖8圖示操作測量系統(tǒng)的實施例方法的框圖；
[0016] 圖9a、圖9b和圖9c圖示在實施例測量系統(tǒng)中使用的示例半導體設備的示意圖；
[0017] 除非另外指出，否則不同附圖中的對應的數(shù)字和符號通常指代對應的部件。附圖 被繪制以清楚地說明實施例的相關(guān)方面，并且不必按比例繪制。
【具體實施方式】
[0018] 下面詳細討論各種實施例的形成和使用。然而，應當理解，本文中所描述的各種實 施例可應用于各種具體的上下文中。所討論的具體實施例僅以說明特定的方式形成和使用 各種實施例，并且不應當在限制的范圍內(nèi)被理解。
[0019] 在具體上下文（即電子開關(guān)，并且更具體地是用于電子開關(guān)的溫度測量電路）中 關(guān)于各種實施例進行描述。本文中所描述的各種實施例中的一些實施例包括包含晶體管的 開關(guān)電路、被耦合到開關(guān)電路的溫度測量電路、以及被耦合到開關(guān)電路的組合的溫度和電 流測量電路。在其他實施例中，這些方面也可以應用于包含根據(jù)本領(lǐng)域已知的任何方式的 任何類型的溫度測量電路的其他應用。
[0020] 通常，在電子電路中，負載晶體管被親合在輸入端子與輸出負載端子之間并且被 控制成向被耦合到輸出負載端子的負載供給電流。這樣的負載晶體管例如可以被包括在大 量電路中，諸如開關(guān)或者非開關(guān)電源和線性調(diào)節(jié)器。根據(jù)一種實施例，測量電路被耦合到與 負載晶體管一起被集成在相同的半導體襯底中的感測晶體管。感測晶體管和負載晶體管二 者可以接收相同的控制信號并且具有被耦合到輸入端子的輸入傳導端子。在這樣的實施例 中，感測晶體管傳導與在負載晶體管中流動的負載電流成比例的鏡像感測電流而沒有增加 負載路徑的串聯(lián)電阻。
[0021] 根據(jù)這樣的實施例，測量電路包括可控電流源和電壓測量電路?？煽仉娏髟丛跍?度測量模式期間通過感測晶體管的本體二極管注入電流，并且電壓測量電路測量跨感測晶 體管的電壓。基于所測量的電壓，可以基于跨半導體結(jié)（諸如本體二極管）的電壓降與溫 度之間的關(guān)系來計算如負載晶體管被鄰近地集成在相同的半導體襯底中的感測晶體管的 溫度。在一個實施例中，可控電流源可以通過本體二極管注入多個電流，并且電壓測量電路 例如可以測量多個電壓，諸如2個到32個。基于多個電壓，可以通過使用電壓差來精確地 計算溫度。
[0022] 在另外的實施例中，測量電路包括被耦合到感測晶體管和負載晶體管的電流測量 電路并且在電流測量模式期間測量感測電流以便確定負載電流。在這樣的實施例中，測量 電路使用被集成在具有負載晶體管的半導體襯底中的單個感測晶體管來測量和確定負載 晶體管的溫度和電流二者。在具體實施例中，溫度測量模式和電流測量模式是獨立的。在 一個替選實施例中，本文中所描述的溫度測量方法可以被應用于負載晶體管。
[0023] 根據(jù)一些實施例，所測量的溫度可以用于優(yōu)化用于應用的驅(qū)動和控制策略。在各 種實施例中，可以針對所測量的不同溫度施加不同的驅(qū)動電流、電壓或者信號斜率。在另外 的實施例中，可以針對所測量的不同溫度實現(xiàn)各種控制回路行為。
[0024] 圖1圖示包括全部被耦合到感測設備108和負載設備110的溫度測量電路102、可 控電流源104和電流測量電路106的實施例測量系統(tǒng)100的系統(tǒng)框圖。根據(jù)各種實施例， 負載設備110基于控制信號CTL在輸入端子IN與輸出負載端子OUT之間傳導電流，并且感 測設備108也基于控制信號CTL傳導電流。在一些實施例中，負載設備110和感測設備108 可以使用單獨的控制信號被控制以便獨立地控制各種感測模式和傳導模式。
[0025] 在各種實施例中，感測設備108傳導與負載設備110的負載電流IL成比例的感測 電流ISEN。感測電流ISEN與負載電流IL之間的比例關(guān)系可以通過感測設備108和負載設 備110的半導體設備尺寸的比率被確定。基于感測電流ISEN和負載電流IL的比例關(guān)系， 電流測量電路106從感測設備108測量第二電壓VM2并且從負載設備110測量第三測量電 壓VM3以便確定負載電流IL。在一些實施例中，電流測量電路106生成與負載電流IL成比 例的所測量的電流頂。在具體的實施例中，在沒有在負載設備110與輸出負載端子OUT之 間的負載路徑中引入任何附加串聯(lián)電阻的情況下生成所測量的電流頂。
[0026] 在各種實施例中，可以向控制器或者計算電路提供所測量的電流頂，以便基于所 測量的電流IM確定負載電流IL。在其他實施例中，電流測量電路106可以輸出與負載電流 IL成比例的電壓信號或者可以包括數(shù)字計算電路并且輸出負載電流IL的數(shù)字表示。
[0027] 根據(jù)各種實施例，可控電流源104基于選擇信號SEL向感測設備108的感測節(jié)點 SEN中供給電流，以便通過感測設備108的二極管（注入本體二極管）注入電流。在這樣的 實施例中，感測設備108被偏置或者被控制成在第一模式期間沿著從輸入端子IN到感測節(jié) 點SEN的第一方向傳導感測電流ISEN。在第二模式期間，感測設備108被偏置成非傳導狀 態(tài)并且可控電流源104沿著從感測節(jié)點SEN通過感測設備108內(nèi)的二極管到輸入端子IN 的與第一方向相對的第二方向注入反向電流。
[0028] 在一些實施例中，在可控電流源104通過感測設備108注入反向電流時，溫度測量 電路102測量跨感測設備108的第一測量電壓VM1和第二測量電壓VM2?；谒鶞y量的跨 感測設備108的電壓，溫度測量電路102生成與感測設備108的溫度相關(guān)的溫度測量信號 TM。在一些實施例中，溫度測量信號TM是與感測設備108的溫度成比例的電壓信號。在其 他實施例中，溫度測量電路102包括數(shù)字計算電路并且溫度測量信號TM是感測設備108的 溫度的數(shù)字表示。在各種實施例中，由于感測設備108如負載設備110被鄰近地集成在相 同的半導體襯底中，所測量的感測設備108的溫度可以與負載設備110的溫度非常緊密地 相關(guān)或者可以基本上等于負載設備110的溫度。在各種實施例中，如本文中在下面參考其 他附圖進一步描述的，使用跨半導體結(jié)的電壓（如由第一測量電壓VM1和第二測量電壓VM2 獲得的）與半導體結(jié)的溫度之間的關(guān)系來確定感測設備108的溫度。
[0029] 在一些實施例中，可控電流源104可以通過感測設備108供給單個反向電流。在 其他實施例中，可控電流源104可以通過感測設備108供給多個反向電流。在各種實施例 中，選擇信號SEL可以通過控制電路或者通過溫度測量電路102被供給。在各種實施例中， 溫度測量電路102測量單個電壓或者多個電壓，一個電壓用于通過感測設備108被供給的 一個反向電流。基于單個電壓或者多個電壓，溫度測量電路102可以計算感測設備108中 的溫度。
[0030] 根據(jù)一些實施例，電流測量電路106和可控電流源104沒有被同時操作。在這樣 的實施例中，電流測量電路106可以在感測電流ISEN通過感測設備108被傳導時執(zhí)行電流 測量和生成所測量的電流IM。類似地，具有可控電流源104的溫度測量電路102可以在感 測電流ISEN沒有通過感測設備108被傳導時（即在控制信號CTL將感測設備108切換到 斷開或非傳導狀態(tài)時）執(zhí)行溫度測量。因此，根據(jù)這樣的實施例，溫度測量電路102和電流 測量電路106共享感測設備108以便確定負載設備110中的溫度和負載電流IL二者。在 其他實施例中，本文中所描述的溫度測量方法還可以被應用于負載設備110而非感測設備 108。在另外的實施例中，測量系統(tǒng)100可以包括被耦合到負載設備110的兩個感測設備。 在這樣的實施例中，一個感測設備被布置用于感測負載設備中的電流，另一感測設備可以 被布置用于感測負載設備中的溫度。
[0031] 如上文中所討論的，跨半導體結(jié)的電壓與半導體結(jié)的溫度之間的關(guān)系可以用于基 于跨半導體結(jié)的電壓測量來確定溫度。這一方法可以被應用于二極管結(jié)并且被稱為VBE溫 度測量或者在其他情況下被稱為德爾塔VBE溫度測量。圖2圖示根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的二極管電 路1000的示意圖以便說明VBE溫度測量計算。二極管電路1000包括半導體二極管1002、 被耦合到電源電壓VDD的電流源1004和1006、以及觸發(fā)開關(guān)1008。觸發(fā)開關(guān)1008被觸發(fā) 控制TCTL控制以在供給來自電流源1004的正向電流1C或者來自電流源1006的多個正向 電流N · 1C之間切換，其中N是用于乘以正向電流1C的因子。
[0032] 當電流通過二極管流動時，跨二極管的電壓降VD通過以下等式被給出：
[0034] 其中η是理想因子，k是波爾茲曼常量，T是溫度，q是電子的單位基本電荷，1C是 二極管中的正向電流，IS是二極管的反向偏置飽和電流。當二極管是雙極結(jié)晶體管（BJT) 或其他類型的晶體管中的寄生BJT的部分時，電壓降V