一種集成溫度補償負反饋的芯片結構的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種集成溫度補償負反饋的芯片結構，包括芯片VDD端、芯片GND端、芯片SW端、第一晶體管、第二晶體管、啟動電路模塊、電源供電模塊、邏輯控制模塊、驅動模塊、以及帶溫度補償負反饋模塊，其中所述帶溫度補償?shù)呢摲答伳K包括補償二極管單元（D1）、第一電阻（R1）、第二電阻（R2）、第三電阻（Rsence）、基準電流源（Iref）和比較器。本實用新型集成了溫度補償負反饋回路，電源芯片的電源系統(tǒng)輸出電壓Vout穩(wěn)定，與環(huán)境溫度和芯片結溫相關性大幅減弱；將電源管腳與反饋管腳合并為一個管腳，徹底去除了傳統(tǒng)方案中FB管腳失效的可能性，直接降低了芯片生產環(huán)節(jié)的失效率，可以節(jié)省系統(tǒng)元器件，系統(tǒng)成本優(yōu)勢明顯。
【專利說明】一種集成溫度補償負反饋的芯片結構
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種集成溫度補償負反饋的芯片結構，屬于功率半導體領域，具體，適合于電源管理集成電路的應用。
【背景技術】
[0002]圖1給出了一種傳統(tǒng)的電源芯片結構，芯片主要模塊包括:第一晶體管，尺寸遠小于第一晶體管的第二晶體管，啟動電路模塊，電源供電模塊，邏輯控制模塊，驅動模塊，以及負反饋模塊。該芯片結構有4個管腳，分別是高壓管腳SW，電源管腳VDD，接地管腳GND，以及反饋管腳FB。圖2給出了這顆芯片用于原邊反饋系統(tǒng)原理圖，該系統(tǒng)主要包括:整流橋D0、濾波電容Cl、變壓器TRl、電源芯片ICl、連接在芯片SW與VIN之間的RCD吸收回路、與變壓器副邊連接的DC輸出級、與變壓器輔助線圈連接的VDD供電回路和FB反饋回路。系統(tǒng)工作原理簡要描述如下:當DC輸出電壓Vout低于目標電壓時，VDD電壓降低，F(xiàn)B電壓降低，電源芯片ICI的邏輯控制模塊增加第一晶體管的導通時間，以傳遞更多的能量到變壓器的副邊，使輸出電壓Vout升高；當DC輸出電壓Vout高于目標電壓時，VDD電壓升高，F(xiàn)B電壓升高，電源芯片ICI的邏輯控制模塊減少第一晶體管的導通時間，以傳遞更少的能量到變壓器的副邊，使輸出電壓Vout降低；
[0003]這種工作方式能實現(xiàn)輸出級電壓穩(wěn)定，然而由于系統(tǒng)中二極管D5存在溫度效應，隨系統(tǒng)工作環(huán)境溫度升高二極管D5的BV升高，從而使系統(tǒng)的輸出電壓隨環(huán)境溫度升高而降低。同時當芯片內部基準電壓Vref的溫度系數(shù)與電阻Rsence的溫度系數(shù)不能抵消時，芯片內部的負反饋回路同樣會使系統(tǒng)的輸出電壓隨芯片結溫升高而變化。

【發(fā)明內容】

[0004]本實用新型所要解決的技術問題在于克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種集成溫度補償負反饋的芯片結構，能夠解決系統(tǒng)輸出電壓Vout隨溫度變化的問題，同時使系統(tǒng)元器件更加精簡，成本更低。
[0005]本實用新型具體采用以下技術方案解決上述技術問題:
[0006]一種集成溫度補償負反饋的芯片結構，包括芯片VDD端、芯片GND端、芯片SW端、第一晶體管、第二晶體管、啟動電路模塊、電源供電模塊、邏輯控制模塊、驅動模塊、以及帶溫度補償負反饋模塊，其中芯片VDD端分別與帶溫度補償負反饋模塊、電源供電模塊、啟動電路模塊連接；所述電源供電模塊分別與帶溫度補償負反饋模塊、邏輯控制模塊連接；所述邏輯控制模塊分別與啟動電路模塊、帶溫度補償負反饋模塊、驅動模塊連接；所述驅動模塊分別與第一晶體管的柵極、第二晶體管的柵極連接；所述啟動電路模塊、第一晶體管的漏極、第二晶體管的漏極分別與芯片SW端連接；所述第二晶體管的源端與帶溫度補償負反饋模塊連接；所述第一晶體管的源端與芯片GND端連接；所述帶溫度補償?shù)呢摲答伳K包括補償二極管單元、第一電阻、第二電阻、第三電阻、基準電流源和比較器，其中補償二極管單元的一端與芯片VDD端連接，補償二極管單元的另一端與第一電阻的一端連接；所述第一電阻的另一端分別與比較器的正端、第二晶體管的源端、第三電阻的一端連接；所述基準電流源的一端與電源供電模塊連接，基準電流源的另一端分別與比較器的負端、第二電阻的一端連接；所述第二電阻的另一端和第三電阻的另一端均與芯片VDD端連接。
[0007]作為本實用新型的一種優(yōu)選技術方案:所述第一電阻、第二電阻和第三電阻為相同類型電阻，且具有相同的溫度系數(shù)。
[0008]作為本實用新型的一種優(yōu)選技術方案:所述基準電流源具有零溫度系數(shù)。
[0009]作為本實用新型的一種優(yōu)選技術方案:所述補償二極管單元包括N對正接二極管和反接二極管，所述N對正接二極管和反接二極管的連接方式為串聯(lián)，其中N為I以上的自然數(shù)。
[0010]其中第一晶體管作為電路輸出級功率開關管，第二晶體管作為第一晶體管的電流采樣，啟動電路模塊在芯片開機時對芯片供電，電源供電模塊在芯片正常工作時對芯片供電，邏輯控制模塊根據(jù)芯片VDD端的反饋控制開關管工作頻率和占空比，驅動模塊用于驅動第一晶體管和第二晶體管，帶溫度補償負反饋模塊采樣VDD端電壓和第二晶體管的電流，運算后與內部基準IrefXR2做比較，反饋給邏輯控制模塊。
[0011]在帶溫度補償負反饋模塊中，補償二極管單元由N對正接二極管和反接二極管串聯(lián)連接，反接二極管的反向擊穿電壓BV和正接二極管的正向導通電壓Vf這兩個參數(shù)的溫度效應基本相互補償，基準電流源設置為無溫漂電流源，由于第一電阻、第二電阻和第三電阻采用同類型同材料電阻，溫度系數(shù)相同，所以溫度效應相互補償。這樣在整個負反饋回路里，實現(xiàn)電壓和電流采樣基本與環(huán)境溫度和芯片結溫無關。
[0012]本實用新型具有如下優(yōu)點及有益效果:
[0013](I)采用該技術的電源芯片的電源系統(tǒng)，輸出電壓Vout穩(wěn)定，與環(huán)境溫度和芯片結溫相關性大幅減弱。
[0014](2)采用該技術的電源芯片將電源管腳與反饋管腳合并為一個管腳，徹底去除了傳統(tǒng)方案中FB管腳失效的可能性，直接降低了芯片生產環(huán)節(jié)的失效率。
[0015](3)采用該技術的電源芯片的管腳可以減少到3個，芯片的集成度更高，同時芯片封裝成本會降低，同時還可以節(jié)省系統(tǒng)元器件，系統(tǒng)成本優(yōu)勢明顯。
[0016]使用本實用新型結構的電源系統(tǒng)輸出電壓隨環(huán)境溫度變化小，并且由于芯片管腳可以減少到只有三個，系統(tǒng)簡單，成本低，可靠性高。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1為現(xiàn)有技術中的一種傳統(tǒng)的芯片結構。
[0018]圖2為現(xiàn)有技術中的使用傳統(tǒng)的芯片結構的系統(tǒng)原理圖。
[0019]圖3為本實用新型的集成溫度補償負反饋的芯片結構。
[0020]圖4 (a)為補償二極管單元的正接二極管和反接二極管背靠背連接后再串聯(lián)的示意圖；圖4 (b)為補償二極管單元的N個正接二極管和反接二極管依次串聯(lián)的示意圖。
[0021]圖5為本實用新型的集成溫度補償負反饋的芯片結構的原邊反饋系統(tǒng)原理圖。
[0022]圖6為本實用新型的集成溫度補償負反饋的芯片結構的Buck系統(tǒng)原理圖。
【具體實施方式】[0023]下面結合說明書附圖對本實用新型的【具體實施方式】進行描述。
[0024]如圖3所示，本實用新型提供了一種集成溫度補償負反饋的芯片結構，包括芯片VDD端、芯片GND端、芯片SW端、第一晶體管、第二晶體管、啟動電路模塊、電源供電模塊、邏輯控制模塊、驅動模塊、以及帶溫度補償負反饋模塊，其中芯片VDD端分別與帶溫度補償負反饋模塊、電源供電模塊、啟動電路模塊連接；所述電源供電模塊分別與帶溫度補償負反饋模塊、邏輯控制模塊連接；所述邏輯控制模塊分別與啟動電路模塊、帶溫度補償負反饋模塊、驅動模塊連接；所述驅動模塊分別與第一晶體管的柵極、第二晶體管的柵極連接；所述啟動電路模塊、第一晶體管的漏極、第二晶體管的漏極分別與芯片SW端連接；所述第二晶體管的源端與帶溫度補償負反饋模塊連接；所述第一晶體管的源端與芯片GND端連接；所述帶溫度補償?shù)呢摲答伳K包括補償二極管單元D1、第一電阻R1、第二電阻R2、第三電阻Rsence、基準電流源Iref和比較器,其中補償二極管單元Dl的一端與芯片VDD端連接,補償二極管單元Dl的另一端與第一電阻Rl的一端連接；所述第一電阻Rl的另一端分別與比較器的正端、第二晶體管的源端、第三電阻Rsence的一端連接；所述基準電流源Iref的一端與電源供電模塊連接，基準電流源Iref的另一端分別與比較器的負端、第二電阻R2的一端連接；所述第二電阻R2的另一端和第三電阻Rsence的另一端均與芯片VDD端連接。
[0025]其中第一晶體管作為電路輸出級功率開關管，第二晶體管作為第一晶體管的電流采樣，啟動電路模塊在芯片開機時對芯片供電，電源供電模塊在芯片正常工作時對芯片供電，邏輯控制模塊根據(jù)芯片VDD端的反饋控制開關管工作頻率和占空比，驅動模塊用于驅動第一晶體管和第二晶體管，帶溫度補償負反饋模塊采樣芯片VDD端電壓和第二晶體管的電流，運算后與內部基準IrefXR2做比較，反饋給邏輯控制模塊。
[0026]在帶溫度補償負反饋模塊中，補償二極管單元由N對正接二極管和反接二極管串聯(lián)連接，反接二極管的反向擊穿電壓BV和正接二極管的正向導通電壓Vf這兩個參數(shù)的溫度效應基本相互補償，基準電流源Iref設置為無溫漂電流源，即不隨溫度變化而變化。由于第一電阻R1、第二電阻R2和第三電阻Rsence采用同類型同材料電阻，溫度系數(shù)相同，所以溫度效應相互補償。這樣在`整個負反饋回路里，實現(xiàn)電壓和電流采樣基本與環(huán)境溫度和芯片結溫無關。
[0027]帶溫度補償負反饋模塊采樣芯片VDD端電壓和第二晶體管的電流，運算后與內部基準Iref XR2做比較，反饋給邏輯控制模塊。通過設計去除采樣電壓和采樣電流的溫度效應，以去除整個反饋環(huán)路的溫度效應。
[0028]I)電流采樣消除溫度系數(shù)工作原理描述如下:
[0029]比較器正端電壓VP由公式(I)決定
[0030]VP = Iref * R2(I)
[0031]比較器負端電壓VN由公式(2)決定
[0032]VN = Isence * Rsence(2)
[0033]當R2和Rsence采用同類型同材料電阻時，他們的溫度效應相互補償，并且由于Iref的溫度系數(shù)設置為極小，所以Isence的溫度系數(shù)極小。其中，Isence是流過電阻Rsence的電流。
[0034]2)電壓采樣消除溫度系數(shù)工作原理描述如下:
[0035]補償二極管單元Dl與第二電阻R2之間結點電壓Vfbin由下式決定:[0036]Vfbin = VDD - VDl(3)
[0037]其中是，VDl是補償二極管單元的壓降。通過合理設計背靠背二級管，能夠使VDl的溫度系數(shù)接近零，因此在固定輸出功率前提下，反饋電壓Vfbin的溫度系數(shù)接近于零。
[0038]其中補償二極管單元的實現(xiàn)方式根據(jù)系統(tǒng)的需求可以不同，不局限于單個正向二極管與單個負向二極管的連接結構，可以是多個正接二極管加多個反接二極管的串聯(lián)連接，如圖4 Ca)為補償二極管單元的正接二極管和反接二極管背靠背連接后再串聯(lián)的示意圖；圖4 (b)為補償二極管單元的N個正接二極管和反接二極管依次串聯(lián)的示意圖。
[0039]本實用新型芯片結構在電源系統(tǒng)中工作原理描述如下:
[0040](I)當本實用新型用于原邊反饋電源系統(tǒng)時，系統(tǒng)原理圖如圖5所示，該系統(tǒng)主要包括:整流橋D0、濾波電容Cl、變壓器TRl、電源芯片ICl、連接在芯片SW與VIN之間的RCD吸收回路、與變壓器副邊連接的DC輸出級、與變壓器輔助線圈連接的VDD供電回路和反饋回路。系統(tǒng)工作原理簡要描述如下:當DC輸出電壓Vout低于目標電壓時，芯片VDD端電壓降低，芯片IC2的帶溫度補償負反饋模塊采樣到芯片VDD端電壓降低后，使芯片IC2的邏輯控制模塊增加第一晶體管的導通時間，以傳遞更多的能量到變壓器的副邊，使輸出電壓Vout升高；當DC輸出電壓Vout高于目標電壓時，芯片VDD端電壓升高，芯片IC2的帶溫度補償負反饋模塊采樣到芯片VDD端電壓升高后，使芯片IC2的邏輯控制模塊減少第一晶體管的導通時間，以傳遞更少的能量到變壓器的副邊，使輸出電壓Vout降低；
[0041]圖5與圖2所示的傳統(tǒng)方案對比，芯片IC2無FB反饋管腳，并且同時節(jié)省了圖2中與FB管腳相連接的嵌位二極管D5和電容C5，因此系統(tǒng)方案成本更低。同時使用本實用新型芯片結構的系統(tǒng)方案輸出電壓隨環(huán)境溫度或芯片結溫變化較小，而如前所述，圖2結構輸出電壓隨環(huán)境溫度或芯片結溫變化明顯。
[0042](2)當本實用新型用于Buck電源系統(tǒng)時，系統(tǒng)原理圖如圖6所示。該系統(tǒng)主要包括:整流橋DO、濾波電容Cl`、電源芯片IC2、連接在芯片GND和系統(tǒng)地線之間的二極管D1、連接在芯片GND與輸出級之間的電感L1、連接在芯片輸出級上的電容C3、連接在芯片VDD與輸出級之間的二級管D2、連接在芯片VDD與芯片GND之間的電容C2。系統(tǒng)工作原理簡要描述如下:當DC輸出電壓Vout低于目標電壓時，VDD電壓降低，芯片IC2的帶溫度補償負反饋模塊采樣到VDD電壓降低后，使芯片IC2的邏輯控制模塊增加第一晶體管的導通時間，以傳遞更多的能量到電感LI，使輸出電壓Vout升高；當DC輸出電壓Vout高于目標電壓時，VDD電壓升高，芯片IC2的帶溫度補償負反饋模塊采樣到VDD電壓升高后，使芯片IC2的邏輯控制模塊減少第一晶體管的導通時間，以傳遞更少的能量到電感LI，使輸出電壓Vout降低。
[0043]使用本實用新型芯片結構的Buck系統(tǒng)與使用圖1芯片結構Buck系統(tǒng)比較，其優(yōu)勢與用于原邊反饋電源系統(tǒng)相同，主要表現(xiàn)在成本低、輸出溫差小等方面。
[0044]因此，本實用新型集成了溫度補償負反饋回路，使用該結構電源系統(tǒng)，輸出電壓隨環(huán)境溫度變化小，并且由于芯片管腳可以減少到只有三個，系統(tǒng)簡單，成本低。
【權利要求】
1.一種集成溫度補償負反饋的芯片結構，包括芯片VDD端、芯片GND端、芯片SW端、第一晶體管、第二晶體管、啟動電路模塊、電源供電模塊、邏輯控制模塊、驅動模塊、以及帶溫度補償負反饋模塊，其中芯片VDD端分別與帶溫度補償負反饋模塊、電源供電模塊、啟動電路模塊連接；所述電源供電模塊分別與帶溫度補償負反饋模塊、邏輯控制模塊連接；所述邏輯控制模塊分別與啟動電路模塊、帶溫度補償負反饋模塊、驅動模塊連接；所述驅動模塊分別與第一晶體管的柵極、第二晶體管的柵極連接；所述啟動電路模塊、第一晶體管的漏極、第二晶體管的漏極分別與芯片SW端連接；所述第二晶體管的源端與帶溫度補償負反饋模塊連接；所述第一晶體管的源端與芯片GND端連接；其特征在于:所述帶溫度補償?shù)呢摲答伳K包括補償二極管單元(D1)、第一電阻(R1)、第二電阻(R2)、第三電阻(Rsence)、基準電流源(Iref)和比較器，其中補償二極管單元(Dl)的一端與芯片VDD端連接，補償二極管單元(Dl)的另一端與第一電阻(Rl)的一端連接；所述第一電阻(Rl)的另一端分別與比較器的正端、第二晶體管的源端、第三電阻(Rsence)的一端連接；所述基準電流源(Iref)的一端與電源供電模塊連接，基準電流源(Iref)的另一端分別與比較器的負端、第二電阻(R2)的一端連接；所述第二電阻(R2)的另一端和第三電阻(Rsence)的另一端均與芯片VDD端連接。
2.根據(jù)權利要求1所述的集成溫度補償負反饋的芯片結構，其特征在于:所述第一電阻(R1)、第二電阻(R2)和第三電阻(Rsence)為相同類型電阻，且具有相同的溫度系數(shù)。
3.根據(jù)權利要求1所述的集成溫度補償負反饋的芯片結構，其特征在于:所述基準電流源(Iref)具有零溫度系數(shù)。
4.根據(jù)權利要求1所述的集成溫度補償負反饋的芯片結構，其特征在于:所述補償二極管單元(Dl)包括N對正接二極管和反接二極管，所述N對正接二極管和反接二極管的連接方式為串聯(lián)，其中N為I以上的自然數(shù)。
【文檔編號】G05F1/567GK203405753SQ201320361824
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年6月24日 優(yōu)先權日:2013年6月24日
【發(fā)明者】陶平, 李海松, 易揚波, 張立新 申請人:無錫芯朋微電子股份有限公司