用于温度感测的系统和方法
【技术领域】
[0001] 本发明总体上涉及电子电路，并且在特定实施例中涉及用于温度感测的系统和方 法。
【背景技术】
[0002] 电子开关（诸如MOSFET、IGBT或者其他类型的晶体管）被广泛地用作用于开关电 气负载（诸如电机、灯、磁性阀门等）的电子开关。在这些应用中，电子开关与负载串联连 接，其中具有电子开关和负载的串联电路被连接在电源端子之间。可以通过接通和关断电 子开关来接通和关断负载。
[0003] 通常，作为导通状态的电子开关的电阻的电子开关的导通电阻小于负载的电阻， 因此在正常操作状态下，当电子开关接通时，跨电子开关的电压降明显小于跨负载的电压 降。然而，当负载中存在短路并且电子开关处于导通状态时，跨电子开关的电压降增加并且 电子开关中耗散的电功率增加。所耗散的功率的增加导致电子开关的温度增加。
[0004] 另外，在负载中没有短路的正常操作期间，高电流应用增加电子开关中耗散的电 功率，从而造成电子开关的温度增加。抬升环境温度也可以增加电子开关的结温。不管温 度增加是否指示短路问题是由于正常的高电流操作引起的还是由于更高的环境温度造成 的，太多的温度增加在一些情况下可能导致设备故障或者损坏或者在其他情况下可能导致 非最佳性能。为了防止性能降低或者故障，可以检测电子开关中的温度并且可以在温度达 到给定温度门限时关断电子开关。
[0005] 为了检测电子开关中的温度，可以在相同的封装件内部包括具有电子开关的温度 测量设备，或者可以向包含电子开关的封装件附接温度测量设备。温度测量设备包括间接 测量电子开关的温度的温度传感器。
【发明内容】
[0006] 根据一种实施例，一种操作测量电路的方法包括：在第一模式期间偏置感测晶体 管以沿着第一方向通过第一传导沟道传导电流；在第二模式期间向感测晶体管的本体二极 管中注入测量电流；在注入测量电流时测量跨感测晶体管的第一电压；以及基于第一电压 确定感测晶体管的温度。在注入测量电流时，沿着与第一方向相反的第二方向注入测量电 流。感测晶体管被集成在具有负载晶体管的半导体本体中，负载晶体管具有第二传导沟道， 并且第一传导沟道和第二传导沟道被耦合到输入节点。
【附图说明】
[0007] 为了更完整地理解本发明及其优点，现在参考结合附图给出的以下描述，在附图 中：
[0008] 图1图不实施例测量系统的系统框图；
[0009] 图2图示根据现有技术的二极管电路的示意图；
[0010] 图3图不另一实施例测量系统的不意图；
[0011] 图4图不另外的实施例测量系统的不意图；
[0012] 图5图示操作中的实施例测量系统的波形图；
[0013] 图6a和图6b图不实施例开关和测量系统的不意图；
[0014] 图7图不实施例开关系统的不意图；
[0015] 图8图示操作测量系统的实施例方法的框图；
[0016] 图9a、图9b和图9c图示在实施例测量系统中使用的示例半导体设备的示意图；
[0017] 除非另外指出，否则不同附图中的对应的数字和符号通常指代对应的部件。附图 被绘制以清楚地说明实施例的相关方面，并且不必按比例绘制。
【具体实施方式】
[0018] 下面详细讨论各种实施例的形成和使用。然而，应当理解，本文中所描述的各种实 施例可应用于各种具体的上下文中。所讨论的具体实施例仅以说明特定的方式形成和使用 各种实施例，并且不应当在限制的范围内被理解。
[0019] 在具体上下文（即电子开关，并且更具体地是用于电子开关的温度测量电路）中 关于各种实施例进行描述。本文中所描述的各种实施例中的一些实施例包括包含晶体管的 开关电路、被耦合到开关电路的温度测量电路、以及被耦合到开关电路的组合的温度和电 流测量电路。在其他实施例中，这些方面也可以应用于包含根据本领域已知的任何方式的 任何类型的温度测量电路的其他应用。
[0020] 通常，在电子电路中，负载晶体管被親合在输入端子与输出负载端子之间并且被 控制成向被耦合到输出负载端子的负载供给电流。这样的负载晶体管例如可以被包括在大 量电路中，诸如开关或者非开关电源和线性调节器。根据一种实施例，测量电路被耦合到与 负载晶体管一起被集成在相同的半导体衬底中的感测晶体管。感测晶体管和负载晶体管二 者可以接收相同的控制信号并且具有被耦合到输入端子的输入传导端子。在这样的实施例 中，感测晶体管传导与在负载晶体管中流动的负载电流成比例的镜像感测电流而没有增加 负载路径的串联电阻。
[0021] 根据这样的实施例，测量电路包括可控电流源和电压测量电路。可控电流源在温 度测量模式期间通过感测晶体管的本体二极管注入电流，并且电压测量电路测量跨感测晶 体管的电压。基于所测量的电压，可以基于跨半导体结（诸如本体二极管）的电压降与温 度之间的关系来计算如负载晶体管被邻近地集成在相同的半导体衬底中的感测晶体管的 温度。在一个实施例中，可控电流源可以通过本体二极管注入多个电流，并且电压测量电路 例如可以测量多个电压，诸如2个到32个。基于多个电压，可以通过使用电压差来精确地 计算温度。
[0022] 在另外的实施例中，测量电路包括被耦合到感测晶体管和负载晶体管的电流测量 电路并且在电流测量模式期间测量感测电流以便确定负载电流。在这样的实施例中，测量 电路使用被集成在具有负载晶体管的半导体衬底中的单个感测晶体管来测量和确定负载 晶体管的温度和电流二者。在具体实施例中，温度测量模式和电流测量模式是独立的。在 一个替选实施例中，本文中所描述的温度测量方法可以被应用于负载晶体管。
[0023] 根据一些实施例，所测量的温度可以用于优化用于应用的驱动和控制策略。在各 种实施例中，可以针对所测量的不同温度施加不同的驱动电流、电压或者信号斜率。在另外 的实施例中，可以针对所测量的不同温度实现各种控制回路行为。
[0024] 图1图示包括全部被耦合到感测设备108和负载设备110的温度测量电路102、可 控电流源104和电流测量电路106的实施例测量系统100的系统框图。根据各种实施例， 负载设备110基于控制信号CTL在输入端子IN与输出负载端子OUT之间传导电流，并且感 测设备108也基于控制信号CTL传导电流。在一些实施例中，负载设备110和感测设备108 可以使用单独的控制信号被控制以便独立地控制各种感测模式和传导模式。
[0025] 在各种实施例中，感测设备108传导与负载设备110的负载电流IL成比例的感测 电流ISEN。感测电流ISEN与负载电流IL之间的比例关系可以通过感测设备108和负载设 备110的半导体设备尺寸的比率被确定。基于感测电流ISEN和负载电流IL的比例关系， 电流测量电路106从感测设备108测量第二电压VM2并且从负载设备110测量第三测量电 压VM3以便确定负载电流IL。在一些实施例中，电流测量电路106生成与负载电流IL成比 例的所测量的电流頂。在具体的实施例中，在没有在负载设备110与输出负载端子OUT之 间的负载路径中引入任何附加串联电阻的情况下生成所测量的电流頂。
[0026] 在各种实施例中，可以向控制器或者计算电路提供所测量的电流頂，以便基于所 测量的电流IM确定负载电流IL。在其他实施例中，电流测量电路106可以输出与负载电流 IL成比例的电压信号或者可以包括数字计算电路并且输出负载电流IL的数字表示。
[0027] 根据各种实施例，可控电流源104基于选择信号SEL向感测设备108的感测节点 SEN中供给电流，以便通过感测设备108的二极管（注入本体二极管）注入电流。在这样的 实施例中，感测设备108被偏置或者被控制成在第一模式期间沿着从输入端子IN到感测节 点SEN的第一方向传导感测电流ISEN。在第二模式期间，感测设备108被偏置成非传导状 态并且可控电流源104沿着从感测节点SEN通过感测设备108内的二极管到输入端子IN 的与第一方向相对的第二方向注入反向电流。
[0028] 在一些实施例中，在可控电流源104通过感测设备108注入反向电流时，温度测量 电路102测量跨感测设备108的第一测量电压VM1和第二测量电压VM2。基于所测量的跨 感测设备108的电压，温度测量电路102生成与感测设备108的温度相关的温度测量信号 TM。在一些实施例中，温度测量信号TM是与感测设备108的温度成比例的电压信号。在其 他实施例中，温度测量电路102包括数字计算电路并且温度测量信号TM是感测设备108的 温度的数字表示。在各种实施例中，由于感测设备108如负载设备110被邻近地集成在相 同的半导体衬底中，所测量的感测设备108的温度可以与负载设备110的温度非常紧密地 相关或者可以基本上等于负载设备110的温度。在各种实施例中，如本文中在下面参考其 他附图进一步描述的，使用跨半导体结的电压（如由第一测量电压VM1和第二测量电压VM2 获得的）与半导体结的温度之间的关系来确定感测设备108的温度。
[0029] 在一些实施例中，可控电流源104可以通过感测设备108供给单个反向电流。在 其他实施例中，可控电流源104可以通过感测设备108供给多个反向电流。在各种实施例 中，选择信号SEL可以通过控制电路或者通过温度测量电路102被供给。在各种实施例中， 温度测量电路102测量单个电压或者多个电压，一个电压用于通过感测设备108被供给的 一个反向电流。基于单个电压或者多个电压，温度测量电路102可以计算感测设备108中 的温度。
[0030] 根据一些实施例，电流测量电路106和可控电流源104没有被同时操作。在这样 的实施例中，电流测量电路106可以在感测电流ISEN通过感测设备108被传导时执行电流 测量和生成所测量的电流IM。类似地，具有可控电流源104的温度测量电路102可以在感 测电流ISEN没有通过感测设备108被传导时（即在控制信号CTL将感测设备108切换到 断开或非传导状态时）执行温度测量。因此，根据这样的实施例，温度测量电路102和电流 测量电路106共享感测设备108以便确定负载设备110中的温度和负载电流IL二者。在 其他实施例中，本文中所描述的温度测量方法还可以被应用于负载设备110而非感测设备 108。在另外的实施例中，测量系统100可以包括被耦合到负载设备110的两个感测设备。 在这样的实施例中，一个感测设备被布置用于感测负载设备中的电流，另一感测设备可以 被布置用于感测负载设备中的温度。
[0031] 如上文中所讨论的，跨半导体结的电压与半导体结的温度之间的关系可以用于基 于跨半导体结的电压测量来确定温度。这一方法可以被应用于二极管结并且被称为VBE温 度测量或者在其他情况下被称为德尔塔VBE温度测量。图2图示根据现有技术的二极管电 路1000的示意图以便说明VBE温度测量计算。二极管电路1000包括半导体二极管1002、 被耦合到电源电压VDD的电流源1004和1006、以及触发开关1008。触发开关1008被触发 控制TCTL控制以在供给来自电流源1004的正向电流1C或者来自电流源1006的多个正向 电流N · 1C之间切换，其中N是用于乘以正向电流1C的因子。
[0032] 当电流通过二极管流动时，跨二极管的电压降VD通过以下等式被给出：
[0034] 其中η是理想因子，k是波尔兹曼常量，T是温度，q是电子的单位基本电荷，1C是 二极管中的正向电流，IS是二极管的反向偏置饱和电流。当二极管是双极结晶体管（BJT) 或其他类型的晶体管中的寄生BJT的部分时，电压降V