技术领域
[0001] 本
发明涉及电路领域，尤其涉及一种温度检测模
块及电源管理芯片。
背景技术
[0002] LED (light emitting diode)作为继
白炽灯、
荧光灯后的第三代照明
光源,具有寿命长、能耗低、无污染等优点。随着LED在交通
信号显示、LCD
背光、
汽车尾灯照明等领域中得到越来越广泛的应用，其驱动芯片的需求量也随之增加。LED的
亮度与
电流成正比，然而，电流增大会引起LED及其驱动芯片温度的升高，这可能损害LED的使用寿命。因此，设计一种集成在LED
驱动器中的温度检测模块具有重要的意义。
[0003] 一般而言，在设计的过温点产生高转换速度的翻转信号是衡量过温保护电路性能的一个重要的指标。当在比较器和带隙基准
精度一定的情况，这就需要提高温度检测模块的温度系数，从而保证在过温点的准确性以及产生保护信号高转换速度，所以设计高灵敏度的温度检测模块是过温保护的难点之一。
[0004]
现有技术中，温度检测模块有一下几种方案：方案一：集成在带隙基准中，在做带隙基准过程中，同时把温度检测模块做出来。如图1所示。
[0005] 方案二：利用载流子μ的温度特性产生PTAP(Proportional To Absolute Temperature)
电压，如图2所示。
[0006] 方案三：利用
二极管的导通电压VBE的负温度系数来检测温度变化，并使多个二极管相
串联来增大温度系数，如图3所示。
[0007] 以上方案存在的问题是：方案一中，电路的温度系数主要来自于热电压∂VT /∂T=K/q≈0.085mV/℃，此温度系数较小，即使通过增加
电阻R的阻值来调大
正温度系数，整体的温度系数仍然较小的。方案二中，电路的温度系数受电阻工艺参数变化的影响，易造成输出理论值与实际测量值的偏差较大。此外，以上两类传统的温度检测模块的输出级恒流特性不好，电压
稳定性较差。方案三中，采用4个二极管使芯片面积大大增加，这种串联形式对工艺会有较大的限制，且VBE的负温度系数存在高阶温度系数，高温下
输出电压的线性度较差。因此，亟需研制适合于LED驱动的新型的高精度温度检测电路。
发明内容
[0008] 本发明所要解决的技术问题是提供一种温度检测模块，检测电路温度变化，并解决传统电路温度灵度低，电压稳定性差，线性度差，易受工艺参数变化影响的不足。
[0009] 为解决上述技术问题，本发明提出了一种温度检测模块的电路设计，具有以下特点：包括电流源(Iref)、第一NPN管 (Q1)、第二NPN管(Q2)、第一PMOS管(P1)、第二PMOS管(P2)、第三PMOS管(P3)、第一NMOS管(N1)、第二NMOS管(N2)、第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、第三电阻(R3)、第四电阻(R4)、第五电阻(R5)。第一NMOS管(N1)的源极、第二NMOS管(N2)的源极与第三电阻(R3)第一端相连接地；第一NMOS管(N1)的栅极、漏极与第二NMOS管(N2)的栅极相连，构成NMOS
电流镜；第一PMOS管(P1)的漏极与第一NMOS管(N1)漏极相连；第二PMOS管(P2)的漏极与第二NMOS管(N2)的漏极相连；第一PMOS管(P1)的栅极、第三PMOS管(P3)的栅极、第二PMOS管(P2)的栅极、漏极相连，构成PMOS电流镜；第一PMOS管(P1)的源极、第一电阻(R1)的第一端、第四电阻(R4)的第一端相连；第二PMOS管(P2)的源极、第一NPN管(Q1)的发射极和第五电阻(R5)相连；第一NPN管(Q1)的基极、集
电极、第一电阻(R1)的第二端与第二电阻(R2)的第二端相连接电源Vdd；第四电阻(R4)的第二端、第五电阻(R5)的第二端、电流源(Iref)的第一端和第二NPN管(Q2)的发射极相连；第二NPN管(Q2)的基极、集电极和电源Vdd相连；电流源Iref的第二端与地相连；第二电阻(R2)的阻值大小与第一电阻(R1)大小相等；第二电阻(R2)的第一端与第三PMOS管(P3)的源极相连；第三PMOS管(P3)的漏极与第三电阻(R3)第二端相连构成输出端。
[0010] 进一步，上述温度检测模块还可具有以下特点，包括电流源(Iref)，第一PNP管(Q1)、第二PNP管(Q2)、第一NMOS管(N1)、第二NMOS管(N2)、第三NMOS管(N3)、第一PMOS管(P1)、第二PMOS管(P2)、第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、第三电阻(R3) 、第四电阻(R4)、第五电阻(R5)。第一PMOS管(P1)的源极、第二PMOS管(P2)的源极、第三电阻(R3)第一端和电流源Iref第一端相连接电源Vdd；第一PMOS管(P1)的栅极、漏极与第二PMOS管(P2)的栅极相连，构成PMOS电流镜；第一PMOS管(P1)的漏极与第一NMOS管(N1)漏极相连；第二PMOS管(P2)的漏极与第二NMOS管(N2)的漏极相连；第一NMOS管(N1)的栅极、第三NMOS管(N3)的栅极、第二NMOS管(N2)的栅极、漏极相连，构成NMOS电流镜；第一NMOS管(N1)的源极、第一电阻(R1)的第一端和第四电阻(R4)第一端相连；第二NMOS管(P2)的源极、第一PNP管(Q1)的发射极和第五电阻(R5)第一端相连；第一PNP管(Q1)的基极、集电极、第二PNP管(Q2)的基极、集电极、第一电阻(R1)的第二端和第二电阻(R2)的第二端相连接地；第四电阻(R4)第二端、第五电阻(R5) 第二端、电流源(Iref)第二端和第二PNP管(Q2)的发射极相连；第二电阻(R2)的阻值大小与第一电阻(R1)大小相等；第二电阻(R2)的第一端与第三NMOS管(N3)的源极相连；第三NMOS管(N3)的漏极与第三电阻(R3)第二端相连构成输出端。
[0011] 进一步，上述温度检测模块还可具有以下特点，包括电流源(Iref)，第一PNP管(Q1)、第二PNP管(Q2)、第一PMOS管(P1)、第二PMOS管(P2)、第三PMOS管(P3)、第一NMOS管(N1)、第二NMOS管(N2)、第一电阻(R1)、第二电阻(R2)。第一PMOS管(P1)的源极、第二PMOS管(P2)的源极、第三PMOS管(P3)源端和电流源Iref第一端相连接电源Vdd；第一PMOS管(P1)的栅极、第三PMOS管(P3)的栅极与第二PMOS管(P2)的栅极、漏极相连，构成PMOS电流镜；第一PMOS管(P1)的漏极与第一NMOS管(N1)漏极相连；第二PMOS管(P2)的漏极与第二NMOS管(N2)的漏极相连；第二NMOS管(N2)的栅极、第一NMOS管(N1)的栅极、漏极相连，构成NMOS电流镜；第二NMOS管(N2)的源极、第一PNP管(Q1) 的发射极和和第五电阻(R5)第一端相连；第一NMOS管(N1)的源极、第一电阻(R1)的第一端和第四电阻(R4)第一端相连；第一PNP管(Q1)的基极、集电极、第二PNP管(Q2)的基极、集电极、第一电阻(R1)的第二端与第二电阻(R2)的第二端相连接地；第四电阻(R4)第二端、第五电阻(R5) 第二端、电流源(Iref)第二端和第二PNP管(Q2)的发射极相连；第三PMOS管(P3)的漏极与第二电阻(R2)第一端相连构成输出端。
[0012] 本发明的温度检测模块对工艺的要求低，且在5V
电源电压下温度系数可达到11.2mV/℃，远高于常规电路，而且输出级的恒流源的输出电阻约是常规电路的倍，使输出端的电流源更趋向于理想恒流源，从而使输出电压稳定性增加，在这
基础上增加了一个电流支路，实现了高阶
曲率补偿，使输出曲线的线性度增加。
附图说明
[0013] 图1为现有技术中集成与带隙基准中的检测温度模块；图2为现有技术中采用MOS管中载流子迁移率μ的温度特性来设计的温度检测模块；
图3为传统技术采用并使多个二极管相串联来设计温度检测模块；
图4为结合本发明的温度检测模块的过温保护电路的整体电路；
图5为本发明的温度检测模块的整体电路；
图6为本发明的温度检测模块的另一种结构；
图7为本发明的温度检测模块的又一种结构；
图8为温度检测模块输出电压随温度的变化的仿真曲线；
图9为温度检测模块输出电压随电压的变化的仿真曲线。
具体实施方式
[0014] 图5为本发明的温度检测模块的一种典型结构，采用较大的温度系数源(∂VBE/∂T≈-2mV/°C)，可通过调节两支路上电阻的比值来提高温度系数；输出端的电流源采用电阻R1与M4垂直级联的方式增加输出电阻，使得输出电流源具有更强的抑制电源电压的
波动的能
力；同时在版图中通过电阻做匹配来抑制电阻工艺参数变化引起的输出漂移；在这基础上增加了一个电流支路，实现了高阶曲率补偿，消除VBE中的高阶温度系数，大大增加输出曲线的线性度。下面说明图5所示的温度检测模块的工作过程。
[0015] 图5中，包括电流源(Iref)、第一NPN管 (Q1)、第二NPN管(Q2)、第一PMOS管(P1)、第二PMOS管(P2)、第三PMOS管(P3)、第一NMOS管(N1)、第二NMOS管(N2)、第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、第三电阻(R3)、第四电阻(R4)、第五电阻(R5)。第一NMOS管(N1)的源极、第二NMOS管(N2)的源极与第三电阻(R3)第一端相连接地；第一NMOS管(N1)的栅极、漏极与第二NMOS管(N2)的栅极相连，构成NMOS电流镜；第一PMOS管(P1)的漏极与第一NMOS管(N1)漏极相连；第二PMOS管(P2)的漏极与第二NMOS管(N2)的漏极相连；第一PMOS管(P1)的栅极、第三PMOS管(P3)的栅极、第二PMOS管(P2)的栅极、漏极相连，构成PMOS电流镜；第一PMOS管(P1)的源极、第一电阻(R1)的第一端、第四电阻(R4)的第一端相连；第二PMOS管(P2)的源极、第一NPN管(Q1)的发射极和第五电阻(R5)相连；第一NPN管(Q1)的基极、集电极、第一电阻(R1)的第二端与第二电阻(R2)的第二端相连接电源Vdd；第四电阻(R4)的第二端、第五电阻(R5)的第二端、电流源(Iref)的第一端和第二NPN管(Q2)的发射极相连；第二NPN管(Q2)的基极、集电极和电源Vdd相连；电流源Iref的第二端与地相连；第二电阻(R2)的阻值大小与第一电阻(R1)大小相等；第二电阻(R2)的第一端与第三PMOS管(P3)的源极相连；第三PMOS管(P3)的漏极与第三电阻(R3)第二端相连构成输出端。设计中，第二电阻R2的阻值大小与第一电阻R1大小相等，第四电阻R4的阻值大小与第五电阻R5大小相等。
[0016] 二极管基极电压VBE公式如下：(1)
常规电路在高温下，曲线出现线性度不好，由于(η-α)*(kT/q)*ln(T/T0)的存在；
当二极管流过基准电流时，α=1的公式为：
(2)
即Q1的基极和Q2基极的电压差值为非线性项：
(3)
所以图5中R4和R5上的电流为：
(4)
进而可以得到经过P1和P2两条支路的电流为：
(5)
调整R4的阻抗即可完全消除电流中高阶温度系数：
(6)
通过调节R3，R1的大小比值可调节输出电压与温度系数：
(7)
(8)
式中，
由式(6)可知，增加了一个电流支路，消除了高阶温度系数，提高了输出电压的线性度，由式（7）、（8）可知，可调节电流镜两条支路上电阻的比值来提高温度系数,并通过版图中电阻做匹配可消除由于电阻工艺参数变化引起的输出量漂移。
[0017] 图8表示了温度检测模块输出电压随温度变化的曲线。从仿真结果可以看出输出电压VCTAT与温度成反比。曲线Vcon为常规电路[7-9]温度检测模块的输出电压，其温度系数为3.5mV/°C。曲线VCTAT1、VCTAT3、VCTAT5分别是N=R2/R1为1 ,3 ,5时的温度检测模块输出电压在-20 180°C范围内的变化情况。由式(8)可知，在一定范围内可通过调整电阻的相对比值~来提高温度系数，当N=5时，负温度系数为11.2 mV/°C，是常规电路的3倍。曲线Vdes为VBE=
700 mV,∂VBE/∂T=-2mV/°C理论计算曲线。
[0018] 同时输出为第三电阻R2与PMOS管P3构成cascode(垂直级联)结构，输出电阻大大增加：(9)
式中，Rds4是M4的输出阻抗，Gm4是M4的跨导。
[0019] 由式（4）可知，相比于传统的单个MOS管做恒流源，采用cascode(垂直级联)结构后输出级的输出电阻增大了约Gm4´R1倍。这使得输出电流源具有更强的抑制电源电压的波动的能力。
[0020] 图9所示为温度检测模块输出电压VCTAT随电源电压变化的曲线。曲线
自下而上分别是N=R2/R1为1、3、5时的输出电压随0 8V电源电压的变化情况。从仿真结果可以看出，电源~电压在4 8V范围内，输出电压基本不变，原因是电路输出采用MOS管与电阻的垂直级联结~
构，具有较高的电源抑制比；由于CSMC0.5μmCMOS工艺下的MOS管的
阈值较高（Vthn≈1.9V , |Vthp|≈2V），电源电压小于2V时，电路截止。
[0021] 图6为本发明的温度检测模块的另一种结构。如图6所示电路与图5所示电路区别在于，结构上下颠倒，输出的电压与温度成正比。图6电路优势在于PNP管集电极接地，这对于常见P衬底工艺，很容易做出接地的PNP管，降低了对工艺的要求。
[0022] 图6中，温度检测模块包括电流源(Iref)，第一PNP管(Q1)、第二PNP管(Q2)、第一NMOS管(N1)、第二NMOS管(N2)、第三NMOS管(N3)、第一PMOS管(P1)、第二PMOS管(P2)、第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、第三电阻(R3) 、第四电阻(R4)、第五电阻(R5)。第一PMOS管(P1)的源极、第二PMOS管(P2)的源极、第三电阻(R3)第一端和电流源Iref第一端相连接电源Vdd；第一PMOS管(P1)的栅极、漏极与第二PMOS管(P2)的栅极相连，构成PMOS电流镜；第一PMOS管(P1)的漏极与第一NMOS管(N1)漏极相连；第二PMOS管(P2)的漏极与第二NMOS管(N2)的漏极相连；第一NMOS管(N1)的栅极、第三NMOS管(N3)的栅极、第二NMOS管(N2)的栅极、漏极相连，构成NMOS电流镜；第一NMOS管(N1)的源极、第一电阻(R1)的第一端和第四电阻(R4)第一端相连；第二NMOS管(P2)的源极、第一PNP管(Q1)的发射极和第五电阻(R5)第一端相连；第一PNP管(Q1)的基极、集电极、第二PNP管(Q2)的基极、集电极、第一电阻(R1)的第二端和第二电阻(R2)的第二端相连接地；第四电阻(R4)第二端、第五电阻(R5) 第二端、电流源(Iref)第二端和第二PNP管(Q2)的发射极相连；第二电阻(R2)的阻值大小与第一电阻(R1)大小相等；第二电阻(R2)的第一端与第三NMOS管(N3)的源极相连；第三NMOS管(N3)的漏极与第三电阻(R3)第二端相连构成输出端
图6中，PNP管构成二极管，同时输出垂直级联结构是第三电阻R2与NMOS管N3构成。
[0023] 图7为本发明的温度检测模块的又一种结构。如图7所示电路与图5所示电路区别在于，结构上下颠倒，且输出级采用单个PMOS作为电流源。
[0024] 图7中，温度检测模块包括电流源(Iref)，第一PNP管(Q1)、第二PNP管(Q2)、第一PMOS管(P1)、第二PMOS管(P2)、第三PMOS管(P3)、第一NMOS管(N1)、第二NMOS管(N2)、第一电阻(R1)、第二电阻(R2)。第一PMOS管(P1)的源极、第二PMOS管(P2)的源极、第三PMOS管(P3)源端和电流源Iref第一端相连接电源Vdd；第一PMOS管(P1)的栅极、第三PMOS管(P3)的栅极与第二PMOS管(P2)的栅极、漏极相连，构成PMOS电流镜；第一PMOS管(P1)的漏极与第一NMOS管(N1)漏极相连；第二PMOS管(P2)的漏极与第二NMOS管(N2)的漏极相连；第二NMOS管(N2)的栅极、第一NMOS管(N1)的栅极、漏极相连，构成NMOS电流镜；第二NMOS管(N2)的源极、第一PNP管(Q1) 的发射极和和第五电阻(R5)第一端相连；第一NMOS管(N1)的源极、第一电阻(R1)的第一端和第四电阻(R4)第一端相连；第一PNP管(Q1)的基极、集电极、第二PNP管(Q2)的基极、集电极、第一电阻(R1)的第二端与第二电阻(R2)的第二端相连接地；第四电阻(R4)第二端、第五电阻(R5) 第二端、电流源(Iref)第二端和第二PNP管(Q2)的发射极相连；第三PMOS管(P3)的漏极与第二电阻(R2)第一端相连构成输出端。
[0025] 图7中，第三PMOS管P3作为输出电流源，如图7所示温度检测模块输出易受电源电压的影响。
[0026] 本发明的温度检测模块不限于图5至图7所给出的结构。本发明的其他
实施例中，图5至图9中的BJT（Q）都是可以二极管或二极管的其他形式。
[0027] 在本发明的其他实施例中，图5至图7中的电阻都可以用
开关电容代替。
[0028] 本发明的温度检测模块能把芯片内部的变化的温度转化为变化的电压来进行监测温度变化，且输出电压以及温度系数只与电阻的比值有关，能消除工艺参数漂移的影响，降低对工艺的要求；进一步通过控制电阻的比值来提高温度系数，来提高温度灵敏度。同时输出级采用cascode(垂直级联)结构，能有效的抑制电源电压的变化对输出的影响。在这基础上增加了一个电流支路，实现了高阶曲率补偿，消除了高阶温度系数，使输出曲线的线性度大大增加。所以，本发明有效的克服了现有技术中的种种缺点，具有高度产业利用价值。
[0029] 上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的
权利要求所涵盖。
