半导体合封器件及其过温保护电路和方法

技术领域

本发明涉及电子电路技术领域，尤其是涉及一种半导体合封器件及其过温保护电路和方法。

背景技术

在开关电源领域，由于分离开关器件（例如MOSFET）具有更低的成本，并且控制简单，所以在同步应用的直流转直流（DC-DC）的电源管理方案中，会采用将分离开关器件的裸芯和主控制芯片集成封装在一个管壳内的方案。这样的方案可以提供优异的电学性能和更低的成本，因此受到市场的广泛认可。该方案和单片集成式的DC-DC电源管理芯片在电学性能上无差异，但是在热管理方面，会有先天的不足。

如图1所示，主控制芯片和分离开关器件（如MOS管）分布在封装管壳内，分离开关器件需将其栅极（gate）、源极（source）、漏极（drain）、与主控制芯片在封装管壳内完成电学连接。一般地，主控制芯片中均设计有过温保护电路，可以检测主控制芯片的温度，并完成过热保护，但是分离开关器件中并无过温保护功能。同时，在合封产品中，由于分离开关器件和主控制芯片之间间隔了一定距离，且两者之间导热性能不足，则在某些工况下，可能存在分离开关器件发热严重，但主控制芯片温度还很低的情况，这样系统就无法进行过温保护，存在烧毁分离开关器件的情况。因此，评估分离开关器件发热情况及温度的电路和方法在合封器件中就显得很重要。

发明内容

针对现有技术中的一个或多个问题，本发明的目的在于提供一种半导体合封器件及其过温保护电路和方法，可对合封器件中主控制芯片和分离开关器件同时进行过温保护，提高器件可靠性。

本发明一方面提供了一种用于合封器件的过温保护电路，该合封器件包括主控制芯片和分离开关器件，主控制芯片内部包括功率开关和过温保护电路，功率开关的一端和分离开关器件的一端耦接在一起形成开关节点，其特征在于，过温保护电路包括：功率转换模块，接收开关节点上的节点电压信号，并根据节点电压信号产生代表分离开关器件发热功率的功率等效信号；误差放大电路，具有第一输入端、第二输入端和输出端，误差放大电路的第一输入端接收功率等效信号，误差放大电路的第二输入端接收功率参考信号，误差放大电路将功率等效信号和功率参考信号比较，并在误差放大电路的输出端产生代表功率等效信号和功率参考信号之间差值的误差信号；以及过温指示模块，接收所述误差信号，并根据误差信号产生过温阈值，所述过温指示模块还用于采样主控制芯片的温度，当主控制芯片的温度上升到所述过温阈值时，过温指示电路输出过温指示信号用于指示所述合封器件过温。

本发明另一方面提供一种半导体合封器件，包括：主控制芯片，该主控制芯片包括功率开关和如上提及的过温保护电路；以及分离开关器件，该分离开关器件的一端和功率开关的一端耦接。

本发明又一方面提供一种用于半导体合封器件的过温保护方法，该合封器件包括主控制芯片和分离开关器件，主控制芯片内部包括功率开关和过温保护电路，功率开关的一端和分离开关器件的一端耦接在一起形成开关节点，该过温保护方法包括：根据开关节点上的节点电压信号产生代表分离开关器件发热功率的功率等效信号；比较功率等效信号和功率参考信号，并产生代表功率等效信号和功率参考信号差值的误差信号； 根据电流误差信号调整过温阈值；采样主控制芯片的温度，并将主控制芯片的温度与过温阈值比较；以及当主控制芯片的温度高于过温阈值时，关断主控制芯片中的功率开关和分离开关器件。

本发明公开的技术方案中，通过采样节点电压计算分离开关器件的等效功率，过温保护电路中的阈值将随分离开关器件的等效功率变化而变化，即使分离开关器件和主控制芯片之间间隔的距离很远，且两者之间导热性能不足，过温保护电路依然可以对主控制芯片和分离开关器件均进行过温保护，不会出现分离开关器件因发热而烧毁的情况。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式，下面将对具体实施方式所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有的一种半导体合封器件的示意图；

图2为根据本发明一实施例的主控制芯片和分离开关器件的一个具体电路原理图；

图3所示为根据本发明一实施例提供的图2中功率转换模块11的电路原理图；

图4为根据本发明一实施例提供的图3中电流转换模块111的电路原理图；

图5为根据本发明一实施例提供的图3中乘法电路112的电路原理图；

图6为根据本发明一实施例提供的图2中过温指示模块13的电路原理图；

图7为根据本发明另一实施例提供的图2中过温指示模块13的电路原理图；

图8示意了图7实施例中节点电压Va和Vb随温度变化的波形示意图；

图9所示为根据本发明公开实施例提供的一种用于半导体合封器件的过温保护方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明用于提供一种新的过温保护电路和方法，并公开一种采用该过温保护电路的半导体合封器件。本发明公开的技术方案中，过温保护电路中的阈值将随分离开关器件的功率变化，即使分离开关器件和主控制芯片之间间隔的距离很远，且两者之间导热性能不足，过温保护电路依然可以对主控制芯片和分离开关器件均进行过温保护，不会出现分离开关器件因发热而烧毁的情况。

图2为根据本发明一实施例的主控制芯片和分离开关器件的一个具体电路原理图。在图2所示实施例中，主控制芯片中的过温保护电路10用于对主控制芯片和分离开关器件进行过热保护，一旦主控制芯片或分离开关器件温度过高，过温保护电路10将输出过温指示信号指示器件过温。在一个实施例中，一旦过温指示信号指示器件过温，主控制芯片内部的控制电路将控制整个合封器件不使能。在一个实施例中，通过关断主控制芯片内部的功率开关和分离开关器件使合封器件不使能。

为了便于说明，在本发明图2所示的实施例中，将以BUCK拓扑结构的开关变换器为例进行说明，但本领域的一般技术人员可以理解，接下来本发明公开的内容还可以用在其他合适的开关电路拓扑中，这些均在本发明的保护范围之内。

如图2所示，BUCK拓扑结构中的上管HS和控制电路集成在一起作为主控制芯片，其中，上管HS作为主控制芯片中的功率开关；下管LS作为分离开关器件，与主控制芯片合封在一个管壳内。同样地，在图2所示实施例中，上管HS和下管LS被示意为金属半导体场效应管（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，MOSFET），包括栅极Gate、源极Source和漏极Drain。本领域一般技术人员可以理解，这里的MOSFET只是示意性的，在其他实施例中，分离开关器件还可以包括其他合适的半导体开关器件类型，如JFET、IGBT以及DMOS等等。

在图2所示实施例中，主控制芯片中的过温保护电路10包括功率转换模块11、误差放大电路12和过温指示模块13。

在一个实施例中，功率转换模块11用于接收开关节点SW上的电压信号Vsw，并根据节点电压信号Vsw产生代表下管 LS发热功率的功率等效信号Pavg。在一个实施例中，开关节点SW包括主控制芯片中功率开关的一端和分离开关器件的一端相连接的公共节点。例如，在图1所示实施例中，开关节点SW被示意为上管HS和下管LS的公共连接端。开关节点SW上的节点电压信号Vsw不仅包括下管LS导通期间的电压信息，还包括下管导通时间的信息，因此，相比采样电流信息，采用电压信号Vsw产生功率等效信号可更准确地表征下管LS的发热功率。

在一个实施例中，误差放大电路12具有第一输入端、第二输入端和输出端，误差放大电路12的第一输入端接收功率等效信号Pavg，误差放大电路的第二输入端接收功率参考信号Pref，误差放大电路12将功率等效信号Pavg和功率参考信号Pref比较，并在误差放大电路12的输出端产生代表功率等效信号Pavg和功率参考信号Pref差值的误差信号Iadj。在一个实施例中，功率参考信号Pref代表系统设置的分离开关器件的一个安全发热功率值。在一个实施例中，误差放大电路12包括跨导放大器，误差信号Iadj包括电流信号。在一个实施例中，误差信号Iadj用于表征当功率等效信号Pavg大于功率参考信号Pref时两者之间的差值。例如，在一个实施例中，当功率等效信号Pavg小于等于功率参考信号Pref时，误差信号Iadj等于零；当功率等效信号Pavg大于功率参考信号Pref时，误差信号Iadj等于功率等效信号Pavg和功率参考信号Pref之间差值的放大值。在一个实施例中，当功率等效信号Pavg的值相对功率参考信号Pref的值越大，误差信号Iadj越大。

在其他一些实施例中，功率参考信号Pref也可以代表系统设置的允许分离开关器件承受的最大发热功率值。在此种应用中，误差信号Iadj用于表征当功率等效信号Pavg小于功率参考信号Pref时两者之间的差值。例如，在一个实施例中，当功率等效信号Pavg大于等于功率参考信号Pref时，误差信号Iadj等于零；当功率等效信号Pavg小于功率参考信号Pref时，误差信号Iadj等于功率等效信号Pavg和功率参考信号Pref之间差值的放大值，在此类实施例中，当功率等效信号Pavg的值相对功率参考信号Pref的值越小，误差信号Iadj越大。在一个实施例中，过温指示模块13用于采样主控制芯片的温度和接收误差信号Iadj，并根据误差信号Iadj产生一个过温阈值，当主控制芯片的温度上升到过温阈值时，过温指示电路13在其输出端输出过温指示信号Votp指示过温。在一个实施例中，过温指示信号Votp包括逻辑高低电平信号，具有逻辑高电平和逻辑低电平。在一个实施例中，过温指示信号Votp为逻辑高电平时表征合封器件过温。需要理解，这里的“合封器件过温”不仅指主控制芯片的温度过温，也可以包括分离开关器件过温。在一个实施例中，过温指示信号Votp用于在器件过温时同时关断主控制芯片中的功率开关（上管HS）和分离开关器件（下管LS）。在一个实施例中，过温指示信号Votp将被送至逻辑控制电路20，并由逻辑控制电路20产生上管控制信号CTL-H和下管控制信号CTL-L分别控制上管HS和下管LS关断。

在一个实施例中，主控制芯片的温度包括上管HS（功率开关）工作时的发热温度。

功率等效信号Pavg越大，代表下管LS发热越严重，因此，过温指示电路13将调低过温阈值。即：流过功率开关的电流的峰值越大，过温阈值越低。

本领域的技术人员可以理解，主控制芯片还包括其他采样电路、反馈电路和控制环路等，为了不模糊本发明的主题，这里并未一一示出。同时，根据不同的应用场景和不同的控制方式，上述提及的采样电路、反馈电路和控制环路等也各有不同。本发明申请对主控制芯片中其他采样电路、反馈电路和控制环路不做限定。

图3所示为根据本发明一实施例提供的图2中功率转换模块11的电路原理图。如图3所示，功率转换模块11包括电流转换模块111、乘法电路112、电阻R1以及滤波电路113。

电流转换模块111用于在下管LS导通期间将节点电压信号Vsw转换为第一电流信号Isw。其中，第一电流信号Isw与节点电压信号Vsw的绝对值成正比关系。

乘法电路112用于接收第一电流信号Isw，并根据第一电流信号Isw产生第二电流信号Iout并在其输出端输出，其中第二电流信号Iout的值与第一电流信号Isw的值的平方成正比，即：Iout=k×Isw

第一电阻R1耦接在乘法电路112的输出端和参考地之间。参考地即电路参考零电位的参考点。

滤波电路113的输入端耦接第一电阻R1和乘法电路112输出端的公共节点接收第一电阻R1上的电压，并将第一电阻R1上的电压进行滤波平均后输出功率等效信号Pavg。因此，功率等效信号Pavg即代表下管LS导通期间的发热功率。在一个实施例中，滤波电路113被示意为由电阻R和电容C组成的滤波电路。

图4为根据本发明一实施例提供的图3中电流转换模块111的电路原理图。如图4所示，电流转换模块111包括第一调整管M1、运算放大器111-1、电流镜111-2、第二电阻R2和电阻第三R3。第一调整管M1，具有第一端、第二端和控制端。运算放大器111-1，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其第一输入端电连接参考地接收参考地电位V

当下管LS导通，电流从参考地流向节点SW，此时节点SW上的节点电压Vsw为负，因此将在电流镜111-2的第一端产生流出的电流，其值等于(V

在图4所示实施例中，调整管M1、M2和M3被示意为MOSFET，本领域一般技术人员可以理解，这里只是示意性的，在其他实施例中，调整管还可以包括其他合适的半导体开关器件类型。

图5为根据本发明一实施例提供的图3中乘法电路112的电路原理图。如图5所示，乘法电路112包括第一晶体管B1、第二晶体管B2、第三晶体管B3、第四晶体管B4、调整管M4、调整管M5和参考电流源Iref。

第一晶体管B1、第二晶体管B2、第三晶体管B3和第四晶体管B4分别具有基极、发射极和集电极。第一晶体管B1的集电极接收第一电流信号Isw，第二晶体管B2的集电极输出第二电流信号Iout，第一晶体管B1的基极与第二晶体管B2的基极耦接在一起，并耦接第一晶体管B1的集电极。第三晶体管B3的集电极接收参考电流信号Iref，第四晶体管B4的集电极接收第一电流信号Isw，第三晶体管B3的基极与第四晶体管B4的基极耦接在一起，并耦接第三晶体管B3的集电极，第三晶体管B3的发射极和第一晶体管B1的发射极耦接，第四晶体管B4的发射极和第二晶体管B2的发射极耦接。

调整管M4和调整管M5分别具有第一端、第二端和控制端，其中，调整管M4的第一端和控制端耦接在一起并与第三晶体管B3的发射极连接，调整管M5的第一端耦接第四晶体管B4的发射极，调整管M5的控制端和调整管M4的控制端耦接，调整管M4的第二端和调整管M5的第二端电连接至参考地。

在图5所示的实施例中，第一晶体管B1、第二晶体管B2、第三晶体管B3和第四晶体管B4为完全相同的晶体管，这里的相同是指管子型号和参数相同。根据四个晶体管基极-射极电压之间的关系可推导出第二电流信号Isw和第一电流信号Iout的表达式为：

Iout=Isw

同样地，在图5所示实施例中，调整管M4和M5被示意为MOSFET，本领域一般技术人员可以理解，这里只是示意性的，在其他实施例中，调整管还可以包括其他合适的半导体开关器件类型。

图6为根据本发明一实施例提供的图2中过温指示模块13的电路原理图。如图6所示，过温指示模块13包括过温阈值产生模块131、温度采样模块132和温度比较模块133。

过温阈值产生模块131用于产生一个基础过温阈值，同时用于接收误差信号Iadj，并根据误差信号Iadj调整该基础过温阈值进而产生过温阈值Tth。

在一个实施例中，当功率参考信号Pref代表器件安全发热功率值，误差信号Iadj表征当功率等效信号Pavg大于功率参考信号Pref时两者之间的差值时，该基础过温阈值是器件的最大过温阈值，误差信号Iadj用于调低该最大基础过温阈值以产生新的过温阈值Tth。误差信号Iadj越大（即功率等效信号Pavg的值越大），该最大基础过温阈值被调低的幅值越大，即产生的过温阈值Tth越低。在又一个实施例中，当功率参考信号Pref代表器件最大发热功率值，误差信号Iadj表征当功率等效信号Pavg小于功率参考信号Pref时两者之间的差值时，该基础过温阈值是器件的最小过温阈值，误差信号Iadj用于调高该最小基础过温阈值以产生新的过温阈值Tth。误差信号Iadj越小（即功率等效信号Pavg的值越大），该最小基础过温阈值被调高的幅值越小，即产生新的过温阈值Tth越低。在一个实施例中，基础过温阈值是过温指示模块13根据主控制芯片和分离开关器件工作时的温度设定的。在一个实施例中，主控制芯片的工作温度主要考量上管HS的工作温度。误差信号Iadj可反应下管LS的电流信息，也即下管发热的信息，因此，过温阈值产生模块131将根据误差信号Iadj调整基础过温阈值，从而实现对分离开关器件的过温保护。例如，当功率参考信号Pref代表器件安全发热功率值，如果误差信号Iadj反应流过下管LS的电流的峰值过大，误差信号Iadj将调低基础过温阈值以产生过温阈值Tth，即过温阈值Tth低于基础过温阈值，这种情况下，即使主控制芯片的温度依然在正常范围，过温指示模块13依然指示过温。

温度采样模块132用于产生代表主控制芯片温度的温度采样信号Temp。温度采样模块132可设计在主控制芯片的任何位置，用于采样主控制芯片的温度。在一个实施例中，温度采样模块132靠近上管HS放置。

温度比较模块133用于接收温度采样信号Temp和过温阈值Tth，并将温度采样信号Temp和过温阈值Tth比较以产生过温指示信号Votp。

图7为根据本发明另一实施例提供的图2中过温指示模块13的电路原理图。如图7所示，过温指示模块13包括第五晶体管B5、第六晶体管B6、第四电阻R4、第五电阻R5、基准电流源Ibias和比较器134。

第五晶体管B5、第六晶体管B6分别具有基极、发射极和集电极，其中，第五晶体管B5的集电极接收供电电压Vcc，第五晶体管B5的基极接收驱动电压V

比较器134具有第一输入端、第二输入端和输出端，比较器134的第一输入端耦接至第四电阻R4和第五电阻R5的公共节点a，比较器134的第二输入端耦接六双极性晶体管B6的集电极形成公共节点b；比较器134的输出端作为过温指示模块13的输出端输出过温指示信号Votp。同时，公共节点a还将耦接误差放大电路（EA）12的输出端用于接收误差信号Iadj。

在一个实施例中，第五晶体管B5和第六晶体管B6均为负温度系数的双极性晶体管，即：温度上升，第五晶体管B5、第六晶体管B6的基极-发射极电压Vbe将会变低。在一个实施例中，温度每上升一度，第五晶体管B5和第六晶体管B6的基极-发射极电压Vbe将下降2~2.5mv。

当过温指示模块13开始工作时，第五晶体管B5和第六晶体管B6均导通，随着温度升高，第五晶体管B5的基极-发射极电压Vbe和第六晶体管B6的基极-发射极电压Vbe均下降。公共节点a的电压Va可被示意为：

Va =(V

因此，随着Vbe降低，Va将上升。公共节点b的电压Vb等于双极性晶体管B6的基极-发射极电压Vbe，因此随着Vbe降低，Vb将下降。当Va和Vb相等时，过温指示信号Votp将发生逻辑状态改变，用于指示系统温度过温。可以理解，在一些实施例中，过温指示信号Votp可以选择逻辑高电平时有效，即过温指示信号Votp为逻辑高电平时指示系统过温。在其他一些实施例中，过温指示信号Votp也可选择逻辑低电平有效。

图8示意了图7实施例中节点电压Va和Vb随温度变化的波形示意图。 如图8所示，节点电压Va随温度的升高而增加，节点电压Vb随温度的升高而降低。当节点电压Va和节点电压Vb相等时，过温指示信号Votp将发生逻辑状态改变，此刻对应的温度值即本申请中的温度阈值Tth。在一个实施例中，温度阈值Tth为140°。

还需要说明，在图8所示实施例中，节点电压Va’是指过温指示模块13未引入误差信号Iadj之前或误差信号Iadj等于零时，公共节点a的电压。此时节点电压Va’与节点电压Vb相交的温度即为基础温度阈值Tth’。在一个实施例中，基础温度阈值Tth’为原主控制芯片设定的温度阈值，例如160°。当分离开关器件过温，即功率等效信号Pavg大于功率参考信号Pref时，误差信号Iadj会从零增大。分离开关器件温度越高误差信号Iadj的值越大，节点电压Va将被抬高，因此节点电压Va和节点电压Vb将在比基础温度阈值Tth’更低的温度阈值Tth处相交，即在温度上升到温度阈值Tth时，过温指示信号Votp指示过温，控制系统将对合封器件不使能，过温保护电路实现了对分离开关器件的过温保护。

可以理解，在以上实施例中，进行温度感应的第五晶体管B5和第六晶体管B6被示意为双极性晶体管，在其他实施例中，也可以不采用双极性晶体管，而是用其他合适的半导体器件代替。同时，在以上实施例中，晶体管被示意成NPN型晶体管，在其他实施例中，也可采用PNP型的晶体管实现相同的功能，这些均在本发明保护的范围之内。

图9所示为根据本发明公开实施例提供的一种用于半导体合封器件的过温保护方法的流程图，该过温保护方法可基于图1-图8所示或所关联的电路实现。如图9所示，该过温保护方法包括步骤S901-S905。

步骤S901，根据节点电压信号V

步骤S902，比较功率等效信号Pavg和功率参考信号Pref，并产生代表功率等效信号Pavg和功率参考信号Pref差值的误差信号Iadj。

步骤S903，根据误差信号Iadj产生过温阈值Tth。

步骤S904，采样主控制芯片的温度Temp，并将主控制芯片的温度Temp与过温阈值Tth比较。

步骤S905，当主控制芯片的温度Temp高于过温阈值Tth时，关断主控制芯片中的功率开关。

上述过温保护方法，可根据分离开关器件流过的峰值电流调整主控制芯片中过温保护电路的过温阈值。即使分离开关器件和主控制芯片之间间隔的距离很远，且两者之间导热性能不足，过温保护电路依然可以对主控制芯片和分离开关器件均进行过温保护，不会出现分离开关器件因发热而烧毁的情况。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。