一种用热电系统集成的功率放大器过热保护电路

技术领域

本发明属于微电子领域，特别是一种用热电系统集成的功率放大器(PA)过热保护电路。

背景技术

在国防、通信等相关领域中，宽带射频功率放大器(PA)是发射系统的重要组成部分，实 际应用往往需要用到由多个功率管合成输出组成的数瓦等级的功放。但硅基芯片散热较差，如 此大的功率等级在硅基芯片中导致功率集成电路发热量较大，同时芯片功率密度分布不均还会 产生所谓的局部热点导致芯片失效。据统计，超55％的芯片失效是由于温度过高引起的，且 随着温度的升高，元器件的失效率呈指数增加，在不同程度上降低了芯片的可靠性。因此，必 须对芯片进行局部过热保护，以免烧坏整个芯片。目前，主要通过设计过热保护电路即当芯片 温度达到某值，将自动触发该电路，断开大功率输出电路以避免持续高温下工作引起的芯片失 效，并结合一定的封装散热技术，以改善高功率芯片的散热。

传统的局部过热保护电路可以用热电偶、热电阻来做，额外的散热通常需要风扇、散热器 /片等，以上方法很难集成到芯片上。因此，本发明提出一种利用可集成的热电系统的塞贝克 效应，设计一种局部过热保护检测电路且其反作用帕尔贴效应能有效制冷。将冷端朝向芯片面， 从而起到冷却芯片的作用。因此，热电集成系统在本发明中具有双重作用，即利用温差发电效 应设计的过热保护电路实现宽带射频功率放大器在安全温度范围内正常工作，并结合电制冷特 点起到散热作用，使芯片更安全工作，此外热电器件还具有无需机械部件、轻便、无噪音、能 实现温度精确控制、柔性可集成等优点。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种利用热电集成系统的功率放大 器(PA)局部过热保护电路。具有塞贝克效应的热电系统由其柔性可集成特点有利于实现芯片 内高温保护，而独特帕尔贴效应又提供了额外的散热途径，增强芯片散热效果。解决了现有技 术高温保护电路难集成或因芯片逐渐小型化而导致散热难等问题。

本发明的技术解决方案是：一种利用热电集成系统的功率放大器局部过热保护电路，包括 温度检测电路、高温触发电路、自恢复电路、RS触发电路和PA偏置控制电路，温度检测电路 检测芯片的温度，将检测信号传输给高温触发电路和自恢复电路，高温触发电路和自恢复电路 根据接收的信号控制RS触发器，RS触发器输出端拉高或拉低电平至PA偏置控制电路，PA偏 置控制电路输出控制信号给PA偏置电路，实现PA偏置电路的控制；

所述温度检测电路包括热电器件，该热电器件的热端设置在芯片高温区域，冷端设置在远 离高温区域；热电器件利用塞贝克效应将温度转化为电压参数，温度检测电路根据该电压参数 处理后传输给高温触发电路或自恢复电路；

所述高温触发电路将温度检测电路输出的电压与设定的局部过热电压阀值相比较，若温度 检测电路输出电压高于设定的阈值，高温触发电路触发并输出高电平给RS触发器置位端；否 则，输出低电平到RS触发器置位端；所述自恢复电路将温度检测电路输出的电压与设定的局 部过热电压阀值相比较，若温度检测电路输出电压不高于设定的阈值，自恢复电路输出电压给 RS触发器复位端；

RS触发器输出端与PA偏置控制电路相连，根据前级高温触发电路和自恢复电路的信号， 分别置位或复位RS触发器，输出端拉高或拉低电平至PA偏置控制电路；当PA偏置控制电路 接收到高电平，将PA偏置电路拉低接地，PA偏置电路关断，PA暂停工作；当PA偏置控制电 路接收到低电平，PA偏置控制电路关断，PA偏置电路正常工作，PA恢复工作。

进一步地，所述温度检测电路包括：热电器件、射频电阻R0和电压跟随器，热电器件一 端接地另一端通过射频电阻连接Vdd信号，热点器件与射频电阻的连节点与电压跟随器的输入 端连接，电压跟随器的输出端分为两路相同的信号，一路输入给高温出发电路，另一路输入给 自恢复电路。利用柔性可集成热电集成器件作为温度传感器件，实现温度精确控制，并将温度 变量转换为电压变量，通过电压跟随器输出。

进一步的，所述电压跟随器包括：第一电阻、第二电阻、运算放大器，第一电阻一端作为 电压跟随器的输入端，另一端连接运算放大器的正端，运算放大器的负端通过第而电阻与运算 放大器的输出端连接，运算放大器的输出端为电压跟随器的输出端。

进一步地，所述自恢复电路包括：第一运算放大器、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第 一电容，所述输入信号通过第四电阻连接运算放大器的负端；第三电阻一端连接运算放大器的 正端，另一端连接Vref信号；运算放大器的输出端连接第五电阻一端，第五电阻的另一端通 过第一电容接地，第五电阻与第一电容的连节点作为自恢复电路的输出端。

进一步地，所述高温触发电路包括：第二运算放大器、第六电阻、第七电阻、第八电阻、 第二电容，所述输入信号通过第六电阻连接运算放大器的正端；第七电阻一端连接运算放大器 的负端，另一端连接Vref信号；运算放大器的输出端连接第八电阻一端，第八电阻的另一端 通过第二电容接地，第八电阻与第二电容的连节点作为自恢复电路的输出端。同一温差下，前 级温度检测电路的输出电压与热电系统自身转换效率等相关。本发明考虑具体应用场景下芯片 失效的温度范围，选择合适区间热电转换效率良好的热电材料，增加芯片可靠性。

进一步地，所述PA偏置控制电路包括：NMOS管、第九电阻、第十电阻、第十一电阻，PA 偏置控制电路输入端通过第九电阻与NMOS管的栅极连接，NMOS管的栅极通过第十电阻与源极 连接后再接地；NMOS管的漏极通过第十一电阻连接Vdd信号，并且NMOS管的漏极为PA偏置 控制电路的输出端。

进一步的，所述热电器件数量为1个或多个，当为多个时，则组成的热点器件阵列。

当PA长时间以大功率工作致温度过高，集成在PA一侧的热电器件在温差(即靠近PA一 侧为热端，周边环境为冷端)下产生明显电压差，导致功率管温度检测电路输出电压升高，当 大于设定的局部过热电压阀值，局部高温触发电路输出高电平，置位RS触发器，触发器输出 高电平，PA偏置控制电路的输出信号拉低，PA偏置电路接地，从而使功率管关断，PA暂停工 作，PA区域温度逐渐降低。当PA区域功率管温度降低到正常温度，此时热电器件产生的电压 低于设定的复位电压阀值，自恢复电路输出高电平，复位RS触发电路，PA偏置控制电路拉高， PA偏置电路正常供电，PA恢复正常工作状态。此外，具有帕尔贴效应的热电器件在压差下能 够实现制冷，把制冷面靠近PA将提高PA散热速率，同时提高芯片工作效率，利用该方法有效 替代传统制冷手段，有利于实现芯片小型化设计。本发明在功率管过压过流保护之外还利用热 电系统独特的塞贝克效应与帕尔贴效应分别起到了过热保护和散热作用，降低了功率管因持续 工作在高温状态而热击穿的风险，提高了PA的可靠性和安全性，并且热电器件可以集成到芯 片内部或做成柔性薄膜贴附在PA表面，能够实现完整封装，实现芯片级高温保护。

附图说明

图1为一种利用热电集成系统的功率放大器(PA)局部过热保护电路原理框图。

图2为最简单热电器件的热电发电和制冷模式的基本工作原理。

图3为一种利用热电集成系统的功率放大器(PA)局部过热保护电路原图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明进行进一步解释和说明。

图1为一种利用热电集成系统的功率放大器(PA)局部过热保护电路原理框图，图2为最 简单热电器件的热电发电和制冷模式的基本工作原理。图3为一种利用热电集成系统的功率放 大器(PA)局部过热保护电路原图。

如图1和图3所示，一种利用热电集成系统的功率放大器(PA)局部过热保护电路。主要 包括以热电器件为基本单元所集成的功率管温度检测电路、局部高温触发电路、自恢复电路、RS触发电路和PA偏置控制电路。

将功率管温度检测电路中的热电器件热端设置在芯片高温区域(PA一侧)，冷端设置在其 他区域(远离PA一侧)，具体根据芯片实际布局将热电器件以阵列形式分布在PA附近，实现 良好的高温检测。热电器件利用塞贝克效应将温度转化为电压参数，并输出到后级的高温触发 电路或自恢复电路。热电器件功率管温度检测电路主要由热电集成器件、射频电阻和电压跟随 器构成。利用柔性可集成热电集成器件作为温度传感器件，实现温度精确控制，并将温度变量 转换为电压变量，通过电压跟随器输出。可集成的热电系统用到的n型、p型半导体材料类别、 尺寸、数量等需要根据局部过热电压阀值或复位电压阀值调整。

高温触发电路将热电器件功率管温度检测电路输出的电压与设定的局部过热电压阀值相 比较，若检测电路输出电压高于设定的阈值，高温触发电路触发并输出高电平，通过RC滤波 (RC低通滤波电路，根据需要适当设计电阻和电容的值来设置低通带宽，以过滤掉高频扰动 信号，防止后级触发器误动作)后置位RS触发器；否则，输出低电平到RS置位端。当热电器 件功率管温度检测电路输出的电压比设定的复位电压阀值低，自恢复电路触发并输出高电平， 通过RC低通滤波(RC低通滤波电路，根据需要适当设计电阻和电容的值来设置低通带宽，以 过滤掉高频扰动信号，防止后级触发器误动作)后复位RS触发器。局部高温触发电路和自恢 复电路均由电压比较器实现，由运算放大器和电阻电容构成。将前级温度检测电路的输出电压 与设定的局部过热电压阀值或复位电压阀值比较，输出不同信号到RS触发器的置位或复位端。 同一温差下，前级温度检测电路的输出电压与热电系统自身转换效率等相关。本发明考虑具体 应用场景下芯片失效的温度范围，选择合适区间热电转换效率良好的热电材料，增加芯片可靠 性。局部过热电压阀值或复位电压阀值可以根据PA的实际应用场景调整。

所述功率管温度检测电路由高灵敏度热电集成器件和电阻构成，将功率管温度检测电路中 的热电器件热端设置在芯片高温区域(PA一侧)，冷端设置在其他区域(原理PA一侧)，具体 根据芯片实际布局将热电器件以阵列形式分布在PA附近，从而实现良好的芯片温度检测。当 PA长时间工作在大功率状态，往往会通过较大的电流，使PA在这个区域温度过高，若不及时 关断PA进行散热可能导致芯片因过热而失效。本发明提到的可集成热电器件具有塞贝克效应， 即利用温差产生压差，比如图2(A)，由于高温端的热激发作用较强,此端的空穴和电子浓度 比低温端高,在这种载流子浓度梯度的驱动下,空穴和电子向低温端扩散,形成电压，且电压值 与温差成正相关，接着通过电压跟随器将A点电压输出到后级电路。

连接在电压跟随器后的高温触发电路用电压比较器实现，由运算放大器和电阻电容构成。 局部高温触发电路将热电器件功率管温度检测电路输出的B点电压与反向输入设定的局部过 热电压阀值Vref1相比较，若检测电路输出电压高于设定的阈值Vref1，高温触发电路触发工 作并输出高电平，通过RC滤波(RC低通滤波电路，根据需要适当设计电阻和电容的值来设置 低通带宽，以过滤掉高频扰动信号，防止后级触发器误动作)后(C点)置位RS触发器。

自恢复电路用电压比较器实现，由运算放大器和电阻电容构成。当功率管温度检测电路输 出的B点电压比同相输入复位电压阀值Vref2低，自恢复电路触发工作并输出高电平，通过 RC低通滤波(RC低通滤波电路，根据需要适当设计电阻和电容的值来设置低通带宽，以过滤 掉高频扰动信号，防止后级触发器误动作)后(D点)复位RS触发器。

RS触发器输出端与PA偏置控制电路相连，根据前级高温触发电路和自恢复电路的信号， 分别置位或复位RS触发器，输出端拉高或拉低电平至PA偏置控制电路。当PA偏置控制电路 接收到高电平，将PA偏置电路拉低接地，PA偏置电路关断，PA暂停工作；当PA偏置控制电 路接收到低电平，PA偏置控制电路关断，PA偏置电路正常工作，PA恢复工作。PA偏置控制电 路由与PA相同工艺的MOS管或BJT管和电阻构成，避免工艺引入的失配，根据接收RS触发器 的不同输出信号，实现对PA偏置电路的通断控制。

触发器由带复位功能的一般RS触发器构成，输出端与PA偏置控制电路相连，根据前级高 温触发电路和自恢复电路(C点和D点)的信号，触发器分别置位(S)或复位(R)，输出端Q 拉高或拉低电平(E点)至PA偏置控制电路。

PA偏置控制电路由与PA相同工艺的MOS管或BJT管和电阻构成，有效避免工艺失配，当 PA偏置控制电路接收到高电平(E点)，将PA偏置电路(F点)拉低接地，PA偏置电路关断，PA 暂停工作；当PA偏置控制电路接收到低电平，PA偏置控制电路关断，PA偏置电路正常工作， PA恢复工作。

本发明提到的热电集成系统除了利用塞贝克效应实现温度到电信号的转变而有效对功率 放大器(PA)进行过热保护的同时，也会发生帕尔贴效应从功率放大器(PA)中吸收热量实现 制冷提高了芯片工作性能，并增强芯片工作的安全性。本发明与现有技术相比的优点在于：利 用热电集成器件将PA区域与周边环境的温度变化量转化为电压变量，利用其柔性可集成特点 实现芯片内高温保护，并提供额外的散热途径，增强芯片散热效果；利用其温度精确控制的特 点，实现高灵敏度高温保护；电路实现简单，温度检测灵敏度高；通过对局部过热电压阀值或 复位电压阀值的设定，可丰富电路应用场景。