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KR-20260061826-A - Over-temperature protection circuit insensitive to change in supply voltage

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Abstract

본 발명은 공급전원전압의 변동과 무관하게 정확한 과온도를 검출할 수 있고, 제어전압을 이용하여 검출하고자 하는 과온도를 설정할 수 있는 과온도 보호회로를 제안한다. 본 발명에 따른 과온도 보호회로는 기준전압 생성기, 제1 온도 센서, 제1 전류원, 제2 온도 센서, 제2 전류원, 및 비교기를 포함한다.

Inventors

  • 김종선
  • 김동훈

Assignees

  • 홍익대학교 산학협력단

Dates

Publication Date
20260506
Application Date
20241028

Claims (13)

  1. 공급전원전압의 전압준위가 변화함에 따라 양의 기울기를 가지고 변하는 제1 바이어스전압 및 음의 기울기를 가지고 변하는 제2 바이어스전압을 생성하는 기준전압생성기; 공급전원전압을 공급하는 전원단자로부터 제1 전류원을 경유하여 접지전압으로 흐르는 제1 전류에 대응하는 제2 열전압을 제2 노드로 출력하는 제1 온도센서; 상기 제1 바이어스전압과 상기 제2 바이어스전압에 응답하여 공급전원전압의 변화에 따라 상기 제1 전류의 크기의 변화를 상쇄하는 상기 제1 전류원; 상기 전원단자로부터 제2 전류원을 경유하여 접지전압로 흐르는 제4 전류에 대응하는 제3 열전압을 제3 노드로 출력하는 제2 온도센서; 상기 제1 바이어스전압과 상기 제2 바이어스전압에 응답하여 공급전원전압의 변화에 따른 상기 제4 전류의 크기의 변화를 상쇄하는 상기 제2 전류원; 및 상기 제2 열 전압 및 상기 제3 열 전압을 비교하여 동작제어전압을 생성하는 비교기; 를 포함하는 과온도 보호회로.
  2. 제1항에 있어서, 상기 기준전압생성기는, 일 단자가 상기 전원단자에 연결되는 제1 저항; 일 단자가 상기 제1 저항의 다른 일 단자인 제1 노드에 연결되는 제2 저항; 일 단자가 상기 제1 바이어스전압을 생성하는 상기 제2 저항의 다른 일 단자에 연결되고 다른 일 단자가 상기 제2 바이어스전압을 생성하는 제3 저항; 및 일 단자가 상기 제3 저항의 다른 일 단자에 연결되고, 다른 일 단자는 접지전압에 연결되며, 게이트 단자는 상기 제1 노드에 연결되는 제1 트랜지스터;를 포함하는 과온도 보호회로.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 온도 센서는, 일 단자 및 게이트 단자가 상기 전원단자에 연결되는 제2 트랜지스터; 및 일 단자 및 게이트 단자가 상기 제2 트랜지스터의 다른 일 단자에 공통으로 연결되며, 다른 일 단자는 상기 제2 노드에 연결되는 제3 트랜지스터;를 포함하는 과온도 보호회로.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1 전류원은, 상기 제1 바이어스전압에 응답하여 공급전원전압의 전압준위의 변화에 비례하여 변하는 제2 전류를 흐르는 제1 비례 전류원; 및 상기 제2 바이어스전압에 응답하여 공급전원전압의 전압준위의 변화에 반비례하여 제3 전류를 흐르는 제1 상보 전류원;을 포함하며, 상기 제1 전류는 상기 제2 전류 및 상기 제3 전류의 합인 포함하는 과온도 보호회로.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제1 비례 전류원은, 일 단자가 상기 전원단자에 연결되는 제4 저항; 일 단자가 상기 제4 저항의 다른 일 단자에 연결되고 다른 일 단자는 접지전압에 연결되는 제4 트랜지스터; 일 단자가 상기 제2 노드에 연결되고, 다른 일 단자는 상기 제4 트랜지스터의 게이트 단자에 연결되며, 게이트 단자는 상기 제4 저항의 다른 일 단자에 연결되는 제5 트랜지스터; 일 단자가 상기 제5 트랜지스터의 다른 일 단자에 연결되고 게이트 단자에는 공급전원전압이 인가되는 제6 트랜지스터; 및 일 단자가 상기 제6 트랜지스터의 다른 일 단자에 연결되고, 다른 일 단자는 접지전압에 연결되며, 게이트 단자에는 상기 제1 바이어스전압이 인가되는 제7 트랜지스터;를 포함하는 과온도 보호회로.
  6. 제4항에 있어서, 상기 제1 상보 전류원은, 일 단자가 상기 전원단자에 연결되는 제5 저항; 일 단자가 상기 제5 저항의 다른 일 단자에 연결되고 다른 일 단자는 접지전압에 연결되는 제8 트랜지스터; 일 단자가 상기 제2 노드에 연결되고, 다른 일 단자는 상기 제8 트랜지스터의 게이트 단자에 연결되며, 게이트 단자는 상기 제5 저항의 다른 일 단자에 연결되는 제9 트랜지스터; 일 단자가 상기 제9 트랜지스터의 다른 일 단자에 연결되고 게이트 단자에는 공급전원전압이 인가되는 제10 트랜지스터; 및 일 단자가 상기 제10 트랜지스터의 다른 일 단자에 연결되고, 다른 일 단자는 접지전압에 연결되며, 게이트 단자에는 상기 제2 바이어스전압이 인가되는 제11 트랜지스터;를 포함하는 과온도 보호회로.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제2 온도 센서는, 일 단자 및 게이트 단자가 상기 전원단자에 연결되고 다른 일 단자는 상기 제3 노드에 연결되는 제12 트랜지스터;를 포함하는 과온도 보호회로.
  8. 제1항에 있어서, 상기 제2 전류원은, 상기 제1 바이어스전압 및 상기 제어전압을 이용하여 공급전원전압의 전압준위의 변화에 비례한 제5 전류가 흐르는 제2 비례 전류원; 및 상기 제2 바이어스전압 및 상기 제어전압을 이용하여 공급전원전압의 전압준위의 변화에 반비례한 제6 전류가 흐르는 제2 상보 전류원;을 포함하는 과온도 보호회로.
  9. 제8항에 있어서, 상기 제2 비례 전류원은, 일 단자가 상기 전원단자에 연결되는 제6 저항; 일 단자가 상기 제6 저항의 다른 일 단자에 연결되고 다른 일 단자는 접지전압에 연결되는 제13 트랜지스터; 일 단자가 상기 제3 노드에 연결되고, 다른 일 단자는 상기 제13 트랜지스터의 게이트 단자에 연결되며, 게이트 단자는 상기 제6 저항의 다른 일 단자에 연결되는 제14 트랜지스터; 일 단자가 상기 제14 트랜지스터의 다른 일 단자에 연결되고 게이트 단자에는 상기 제어전압 중 하나인 제0 제어전압이 인가되는 제15 트랜지스터; 일 단자가 상기 제15 트랜지스터의 다른 일 단자에 연결되고, 다른 일 단자는 접지전압에 연결되며, 게이트 단자에는 상기 제1 바이어스전압이 인가되는 제16 트랜지스터; 일 단자가 상기 제14 트랜지스터의 다른 일 단자에 연결되고 게이트 단자에는 상기 제어전압 중 다른 하나인 제1 제어전압이 인가되는 제17 트랜지스터; 일 단자가 상기 제17 트랜지스터의 다른 일 단자에 연결되고, 다른 일 단자는 접지전압에 연결되며, 게이트 단자에는 상기 제1 바이어스전압이 인가되는 제18 트랜지스터; 일 단자가 상기 제14 트랜지스터의 다른 일 단자에 연결되고 게이트 단자에는 상기 제어전압 중 또 다른 하나인 제2 제어전압이 인가되는 제19 트랜지스터; 및 일 단자가 상기 제19 트랜지스터의 다른 일 단자에 연결되고, 다른 일 단자는 접지전압에 연결되며, 게이트 단자에는 상기 제1 바이어스전압이 인가되는 제20 트랜지스터;를 포함하는 과온도 보호회로.
  10. 제8항에 있어서, 상기 제2 상보 전류원은, 일 단자가 상기 전원단자에 연결되는 제7 저항; 일 단자가 상기 제7 저항의 다른 일 단자에 연결되고 다른 일 단자는 접지전압에 연결되는 제21 트랜지스터; 일 단자가 상기 제3 노드에 연결되고, 다른 일 단자는 상기 제21 트랜지스터의 게이트 단자에 연결되며, 게이트 단자는 상기 제7 저항의 다른 일 단자에 연결되는 제22 트랜지스터; 일 단자가 상기 제22 트랜지스터의 다른 일 단자에 연결되고 게이트 단자에는 상기 제어전압 중 하나인 제0 제어전압이 인가되는 제23 트랜지스터; 일 단자가 상기 제23 트랜지스터의 다른 일 단자에 연결되고, 다른 일 단자는 접지전압에 연결되며, 게이트 단자에는 상기 제2 바이어스전압이 인가되는 제24 트랜지스터; 일 단자가 상기 제22 트랜지스터의 다른 일 단자에 연결되고 게이트 단자에는 상기 제어전압 중 다른 하나인 제1 제어전압이 인가되는 제25 트랜지스터; 일 단자가 상기 제25 트랜지스터의 다른 일 단자에 연결되고, 다른 일 단자는 접지전압에 연결되며, 게이트 단자에는 상기 제2 바이어스전압이 인가되는 제26 트랜지스터; 일 단자가 상기 제22 트랜지스터의 다른 일 단자에 연결되고 게이트 단자에는 상기 제어전압 중 또 다른 하나인 제2 제어전압이 인가되는 제27 트랜지스터; 및 일 단자가 상기 제27 트랜지스터의 다른 일 단자에 연결되고, 다른 일 단자는 접지전압에 연결되며, 게이트 단자에는 상기 제2 바이어스전압이 인가되는 제28 트랜지스터;를 포함하는 과온도 보호회로.
  11. 제1항에 있어서, 상기 비교기는, 두 개의 입력신호에 대해 히스테리시스 기능을 더 수행하는 과온도 보호회로.
  12. 제9항에 있어서, 상기 제16 트랜지스터, 상기 제18 트랜지스터 및 상기 제20 트랜지스터 중 적어도 하나의 트랜지스터의 게이트의 폭과 길이를 조정하면서 검출하고자 하는 과온도를 설정하는 과온도 보호회로.
  13. 제10항에 있어서, 상기 제24 트랜지스터, 상기 제26 트랜지스터 및 상기 제28 트랜지스터 중 적어도 하나의 트랜지스터의 게이트의 폭과 길이를 조정하면서 검출하고자 하는 과온도를 설정하는 과온도 보호회로

Description

공급전원전압의 변화에 둔감한 과온도 보호회로 {Over-temperature protection circuit insensitive to change in supply voltage} 본 발명은 과온도 보호회로에 관한 것으로, 특히, 공급전원전압의 변동과 무관하게 정확한 과온도를 검출할 수 있고, 제어전압을 이용하여 검출하고자 하는 과온도를 설정할 수 있는 과온도 보호회로에 관한 것이다. 현대의 집적회로 시스템은 더 좁은 공간에 더 많은 수의 트랜지스터를 집적하게 되었고, 생성형 인공지능(AI)의 등장 등으로 데이터 센터의 규모가 빠르게 증가하면서, 전력 변환 장치는 점점 더 고전력을 요구하게 되고 발열 문제는 더욱 심해졌다. 집적회로의 온도가 크게 상승할 경우, 집적회로에 포함되는 저항과 트랜지스터의 동작 속도가 감소하고 특성 값이 변화하게 된다. 온도 상승은 집적회로의 타이밍 마진을 만족시키지 못하거나 아날로그 회로의 출력 결과에 영향을 주면서 집적회로의 동작 신뢰성을 현저히 감소시키는 원인이 된다. 또한 고전압, 고전류, 고전력을 사용하는 전력 변환장치의 특성상 높은 발열량은 집적회로의 오 동작에 더 치명적으로 작용할 수 있다. 과온도에 의한 집적회로의 오 동작 문제를 방지하기 위해서 집적회로 내부에 온도를 감지하여 과온도 상황에서 전력변환장치의 동작을 멈추도록 하여 전력변환장치를 보호한다. 도 1은 과온도를 감지하여 보호할 수 있는 종래 회로의 일 실시 예이다. 도 1을 참조하면, 종래의 과온도 감지회로(100)는, 공급전원전압(VDD)과 접지전압 사이에 서로 직렬로 연결된 제1 저항(101) 및 바이폴라트랜지스터(103)의 공통 노드의 전압준위(Va, Voltage Level)와 공급전원전압(VDD)과 접지전압(GND) 사이에 서로 직렬로 연결된 제2 저항(102) 및 제3저항(104)의 공통 노드의 전압준위(Vb)의 차이를 비교기(105)를 이용하여 동작제어전압(OTPOUT)을 생성한다. 온도가 증감하면, 2개의 공통 노드의 전압준위(Va, Vb)가 서로 다르게 변화하게 된다. 이는 온도의 변화에 따라 바이폴라트랜지스터의 턴 온 전압의 변화의 방향과온도의 변화에 따른 저항을 흐르는 전류의 양이 변화의 방향이 서로 다른 것을 활용하는 회로로, 비교기(105)는 이를 감지하여 동작제어전압(OTPOUT)을 생성한다. 도 1에 도시된 과온도 감지회로(100)는 공급전원전압(VDD)의 전압준위에 변동이 생기면 과온도 감지에 오류가 발생할 수 있다는 단점이 있다. 이러한 문제 해결을 위해 밴드갭 레퍼런스 회로(Band Gap Reference circuit) 및 전압 레귤레이터(Voltage Regulator)를 이용하여 공급전원전압의 변동에 무관한 온도 감지회로가 제안되었다. 도 2는 도 1에 도시된 감지회로의 단점을 해소하기 위해 제안된 과온도 감지회로를 나타낸다. 도 2를 참조하면, 밴드갭 레퍼런스 회로(Band Gap Reference circuit, 210) 및 전압 레귤레이터(Voltage Regulator, 220)를 사용하여, 공급전원전압의 변동이 온도 감지에 영향을 주지 않도록 한다. 그러나 도 2에서 추가된 회로는 밴드갭 레퍼런스 회로(210) 및 전압 레귤레이터(220)를 집적회로에 구현할 때 소비되는 면적이 크고, 이들 회로도 복잡하기 때문에 실질적으로 온도 감지가 필요한 위치에 배치하기 어려운 단점이 있다. 또한 기존의 실리콘 기반의 전력변환 장치는 실리콘 소자의 물성적인 한계로 더 이상의 성능 향상이 어려워 화합물 반도체인 질화갈륨(Gallium Nitride, GaN) 기반의 전력변환장치로의 전환이 진행되고 있는데 질화갈륨은 P-Type 소자를 구현할 수 없어 N-Type 질화갈륨 소자와 저항만을 사용하여 집적회로 설계를 해야 하는 어려움이 있다. 도 1은 과온도를 감지하여 보호할 수 있는 종래 회로의 일 실시 예이다. 도 2는 도 1에 도시된 감지회로의 단점을 해소하기 위해 제안된 과온도 감지회로를 나타낸다. 도 3은 본 발명에 따른 공급 전원전압의 변화에 둔감한 과온도 보호회로의 일 실시 예를 나타낸다. 도 4는 공급전원전압의 변화에 따른 제1 온도 센서 및 제1 전류원을 흐르는 전류의 변화 값을 나타낸다. 도 5는 공급전원전압의 변화에 따른 과온도 보호회로의 동작에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 도 6은 제어전압 즉 디지털 코드(C<2:0>)에 따른 과온도 보호 회로의 동작 온도의 변화를 나타낸다. 도 7은 과온도 보호 회로의 동작 온도에 대한 몬테카를로 시뮬레이션 결과 분포를 나타낸다. 본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 실시 예를 설명하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야 한다. 이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다. 도 3은 본 발명에 따른 공급 전원전압의 변화에 둔감한 과온도 보호회로의 일 실시 예를 나타낸다. 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 공급전원전압의 전압준위의 변화에 둔감한 과온도 보호회로(300, 이하 과온도 보호회로)는, 기준전압 생성기(310), 제1 온도 센서(320), 제1 전류원(330), 제2 온도 센서(340), 제2 전류원(350), 및 비교기(360)를 포함한다. 먼저, 복수의 기능블록(310 ~ 360)의 기능에 대해서 설명하면 아래와 같다. 기준전압생성기(310)는 공급전원전압(VDD)의 전압준위가 변화함에 따라 전압준위가 양의 기울기를 가지고 변하는 제1 바이어스전압(Vbias1) 및 음의 기울기를 가지고 변하는 제2 바이어스전압(Vbias2)을 생성한다. 제1 온도센서(320)는 공급전원전압(VDD)으로부터 제1 전류원(330)을 경유하여 접지전압(GND)로 흐르는 전류에 대응하는 제2 열전압(V2)을 생성한다. 제1 전류원(330)은 제1 바이어스전압(Vbias1)과 제2 바이어스전압(Vbias2)에 응답하여 공급전원전압(VDD)의 변화에 따라 제1 온도 센서(340)와 접지전원(GND) 사이에 흐르는 전류의 크기의 변화를 상쇄한다. 제2 온도센서(340)는 공급전원전압(VDD)로부터 제2 전류원(350)을 경유하여 접지전압(GND)로 흐르는 전류에 대응하는 제3 열전압(V3)을 생성한다. 제2 전류원(350)은 제1 바이어스전압(Vbias1)과 제2 바이어스전압(Vbias2)에 응답하여 공급전원전압(VDD)의 변화에 따른 제2 온도 센서(340)와 접지전원(GND) 사이에 흐르는 전류의 크기의 변화를 상쇄한다. 비교기(360)는 두 개의 열 전압(V1, V2)의 전압준위를 비교한 결과인 동작제어전압(OTPOUT)을 생성한다. 동작제어전압(OTPOUT)은 도 3에 도시된 과온도 보호회로(300)가 보호하고자 하는 집적회로의 동작 여부를 결정하는데 사용된다. 비교기(360) 출력전압의 전압준위는, 공급전원전압(VDD)의 전압준위와 동일하거나 유사한 전압준위를 가지는 제1 전압과 접지전압(GND)와 동일하거나 유사한 전압준위를 가지는 제2 전압 중 하나를 나타낸다고 가정한다. 이때, 예를 들면, 동작제어전압(OTPOUT)의 전압준위가 제1 전압에 대응할 때에는 해당 집적회로의 동작을 중단시키도록 하고, 반대로 동작제어전압(OTPOUT)의 전압준위가 제2 전압에 대응할 때에는 해당 집전회로의 동작을 유지하도록 한다. 상기의 기능을 수행하기 위한, 각 기능블록의 구성 및 동작을 아래에 설명한다. 기준전압 생성기(310)는 제1 저항(R1), 제2 저항(R2), 제3 저항(R3) 및 제1 트랜지스터(M1)를 이용하여, 공급전원전압(VDD)의 전압준위가 변화함에 따라 전압준위의 변화 기울기가 서로 반대인 제1 바이어스전압(Vbias1) 및 제2 바이어스전압(Vbias2)을 생성한다. 여기서 제1 트랜지스터(M1)는 채널이 전하에 의해 형성되는 N형 모스 트랜지스터이고, 이하의 트랜지스터는 모두 N형 모스트랜지스터라고 가정한다. 제1 저항(R1)은 일 단자가 공급전원전압을 공급하는 전원단자(VDD)에 연결된다. 제2 저항(R2)은 일 단자가 제1 저항(R1)의 다른 일 단자 즉 제1 노드(N1)에 연결된다. 제3 저항(R3)은 일 단자가 제2 저항(R2)의 다른 일 단자에 연결된다. 제1 트랜지스터(M1)는 일 단자가 제3 저항(R3)의 다른 일 단자에 연결되고, 다른 일 단자는 접지전압(GND)에 연결되며, 게이트 단자는 제1 노드(N1)에 연결된다. 제1 바이어스전압(Vbias1)은 제2 저항(R2) 및 제3 저항(R3)의 공통노드의 전압이고, 제2 바이어스전압(Vbias2)은 제3 저항(R3)과 제1 트랜지스터(M1)의 공통노드의 전압이다. 기준전압생성기(310)에서 공급전원전압(VDD)과 접지전압(GND) 사이에 직렬로 배열된 3개의 저항의 저항값(Resistance)은 공급전원전압(VDD)의 전압준위의 변화에 비례하여 증가하고, 제1 트랜지스터(M1)를 모스(MOS) 트랜지스터라고 가정할 때, 제1 트랜지스터(M1)의 턴 온 저항의 저항값은 게이트-소스 단자 사이의 전압(VGS)에 반비례하므로 가변적이다. 공급전원전압(VDD)의 전압준위가 변하면, 제1 바이어스전압(Vbias1)의 전압준위는 양의 기울기를 가지고 변하고, 제2 바이어스전압(Vbias2)의 전압준위를 음의 기울기를 가지고 변한다는 것은, 도 1에 대한 설명으로 갈음한다. 제1 온도센서(320)는 제2 트랜지스터(M2) 및 제3 트랜지스터(M3)를 이용하여 공급전원전압(VDD)을 제공하는 전원단자로부터 제1 전류원(330)을 경유하여 접지전압(GND)로 흐르는 제1 전류(Ib1)에 대응하는 제2 열전압(V2)을 생성한다. 제2 트랜지스터(M2)는 일 단자 및 게이트 단자가 공급전원전압(VDD)을 공급하는 전원단자(VDD)에 연결된다. 제3 트랜지스터(M3)는 일 단자 및 게이트 단자가 제2 트랜지스터(M2)의 다른 일 단자에 공통으로 연결되며, 다른 일 단자는 제2 노드(N2)에 연결되며, 제2 열전압(V2)은 제2 노드(N2)로부터 출력된다. 제1 전류원(330)은 각각 공급전원전압(VDD)의 전압준위의