多段式温度检测电路及温度检测方法
阅读说明：本技术 多段式温度检测电路及温度检测方法 (Multi-section temperature detection circuit and temperature detection method ) 是由 张吉儒 叶兆屏 于 2020-12-02 设计创作，主要内容包括：本发明涉及温度检测技术领域,具体来说是一种多段式温度检测电路及温度检测方法,包括至少两个调控单元,一个比较单元和一个分压电阻串单元,比较单元包括两个比较器,两个比较器的正相输入端分别连接至分压电阻串单元中以获取分压电压值,两个比较器的反相输入端分别连接两个调控单元,调控单元用于调整两个比较器的正向输入端的电压值。本发明可以减少热敏电阻器RTC和比较器的使用,仅使用一个热敏电阻器RTC和两个比较器,降低了应用成本、减小了PCB面积、减少了采集芯片的引脚数量并降低了应用电路的复杂度；引入N个开关和N个栅端控制信号,并将栅端控制信号同时作为开关的通断控制信号,通过控制采集周期就能降采集电路的功耗,实现低功耗。(The invention relates to the technical field of temperature detection, in particular to a multi-section temperature detection circuit and a temperature detection method. The invention can reduce the use of the RTC and the comparator, only uses one RTC and two comparators, reduces the application cost, reduces the PCB area, reduces the pin number of the acquisition chip and reduces the complexity of the application circuit; n switches and N grid end control signals are introduced, the grid end control signals are simultaneously used as on-off control signals of the switches, the power consumption of the acquisition circuit can be reduced by controlling the acquisition period, and low power consumption is achieved.)
技术领域
本发明涉及温度检测技术领域，具体来说是一种多段式温度检测电路及温度检测方法。
背景技术
温度检测电路是一些电子系统的重要组成部分。在实际应用中，温度检测技术可以检测PCB板的温度，电池的温度，电子元器件以及芯片的温度等。在传感器和物联网应用等技术中，温度检测技术也是重要的组成部分。
而热敏电阻器是一种对温度敏感的电子元件，其在不同温度下表现为不同的电阻值。而按照温度系数不同，热敏电阻器分为正温度系数热敏电阻器(PTC)和负温度系数热敏电阻器(NTC)两类，前者在温度越高时电阻值越大，后者在温度越高时电阻值越低。由于热敏电阻器的电阻值随着温度不同而改变，因此可用于温度检测电路。
通常温度检测电路被集成到芯片中，芯片引脚外接热敏电阻器RTC，利用热敏电阻器RTC的电阻随温度变化的特性来检测被测点的温度。在不同的应用场景下，对温度范围的适应要求不同，需要检测的温度或高或低。传统的温度检测技术一旦外围器件确定后只能检测单一温度点，无法根据实际应用场景进行温度调节和温度检测，而多段式温度检测电路不仅可以检测被检测点的温度，还可以检测更具体的温度范围，对被测点进行温度保护，温度补偿等。
现有的多段式温度检测电路如图1所示，虚线框内为芯片内部电路，包括2个比较器，比较器1和比较器2；3个电阻，电阻RF1，电阻RF2和电阻RF3；芯片外围有2个电阻，电阻R1和电阻R2；2个热敏电阻器，热敏电阻器RTC1和热敏电阻器RTC2。
具体地，比较器1的正相输入端接电阻RF1的一端，其正相输入电压为VR1；比较器1的反相输入端接芯片引脚PT3；比较器1的输出端电压为VO1。比较器2的正相输入端接电阻RF3的一端，其正相输入电压为VR2；比较器2的反相输入端接芯片引脚PT2；比较器2的输出端电压为VO2。芯片内部的电阻RF1、电阻RF2和电阻RF3三个电阻依次串联，串联的一端接电压VR，另一端接地。芯片外围电阻种的电阻R1与热敏电阻器RTC1串联接芯片引脚PT1，其中热敏电阻器RTC1一端接引脚PT3；电阻R2与热敏电阻器RTC2串联接芯片引脚PT1，其中热敏电阻器RTC2一端接引脚PT2。
该多段式温度检测电路的工作过程如下：根据串联电阻分压原理，电压VR经串联电阻分压，得电压VR1的电压值为：
注：电压VR1的电压值等于电阻RF1的阻值除以电阻RF1，电阻RF2，电阻RF3的阻值总和再乘电压VR。此时比较器1的正相输入端电压为VR1。
比较器1的反相输入端电压VT1的电压值为：
注：电压VT1的电压值等于热敏电阻RRTC1的阻值除以热敏电阻RRTC1的阻值与电阻R1阻值和再乘电压VR。
当比较器1的反相输入端电压VT1大于比较器1的正相输入端电压VR1时，启动温度保护电路；当比较器1的反相输入端电压VT1小于比较器1的正相输入端电压VR1时，没有达到启动温度保护电路的温度点，无法启动温度保护电路。
当启动温度保护电路时，令比较器1的反相输入端电压VT1等于比较器1的正相输入端电压VR1，即：
其中VR1电压值经芯片内部电阻按比例串联分压得到，外围电阻R1的阻值可以设定和调节，VR电压值设定已知。
在VR1电压，VR电压和外围电阻R1阻值已知的条件下，根据公式(3)，可得热敏电阻器RTC1的阻值RRTC1，再根据热敏电阻器RTC1的电阻和温度的关系，可得此时对应的热敏电阻器RTC1的温度点，即采集的第一个温度点。
根据串联电阻分压原理，电压VR经串联电阻分压，得电压VR2的电压值为：
注：电压VR2的电压值等于电阻RF1与电阻RF2的阻值总和除以电阻RF1，电阻RF2，电阻RF3的阻值总和再乘电压VR。
此时，比较器2的正相输入端电压为VR2，比较器2的反相输入端电压VT2的电压值为：
注：电压VT2的电压值等于热敏电阻RRTC2的阻值除以热敏电阻RRTC2的阻值与电阻R2阻值和再乘电压VR。
当比较器2的反相输入端电压VT2大于比较器2的正相输入端电压VR2时，启动温度保护电路；当比较器2的反相输入端电压VT2小于比较器2的正相输入端电压VR2时，没有达到启动温度保护电路的温度点，无法启动温度保护电路。
当启动温度保护电路时，令比较器2的反相输入端电压VT2等于比较器2的正相输入端电压VR2，即：
其中VR2电压值经芯片内部电阻按比例串联分压得到，外围电阻R2的阻值可以设定和调节，VR电压值设定已知。
在VR2电压，VR电压和外围电阻R2阻值已知的条件下，根据公式(6)，可得热敏电阻器RTC2的阻值RRTC2，再根据热敏电阻器RTC2的电阻和温度的关系，可得此时对应的热敏电阻器RTC2的温度点，即采集的第二个温度点。
以上仅以采集两个温度点为例介绍现有的多段式温度检测电路工作过程，基于上述原理，依此类推，使用N个外围电阻R1-Ri，2≤i≤N，N个热敏电阻器RTC1-RTCi，2≤i≤N，和N个比较器比较器1-比较器i，2≤i≤N，即可实现N个温度点的采集。其中“i”表示器件的编号，“N”表示器件的数量，其均为自然数，其取值范围均为2≤i≤N。
由此可知，目前实现多段式温度检测的电路需要多个热敏电阻器RTC和多个比较器以采集多个温度点，由此则导致了成本高、功耗高和占用面积大的问题。
发明内容
本发明的目的在于解决现有的多段式温度检测电路在采集多个温度点时需要设置多个热敏电阻器RTC和多个比较器的问题，提供一种多段式温度检测电路及温度检测方法，只需设置一个热敏电阻器RTC与两个比较器，即可实现多段的温度检测。
为了实现上述目的，设计一种多段式温度检测电路，包括一个比较单元，一个分压电阻串单元和至少两个调控单元，所述的比较单元只包括两个比较器，所述的两个比较器的正相输入端分别连接至分压电阻串中以获取分压电压值，所述的两个比较器的反相输入端分别连接两个调控单元，所述的调控单元用于根据栅端控制信号调整两个比较器的正向输入端的电压值，所述的分压电阻串单元包括串联的至少两个分压电阻，用于为比较器的正相输入端提供电压值。
优选地，每个所述的调控单元分别包括一个NMOS管、一个非门和一个PMOS管，NMOS管的栅端连接栅端控制信号和非门的输入端，NMOS管的源端连接PMOS管的漏端和外围电路，PMOS管的栅端连接非门的输出端；所述的比较单元包括比较器1和比较器2，所述的比较器1的反相输入端串联一个开关后连接至任意一个分压电阻的前端，比较器2的反相输入端连接至少一个开关，且所述的至少一个开关分别连接至其余的分压电阻的前端；所述的分压电阻串单元包括串联的至少两个分压电阻，串联的电阻一端接地GND，一端接电压VR，且分压电阻的数量及所述的开关的总数量与所述的调控单元的数量相对应；并且，所有调控单元的NMOS管的漏端连接至电源VCC端，所有调控单元的PMOS管的源端连接至分压电阻串的一端，任意一个PMOS管的漏端连接比较器1的反相输入端VT1，任意另一个PMOS管的漏端连接比较器2的反相输入端VT2。
优选地，在所述的外围电路中，仅设有一个热敏电阻器RTC。
优选地，所述的外围电路还包括与所述的调控单元相对应的至少两个外围电阻，至少两个所述的外围电阻的一端连接所述的热敏电阻器RTC的同端，且至少两个所述的外围电阻的另一端分别连接至相对应的调控单元。
优选地，所述的NMOS管的源端引出引脚作为所述的外围电路的连接端。
优选地，所述的多段式温度检测电路包括N个NMOS管，N为大于等于2的自然数，N个NMOS管NM1-NMN的栅端分别连接栅端控制信号Φ1-ΦN，并且分别与非门1-非门N的输入端相连，N个NMOS管NM1-NMN的漏端并联接至电源VCC端，N个NMOS管NM1-NMN的源端分别与N个PMOS管PM1-PMN的漏端连接并接至芯片引脚PT1-PTN，N个PMOS管PM1-PMN的栅端分别连接非门1-非门N的输出端，N个PMOS管PM1-PMN的源端并联接至电阻RFN的一端，RFN的另一端串联有其余的RF电阻，且最后一个RF电阻接地，N个PMOS管PM1-PMN的漏端分别与N个NMOS管NM1-NMN的源端相连接至芯片引脚PT1-PTN；所述的比较器1的正相输入端接入开关S1后连接至电阻RF1的前端，比较器1的反相输入端接至芯片引脚PT2，所述的比较器2的正相输入端与并联的开关S2ᄀ-SN相接后分别连接至电阻RF2-RFN，且比较器2的反相输入端接至芯片引脚PT1。
优选地，所述的至少两个调控单元，一个比较单元和一个分压电阻串单元集成于集成电路中。
本发明还涉及一种采用所述的多段式温度检测电路的温度检测方法，依次对所述的至少两个调控单元输入工作信号，以进行多段的温度检测。
优选地，所述的温度检测方法将所述的栅端控制信号同时作为与调控单元相对应的开关的通断控制信号，当任一调控单元的栅端控制信号为高电平时，所述的任一调控单元所对应的开关导通，且其余的调控单元的栅端控制信号为低电平，其余的调控单元所对应的开关断开。
优选地，所述的温度检测方法根据下述公式获得与比较器2相连的调控单元工作时所述的热敏电阻器RTC的阻值：
其中，VT1为比较器1的反相输入端的电压值，VR1为比较器1的正相输入端的电压值，R1为对应于所述的与比较器2相连的调控单元的外围电阻的阻值，V1为所述的与比较器2相连的调控单元的NMOS管的源端的电压值；
并根据下述公式获得其他任一调控单元工作时所述的热敏电阻器RTC的阻值：
其中，VT2为比较器2的反相输入端的电压值，VRi为比较器2的正相输入端的电压值，Ri为对应于所述的其他任一调控单元的外围电阻的阻值，Vi为所述的其他任一调控单元的NMOS管的源端的电压值。
本发明同现有技术相比，其优点在于：可以减少热敏电阻器RTC和比较器的使用，仅使用一个热敏电阻器RTC和两个比较器，即可根据热敏电阻器RTC的电阻随温度变化的特性实现N个温度点的采集，有效地降低了应用成本、减小了PCB面积、减少了采集芯片的引脚数量并降低了应用电路的复杂度；还引入N个开关和N个栅端控制信号，并将栅端控制信号同时作为开关的通断控制信号，控制多段式温度检测电路的导通与关断，通过控制采集周期就能有效降优化采集电路的功耗，实现低功耗设计；同时，该温度检测电路还便于集成至集成芯片中，例如集成至SoC芯片中，仅需通过集成芯片的引脚连接一个热敏电阻器RTC及相应外围电阻，简化了外围电路的结构，提了高温度检测电路的集成度，也有益于减少占用面积。
附图说明
图1是现有技术的多段式温度检测电路的示意图。
图2是本发明的多段式温度检测电路的示意图。
图3是本发明中多段式温度检测电路的栅端控制信号的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明，这种电路及方法的结构和原理对本专业的人来说是非常清楚的。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本实施方式提供一种多段式温度检测电路，包括一个比较单元，一个分压电阻串单元和至少两个调控单元，所述的比较单元只包括两个比较器，所述的两个比较器的正相输入端分别连接至分压电阻串中以获取分压电压值，所述的两个比较器的反相输入端分别连接两个调控单元，所述的调控单元用于根据栅端控制信号调整两个比较器的正向输入端的电压值，所述的分压电阻串单元为比较器的正相输入端提供电压值。
具体而言，每个所述的调控单元分别包括一个NMOS管、一个非门和一个PMOS管，NMOS管的栅端连接栅端控制信号和非门的输入端，NMOS管的源端连接PMOS管的漏端和外围电路，PMOS管的栅端连接非门的输出端。
所述的比较单元则包括比较器1和比较器2，所述的比较器1的反相输入端串联一个开关后连接至任意一个分压电阻的前端，比较器2的反相输入端连接至少一个开关，且所述的至少一个开关分别连接至其余的分压电阻的前端，所述的分压电阻的数量及所述的开关的总数量与所述的调控单元的数量相对应。
所述的分压电阻串单元包括串联的至少两个分压电阻，串联的电阻一端接地GND，一端接电压VR，即调控单元的PMOS管的源端。
并且，所有调控单元的NMOS管的漏端共同连接至电源VCC端，所有调控单元的PMOS管的源端共同连接至分压电阻串的一端，任意一个PMOS管的漏端连接比较器1的反相输入端VT1，任意另一个PMOS管的漏端连接比较器2的反相输入端VT2。
在使用时，依次对所述的调控单元输入高电平的栅端控制信号以作为工作信号来切换采集温度点的路径，即可进行多段的温度检测。
以下，结合附图和实施例对所述的电路及方法进行进一步的示例说明。
实施例1
如图2所示，本实施例中，所述的多段式温度检测电路包括内部电路和外围电路，内部电路被集成于控制芯片的集成电路中，所述的内部电路包括N个NMOS管：NM1-NMN、N个PMOS管：PM1-PMN、N个非门：非门1-非门N、依次串联的N个RF电阻：RF1-RFN、2个比较器：比较器1和比较器2，其中N为大于等于2的自然数；所述的外围电路包括电阻R1-RN和热敏电阻器RTC，通过独立调节串联的分压电阻的阻值能对每个温度点的阈值进行调节。
具体地，N个NMOS管NM1-NMN的栅端分别连接栅端控制信号Φ1-ΦN，并且分别与非门1-非门N的输入端相连；N个NMOS管NM1-NMN的漏端并联接至电源VCC端；N个NMOS管NM1-NMN的源端分别与N个PMOS管PM1-PMN的漏端连接并接至芯片引脚PT1-PTN。N个PMOS管PM1-PMN的栅端分别连接非门1-非门N的输出端；N个PMOS管PM1-PMN的源端并联接至电阻RFN的一端，RFN的另一端串联有其余的RF电阻，且最后一个RF电阻RF1接地；N个PMOS管PM1-PMN的漏端分别与N个NMOS管NM1-NMN的源端相连接至芯片引脚PT1-PTN。
所述的比较器1的正相输入端接入开关S1后连接至电阻RF1的前端，使得比较器1正相输入端的电压为VR1，比较器1的反相输入端接至芯片引脚PT2，比较器1的输出端输出电压为V01。
所述的比较器2的正相输入端与并联式开关S2-SN相接后分别连接至电阻RF2-RFN，使得其正相输入端的电压分别为VR2-VRN，且比较器2的反相输入端接至芯片引脚PT1，比较器2的输出端输出电压为V02。
此外，所述的外围电路的电阻R1-Ri的一端分别接芯片引脚PT1-PTi，电阻R1-Ri的另一端相连并接热敏电阻器RTC的一端，热敏电阻器RTC的另一端接地GND。
实施例2
结合图2,3所示，VCC为芯片提供电源，本实施例的多段式温度检测电路的具体工作过程如下：
当栅端控制信号Φ1为高电平时，除Φ1之外的其余栅端控制信号Φi为低电平，NMOS管NM1导通，高电平的栅端控制信号Φ1经过非门1变为低电平，使PMOS管PM1导通，同时栅端控制信号Φ1作为开关S1的通断控制信号，其为高电平时，开关S1闭合。NMOS管NM1的源端电压为栅端控制信号Φ1高电平降一个阈值电压后的电压值，即电压V1，且与PMOS管PM1的源漏电压相等，即VR＝V1。电压VR经电阻网络后，根据串联电阻分压原理，可得到比较器1的正相输入端的电压值为：
即：电压VR1的电压值等于电阻RF1的阻值除以电阻RF1-RFi的阻值总和再乘电压VR。
与此同时，当栅端控制信号Φ1为高电平，栅端控制信号Φi为低电平，NMOS管NMi不导通，2≤i≤N，比较器1的反相输入端电压VT1的电压为：
即：电压VT1的电压值等于电阻RRTC的阻值除以电阻RRTC阻值与电阻R1阻值和，其中RRTC为热敏电阻器RTC的阻值。
当比较器1的反相输入端电压VT1大于比较器1的正相输入端电压VR1时，启动温度保护电路；当比较器1的反相输入端电压VT1小于比较器1的正相输入端电压VR1时，没有达到启动温度保护电路的温度点，不启动温度保护电路。
当启动温度保护电路时，令比较器1的反相输入端电压VT1等于比较器1的正相输入端电压VR1，即：
其中，VR1电压值经芯片内部电阻网络按比例串联分压得到，外围电阻R1的阻值可以设定和调节，V1电压值为栅端控制信号Φ1高电平降一个阈值电压的值。在VR1电压，V1电压和外围电阻R1阻值已知的条件下，根据公式(c)，可得热敏电阻器RTC的阻值RRTC，再根据热敏电阻器RTC的电阻和温度的关系，可得此时对应的热敏电阻器RTC的第一个温度点。
而当栅端控制信号Φ2为高电平时，除Φ2之外的其余栅端控制信号Φi为低电平，NMOS管NM2导通，高电平的栅端控制信号Φ2经过非门2变为低电平，使PMOS管PM2导通，同时栅端控制信号Φ2作为开关S2的通断控制信号，其为高电平时，开关S2闭合。NMOS管NM2的源端电压为栅端控制信号Φ2高电平降一个阈值电压后的电压值，即电压V2，且与PMOS管PM2的源漏电压相等，即VR＝V2。电压VR经电阻网络后，根据串联电阻分压原理，得到比较器2的正相输入端的VR2的电压值为：
即：电压VR2的电压值等于电阻RF1与电阻RF2的阻值和除以电阻RF1-RFi的阻值总和再乘电压VR。
同时，当栅端控制信号Φ2为高电平，其余的栅端控制信号Φi均为低电平，其余的NMOS管NMi不导通，即NM1和NM3-NMN均不导通，比较器2的反相输入端电压VT2的电压为：
当比较器2的反相输入端电压VT2大于比较器2的正相输入端电压VR2时，启动温度保护电路；当比较器2的反相输入端电压VT2小于比较器2的正相输入端电压VR2时，没有达到启动温度保护电路的温度点，不启动温度保护电路。
当启动温度保护电路时，令比较器2的反相输入端电压VT2等于比较器2的正相输入端电压VR2，即：
其中，VR2电压值经芯片内部电阻网络按比例串联分压得到，外围电阻R2的阻值可以设定和调节，V2电压值为栅端控制信号Φ2高电平降一个阈值电压的值。
在VR2电压，V2电压和外围电阻R2阻值已知的条件下，根据公式(f)可得热敏电阻器RTC的阻值RRTC，再根据热敏电阻器RTC的电阻和温度的关系，可得此时对应的热敏电阻器RTC的第二个温度点。
以上仅以采集两个温度点为例介绍本实施例多段式温度检测电路的工作过程，基于上述原理，依此类推，依次对各个调控单元施加高电压的栅端控制信号，即可实现多段的温度检测，即采用N个外围电阻R1-RN，一个热敏电阻器RTC和两个比较器即可以实现N个温度点的采集，从而降低了温度检测电路的成本，并且使得芯片的占用面积更小。
通过栅端控制信号Φ1-ΦN控制多段式温度检测电路进行周期性采样。每完成一个周期采样，采集到N个温度点后，休眠一段时间，再进行重复采样，从而通过延时的引入使得平均电流减小，进一步实现低功耗。
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