CN100544206C - 一种控制芯片数字模块工作的电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种控制芯片数字模块工作的电路，其包括可变输出电压的低压差线性稳压电路、上电复位电路和反馈控制电路；该反馈控制电路利用上电复位电路的输出反馈控制低压差线形稳压电路，自动调整其输出电压。通过上述反馈控制电路自动调整数字模块的电源电压，既可保证上电复位电路的正常工作，产生正确的上电复位信号，之后又可将数字模块的电源电压自动拉低，使数字模块低功耗工作，从而提高电池的寿命和电子产品的运行时间。

Description

一种控制芯片数字模块工作的电路

【技术领域】

本发明涉及数模混合集成电路中数字模块上电复位电路的设计领域，尤其是一种控制电池驱动的数模混合电路特别是片上系统(SOC，System ona Chip)芯片数字模块正确上电复位并低功耗工作的方法。

【背景技术】

集成电路技术的飞速发展以及对消费类电子产品—特别是便携式电子产品的需求，推动了片上系统(SOC)的飞速发展。对于电池驱动的SOC芯片，降低其功耗从而延长电池的寿命和电子产品的运行时间具有非常重大的意义。

SOC芯片中，包括数字模块和模拟模块，其功耗包括静态功耗和动态功耗。静态功耗主要由静电流和漏电流等因素造成，动态功耗主要由信号变换造成的瞬态开路电流和负载电流等因素造成。模拟模块是静态功耗的主要来源，数字模块是动态功耗的主要来源，其中，解决好SOC芯片中的动态功耗是降低整个SOC芯片功耗的关键。

数字电路的功耗与其电源电压成正比，现有技术一般通过不同的片内低压差线性稳压电路(LDO，low dropout regulator)分别控制数字模块和模拟模块的电源，使数字模块的电源低于模拟模块的电源，从而降低数字模块贡献的动态功耗。但是数字模块电源能降低的幅度受到上电复位电路(POR，Power-On-Reset)的限制。芯片上电时，需要产生一个复位信号对数字模块进行复位，以保证数字模块的正常工作。上电复位信号是通过上电复位电路实现的，数字模块电源必须足够高以保证上电复位电路能正常工作。

消费类电子产品—特别是便携式电子产品通常是由电池供电。工作过程中，电源电压将在很大范围内变化。比如单体锂离子电池充足电时的电压为4.2V，放完电后的电压为2.3V，变化范围很大。为了保证芯片内部电路电源电压稳定不变，在芯片内部加入低压差线性稳压电路(LDO)。如图1所示，电池电压Vdd_bat为LDO模块供电，带隙基准电压源产生的带隙基准电压Vbg作为LDO的输入电压，LDO的输出电压Vdd_dig用作数字模块的电源电压。即使电池电压在2.7～4.3V范围内变化，LDO的输出电压仍然可以保持相对恒定。LDO的输出电压同时作为上电复位电路(POR)的待检测电源，POR的输出信号Reset用作数字模块的复位信号。

如图2所示意，芯片的上电过程，就是电池电压Vdd_bat从0开始逐渐升高到稳定值的过程。LDO的输出电压Vdd_dig也随之从0开始逐渐升高到稳定值。上电复位电路的功能，就是在芯片上电时，提供复位信号，当所检测电源Vdd_dig的电压升高到某一门限值Vth时，认为所检测电源已稳定，撤销复位信号。门限值Vth的高低与上电复位电路的具体设计有关，如门限值太低，会导致上电过程中过早撤销复位信号，也就是复位信号的维持时间Treset过短，从而不能保证芯片内的数字模块正确复位。如门限值太高，对所检测电源也就是数字模块的电源电压要求也更高，会导致芯片正常工作时数字模块贡献的动态功耗更高，从而缩短电池的寿命和电子产品的运行时间。

例如，对于0.18um CMOS工艺，模拟模块的电源电压通常在1.8V左右。数字模块正常工作时所需要的电源电压可低至0.8V。但为了保证上电复位电路(POR)所产生的复位信号Reset的维持时间Treset足够长，POR撤销复位信号的门限值Vth不能设计得太低，通常在1.5V左右，因此POR所检测电源Vdd_dig必须大于1.5V，这就限制了数字模块的电源电压，从而限制了数字模块的低功耗工作。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种控制芯片数字模块正确上电复位并低功耗工作的方法，克服了现有技术无法同时满足SOC芯片中数字模块正确上电复位和低功耗工作这两大要求的不足，提高了SOC芯片的实用效果。

本发明是通过以下模块实现的：

一种控制芯片数字模块工作的电路，其包括可变输出电压的低压差线性稳压电路、上电复位电路；低压差线性稳压电路的输出电压Vdd_dig用作电源电压输入至数字模块，同时，低压差线性稳压用作待检测电源输入至上电复位电路，上电复位电路的输出信号Reset用作复位信号输出至所述数字模块；所述低压差线性稳压电路中还包括用于控制低压差线性稳压电路的输出电压大小的控制开关A，所述控制电路还包括反馈控制电路；上电复位电路的输出信号Reset反馈输入至反馈控制电路输入端，反馈控制电路的输出信号Vctrl用于控制控制开关A，自动调整低压差线性稳压电路的输出电压大小。

其中，所述的反馈控制电路包括一与门，所述与门的第一输入端接上电复位电路的输出信号Reset，所述与门的第二输入端接三线控制电压V3wire，所述与门的输出端接控制开关A。

其中，所述的低压差线性稳压电路由电池电压Vdd_bat供电；带隙基准电压源产生的带隙基准电压Vbg作为低压差线性稳压电路的输入电压。

其中，所述的上电复位电路的输出信号Reset用作数字模块的复位信号，上电复位电路的输出信号Reset和三线控制电压V3wire经过一个与门后的输出信号Vctrl作为低压差线性稳压电路中控制开关A的控制电压，从而在上电复位电路和低压差线性稳压电路之间形成了一个自适应的反馈控制回路；

其中，所述的上电复位电路的输出信号Reset用作数字模块的复位信号，Reset的初始电平为低电平；所述的三线控制电压V3wire接高电平。

其中，当开关A的控制电压Vctrl为低电平时，开关A断开，Vdd_dig对应高电压Vhigh；当开关A的控制电压Vctrl为高电平时，开关A导通，Vdd_dig对应低电压Vlow。

其中，所述低压差线性稳压电路包括运算放大器、第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、第三电阻(R3)，所述运算放大器的第一输入端输入带隙基准电压(Vbg)，所述运算放大器的第二输入端通过第一电阻(R1)接地，所述第二电阻(R2)和第三电阻(R3)串联置于运算放大器的第二输入端与运算放大器的输出端；所述控制开关(A)并联连接于第三电阻(R3)两端。所述控制开关(A)断开时，低压差线性稳压电路的输出电压(Vdd_dig)通过以下公式计算：

$v_{\mathrm{dd}\_\mathrm{dig}}=V_{\mathrm{bg}}+\frac{V_{\mathrm{bg}}}{R_1}\·(R_2+R_3)$

所述控制开关(A)导通时，低压差线性稳压电路的输出电压(Vdd_dig)通过以下公式计算：

$v_{\mathrm{dd}\_\mathrm{dig}}=V_{\mathrm{bg}}+\frac{V_{\mathrm{bg}}}{R_1}\·R_2$

本发明的这种控制方法所需电路结构简单，控制方便，能有效的达到使数字模块正确上电复位和低功耗工作这两方面要求。对于电池驱动的数模混合电路特别是片上系统(SOC)芯片，通过上述自适应控制回路自动调整数字模块的电源电压，既可保证上电复位电路的正常工作，产生正确的上电复位信号，之后又可将数字模块的电源电压自动拉低，使数字模块低功耗工作，从而提高电池的寿命和电子产品的运行时间。

【附图说明】

图1是未采用反馈控制电路的数字模块控制电路的结构示意图；

图2是未采用反馈控制电路的数字模块控制电路在芯片上电过程中电压变化情况示意图；

图3是低压差线性稳压电路(LDO)的结构示意图；

图4是采用反馈控制电路的数字模块控制电路的结构示意图；

图5是采用反馈控制电路的数字模块控制电路在芯片上电过程中电压变化情况示意图。

【具体实施方式】

以下结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明：

请参阅图4，图4中揭示了用来控制芯片数字模块工作的电路，其包括可变输出电压的低压差线性稳压电路LDO、上电复位电路POR及反馈控制电路，低压差线性稳压电路LDO和上电复位电路POR之间的反馈控制电路自动调整数字模块的电源电压。低压差线性稳压电路由电池电压Vdd_bat供电；带隙基准电压源产生的带隙基准电压Vbg作为低压差线性稳压电路的输入电压；低压差线性稳压电路的输出电压Vdd_dig用作数字模块的电源电压。同时，低压差线性稳压电路的输出电压Vdd_dig作为上电复位电路的待检测电源。

同时，在低压差线性稳压电路中加入了控制开关A，由控制开关A控制低压差线性稳压电路的输出电压。

反馈控制电路包括一与门，上电复位电路的输出信号Reset和三线控制电压V3wire经过该与门后的输出信号Vctrl作为低压差线性稳压电路中控制开关A的控制电压，在上电复位电路和低压差线性稳压电路之间形成了一个自适应的反馈控制回路。上电复位电路的输出信号Reset用作数字模块的复位信号，Reset的初始电平为低电平。三线控制电压V3wire接高电平。

请参阅图3，图3是低压差线性稳压电路(LDO)的结构示意图电池电压Vdd_bat为LDO模块供电，带隙基准电压源产生的带隙基准电压Vbg作为LDO的输入电压，LDO的输出电压Vdd_dig可用作数字模块的电源电压。电池电压在一定范围内变化(例如2.7V～4.3V)，LDO的输出电压保持相对恒定。图3中加入的控制开关A，使LDO输出电压可调。当图4中的Vctrl为低电平时，开关A断开， $v_{\mathrm{dd}\_\mathrm{dig}}=V_{\mathrm{bg}}+\frac{V_{\mathrm{bg}}}{R_1}\·(R_2+R_3)$ 对应相对高的输出电压Vhigh；当图4中的Vctrl为高电平时，开关A导通， $v_{\mathrm{dd}\_\mathrm{dig}}=V_{\mathrm{bg}}+\frac{V_{\mathrm{bg}}}{R_1}\·R_2$ 对应相对低的输出电压Vlow。可通过合理设计电阻R1，R2，R3的阻值调整高电压Vhigh和低电压Vlow的值，例如Vhigh＝1.8V，Vlow＝1.2V。

请参阅图5，电池上电时，电池电压从0开始逐渐升高到稳定值，低压差线性稳压电路(LDO)的输出电压Vdd_dig也随之从0开始逐渐升高。上电复位电路(POR)的输出信号Reset初始电平为低电平，因此低压差线性稳压电路的开关控制电压Vctrl为低电平，低压差线性稳压电路的目标输出电压为高电压Vhigh，Vdd_dig朝着图5中虚线所示的方向逐渐提高。当Vdd_dig达到上电复位电路(POR)的检测门限Vth时，上电复位电路撤销复位信号，Reset信号拉到高电平，Vctrl也随之拉高，低压差线性稳压电路的输出电压下降到低电压Vlow，从而使数字电路在低电源电压下低功耗工作。

以上介绍的仅仅是基于本发明的几个较佳实施例，并不能以此来限定本发明的范围。任何对本发明的装置作本技术领域内熟知的部件的替换、组合、分立，以及对本发明实施步骤作本技术领域内熟知的等同改变或替换均不超出本发明的揭露以及保护范围。

Claims (8)

1、一种控制芯片数字模块工作的电路，包括可变输出电压的低压差线性稳压电路、上电复位电路，低压差线性稳压电路的输出电压(Vdd_dig)用作电源电压输入至芯片数字模块，同时，低压差线性稳压电路的输出电压用作待检测电源输入至上电复位电路，上电复位电路的输出信号(Reset)用作复位信号输出至所述芯片数字模块；其特征在于：所述低压差线性稳压电路中还包括用于控制低压差线性稳压电路的输出电压大小的控制开关(A)，所述控制芯片数字模块工作的电路还包括反馈控制电路；上电复位电路的输出信号(Reset)反馈输入至反馈控制电路输入端，反馈控制电路的输出信号(Vctrl)用于控制控制开关(A)，自动调整低压差线性稳压电路的输出电压大小。

2、如权利要求1所述的控制芯片数字模块工作的电路，其特征在于：所述反馈控制电路包括一与门，所述与门的第一输入端接上电复位电路的输出信号(Reset)，所述与门的第二输入端接三线控制电压(V3wire)，所述与门的输出端接控制开关(A)。

3、如权利要求1所述的控制芯片数字模块工作的电路，其特征在于：低压差线性稳压电路由电池电压(Vdd_bat)供电；带隙基准电压源产生的带隙基准电压(Vbg)作为低压差线性稳压电路的输入电压。

4、如权利要求2所述的控制芯片数字模块工作的电路，其特征在于：上电复位电路的输出信号(Reset)的初始电平为低电平，三线控制电压(V3wire)接高电平。

5、如权利要求1所述的控制芯片数字模块工作的电路，其特征在于：当低压差线性稳压电路中控制开关(A)断开时，低压差线性稳压电路的输出电压(Vdd_dig)对应高电压(Vhigh)；当低压差线性稳压电路中控制开关(A)导通时，低压差线性稳压电路的输出电压(Vdd_dig)对应低电压(Vlow)。

6、如权利要求1所述的控制芯片数字模块工作的电路，其特征在于：当控制开关(A)的控制电压(Vctrl)为低电平时，控制开关(A)断开；当控制开关(A)的控制电压(Vctrl)为高电平时，控制开关(A)导通。

7、如权利要求1所述的控制芯片数字模块工作的电路，其特征在于：所述低压差线性稳压电路包括运算放大器、第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、第三电阻(R3)，所述运算放大器的第一输入端输入带隙基准电压(Vbg)，所述运算放大器的第二输入端通过第一电阻(R1)接地，所述第二电阻(R2)和第三电阻(R3)串联置于运算放大器的第二输入端与运算放大器的输出端；所述控制开关(A)并联连接于第三电阻(R3)两端。

8、如权利要求7所述的控制芯片数字模块工作的电路，其特征在于：所述控制开关(A)断开时，低压差线性稳压电路的输出电压(Vdd_dig)通过以下公式计算：

$v_{\mathrm{dd}\_\mathrm{dig}}=V_{\mathrm{bg}}+\frac{V_{\mathrm{bg}}}{R_1}\·(R_2+R_3)$

所述控制开关(A)导通时，低压差线性稳压电路的输出电压(Vdd_dig)通过以下公式计算：

$v_{\mathrm{dd}\_\mathrm{dig}}=V_{\mathrm{bg}}+\frac{V_{\mathrm{bg}}}{R_1}\·R_2$

其中，V_{dd_dig}为低压差线性稳压电路的输出电压，V_bg为带隙基准电压，R₁为第一电阻，R₂为第二电阻，R₃为第三电阻。

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