CN103119455B - 用于集成电路运行参数监测的监测装置、系统和集成电路 - Google Patents

Abstract

本发明总体涉及一种用于集成电路运行参数监测的装置。在此，通过比较一个比较元件（11）的至少两个输入端上的输入信号（S2、S3）的切换状态，在该比较元件（11）的至少一个输出端上生成信号（S4），该信号说明所述至少一个运行参数低出或超出规定的阈值。所述两个输入信号由至少两个与运行参数有关的装置（12、13）生成并且根据所述至少一个运行参数的瞬时值在其切换特性中在时间上被延迟。在比较元件（11）的这两个输入信号（S2、S3）之间形成规定的时间延迟。该延迟的值使得在运行参数超出规定的阈值时所述输入信号（S2、S3）之一在由时钟信号（S1.1）为比较元件（11）规定的时刻因该规定的时间延迟改变其切换状态并且因此比较元件（11）显示不一致性并且因此以信号显示所述至少一个运行参数超出阈值。<pb pnum="1" />

Description

用于集成电路运行参数监测的监测装置、系统和集成电路

技术领域

总的来说，本发明涉及一种用于集成电路运行参数监测的监测装置、一种用于运行参数监测的系统及一种集成电路。

背景技术

作为运行参数尤其考虑集成电路的运行电压或者说电源电压和/或运行温度。

为了使集成电路(IC)可以安全地运行，须维持运行参数例如电源电压和/或运行温度的极限值。当例如低出或超出允许或规定的电源电压极限值时，则无法确保IC无错误的运行。如在电源电压过小时也应达到定义的状态，则通常使用电压监视器IC，该电压监视器监测电压并且在低出限定的阈值时生成复位信号。

监测越来越小的且允许公差越来越小的电源电压越来越难且昂贵。部分情况下使用电压监视器，其仅在允许的电源电压之外才产生复位信号并且因此小范围的电源电压可处在未定义的状态中。

通常使用的电压监视器包括用于监测电源电压的模拟电路。但在数字IC中也集成有电压监视器。但将模拟电路一同集成在数字IC中较难。因此，集成的电压监视器极不准确并且使得很大的电压范围未被定义。

作为集成电路运行电压的例子给出Altera公司(www.altera.com)的FPGACyclonIII的核心电压。根据数据表(厂商说明)允许范围是：

最高：1.25V

通常：1.2V

最低：1.15V

集成的电压监视器的常见触发阈值为U＝0.77V。因此未定义范围为0.77V至1.15V。在该范围中IC的特性未定义。不能可靠认定电路或FPGA满足其功能。

此外，所有电压监视器增加电路成本。尤其是在数量较多时如果可省略外部或内部的电压监视器，可显著节约成本。

另外不利的是，电压监视器占用电路板、印刷电路板或芯片表面上的空间。芯片表面通常非常昂贵，并且电压监视器的空间需求也与小型化的总体趋势相反。

另外，还需根据电路调整或计算电压监视器。未定义范围小于上面例子中给出的范围的电压监视器公差要求更高，这增加了制造成本。

发明内容

因此，本发明所基于的任务是提供一种运行参数监测装置，其在运行参数监测时不具有未定义范围并且尤其是可很好地且同时成本低廉地集成到数字电路中。在下面数字电路可理解为在最广泛的意义中使用集成模块的所有的电路。集成电路或模块的例子例如是微处理器μC、CPLD(复杂可编程逻辑器件)、FPGA(现场可编程门阵列)、ASIC(专用集成电路)、DSP(数字信号处理器)或其它可编程逻辑设计如PLD(可编程逻辑器件)以及仅使用少数几个简单构造的IC的模拟电路。

数字电路或集成电路或模块在此无需直接作为真正的模块存在，其也可以以抽象的硬件描述语言例如VHDL(超高速集成电路硬件描述语言)或Verilog来定义并在可编程电路中被实施。

据此，本发明规定一种用于集成电路运行参数监测的装置，其中，通过比较在一个比较元件至少两个输入端上的输入信号的切换状态，在该比较元件的至少一个输出端上生成这样的信号，该信号说明至少一个运行参数低出或超出规定的阈值。两个输入信号由至少两个与运行参数有关的装置生成并且根据至少一个运行参数的瞬时值在其切换特性中在时间上被延迟。在所述两个与运行参数有关的装置上连接一 个时钟信号，该时钟信号分别作为用于两个与运行参数有关的装置的输入信号。在比较元件的这两个输入信号之间形成规定的时间延迟，该时间延迟通过一个延迟元件引起。该延迟元件的延迟值使得在运行参数超出规定的阈值时所述输入信号之一在由时钟信号为比较元件规定的时刻基于规定的时间延迟改变其切换状态。基于该改变，比较元件可显示不一致性并且因此以信号表示所述至少一个运行参数超出阈值。

特别符合目的的是，将根据本发明的装置直接实现在待监测的集成模块中。由此确保相同的作用于与运行参数有关的装置的运行参数也适用于剩余的电路。据此，本发明也涉及一种具有根据本发明装置的集成电路。总的来说，所有影响切换时间的运行参数共同作用于装置并且决定比较元件是否显示切换时间超出阈值。因此总的来说，根据本发明的装置监测集成电路的切换时间是否处于特定的范围内，所述切换时间亦受到由制造决定的公差影响。可以看出，这是根据本发明的用于运行参数监测的装置的一大优点。该装置因此可更加概括地称为切换时间监测装置，其中，比较元件显示切换时间超出或低出阈值。

在根据本发明的用于集成电路运行参数监测的装置的一种特别优选的实施方式中，通过设置延迟元件、或者通过延迟元件在由其实现的延迟方面的设计这样延迟一个输入信号，使得在所述与运行参数有关的装置之一中正好尚维持规定的上升时间或维持时间，以致在运行参数超出规定的阈值时，输入切换状态之一改变其切换状态并且因此比较元件显示不一致性并且因此以信号表示所述至少一个运行参数超出阈值。因此在运行参数监测中不再出现漏洞。

换言之，应这样选择时间延迟，使得在待监测的运行参数达到极限值时一个与运行参数有关的装置的设置时间正好尚被维持，以致在输出端上切换状态尚未改变。当超出该极限值时，设置时间不再被维持并且在与运行参数有关的装置的输出端上切换状态改变。另一与运行参数有关的装置的设置时间在此应被更好地维持，使得在超出该阈 值时该值尚不改变。但时间间隔在此可很短，只要在运行参数超出规定的极限值时在输出端上在两个信号之间尚存在不同的切换状态。因此确保可靠地显示运行参数超出。

在根据本发明的运行参数监测装置的一种特别优选的实施方式中，在响应一个共同的时钟的情况下生成两个输入信号，所述时钟连接到两个与运行参数有关的装置上并且连接到比较元件上。由此即使在复杂的集成电路中也确保了时间同步的进程流。

在根据本发明的运行参数监测装置的一种特别优选的实施方式中，在输入端未设有延迟元件的与运行参数有关的装置的路径之外，借助另一延迟元件来延长两个与运行参数有关的装置和比较元件的共同时钟的时钟路径，并且所述另一延迟元件被设计用于记录超出和低出。因此可仅借助一个电路来规定用于超出或低出的极限。

在根据本发明的用于运行参数监测的装置的另一种特别优选的实施方式中，运行参数监测装置可实现在逻辑电路、微处理器、数字信号处理器、CPLD、FPGA和/或ASIC或类似的集成电路或总的来说PLD中。由此所述电路可比目前更安全地运行，因为在运行参数超出时提供用于进一步处理的信号，该信号表明该超出。在此可在内部或外部实现。据此，根据一种扩展方案根据本发明的用于运行参数的装置可实现在上述集成电路之一中或在外部连接到所述集成电路之一上或作为具有该集成电路的电子电路的组成部分。

特别有利的是，所述与运行参数有关的装置借助于D触发器构成。所述D触发器将其输入端上的信号同步于同样出现在其上的时钟重新输出。根据IC的温度，该输出具有延迟。换言之，触发器用作测量仪器或用作指示器来表明寄存器在集成电路中多快地工作。

此外有利的是，比较元件具有异或运算或者说异或功能。因此仅在两个信号路径中产生不一致性时产生相应信号，该信号显示运行参数超出允许或规定的极限。

在根据本发明的用于运行参数监测的装置的另一种优选的实施方式中，用于提供派生时钟的装置由用于时钟信号的分频器构成。在 此通过分频器、例如借助触发器如D或T触发器由共同的时钟产生半频的派生信号，该信号用作派生时钟。1/2分频比尤为有利。但也可想到其它整数的分频比。

此外有利的是，为了监测运行参数，附加地使用(例如实现在IC中的)电压监视器。当根据本发明的运行参数监测装置不再起作用时，该电压监视器可起作用。换言之，根据本发明的运行参数监测装置优选负责直接位于运行参数极限以下的范围，而电压监视器IC则检测运行参数中极大的偏离，该偏离不能被根据本发明的装置检测出。

根据本发明的一种扩展方案，显示运行参数超出极限的信号不直接由对比元件产生，而是由一个或多个在中间连接的数字滤波器产生。这样可以简单地调整信号、例如在其持续时间和电压方面。

此外特别有利的是，根据本发明的装置在并联布置中具有至少两个不同的触发阈值。由此可产生用于显示运行参数超出的信号的滞后特性。因此例如运行参数监测装置可具有两个不同的触发阈值。触发阈值较不敏感的电路可激活信号并且当两个电路检测到允许的运行范围时，该信号可被再次撤消。但也可连接多于两个元件。换言之，在本发明的扩展方案中，电路设有至少两个根据本发明的运行参数监测装置。该电路可以是集成电路的组成部分或包括至少一个集成电路，该集成电路的运行参数借助两个根据本发明的运行参数监测装置来监测。此外，有利的是，根据本发明的装置具有其他带有存储功能的电路模块，用来存储显示运行参数超出的信号。换言之，根据本发明的装置具有存储器、尤其是形式为其他带有存储功能的电路模块的存储器用来存储信号，该信号说明所述至少一个运行参数已经低出或超出规定的阈值。

附图说明

下面借助实施例参考附图详细说明本发明。在此相同的附图标记表示相同或相应的元件。附图如下：

图1a为根据现有技术的集成电路和用于运行参数监测的装置的 原理电路。因此IC的特性在允许或规定的运行参数之外的特定范围内是未定义的，如在右侧的曲线图中所示的；

图1b以原理电路示出集成电路和根据本发明的用于运行参数监测的装置；

图2a示出用于集成电路运行参数监测的基本逻辑电路的一种实施例。在图2a中监测运行参数的下极限；

图2b示出图2a所示的用于运行参数监测的基本逻辑电路在允许或规定的运行范围内的信号变化曲线；

图2c示出图2a所示的用于运行参数监测的基本逻辑电路在低出允许或规定的运行范围时的信号变化曲线；

图3a示出用于集成电路运行参数监测的基本逻辑电路的另一种实施例。在图3a中同时监测运行参数的下极限和上极限；

图3b示出图3a所示的用于运行参数监测的基本逻辑电路在允许或规定的运行范围内的信号变化曲线；

图3c示出图3a所示的用于运行参数监测的基本逻辑电路在超出允许或规定的运行范围时的信号变化曲线；

图4示出用于集成电路运行参数监测的基本逻辑电路的另一种实施例。在图4中设有两个并联的分别具有不同触发阈值的运行参数监测电路。

具体实施方式

图1a示出根据现有技术的集成电路1和用于电源电压监测的装置2。两个元件在此设置在印刷电路板3上。当IC电源电压超出特定的极限值时，则产生复位信号4。但由于电源电压监测装置2并未齐平地连接到集成电路1规定或允许的电压极限值上，所以一个特定的电压范围处于未定义的状态中。这在图1a右侧的曲线图中示出。在此瞬时电源电压值U被描绘为关于时间t的电压函数5。集成电路1的电源电压6的下极限值以虚线示出。从极限电压7起电源电压监测装置2进行干预。因此仅在范围8中确保对超出进行记录。范围9是这样 的范围，在其中集成电路1虽然在不允许的运行范围中工作，但该范围不能被电源电压监测装置2识别。在该范围中不能确保集成电路1功能正确地工作。

当IC在允许的范围之外运行时(例如在电压过小或温度过高时)，包含在IC中的寄存器切换较慢。这导致较长的信号越渡时间，因而不能维持下一寄存器的设置时间(上升时间，英语称为“Setup-time”)并由此产生错误特性。

本发明有针对性地利用该特性来识别不允许的运行范围状态，如图1b所示。图1b以原理电路示出集成电路1，在其中实现根据本发明的用于运行参数监测的装置10。在此在比较元件11中比较两个输入信号S2、S3的切换状态。输入信号S2、S3在此由两个与运行参数有关的装置12、13生成并根据至少一个运行参数的瞬时值(例如电源电压)在其切换特性中在时间上被延迟。

根据本发明的包括集成电路部件的装置的结构的优点在于，使监测和集成电路的实际功能尽可能处于相同的条件下。例如IC内部可比外部热许多，电源电压在IC内也可因供应路径上的电压降而与外部的电压降不同。每个IC也可因制造波动而有所不同并且运行参数具有略微不同的极限。所提出的集成运行参数监测装置基于寄存器自动考虑该与制造有关的极限。通常，制造公差、温度和电源电压共同决定集成电路正确功能的极限。由于根据本发明的装置直接实现在集成电路中并且该装置因此和电路的其余元件一样响应运行参数的变化，所以可与运行参数的类型无关地监测是否存在集成电路功能正确的条件。

当延迟例如因电源电压的下降而过大时，可导致上述集成电路1的错误特性。但与该延迟无关地，比较元件11始终显示两个输入信号S2、S3是相同的，因为输入信号S2、S3在当前彼此同相。但如果在运行参数监测装置10中设置一个延迟元件14(在图1b中例如设置在与运行参数有关的装置13前面)，则这两个输入信号S2、S3不再同相。当这样选择延迟值，使得在电源电压达到规定的极限值时与运行 参数有关的装置13的设置时间正好尚被维持时，可简单地确定超出。因为当超出极限时，就不能再维持与运行参数有关的装置13的规定的设置时间并且在输出端S3上切换状态改变。由于另一与运行参数有关的装置12没有该附加的延迟，所以其切换状态不改变。现在两个信号S2和S3不再相同并且比较元件11记录该不一致性。由于延迟正好确定在设置时间的极限上，所以比较元件11准确显示超出或低出极限值。现在该信号例如可被进一步分析评估为复位信号或用于相应提高电源电压的电路的信号。

由于例如借助延迟导线几乎可任意规定延迟元件的延迟，所以可这样选择延迟，使得在运行参数达到或超出极限时，输入信号之一S2或S3正好改变其状态。

图2a示出这种用于借助适合的逻辑模块监测集成电路运行参数的基本逻辑电路的一种实施例。为了更好的对应，在图2a中各个元件附加地设有图1b中相应的附图标记。

据此，在下面的实施例中，比较元件11包括一个寄存器Reg4和一个异或门(XOR-Gatter)(在下面的附图中以＝1表示)，两个与运行参数有关的装置12、13由寄存器Reg2或Reg3构成。另外设置一个由寄存器Reg1构成的分频器18。在所示实施例中，作为寄存器使用D触发器。为了实现分频，寄存器Reg1的输出端Q与其输入端1D连接。由此在时钟信号的每个切换边沿后触发器的切换状态改变，因此在时钟信号的每两个切换边沿后输出端Q再次返回其初始值。

在根据图2a的实施方式中，与运行参数有关的装置通过寄存器表示，如上所述，该寄存器根据运行参数值改变其切换时间。正如也可由电路符号看出，可使用D触发器作为寄存器。在图2a中监测运行参数的下极限。为此借助一个寄存器(图2a中的Reg1)由时钟15生成半频的第二时钟信号(图2a中的S1.1)。第二时钟信号S1.1由两个寄存器Reg2、Reg3或者说两个与运行参数有关的装置12、13存储。寄存器Reg3或者说与运行参数有关的装置13经由长的连接装置或延迟导线14与寄存器Reg1连接，使得寄存器Reg3的设置时间(图2b 中的ts3)正好尚维持在允许的下运行范围内。与此相对，寄存器Reg2或者说与运行参数有关的装置12经由较短的连接装置与寄存器Reg1连接，使得寄存器Reg2的设置时间(图2b中的ts2)仍以较大的余量维持在允许的下运行范围内。因此在整个允许的运行范围内，寄存器Reg2和寄存器Reg3的输出端具有相同的状态。与所述输出端连接的异或门XOR(在图2a中以“＝1“表示)比较输出信号S2、S3。如果信号是相同的，则异或门的输出端保持不活跃。除了寄存器Reg2和Reg3之外，比较元件11的寄存器Reg4也连接到时钟15上。寄存器Reg4在响应时钟信号的情况下询问异或门XOR。

根据运行参数的值产生如图2b或2c所示的信号变化曲线。在图2b和图2c中绘出关于时间t的信号变化曲线图。现在，例如当因低出无错误运行最低所需的电源电压而离开允许的运行范围时，产生如图2c所示的信号变化曲线。当运行参数在允许的范围内变化时，则产生图2b的信号变化曲线。现在信号S1.1到达寄存器Reg2比S1.2略晚。寄存器2Reg2的设置时间ts2减小，但由于其具有大的余量，所以并未低出设置时间ts2。寄存器2Reg2的输出端保持不变。

该信号也略晚到达寄存器Reg3(图2b中的S1.3)。但在寄存器Reg3中基于延迟导线在运行参数的阈值上在其设置时间ts3中没有余量。在运行参数离开允许的范围时，低出寄存器Reg3的设置时间ts3，因此寄存器Reg3的输出信号S3延迟一个时钟周期。

现在，异或门(图2a中的＝1)在其询问时刻进行比较时确定差异，所述询问时刻由时钟15在寄存器Reg4上规定。比较结果S4由寄存器4Reg4存储并且可用作复位信号。

换言之，寄存器用作测量寄存器，即寄存器用作用于集成电路其余寄存器的测量参量，借助其确定从何时起概括地说运行参数或者说个别集成电路的电源电压、温度和由制造决定的特性的组合不再允许时间正确的切换。

根据该原理也可监测运行范围的上极限(过大的电源电压、过低的温度)。在此情况下，寄存器切换更快并且信号越渡时间缩短。为了 能够识别该状态，这样连接寄存器12(Reg2)，使得该寄存器的维持时间(hold-time)正好尚可维持在允许的上运行范围内。当超出允许的运行范围时，该维持时间被打破。图3b示出将将在允许的上运行范围之下的运行情况的信号。维持时间th2正好尚被维持，而th3则还具有足够的余量。

图3c示出在允许的上运行范围之外的运行情况的信号。维持时间th2被打破并且寄存器2的输出信号延迟一个时钟周期。在此情况下异或门(图3a中的＝1)也识别出差异并因此生成复位信号。为了使寄存器Reg2中的维持时间正好尚维持在上运行范围内，借助另一延迟元件16将该寄存器与时钟信号的连接设计得比其它寄存器明显更长(与图2a比较参见图3a)。图3a中的电路借助延迟元件14和16——其不同地延迟两个与运行参数有关的装置12、13的输出信号——可同时监测运行参数规定的上极限值和下极限值并且因此可取代图2a中的电路。总之，根据图3a的装置的原理的基础在于，借助延迟元件14和另一延迟元件16使比较元件11的输入信号彼此相对地并且相对于时钟15延迟，使得在运行参数超出第一上阈值时输入信号(S2、S3)之一在由时钟信号(S1.1)为比较元件(11)规定的时刻基于规定的时间延迟改变其切换状态，并且在运行参数低出第二下阈值时所述另一输入信号(S2、S3)在由时钟信号(S1.1)为比较元件11规定的时刻基于规定的时间延迟改变其切换状态。在此延迟元件14、16分别设置在与运行参数有关的装置12、13的时钟输入端C1前面。

在集成电路中很容易实现这两个电路。在FPGA中根据图2a的电路比根据图3a的电路更容易被编程。

当电源电压减小到甚至监测电路也不再起作用的值上时，这也可极简单地通过不准确的集成电压监测装置识别出。极简单的传统的集成电压监测装置与在此所描述的监测装置的结合能够非常低成本地、但却极其准确地监测所有运行参数。

通过将监测电路设计成相应早地被触发，可在运行参数监测中影响可能希望的安全余量(Sicherheitsreserve)。

也可通过为运行参数监测装置设置两个不同的触发阈值来实现用于产生复位的滞后(参见图4)。触发阈值较不敏感的电路(图4中的B1)可激活复位并且当两个电路(图4中的B1和B2)检测到允许的运行范围时，复位可被再次撤消。

也可不直接由运行参数监测装置产生复位，而是在中间连接数字滤波器。

技术人员可以看出，本发明并不限于上面描述的实施例，而是可以以许多方式变化。也可使多个用于运行参数监测的装置并排设置或并联工作，以便例如监测集成电路内不同位置上的运行参数。

尤其是本发明可用于所有数字和/或逻辑电路中。另外，该电路可简单变型，以便以负维持时间运行。此外可以看出，与其是否在说明书、权利要求、附图中或以其它方式被公开无关，所述特征也单个地定义本发明的重要组成部分，即使它们与其它特征一起被描述。

Claims (12)

1.用于集成电路(1)运行参数监测的监测装置(10)，

所述监测装置构成为用于通过比较在一个比较元件(11)的至少两个输入端上的输入信号(S2、S3)的切换状态，在该比较元件(11)的至少一个输出端上生成这样的信号(S4)，该信号说明至少一个运行参数已经低出或超出规定的阈值，其中

监测装置(10)包括至少两个与运行参数有关的装置(12、13)，所述至少两个与运行参数有关的装置构成为用于产生输入信号(S2、S3)，并且所述输入信号根据所述至少一个运行参数的瞬时值在其切换特性中在时间上被延迟，

时钟信号(S1.1)连接到所述两个与运行参数有关的装置(12、13)上，所述时钟信号分别作为用于与运行参数有关的装置(12、13)的输入信号(S2、S3)，并且

延迟元件(14)设置在与运行参数有关的装置(12、13)之一前面，所述延迟元件构成为用于在比较元件(11)的所述输入信号(S2、S3)之间形成时间延迟，使得在运行参数超出规定的阈值的情况下，所述输入信号(S2、S3)之一在由时钟信号(S1.1)规定的时刻基于延迟而改变其切换状态，并且因此比较元件(11)显示不一致性并且因此以信号表示所述至少一个运行参数超出阈值。

2.根据权利要求1的监测装置(10)，其中，通过设置延迟元件(14)使其中一个输入信号(S1.2、S1.3)正好尚维持与运行参数有关的装置(12、13)之一的规定的上升时间或维持时间，以致在运行参数超出规定的阈值时，输入切换状态之一改变其切换状态并且因此比较元件(11)显示该不一致性并且因此以信号表示所述至少一个运行参数超出阈值。

3.根据权利要求1的监测装置(10)，其中，在响应一个共同的时钟(15)的情况下生成所述两个输入信号，所述时钟连接到所述两个与运行参数有关的装置(12、13)上并且连接到比较元件(11)上。

4.根据权利要求1至3之一的监测装置(10)，其特征在于，设置另一延迟元件(16)，以便借助所述延迟元件(14)和所述另一延迟元件(16)使比较元件(11)的输入信号彼此相对地并且相对于时钟(15)地被延迟，使得在运行参数超出第一上阈值时输入信号(S2、S3)之一在由时钟信号(S1.1)为比较元件(11)规定的时刻基于规定的时间延迟而改变其切换状态，并且，在运行参数低出第二下阈值时另一输入信号(S2、S3)在由时钟信号(S1.1)为比较元件(11)规定的时刻基于规定的时间延迟而改变其切换状态。

5.根据权利要求1至3之一的监测装置(10)，其特征在于，所述监测装置(10)在逻辑电路、微处理器、数字信号处理器、CPLD、FPGA和/或ASIC中实现。

6.根据权利要求1至3之一的监测装置(10)，其特征在于，所述与运行参数有关的装置(12、13)由D触发器实现。

7.根据权利要求1至3之一的监测装置(10)，其特征在于，所述比较元件(11)具有异或运算或者说异或功能。

8.根据权利要求1至3之一的监测装置(10)，其特征在于，所述监测装置具有用于时钟信号(14)的分频器。

9.根据权利要求1至3之一的监测装置(10)，其特征在于，所述监测装置具有电压监视器。

10.根据权利要求1至3之一的监测装置(10)，其特征在于，所述监测装置具有形式为其他带有存储功能的电路模块的存储器用来存储信号(S4)，该信号说明所述至少一个运行参数已经低出或超出规定的阈值。

11.用于运行参数监测的系统，其特征在于，所述系统具有至少两个根据权利要求1至10之一的监测装置(10)，所述监测装置分别具有不同触发阈值并且以并联布置来设置。

12.集成电路，其包括根据权利要求1至10之一的监测装置(10)或根据权利要求11的用于运行参数监测的系统。