CN103246304B - 一种片内基准电压生成电路、生成芯片及生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明适用于集成电路领域，提供了一种片内基准生成电路、片内基准生成芯片及片内基准电压生成方法，所述基准生成电路通过设置一个初始参数单元保存用于生成基准电压的初始参数使得适于基准电压生成的输入电源电压范围大幅拓宽；还提供一种包含上述电路的片内基准电压生成芯片；以及一种片内基准电压生成方法，将第一基准电压用于稳定电源从而保证校准工作，通过校准再生成高精度的第二基准电压，本发明的技术方案大幅提高基准电压生成对输入电源电压的适应能力的同时还确保了生成的基准电压的精度，并且还能大大降低基准电压生成的功耗。

Description

一种片内基准电压生成电路、生成芯片及生成方法

技术领域

本发明属于集成电路领域，尤其涉及一种片内基准电压生成电路、生成芯片及生成方法。

背景技术

在集成电路芯片中，系统在上电时通常需要有一个精准的基准电压作为参考。如果实际基准电压偏离设计基准值，即基准电压不够精准，就可能会影响芯片的功能实现，如果实际基准电压偏离超过一定范围时，甚至会导致芯片完全失效或发生损坏。

图1示出了现有技术中一种片内基准电压生成电路。钳位电路11将外部电源电压钳位并作为基准电压电路12的第一时间内的工作电压，在所述基准电压电路12开始工作后，将稳压电路13的输出电压作为基准电压电路12的工作电压。

其中，基准电压电路内部通常包含两个模块，一个是采用EFUSE(electricalpoly-fuse)模块作为基准电压生成的校准单元，一个是bandgap(带隙基准)模块。EFUSE模块的输出数据能保证带隙基准模块输出精度极高的电压。EFUSE模块的工作电压一般为2.5V，偏差要求在+/-10％以内，现有技术的电源必须在2.5V左右。(EFUSE介绍：eFuse的诞生源于几年前IBM工程师的一个发现：与更旧的激光熔断技术相比，电子迁移(EM)特性可以用来生成小得多的熔丝结构。采用I/O电路的片上电压(通常为2.5V)，一个持续200微秒的10毫安直流脉冲就足以编程单根熔丝)外部电源通常为单节干电池(1.0-1.5V)、双节干电池(2.0～3.0V)、锂电池(3.0V-4.2V)或者USB电源5V。

由于钳位电路只能降压，所以上述电路只能用于外部电源为锂电池或者USB电源的情况，即外部电源电压高于基准电压生成电路的工作电压的情况。

因此，现有技术不能在外部电源电压低于基准电压生成电路工作电压的情况下生成基准电压。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种片内基准电压生成电路、生成芯片及生成方法，能够在较宽的外部电源电压范围内生成高精度的片内基准电压，并且功耗大大降低。

本发明实施例是这样实现的，一种片内基准电压生成电路，所述电路包括：

钳位电路、初始参数单元、供电电源产生单元、校准单元、选择单元、控制单元，及基准电压生成单元；

所述钳位电路，用于对电源电压进行钳位；

所述初始参数单元，用于保存预设的初始参数，在钳位后的电压下工作输出所述初始参数；

所述供电电源产生单元，用于稳定输入的电源电压，输出稳压电源；

所述校准单元，用于以所述稳压电源为工作电压，输出校准参数；

所述选择单元，用于接收所述初始参数及校准参数并择一输出；

所述控制单元，用于经过预设时长后控制所述选择单元选择校准参数；

所述基准电压生成单元，用于根据所述初始参数生成用于所述稳定电源电压操作的第一基准电压，根据所述校准参数生成第二基准电压，所述第一基准电压作为所述供电电源产生单元的参考电压。

可选的本电路还可以包括一个锁存单元，用于将校准单元输出的校准参数锁存并输出到选择单元。

本发明实施例的目的还在于提供一种片内基准电压生成芯片，所述芯片包含上述的片内基准生成电路。

本发明实施例的目的还在于提供一种应用上述所述的片内基准电压生成电路的片内基准电压生成方法，所述方法包括下述步骤：

将电源电压钳位到预设的电压值；

初始参数单元在预设的电压值下输出预设的初始参数；

基准电压生成单元根据所述初始参数生成第一基准电压；

供电电源产生单元用所述第一基准电压作为参考源对电源进行稳压，输出稳压电源；

校准单元将所述稳压电源作为校准工作电压，输出校准参数；

控制单元经过预设时长控制选择单元选择所述校准参数并输出；基准电压生成单元根据所述校准参数生成第二基准电压。

优选的，经过预设时长后可以将所述校准参数进行锁存；

然后控制单元控制选择单元选择所述锁存的校准参数并输出；

关闭初始参数单元、供电电源产生单元以及校准单元，以降低功耗。

在本发明实施例中的基准电压生成电路通过增加一个对工作电压要求极低的初始参数单元来预设一组初始参数以生成一个第一基准电压，使得基准电压生成电路可以工作的输入电源电压范围大幅扩大，并且通过控制单元以及锁存单元适时锁存数据然后关闭其它单元大大降低该电路的功耗；而本发明实施例中的基准电压生成方法利用第一基准电压对电源电压进行稳压以后再用于校准单元的工作，确保了校准单元的稳定工作生成精准的校准参数，最终得到高精度的第二基准电压。

附图说明

图1为现有片内基准电压生成电路的结构图；

图2为本发明实施例提供的片内基准电压生成电路的结构图；

图3为本发明实施例提供的另一种片内基准电压生成电路的结构图；

图4为本发明实施例提供的片内基准电压生成电路的供电电源产生单元的电路结构图；

图5为本发明实施例提供的一种片内基准电压生成方法的实现流程图；

图6为本发明实施例提供的另一种片内基准电压生成方法的实现流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。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。

本发明提供了一种片内基准生成电路。下面结合附图对该基准生成电路进行详细说明。

图2示出了本发明实施例提供的片内基准生成电路的结构，为了便于说明，仅示出了与本发明相关的部分。

作为本发明一实施例提供的片内基准生成电路可应用于任何类型、任何功能的片内基准生成芯片中，该片内基准生成电路包括：

钳位电路20、初始参数单元21、供电电源产生单元25、校准单元26、选择单元22、控制单元23以及基准电压生成单元24；

该钳位电路20，用于对电源电压进行钳位；

该初始参数单元21，用于保存预设的初始参数，由钳位后的电压启动输出该初始参数；

该供电电源产生单元25，用于稳定电源电压，输出稳压电源；

该校准单元26，用于以稳压电源为工作电压，输出校准参数；

该选择单元22，用于接收初始参数及校准参数并择一输出；

该控制单元23，用于控制选择单元选择校准参数；

该基准电压生成单元24，用于根据初始参数生成用于稳定电源电压操作的第一基准电压VREF1，根据校准参数生成第二基准电压VREF2。

下面结合实施例具体说明：

钳位电路20，其输入端连接到电源输出端，用于将电源电压钳位到预设的电压值，比如0.7伏，然后输出。

初始参数单元21，该初始参数单元21的供电端与钳位电路20的输出端连接，用于保存预设的初始参数。初始参数单元21是数字电路，只要极低的电压就可以工作，比如对电源电压钳位得到的0.7伏，所以无论外部电源通常为单节干电池(1.0-1.5V)、双节干电池(2.0～3.0V)、锂电池(3.0V-4.2V)或者USB电源5V，都可以钳位以后降低到0.7v使初始参数单元工作；初始参数单元21开始工作时输出一组初始参数，如8bit二进制数据11110000B。作为本发明一实施例，初始参数单元21的内部存储结构参考图3所示，为了便于说明，仅示出了与本发明相关的部分，该初始参数单元21包括多组寄存器，以其中一个寄存器为例：当电阻R连接到VSS时，则默认的输出数据为1；当电阻R连接到钳位后的电压VDD_TP时，默认的数据为0。在通过总线(MCU BUS)对初始参数进行读/写(READ/WRITE)时，以8bit二进制数据11110000B为例，对应的低4bit(bit0-bit3)电路中的R接到VDD_TP，高4bit电路中的R接到VSS。初始参数也可以由3位寄存器bit组成，对应000＝0，001＝1，010＝2，011＝3，...，111＝7，初始参数可以随时自主设定。

选择单元22，该选择单元22的第一输入端与初始参数单元21的输出端连接，用于对输入数据进行选择性输出，默认开启的是初始参数的通路，即默认选择初始参数单元21的输出；

控制单元23，包括一个计时器，在电源接入之时开始计时，计时经过预设时长则发出计时满信号，然后控制单元23就会发出控制信号，该控制单元23的输出端与选择单元22的控制端连接，用于进行数据选择控制。并且控制单元23的输出端还连接到钳位电路20的控制端、初始参数单元21的控制端、基准电压生成单元24的控制端、供电电源产生单元25的控制端以及校准单元26的控制端。

基准电压生成单元24，该基准电压生成单元24的输入端与选择单元22的输出端连接，基准电压生成单元24的输出端与芯片内的功能电路的输入端连接。基准电压生成单元24根据输入的初始参数，通过数模转换及带隙基准电路将其转换成第一基准电压VREF1输出。因为制造工艺的影响，生成的第一基准电压VREF1会有+/-10％的偏差。

供电电源产生单元25，该供电电源产生单元25的供电端连接到电源，供电电源产生单元25的输入端连接到基准电压生成单元24的输出端，用于将基准电压生成单元24生成的第一基准电压VREF1作为参考源，对电源电压进行稳压调整，输出稳压电源；当供电电源产生单元25的电源输入端的电压和基准电压输入端的第一基准电压VREF1同时存在时，供电电源产生单元25自动开始工作，供电电源产生单元25可以表现为升压功能，将输入的电源电压升压，由于第一基准电压VREF1有+/-10％的偏差，因此输出的稳压电源电压也会有+/-10％的偏差。供电电源产生单元25实现稳压调整的具体实现方式为现有技术，此处不再赘述。

校准单元26，该校准单元26的供电端与供电电源产生单元25的输出端连接，校准单元26的输出端与选择单元22的第二输入端连接，用于供电电源产生单元25输出的稳压电源供电后，对第一基准电压VREF1进行校准。本实施例中校准单元26采用EFUSE电路，它对可工作的输入电压范围要求较为严格，其偏差需满足在+/-10％以内。比如定义校准单元26工作电压为2.5V，则只有在稳压电源等于2.5*(1-10％)V至2.5*(1+10％)V这个范围内校准单元26才可正常工作，才有正常数据输出，否则校准单元26都不能工作。而供电电源产生单元55提供给校准单元26的误差范围在+/-10％，正好可以保证校准单元26的稳定工作。当校准单元26开始工作时，输出一组校准参数，这组数值在晶圆测试时已经被校准赋值，不同的芯片对应的二进制数值不一样，随制作工艺偏差而不同。校准参数的校准赋值过程如下：在晶圆测试阶段，初始参数(如二进制数据11110000B)连接到基准电压生成单元24产生第一基准电压VREF1，测试机台测量第一基准电压VREF1的大小并记录；将第一基准电压VREF1值与目标基准电压值相减得到电压偏差；如果将两个相邻的二进制数对应的基准电压数值大小相差设计为Vstep，那么二进制数据11110001B对应的电压值就是第一基准电压VREF1加上Vstep，将电压偏差除以Vstep取整转换成偏差数据，则校准参数＝初始参数+偏差数据；最后将校准参数烧录赋值到校准单元26的EFUSE电路中。然后只要校准单元26的供电电压满足其工作电压需求，校准单元26就可以输出校准参数。

控制单元23，计时一段时间Tn后可判断为校准单元26供电的稳压电源为稳定状态并且校准单元26已经输出稳定的校准参数，从而发出控制信号，控制选择单元22选择校准参数作为基准电压生成单元24的数据输入。供电电源产生单元25从工作到输出稳定的稳压电源需要时间，校准单元26从开始工作到输出较精准的校准参数也需要时间，所以通过设置一个延迟Tn，可以确保选择单元22选择的是校准单元26稳定工作以后输出的校准参数。

由于校准参数是再次校准的结果，因此其对应的基准电压值非常精确，一般可做到+/-0.5％以内的偏差。并且此时供电电源生成单元55是以第二基准电压VREF2作为参考的，因此其输出的稳压电源与第二基准电压VREF2具有相同的比例精度，即+/-0.5％。

优选的，如图4所示，本实施例中的基准生成电路还可以包括一个：

锁存单元27，用于将所述校准参数进行锁存；

锁存单元27的输入端连接到校准单元26的输出端，锁存单元27的控制端也连接到控制单元23的输出端，锁存单元27的输出端连接到选择单元22的第二输入端，在经过Tn时长以后被控制单元启动接收校准参数，锁存单元27将这些数据稳定住，并且消耗非常小的电流。一旦这些数据被锁存，即使锁存单元27的输入端的数据再改变，其输出端的数据也不会改变。所以锁存了校准参数以后，停止钳位电路、初始参数、稳压电源及校准参数的输出都不会再影响功能电路的工作了，非常有利于降低芯片功耗。

最后，在锁存了校准参数以后，由于控制单元23的输出端还连接到钳位电路和20初始参数单元21的控制端、供电电源产生单元25的控制端以及校准单元26的控制端，在锁存了校准参数以后，可以发出控制信号停止上述单元的工作。

在本发明实施例中的基准电压生成电路通过增加一个对工作电压要求极低的初始参数单元21来预设一组初始参数用以生成一个第一基准电压VREF1，使得基准电压生成电路可以工作的电压范围大幅扩大，并且通过控制单元23以及锁存单元27适时锁存数据然后关闭其它单元大大降低该电路的功耗。

图5示出本发明第一实施例提供的应用上述片内基准电压生成电路的片内基准电压生成方法的实现流程，为了便于说明，仅示出了与本发明相关的部分。

作为本发明一实施例，片内基准电压生成方法包括下述步骤：

步骤S601，将电源电压钳位到预设的电压值；

步骤S602，初始参数单元在预设的电压值下输出预设的初始参数；

步骤S603，基准电压生成单元根据所述初始参数生成第一基准电压；

步骤S604，供电电源产生单元用所述第一基准电压作为参考对电源进行稳压，输出稳压电源；

步骤S605，校准单元将所述稳压电源作为校准工作电压，输出校准参数；

步骤S606，控制单元经过预设时长控制选择单元选择所述校准参数并输出；

步骤S607，基准电压生成单元根据所述校准参数生成第二基准电压。

在步骤S601中，当电源接到钳位电路的电源输入端时，钳位电路开始工作，将输出端电压钳位到预设的数值，比如0.7V。

在步骤S602中，数字电路构成的初始参数单元可以在0.7v的电压下工作输出一组预设的数据，如二进制数据11110000B，该组数据可以随时自主设定。

步骤S603中，受工艺影响，初始参数在不同芯片内的生成的基准电压往往会有+/-10％的误差，所以第一基准电压的误差也在+/-10％，误差还比较大，不适于直接作为功能电路的基准电压，还需要校准

并且，步骤S603中的具体操作为：

S6031、将所述初始参数转换成模拟信号；

S6032、根据所述模拟信号生成第一基准电压

数据转换可以通过一个常见的数模转换器实现，而用模拟信号生成第一基准电压可以通过常见的带隙基准电路实现。

在步骤S604中，将第一基准电压等比例转换后作为参考信号，然后将电源电压与该参考信号进行比较，当电源电压高于该参考信号时，对电源电压执行降压处理，当电源电压低于该参考信号时，对电源电压执行升压处理，以达到稳定电源电压的目的，由于利用基准电压对电源进行稳压的技巧是本技术领域公知常识，此处不再进行详述。

由于第一基准电压信号受芯片制造工艺的制约，其误差率为+/-10％，因此该稳压电源的精度也为+/-10％。

在步骤S605中，本实施例中校准单元采用EFUSE电路，它对可工作的输入电压范围要求较为严格，其偏差需满足在+/-10％以内。而前述稳压电源的精度正好在+/-10％，可以使校准单元稳定工作，校准单元稳定工作后输出校准参数，所述校准参数可以是二进制数据或其它数值，这组数值在晶圆测试时已经被校准赋值，比如：在晶圆测试阶段，初始参数(如二进制数据11110000B)连接到基准电压生成单元产生第一基准电压，测试机台测量第一基准电压的大小并记录；将第一基准电压值与目标基准电压值相减得到电压偏差；如果将两个相邻的二进制数对应的基准电压数值大小相差设计为Vstep，那么二进制数据11110001B对应的电压值就是第一基准电压加上Vstep，将电压偏差除以Vstep取整转换成偏差数据，则校准参数＝初始参数+偏差数据；最后将校准参数烧录赋值到EFUSE电路即校准单元中。然后只要校准单元的供电电压满足其工作电压需求，校准单元就可以输出校准参数。

在步骤S606中，计时一段时间Tn后可判断为校准单元供电的稳压电源为稳定状态并且校准单元已经输出稳定的校准参数，从而发出控制信号，控制选择单元选择校准参数作为基准电压生成单元的数据输入。控制信号在整个电路上电时为低，默认选择的是第一条通路即初始参数，此时计时器开始计时，一段时间Tn后可认为校准单元已经正常工作(供电电源产生单元从有输入到稳定需要一定时间，校准单元从供电到正常输出校准参数也需要一定时间)，于是控制单元选择第二条通路即校准参数的通路。

在步骤S607中，根据校准参数生成第二基准电压。由于经过校准，第二基准电压的精度就可以保证在+/-0.5％以内，是高精度的基准电压，能够满足功能电路的工作需要。

具体的，S607也包括：

S6071、将所述校准参数转换成模拟信号；

S6072、根据所述模拟信号生成第二基准电压。

数据转换可以通过一个常见的数模转换器实现，而用模拟信号生成第一基准电压可以通过常见的带隙基准电路实现。

图6为本发明实施例提供的另一种片内基准电压生成方法的实现流程图，详细如下：

步骤S701，将电源电压钳位到预设的电压值；

步骤S702，初始参数单元在预设的电压值下输出预设的初始参数；

步骤S703，基准电压生成单元根据所述初始参数生成第一基准电压；

步骤S704，供电电源产生单元用所述第一基准电压作为参考对电源进行稳压，输出稳压电源；

步骤S705，校准单元将所述稳压电源作为校准工作电压，输出校准参数；

步骤S706，控制单元经过预设时长控制选择单元选择所述校准参数并输出；

步骤S707，经过预设时长后将所述校准参数进行锁存；

步骤S708，控制单元控制选择单元选择所述锁存的校准参数并输出；

步骤S709，关闭初始参数单元、供电电源产生单元以及校准单元；

步骤S710，基准电压生成单元根据所述校准参数生成第二基准电压。

在本发明实施例中，通过设置一个预设时间T0，当计时T0后，判定稳压电源进入稳定输出状态使得校准单元已经稳定工作，并且生成的校准参数已经是精确的了。此时停止输出初始参数，然后将校准参数进行锁存，以供选择，并且停止输出稳压电源及校准参数，进一步大大地降低了芯片的功耗。

以上的降低芯片功耗的步骤顺序只是实施例之一，本技术领域人员很容易基于本实施例的启示而变换步骤顺序达到同样的效果。

在本发明实施例中，可以由低电压供电输出初始参数生成第一基准电压，虽然第一基准电压的精度不够高，但是可以用来稳压，稳压得到的电压精度能够满足校准工作的需求，从而保证校准工作的进行，再使用校准得到的校准参数生成第二基准电压，以得到高精度的基准电压，使得基准电压生成的工作电压范围大幅扩大，从而兼容更多的电源种类。并且通过预设一个时间后，才选择校准参数，进一步保证校准的稳定性和准确度，还当输出校准参数后，停止初始参数输出、并对校准参数进行锁存，然后停止初始参数输出、稳压电源输出以及校准参数生成，以降低芯片的功耗。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种片内基准电压生成电路，其特征在于，所述电路包括：

钳位电路、初始参数单元、供电电源产生单元、校准单元、选择单元、控制单元，及基准电压生成单元；

所述钳位电路，用于对电源电压进行钳位，所述钳位电路的输入端连接到电源输出端；

所述初始参数单元，用于保存预设的初始参数，在钳位后的电压下工作输出所述初始参数，所述初始参数单元的供电端与所述钳位电路的输出端连接，所述初始参数单元是数字电路；

所述供电电源产生单元，用于将所述基准电压生成单元生成的基准电压作为参考源，对电源电压进行稳压调整，输出稳压电源，所述基准电压包括第一基准电压和第二基准电压；

所述校准单元，以所述稳压电源为工作电压，生成校准参数；

所述选择单元，用于接收所述初始参数及校准参数并择一输出；

所述控制单元，用于经过预设时长后发出控制信号控制所述选择单元选择校准参数；

所述基准电压生成单元，用于根据所述初始参数生成第一基准电压，根据所述校准参数生成第二基准电压。

2.如权利要求1所述的片内基准电压生成电路，其特征在于，所述控制单元包括一个计时器，用于计时并且在计时达到预设时长时发出计时满信号，所述计时满信号使所述控制单元发出控制信号。

3.如权利要求1所述的片内基准电压生成电路，其特征在于，所述片内基准生成电路还包括：

锁存单元，用于将校准单元生成的校准参数锁存并输出到选择单元。

4.如权利要求3所述的片内基准电压生成电路，其特征在于所述控制单元还用于发出控制信号控制所述锁存单元，以及所述钳位电路和初始参数单元、所述供电电源产生单元和校准单元的关断。

5.如权利要求1所述的片内基准电压生成电路，其特征在于所述基准电压生成单元包括：

数模转换器，用于将收到的数据转换成模拟信号；

带隙基准电路，用于根据所述模拟信号生成基准电压。

6.一种片内基准电压生成芯片，其特征在于，所述芯片包含如权利要求1至5任一项所述的片内基准生成电路。

7.一种应用于如权利要求1所述的片内基准电压生成电路的片内基准电压生成方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：

将电源电压钳位到预设的电压值；

初始参数单元在预设的电压值下输出预设的初始参数；

基准电压生成单元根据所述初始参数生成第一基准电压；

供电电源产生单元用所述第一基准电压作为参考源对电源进行稳压，输出稳压电源；

校准单元将所述稳压电源作为校准工作电压，生成校准参数；

控制单元经过预设时长控制选择单元选择所述校准参数并输出；

基准电压生成单元根据所述校准参数生成第二基准电压，供所述供电电源产生单元作为参考源再次对电源进行稳压，输出稳压电源。

8.如权利要求7所述的片内基准电压生成方法，其特征在于，所述生成第一基准电压的具体步骤为：

将所述初始参数转换成模拟信号；

根据所述模拟信号生成第一基准电压。

9.如权利要求7所述的片内基准电压生成方法，其特征在于，所述生成第二基准电压的具体步骤为：

将所述校准参数转换成模拟信号；

根据所述模拟信号生成第二基准电压。

10.如权利要求7所述的片内基准电压生成方法，其特征在于，所述控制单元经过预设时长控制选择单元选择所述校准参数并输出的步骤包括：

经过预设时长后将所述校准参数进行锁存；

控制单元控制选择单元选择所述锁存的校准参数并输出；

停止所述初始参数的输出、所述稳压电源的输出以及校准参数的生成。