CN104054247A - 具有集成电压控制器的集成电路装置 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示一种集成电路装置(100)，其具有：外壳(105)，其具有多个外部接针(140)；中央处理单元(CPU，110)，其以内部核心电压(Vint)操作且与所述多个接针耦合；及内部切换模式电压调节器(180)，其通过所述多个外部接针的至少第一及第二外部接针而接收比所述内部核心电压(Vint)更高的外部供应电压(Vext)且产生所述内部核心电压，其中所述内部切换模式电压调节器通过所述多个外部接针的至少另一外部接针而与至少一外部组件耦合。

Description

具有集成电压控制器的集成电路装置
技术领域
本申请案的技术领域涉及集成电路装置，特定来说，本申请案的技术领域涉及一种具有集成电压调节器的微处理器或微控制器。
背景技术
微处理器或微控制器通常包括中央处理单元(CPU)及用特定技术制造的接口。微控制器除包括存储器以外，也包括多个外围装置以在可应用于许多应用中的芯片上形成系统。现代处理器(例如微处理器及微控制器)归因于改良处理技术而占据较小空间。随着处理几何结构减小，所述装置中的操作电压或核心电压也减小。虽然常见的是使用例如5伏特的供应电压，但更新装置仅使用3.3伏特或甚至更小。在0.18微米处理技术中，内部核心电压为1.8伏特。其它技术甚至可将电压进一步减小到例如1.2伏特。虽然电路板通常被设计成使用3.3伏特或5伏特作为供应电压，但许多微处理器及/或微控制器通过集成电压调节器而产生例如1.8伏特的内部核心电压或甚至更低核心电压。所述电压调节器为传统线性调节器。因此，可出现高达45％((3.3伏特到1.8伏特)/3.3伏特＝45％)的通过线性电压调节器而转换成热的输入电力损耗。所述能量浪费在任何电池操作装置中会更显著。
因此，需要存在一种包括CPU的改良集成电路装置。
发明内容
根据一实施例，集成电路装置可包括：外壳，其具有多个外部接针；中央处理单元(CPU)，其以内部核心电压操作且与所述多个接针耦合；及内部切换模式电压调节器，其通过所述多个外部接针的至少第一及第二外部接针而接收比所述内部核心电压更高的外部供应电压且产生所述内部核心电压，其中所述内部切换模式电压调节器通过所述多个外部接针的至少另一外部接针而与至少一外部组件耦合。
根据另一实施例，外部组件可包括电感器。根据另一实施例，外部组件可包括电感器及电容器，其中所述电感器是耦合于多个外部接针的第三与第四外部接针之间且所述电容器是耦合于所述第四外部接针与接地之间。根据另一实施例，内部切换模式电压调节器可为降压调节器。根据另一实施例，集成电路可进一步包括以核心电压操作的多个外围装置。根据另一实施例，集成电路可进一步包括可操作以启用或停用所述降压调节器的电力管理单元。根据另一实施例，外部供应电压可为约3.3伏特且内部核心电压为约1.8伏特。根据另一实施例，所述降压调节器可包括与触发器耦合的误差放大器，所述触发器的输出控制驱动单元以控制串联耦合于外部供应电压与接地之间的两个功率场效晶体管，其中所述两个功率场效晶体管之间的节点与所述第三外部接针耦合且所述误差放大器与所述第四外部接针耦合。根据另一实施例，可通过特殊功能寄存器而微调所述降压调节器的功能。根据另一实施例，可通过至少一熔断器而微调所述降压调节器的功能。根据另一实施例，所述降压调节器可进一步包括欠压锁定装置及一热关断装置。根据另一实施例，所述降压调节器可以脉宽调制与脉频调制的组合操作。
根据另一实施例，电路板可包括如上文所描述的集成电路装置及以外部供应电压操作的多个另外集成电路装置，其中所述电路板将作为唯一电源电压之外部供应电压提供到集成电路。
根据另一实施例，电路板可包括如上文所描述的集成电路装置及以外部供应电压操作的多个另外集成电路装置，其中所述电路板将外部供应电压提供到集成电路且不提供其它供应电压到集成电路，所述电路板进一步包括至少一低电压集成电路装置，其中所述至少一低电压集成电路装置的电源接针与集成电路装置的第四接针耦合。
根据又一实施例，操作集成电路装置的方法可包括：提供供应电压；提供具有以比所述外部供应电压更低的内部核心电压操作的中央处理单元(CPU)的集成电路装置；将所述供应电压供给到所述集成电路；通过切换模式电压调节器而在所述集成电路装置内产生所述内部核心电压，所述切换模式电压调节器经由至少一外部连接接针而连接到至少一外部组件。
根据方法的另一实施例，外部组件可包括电感器。根据方法的另一实施例，外部组件可包括电感器及电容器，其中所述电感器是耦合于多个外部接针的第三与第四外部接针之间且所述电容器是耦合于所述第四外部接针与接地之间。根据方法的另一实施例，内部切换模式电压调节器可为降压调节器。根据方法的另一实施例，方法可进一步包括以核心电压操作的多个外围装置。根据方法的另一实施例，方法可进一步包括通过电力管理单元而启用或停用所述降压调节器的步骤。根据方法的另一实施例，外部供应电压可为约3.3伏特且内部核心电压为约1.8伏特。根据方法的另一实施例，方法包括：由与误差放大器耦合的触发器控制驱动单元，其中所述驱动单元控制串联耦合于外部供应电压与接地之间的两个功率场效晶体管，其中所述两个功率场效晶体管之间的节点与所述第三外部接针耦合且所述误差放大器与所述第四外部接针耦合。根据方法的另一实施例，方法可进一步包括通过对特殊功能寄存器编程或设定至少一熔断器而微调所述降压调节器的至少一功能的步骤。根据方法的另一实施例，所述降压调节器进一步包括欠压锁定装置及热关断装置。根据方法的另一实施例，方法可进一步包括以脉宽调制与脉频调制的组合操作所述降压调节器。
所属领域的技术人员将易于从以下图式、描述及技术方案明白本发明的其它技术优点。本申请案的各种实施例可仅获得所阐释优点的子集。对于所述等实施例而言，任何一个优点都不是至关重要。
附图说明
可通过参考结合附图的以下描述而获得本发明及其优点的更完全了解，其中相同组件符号指示相同特征，其中：
图1是展示根据一实施例的微控制器的框图；
图2展示可与微控制器集成的例示性降压调节器的实施例；
图3展示微处理器的另一实施例；
图4展示如图1及图3中所展示的微处理器或微控制器的应用，其中其它组件位于电路板上。
具体实施方式
特定来说，电池供电微控制器(MCU)应用需要使电力消耗最小化。虽然可提供外部电压调节器，但所述解决方案通常无法接受空间及成本要求。再者，使用所述低内部核心电压的装置仅可与集成线性电压调节器一起使用，所述会导致电池寿命缩短。因此，无法使用更有效率的外部调节器。
根据各种实施例，包括CPU(例如微处理器或微控制器)的集成电路装置可拥有切换模式电力调节器，例如内部降压调节器。所述切换式电压调节器可被设计成非常有效率。根据各种实施例，所述内部切换模式电压调节器可被设计成仅需要最少外部组件(例如电感器和大电容器)。可集成全部其它组件(例如电力晶体管及控制电路)，其中根据各种实施例，某些外围功能可与内部调节器组合以进一步节省硅裸片上的占用面积。再者，以下实施例展示降压调节器作为切换模式电压调节器。然而，虽然所述应用特别有益，但其它切换模式电压调节器可取代所述降压调节器。
图1展示根据实施例的微控制器100的框图。为更佳地概述，图1仅展示组件之间的某些连接。各连接可根据相应功能性而表示单一或多个连接线。一些连接是可替代的且可能不需要，如所属领域的技术人员所了解。
集成芯片100是嵌入到具有多个外部接针140的外壳105中。作为微控制器典型的，集成芯片100包括中央处理单元110、多个外围装置120及存储器130。这些外围装置中的一者可为脉宽调制模块150。此外，根据一实施例，微控制器包括集成切换模式电压调节器180，例如降压调节器。根据一实施例，所述降压调节器使用例如由脉宽调制模块150提供的某些外围功能。然而，根据其它实施例，切换模式电压调节器180可不需要来自微控制器的资源。在所述情况中，全部外围功能可供用户使用。微控制器可包括内部系统及/或外围总线。图1中展示另外功能单元或模块，例如中断控制器190、时钟系统170(其可将一或多个时钟信号供应到脉宽调制模块150及切换模式电压调节器180)。可提供电力管理模块165，其可尤其在系统切换到低电力模式时控制某些功能以进一步减少装置的电力消耗。电力管理模块可以通过外部接针140a及140b提供的外部供应电压操作。因此，电力管理模块165可经配置以关断除自身以外的微控制器的全部其它组件，其中电力管理单元可在处于睡眠模式时仅需要非常小的供应电流。为此，切换模式电力调制器180可操作以通过电力管理模块165而接通或断开。
降压调节器180与外部供应电压Vext连接且通过外部接针140a及140b而与接地连接。如上文所提及，降压调节器可被设计成仅需要最少外部组件。在图1所展示的实施例中，外部上仅需要单一电感器182及电容器185。所述组件182、185经由两个额外外部接针140c及140d而与集成降压调节器180连接。为此，电感器182是耦合于第一额外外部接针140c与140d之间，其中电容器是耦合于第二额外外部接针140d与接地之间。降压调节器180产生较低核心电压且将其内部地供应到以所述电压(如内部电压输出Vint所指示)操作的各种微控制器结构。然而，由于可在外部连接VFB处使用核心电压Vint，所以电路板上的其它组件可连接到所述接针。
图2展示微控制器内的降压调节器的可行实施方案的更详细电路图。然而，可在微控制器内使用其它设计。图2中所展示的降压调节器包括欠压锁定单元205及能带隙参考210，其各自通过外部接针140a而与外部供应电压连接。软起动单元215与能带隙参考210的输出端连接且提供参考电压Vref。第一运算放大器250使其非反相输入端接收参考电压Vref且使其反相输入端接收反馈信号。通过外部接针140d及滤波网络(其由耦合于反馈接针140d与比较器250的输出端之间的电阻器255、260、275及280与电容器265、270及285组成)而获得反馈信号。运算放大器250的输出端与第一比较器245的输入端耦合，第一比较器245的输出控制触发器240的R输入。触发器240的S输入端接收脉冲信号。触发器240的输出驱动控制功率MOSFET295及297的开关驱动逻辑及时序模块235。第二比较器比较由传感器225测量的输入到MOSFET295中的电流与参考值ILIMpwm，且产生供给到模块235的控制信号+ILPK。类似地，第三比较器222比较从MOSFET297输出的通过传感器227的电流与参考值Vref，且产生供给到模块235的控制信号-ILPK。求和点230接收来自传感器225的输入电流测量信号及参考锯齿形信号。求和点230的输出被供给到第一比较器。降压调节器可进一步包括热关断模块290。另外，可将微调单元217提供给降压调节器180的某些单元。替代地，降压调节器的某些单元或功能可经配置以通过控制单元(例如微控制器)来微调(例如通过一或多个特殊功能寄存器160或通过至少一或多个熔断器等等)。用于微调的特殊功能寄存器160也可有利地为具非易失性的配置寄存器。特殊功能寄存器160(尤其是非易失性配置寄存器)可用于控制降压调节器的其它功能及参数，例如输出电压、输出电流、能带隙的参数、过压或欠压保护等等。
图2中所展示的降压调节器180为同步降压调节器，其在脉频调制(PFM)模式或脉宽调制(PWM)模式下操作以最大化整个操作电流范围内的系统效率。然而，可使用如上文所提及的其它切换模式电压调节器。由于能够操作例如从2.7伏特到5.5伏特的输入电压源，所以降压调节器180可(例如)输送500毫安的连续输出电流。当处于PWM模式时，装置以(例如)2.0兆赫(典型)的恒定频率切换以容许有较少滤波组件。可提供各种固定电压，例如1.2伏特、1.5伏特、1.8伏特、2.5伏特、3.3伏特。另外，装置的特征为：单元205的欠压锁定(UVLO)、单元290的过热关断、过电流保护及启用/停用控制(其可受控于电力管理模块165)。
降压调节器180具有容许装置在整个操作电流及电压范围内维持高水平效率的两个不同操作模式。装置根据输出负载要求而在PWM模式与PFM模式之间自动切换。在重负载条件期间，降压调节器180以使用电流模式控制的(例如)2.0兆赫(典型)的高固定切换频率操作。此情形使输出波动(通常为10毫伏特到15毫伏特)并使噪声最小化，同时维持高效率(通常为88％，其中VIN＝3.6伏特、VOUT＝1.8伏特、IOUT＝300毫安)。在正常PWM操作期间，当内部P沟道MOSFET295接通时，开始切换循环。感测斜坡电感器电流且使其与内部高速比较器245的一个输入关联。高速比较器的另一输入为误差放大器输出。此为0.8伏特内部参考电压与经分压(divided down)输出电压之间的差异。当所感测的电流变为等于经放大的误差信号时，高速比较器245切换状态且P沟道MOSFET295被断开。N沟道MOSFET297被接通，直到内部振荡器设定内部RS锁存器以启动另一切换循环为止。针对以下条件的任何者而启动PFM到PWM的模式转变：连续装置切换及输出电压已失调。
根据一实施例，在轻负载条件期间，降压调节器180在PFM模式中操作。当降压调节器180进入此模式时，其开始跳过脉冲以通过减小每秒的切换循环数而最小化非必要静态电流汲取。所述装置的典型静态电流汲取为例如45微安培。针对以下条件的任何者而启动PWM到PFM的模式转变：在设定持续时间内感测不连续电感器电流，且电感器峰值电流下降到低于转变阈值限制。在起动期间控制降压调节器180的输出。所述控制容许在起始于VIN升高到高于UVLO电压或SHDN被启用的起动期间存在极小量的VOUT过冲(overshoot)。
过热保护电路290是集成到降压调节器180中。所述电路监测装置接面温度且在接面温度超过典型150℃阈值的条件下切断装置。如果超过所述阈值，那么装置将在接面温度下降约10℃之后自动重新起动。在过热条件期间重新设定软起动单元215。
逐循环电流限制用于在施加外部短路时保护降压调节器180免受损坏。典型峰值电流限制为例如860毫安。如果所感测的电流达到860毫安限制，那么即使输出电压未在调节中，P沟道MOSFET295也被断开。装置将试图在内部振荡器设定内部RS锁存器时起动新的切换循环。
UVLO特征使用比较器来感测输入电压(VIN)电平。如果输入电压低于适当操作降压调节器180的所需电压，则UVLO特征将使转换器保持关闭。当VIN升高至所需输入电压以上时，释放UVLO且软起动开始。将滞后内置于UVLO电路中以补偿输入阻抗。例如，如果输入电压源与操作时的装置之间存在任何电阻，那么装置的输入端处将存在等于IIN×RIN的电压降。典型滞后为140毫伏特。
图3展示呈微处理器形式的类似装置。相同组件具有相同组件符号。此处，可仅提供将所述装置连接到外部外围装置及存储器的接口模块320以取代多个外围装置。处理器300也具有外壳305，其含有微处理器的全部基本组件。根据其它实施例，所述装置也可包括高速缓冲存储器。切换模式电力调节器180也可为如图2中所展示及如上文所论述的降压调节器。
图4展示包括如图1及图3中所展示的集成电路装置100或300的印刷电路板。所述印刷电路板包括多个导电路径或线路410、425、426、460、470、480及连接垫440与450。此外，图中展示额外组件182、185、420及430。当然，电路板400可包括更多或更少组件及额外电路线路。由外部电源产生的外部供应电压被供给到连接垫440和450，使得接地连接到连接垫450且(例如)3.3伏特电压连接到连接垫440。线路460及470使电源与集成电路装置100/300的电源接针140a、140b连接。由集成电路装置100/300的内部组件及外部组件182、185形成的降压转换器产生1.8伏特的内部核心电压。为此，电路板400提供导电线路410及480以使电感器182及电容器185与集成电路装置100/300的额外接针140c及140d适当连接。电路板可包括以3.3伏特的较高供应电压操作的多个其它组件。图4展示组件符号为430的一个此类组件。然而，可存在多个所述组件。因此，组件430分别通过电路线路460及470的延伸部直接连接到连接垫440及450。另外，电路板可包括以1.8伏特的较低核心电压操作的组件。图4展示组件符号为420的一个此类组件。在所述组件自身不具有电压调节器的情况中，当接收反馈信号VFB的外部接针140d具有例如1.8伏特的调节核心电压时，装置可连接到接地垫450及集成电路装置100/300的外部接针140d。以所述电压操作的其它组件也可连接到所述接针140d。
因此，本发明经适当调适以实施目的且实现所提及的目标及优点以及本发明内的固有其它者。虽然已通过参考本发明的特别好的实施例而描绘、描述及界定本发明，但所述参考不隐含对本发明的限制，且无法推知所述限制。如一般技术者所了解，本发明能够在形式及功能上进行大幅修改、改动及等效。本发明的所描绘及所描述的较佳实施例仅具例示性，且未穷举本发明的范围。因此，本发明意欲仅受限于随附权利要求书的精神及范围，同时充分认知全部方面中的等效物。

Claims (25)

1.一种集成电路装置，其包括：
外壳，其具有多个外部接针；
中央处理单元CPU，其以内部核心电压操作且与所述多个接针耦合；
内部切换模式电压调节器，其通过所述多个外部接针的至少第一及第二外部接针而接收比所述内部核心电压更高的外部供应电压且产生所述内部核心电压，其中所述内部切换模式电压调节器通过所述多个外部接针的至少另一外部接针而与至少一个外部组件耦合。
2.根据权利要求1所述的集成电路装置，其中所述外部组件包括电感器。
3.根据权利要求1所述的集成电路装置，其中所述外部组件包括电感器及电容器，其中所述电感器耦合于所述多个外部接针的第三与第四外部接针之间且所述电容器耦合于所述第四外部接针与接地之间。
4.根据权利要求3所述的集成电路装置，其中所述内部切换模式电压调节器为降压调节器。
5.根据权利要求3所述的集成电路装置，其进一步包括以所述核心电压操作的多个外围装置。
6.根据权利要求3所述的集成电路装置，其进一步包括可操作以启用或停用所述降压调节器的电力管理单元。
7.根据权利要求3所述的集成电路装置，其中所述外部供应电压为约3.3伏特，且所述内部核心电压为约1.8伏特。
8.根据权利要求4所述的集成电路装置，其中所述降压调节器包括与触发器耦合的误差放大器，所述触发器的输出控制驱动单元以控制串联耦合于所述外部供应电压与接地之间的两个功率场效晶体管，其中所述两个功率场效晶体管之间的节点与所述第三外部接针耦合，且所述误差放大器与所述第四外部接针耦合。
9.根据权利要求8所述的集成电路装置，其中可通过特殊功能寄存器而微调所述降压调节器的功能。
10.根据权利要求8所述的集成电路装置，其中可通过至少一个熔断器而微调所述降压调节器的功能。
11.根据权利要求8所述的集成电路装置，其中所述降压调节器进一步包括欠压锁定装置及热关断装置。
12.根据权利要求8所述的集成电路装置，其中所述降压调节器以脉宽调制与脉频调制的组合操作。
13.一种电路板，其包括根据权利要求1所述的集成电路装置及以所述外部供应电压操作的多个其它集成电路装置，其中所述电路板将所述外部供应电压作为唯一电源电压提供到所述集成电路。
14.一种电路板，其包括根据权利要求3所述的集成电路装置及以所述外部供应电压操作的多个其它集成电路装置，其中所述电路板将所述外部供应电压提供到所述集成电路且未将其它供应电压提供到所述集成电路，所述电路板进一步包括至少一个低电压集成电路装置，其中所述至少一个低电压集成电路装置的电源接针与所述集成电路装置的所述第四接针耦合。
15.一种操作集成电路装置的方法，其包括：
提供供应电压；
提供具有以比所述外部供应电压低的内部核心电压操作的中央处理单元CPU的集成电路装置；
将所述供应电压供给到所述集成电路；
通过切换模式电压调节器而在所述集成电路装置内产生所述内部核心电压，所述切换模式电压调节器经由至少一个外部连接接针而连接到至少一个外部组件。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述外部组件包括电感器。
17.根据权利要求15所述的方法，其中所述外部组件包括电感器及电容器，其中所述电感器耦合于所述多个外部接针的第三与第四外部接针之间且所述电容器耦合于所述第四外部接针与接地之间。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述内部切换模式电压调节器为降压调节器。
19.根据权利要求17所述的方法，其进一步包括以所述核心电压操作的多个外围装置。
20.根据权利要求17所述的方法，其进一步包括通过电力管理单元启用或停用所述降压调节器。
21.根据权利要求17所述的方法，其中所述外部供应电压为约3.3伏特，且所述内部核心电压为约1.8伏特。
22.根据权利要求18所述的方法，其中由与误差放大器耦合的触发器控制驱动单元以控制串联耦合于所述外部供应电压与接地之间的两个功率场效晶体管，其中所述两个功率场效晶体管之间的节点与所述第三外部接针耦合且所述误差放大器与所述第四外部接针耦合。
23.根据权利要求22所述的方法，其进一步包括以下步骤：通过对特殊功能寄存器进行编程或通过设定至少一个熔断器而微调所述降压调节器的至少一个功能。
24.根据权利要求22所述的方法，其中所述降压调节器进一步包括欠压锁定装置及热关断装置。
25.根据权利要求22所述的方法，其进一步包括以脉宽调制与脉频调制的组合操作所述降压调节器。
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