CN107850929A - 片上调节器的io无管脚校准或微调的装置和方案 - Google Patents

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Abstract

一种用于控制电源电压的方法包括：通过向振荡器(120)提供参考电压来提供第一周期信号，通过向所述振荡器(120)提供电压源的所述电源电压(VOUT)来提供第二周期信号，通过测量所述第一周期信号的第一周期来提供第一计数(140)，通过测量所述第二周期信号的第二周期来提供第二计数(150)，以及将所述第一计数(140)与所述第二计数(150)进行比较。

Description

片上调节器的IO无管脚校准或微调的装置和方案
相关申请案交叉申请
本申请要求2015年8月6日递交的发明名称为“片上调节器的IO无管脚校准或微调的装置和方案(Apparatus and Scheme for IO-Pin-Less Calibration or Trimming ofOn-Chip Regulators)”的第14/820,380号美国非临时专利申请案的在先申请优先权，该在先申请的全部内容以引用的方式并入本文本中。
技术领域
本发明大体上涉及一种片上调节器的I/O无管脚校准或微调的系统和方法，且在具体实施例中，涉及一种片上低压差电压调节器(on-chip low dropout voltageregulator，OCLDO)的I/O无管脚校准或微调的系统和方法。
背景技术
许多移动设备使用多核或多处理器系统，以进行高性能且低功率操作。这些移动设备在芯片上拥有许多功率域，而且片上低压差电压调节器(low dropout voltageregulator，LDO)广泛用于提供这些功率域。
发明内容
根据本发明一实施例，一种用于控制电源电压的方法包括：通过向振荡器提供参考电压来提供第一周期信号，通过向所述振荡器提供电压源的所述电源电压(Vout)来提供第二周期信号，通过测量所述第一周期信号的第一周期来提供第一计数，通过测量所述第二周期信号的第二周期来提供第二计数，以及将所述第一计数与所述第二计数进行比较。
根据本发明的另一实施例，一种电路包括：振荡器，用于提供来自于第一传入信号的第一周期信号和来自于第二传入信号的第二周期信号；计数器，用于对所述第一周期信号的第一周期和所述第二周期信号的第二周期进行统计；以及比较器，用于将所述第一计数与所述第二计数进行比较。
根据本发明的又一实施例，一种芯片包括：第一处理单元、为所述第一处理单元提供输出电压的第一片上低压差电压调节器(on-chip low drop out voltage regulator，OCLDO)以及电连接到所述第一处理单元和所述第一OCLDO的电压控制电路，其中，所述电压控制电路用于控制所述OCLDO的所述输出电压，所述电压控制电路不向所述芯片的管脚提供信号。
附图说明
为了更完整地理解本发明及其优点，现在参考下文结合附图进行的描述，其中：
图1所示为根据一实施例的一种电压测量电路；
图2所示为根据一实施例的一种环形振荡器；
图3所示为根据一实施例的由环形振荡器提供的时钟信号；
图4所示为根据一实施例的一种数字计频器；以及
图5所示为根据一实施例的一种测量电压信号的方法。
具体实施方式
传统的片上LOD(或OCLDO)存在以下问题：如何在没有将这些OCLDO的输出信号从芯片按特定路线传送出去的情况下测试这些信号。例如，当LDO(例如IDLE_OCLDO)的输出信号不受控制时，输出信号的准确性明显受到影响，而且相应地影响到芯片节能。提供一个或多个额外的管脚需要真实的基板面，而现有规模不允许。可选地，使用可用管脚的优点很多，不仅仅是提供测试功能。然而，在没有测试和校准的情况下，电压调节器的准确性由于其高功耗而变得不可接受。本发明实施例为电压调节器提供了无管脚测量、控制和校准电路。本发明实施例还提供一种测量、控制和校准电压调节器的方法。
(电池供电)芯片的功耗可能需要控制，从而提供有效的功率管理。一个芯片通常使用一个电压调节器来提供特定的电压域。该芯片可在特定的操作点处或工作范围内进行最有效的运行。这些操作点/工作范围可取决于电源电压和其它环境参数，例如芯片的温度和负荷。为了更准确且更有效地运行该芯片，在其它参数中，电压调节器的电源电压可能需要进行控制并且如果需要可进行调整。
现代芯片可包括多个处理器，每个处理器可包括多个执行单元(内核)或控制器，并且可能需要若干个电压域。电压调节器可提供这些电压域，而且每个电压调节器可能需要进行控制、调整、校准或微调。
在一些实施例中，电压调节器为无帽片上LDO(on-chip LDO，OCLDO)，测量电路为无管脚测量或控制电路。因此，无帽OCLDO的微调或校准不需要任何额外的管脚。换言之，无需额外的管脚来控制、测量、校准和微调电压调节器。
图1所示为包括控制器105、电压调节器(例如OCLDO)110和电压控制或测量电路115的集成芯片(integrated chip，IC)100。电压控制电路115包括环形振荡器120等振荡器、选择器130、第一计数器140、第二计数器150、比较器160和又一选择器170。控制器105可以是校准电路的一部分，该校准电路校准电压调节器110的电源电压(输出电压)。控制器105可校准或微调电压调节器110，使得IC 100的工作范围或操作点在不考虑过程、温度、电源和负荷变化的情况下进行准确设置和控制。
电压调节器110可具有三个端子。第一端子处有非调节输入电压VDDIN，第二端子处有参考电压，第三端子处有调节输出(电源电压)VOUT。振荡器120可具有至少两个端子。第一端子是一个输入端子，可以通过选择器130连接到电压调节器110的输出端子，或者还是通过选择器130连接到参考电压VREF。第二端子是一个输出端子，可提供包括循环或周期信号的输出信号，例如具有一定频率的电压。
选择器130可以是复用器(multiplexer，MUX)。可选地，该选择器可以是一个开关或开关组合。该MUX可以选择性地将电压调节器110的输出端子连接到振荡器120或将参考电压VREF连接到振荡器120。可选地，当开关S2闭合、开关S1断开时，振荡器120连接到电压调节器110的输出端子且提供有输出电压VOUT。当开关S2断开、开关S1闭合时，振荡器120连接到参考电压输入端且提供有参考电压VREF。开关可以进行切换，使得参考电压在第一时间段内连接到振荡器120，而在第二时间段内连接到电压调节器110的输出电压。这些时间段可以不重叠。
开关S1和S2可以相同或不同。开关S1、S2可以是半导体开关或者其它合适类型的开关。然而，这些设备用于说明目的，而且可以使用其它选择设备。
振荡器120的输出端子连接到计数器140、150。计数器140、150可以是两个计数器或单个集成计数器。振荡器120的输出端可以通过又一选择器170连接到计数器140、150。选择器170可以是一个解复用器(demultiplexer，DEMUX)。可选地，又一选择器170可以是一个开关或开关组合。与输入选择器130类似，输出选择器170可以包括第一开关和第二开关。这些开关可以相同或不同。这些开关可以是半导体开关或者其它合适类型的开关。然而，这些设备用于说明目的，而且可以使用其它选择设备。
振荡器120提供具有循环或周期信号的模拟输出信号，例如具有一定频率的电压。该频率可取决于施加到振荡器120的输入端子的电压。输入电压越高，振荡器120的输出的频率越高，而输入电压越低，振荡器120的输出电压的频率越低。当选择器130(例如，开关S1闭合)将参考端子(VREF)连接到振荡器120时，选择器(例如DEMUX)170可将振荡器120的输出端子连接到第一计数器140的输入端子，而当选择器(例如，第二开关S2闭合)将电压调节器110的输出电压(VOUT)连接到振荡器120时，选择器(例如DEMUX)170可将振荡器120的输出端子连接到第二计数器150。
计数器140、150可以是数字计数器，它们对振荡器120的模拟输出信号的频率进行统计并提供数字输出信号，例如n比特数字。这些数字在比较器160中进行比较。如果数字匹配，例如符合预定值，则记录相应的输入电压VDDIN。比较器160可基于通过/失败分析提供输出信号。可向控制器105提供比较器160的输出信号。控制器105可控制向电压调节器110提供的输入信号(VDDIN)。如果进行比较的数字与输入电压不匹配，则调整VDDIN，例如降低；并且基于电压调节器110的输出电压(VOUT)，通过计数器150重新测量振荡器120的输出频率且在比较器160处将输出频率与参考电压VREF进行比较。该过程迭代执行，直到计数器140、150的输出数字相匹配。
匹配可包括一个范围。实际上，振荡器120和计数器140、150进行一种模数转换(analog-to-digital conversion，ADC)。ADC的一部分量化为连续的范围。将X映射到范围Y内的较低数字集，而且量化误差(分辨率)，单位通常是比特，取决于设计和其规格。例如，8比特设计可提供100mV分辨率，而16比特设计可提供10mV分辨率。由于比较器160的输入是数字的，所以与n比特数字类似。换言之，比较器160的“匹配”可取决于振荡器120和计数器140、150的分辨率。因此，匹配(所以其实是通过)可以指所测量的VOUT在参考电压VREF的200mV范围内或500mV范围内。可选地，匹配可以指所测量的VOUT在参考电压的20mV范围内或50mV范围内。
电路100的不同元件(电压调节器110、振荡器120、计数器140、150等)可通过导线或总线系统连接。在一些实施例中，这些元件可以在没有任何中间元件的情况下直接相互连接。
电压调节器110可以是低压差线性调节器(low dropout linear regulator，LOD)或标准线性调节器。在其它实施例中，电压调节器110包括其它调节器。该LDO可以调节来自较高电压输入端的输出电压。该LDO可能需要较小电压穿过调节器以维持调节。
振荡器120可以是环形振荡器。在其它实施例中，振荡器包括RC振荡器或LC振荡器。图2示出了环形振荡器120的一实施例。环形振荡器120可以是一个多级环形振荡器。环形振荡器120包括奇数个串联的逆变器来形成具有正反馈的闭合环路。在一些实施例中，环形振荡器120可能包括三级，包括第一逆变器202、第二逆变器204和第三逆变器206。所有逆变器202至206通过电源电压VDD供电，或者在实现中，通过VREF或VOUT供电。第一逆变器202的输出端子连接到第二逆变器204的输入端子，而第二逆变器204的输出端子连接到第三逆变器206的输入端子。最后一个逆变器206的输出信号反馈到第一逆变器202。
当给环形振荡器120供电时，第三逆变器206的输出端子提供频率信号，例如时钟信号CLK。信号CLK的振荡频率取决于电源电压VDD。图3所示为在振荡器120的输出端子处提供的示例性时钟信号CLK。时钟信号可包括任何其它周期或循环信号，例如正弦信号。在一些实施例中，环形振荡器120包括NAND或NOR元件。
计数器140、150可以是数字计频器。在其它实施例中，计数器140、150可以是对循环信号部分进行统计的模拟计数器、计时器或其它设备。图4所示为数字计频器的一实施例。数字计频器140、150对振荡器的输出频率进行统计。计数器值直接对应于振荡器的频率输出。
数字计频器可以基于对一个(连续)信号的零交叉进行统计的原则。在可选实施例中，其它原则可以用来对一个连续或周期信号(例如频率)进行统计。数字计频器可包括混频器、内设或外设的本地振荡器频率、一个或若干个乘法器，以及数字计数器。图4中的计数器包括三个输入端子和一个输出端子。其中一个输入端子接收振荡器120等振荡器的输出信号。其它输入端子可以用于重置和启动/停止。输出端子可以提供一个数字，例如一个n比特数字。
比较器160可以是一个n比特比较器。例如，n比特比较器可以将数字计频器的输出进行比较。如果计数器的输出的两个值相同，则输出“1”，而如果两个值不相同，则输出“0”。比较器的输出信号(逻辑信号)可以路由到控制器105。控制器105可以将相关电压(电压调节器110的输入电压(VDDIN))存储在片上寄存器或存储器中。在一些实施例中，相关电压可以通过任一复用数字信号管脚路由到芯片(chip，IC)的外部，以在测试仪上进行监测。
在一些实施例中，控制电路115可以动态地连接到芯片(chip，IC)100上的若干个电压调节器(例如LDO)。因此，控制电路115可控制若干个LDO。例如，将第一电压提供给第一电压域的第一LDO在第一时间段内(通过开关等)连接到控制电路115，其中控制电路115对第一LDO的输出电压进行测量和比较。之后，将第二电压提供给第二电压域的第二LDO在第二时间段内通过第二开关等连接到控制电路115，以对第二LDO的输出电压进行测量和比较，以此类推。在一些实施例中，控制电路115可以在软件、硬件或部分软件和硬件中实施。
控制电路115可不包括I/O管脚。电压可以在没有将测试信号(通过I/O管脚)路由离开芯片的情况下在芯片(chip，IC)100内进行测试和控制。
在其它实施例中，电路115可以用来测试模式片上信号。例如，电路115可以通过将片上LDO 110替换为片上电压调节器(on-chip voltage regulator，IVR)或片上开关电源(switch mode power supply，SMPS)来进行调整。电路115可以用来测量或测试任何参考电压，例如带隙参考电压或任一电压域。这种结构的优点如下：测试成本降低且系统简化。
电路100可以与其它设备或元件集成在一起并作为一个模块或组件放置在智能手机、移动设备、电池供电移动设备、电池供电穿戴式设备、便携式设备或无线设备中，这里仅列举了一部分。
图5所示为一种用于校准和微调低压差电压调节器(low dropout voltageregulator，LDO)或片上LDO(OCLDO)等电压调节器的输出电压的方法500。该过程开始于第一步骤502，将环形振荡器等振荡器通过选择器(例如复用器、开关等)连接到电压调节器的输出电压(VOUT)。例如，开关S2将振荡器与电压调节器的输出端子断开，而开关S1将振荡器连接到提供参考电压(VREF)的参考端子。振荡器基于参考电压(VREF)产生一个输出频率。在下一步骤504处，振荡器的输出频率由第一数字计数器等第一计数器来测量。第一计数器将振荡器的输出频率的第一计数(例如一个n比特数字)提供给比较器。
在下一步骤506处，切换振荡器，使得参考电压与参考电压端子断开且连接到电压调节器的输出电压端子。例如，振荡器通过开关S1与参考电压端子断开，并通过开关S2连接到电压调节器的输出电压端子。然后，振荡器基于电压调节器的输入电压(VOUT)运行并提供第二输出频率。提供给振荡器的输入电压(电压调节器的输出电压)越高，振荡器的输出频率越高，而输入电压越低，振荡器的输出频率越低。重新测量第二输出频率，这次是由第二计数器，例如第二数字计数器进行测量。这种情况在过程步骤508中示出。将测得的第二输出频率的第二计数(例如另一个n比特数字)提供给比较器。
接着，比较器在决策块510中对两个计数进行比较。当第一计数与第二计数相同时，在步骤512中记录提供给电压调节器的输入VDDIN。当第一计数与第二计数不同时，在步骤514中对输入电压VDDIN进行调整。当对输入电压VDDIN进行调整(例如降低)时，第二计数器重新测量输入电压VDDIN的振荡器频率，将第二计数转发给比较器，比较器重新对第一计数(基于参考电压VREF)和第二计数(基于电压调节器的输出电压VOUT)进行比较。当第一计数与第二计数匹配时，记录输入电压VDDIN；当两个计数不匹配时，通过处理/决策步骤508/510重新迭代重复该过程，直到两个值匹配。
虽然已参考说明性实施例描述了本发明，但此描述并不意图限制本发明。所属领域的技术人员在参考该描述后，将会明白说明性实施例的各种修改和组合，以及本发明其他实施例。因此，所附权利要求书意图涵盖任何此类修改或实施例。

Claims (17)

1.一种用于控制电源电压的方法，其特征在于，所述方法包括：
通过向振荡器提供参考电压来提供第一周期信号；
通过向所述振荡器提供电压源的所述电源电压(VOUT)来提供第二周期信号；
通过测量所述第一周期信号的第一周期来提供第一计数；
通过测量所述第二周期信号的第二周期来提供第二计数；以及
将所述第一计数与所述第二计数进行比较。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电压源是一个电压调节器。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括：当所述第一计数与所述第二计数匹配时，存储所述电压调节器的输入电压。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括：当所述第一计数与所述第二计数不匹配时，调整所述电压调节器的输入电压。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，调整所述电压调节器的所述输入电压包括降低所述输入电压。
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述电压调节器是一个片上低压差电压调节器(on-chip low drop out voltage regulator，OCLDO)。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述振荡器是一个环形振荡器。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
通过向所述振荡器提供又一电压源的又一输出电压来提供又一第二周期信号；
通过测量所述第二周期信号的又一第二周期来提供又一第二计数；以及
将所述第一计数与所述又一第二计数进行比较。
9.一种电路，其特征在于，包括：
振荡器，用于提供来自于第一传入信号的第一周期信号和来自于第二传入信号的第二周期信号；
计数器，用于对所述第一周期信号的第一周期和所述第二周期信号的第二周期进行统计；以及
比较器，用于将所述第一计数与所述第二计数进行比较。
10.根据权利要求9所述的电路，其特征在于，还包括电压调节器，其中，所述电压调节器用于接收输入信号并且提供所述第二传入信号，所述第二传入信号是一个电压输出信号。
11.根据权利要求10所述的电路，其特征在于，还包括第一选择器，用于：在第一时间段内向所述振荡器提供所述第一传入信号且不向所述振荡器提供所述电压输出信号，以及在第二时间段内向所述振荡器提供所述电压输出信号且不向所述振荡器提供所述第一传入信号。
12.根据权利要求11所述的电路，其特征在于，所述第一传入信号是一种参考信号(VREF)。
13.根据权利要求11所述的电路，其特征在于，还包括第二选择器，所述第二选择器用于向第一计数器提供所述第一周期信号且向第二计数器提供第二周期信号。
14.根据权利要求10所述的电路，其特征在于，还包括连接到所述比较器的控制器，其中，所述控制器在所述第一计数和所述第二计数不匹配时调整所述输入信号，所述控制器在所述第一计数与所述第二计数匹配时存储所述输入信号。
15.一种芯片，其特征在于，包括：
第一处理单元；
为所述第一处理电路提供输出电压的第一片上低压差电压调节器(on-chip low dropout voltage regulator，OCLDO)；以及
电连接到所述第一处理单元和所述第一OCLDO的电压控制电路，其中，所述电压控制电路用于控制所述OCLDO的所述输出电压，所述电压控制电路不向所述芯片的管脚提供信号。
16.根据权利要求15所述的芯片，其特征在于，所述电压控制电路包括环形振荡器、数字计数器和比较器，其中，所述环形振荡器用于：基于参考信号来提供第一周期信号，基于所述第一OCLDO的所述输出电压来提供第二周期信号；第一数字计数器用于基于所述第一周期信号来提供第一数字信号；第二数字计数器用于基于所述第二周期信号来提供第二数字信号；以及所述比较器用于将所述第一数字信号与所述第二数字信号进行比较。
17.根据权利要求15所述的芯片，其特征在于，还包括：
第二处理单元；
为所述第二处理单元提供第二电压的第二片上低压差电压调节器(on-chip low dropout voltage regulator，OCLDO)；以及
选择器，其中，所述电压控制电路选择性地电连接到所述第一处理单元和所述第一OCLDO或者所述第二处理单元和所述第二OCLDO，所述电压控制电路用于控制所述第一OCLDO的所述输出电压或者所述第二OCLDO的所述输出电压。
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