CN108693801B - 监视电路以及半导体装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供监视电路以及半导体装置。该监视电路是具有LDO稳压器的系统的监视电路，其中，该监视电路具有：非饱和检测电路，其检测LDO稳压器的输出晶体管的非饱和状态，该LDO稳压器向MPU提供电源电压；电流检测电路，其对输出晶体管的输出电流为规定的电流值以上这一情况进行检测；以及看门狗定时器，其监视MPU的动作，在输出晶体管不是非饱和状态且输出晶体管的输出电流为规定的电流值以上时，启用看门狗定时器。

Description

监视电路以及半导体装置
技术领域
本发明涉及监视微处理器等的动作的监视电路以及半导体装置。
背景技术
作为包含微处理器(MPU)的各种嵌入式系统的监视电路，通常已知有看门狗定时器(watch dog timer)。
图7是示出通常的包含MPU的系统的框图。
通常的包含MPU的系统具有：作为监视对象的MPU 10；看门狗定时器11；电流检测电路12，其用于检测MPU 10的工作状态；以及LDO稳压器部，其具有输出晶体管13、误差放大器14、反馈电路15和基准电压源16。电流检测电路12具有感测晶体管(sense transistor)30、恒流源31和比较器32。
LDO稳压器部向MPU 10提供电流。看门狗定时器11通过从MPU 10定期接收信号，监视MPU 10。电流检测电路12检测从电源流向MPU 10的电流量，判别MPU 10的工作状态、例如工作模式和待机模式，将控制信号EN输出到看门狗定时器11。
在这样构成的通常的包含MPU的系统中，由于电流检测电路12在MPU 10的待机模式时使看门狗定时器11停止，因此，能够减小包含MPU的系统的功耗。
这里，在MPU 10中，例如，在工作模式下流过几十mA～几百mA程度的电流，与此相对，在待机模式下流过几十～几百μA程度的电流。电流检测电路12基于MPU 10的工作状态而引起的电流量的不同，将阈值设置为例如几mA左右来检测在MPU 10中流过的电流，由此判别MPU 10的工作状态。关于电流检测电路12，例如已知有专利文献1所记载的电路。
专利文献1：日本特开2004-140423号公报
一般而言，为了实现低压差电压，LDO稳压器将输出晶体管的导通电阻Ron设计得较小。具体而言，在非饱和状态下，输出晶体管的导通电阻Ron为几百mΩ～几Ω左右。另一方面，用于判别MPU 10的工作模式的电流检测值Idet例如小到以mA为单位的一位数。因此，在输出晶体管13成为了非饱和状态时，输出晶体管13的漏源间电压Vds的大小由Ron×Idet给出，在电流检测值附近是以mV为单位的大约一位数。在该状态下，在比较器32的输出反转时，与输出晶体管13同样，感测晶体管30的漏源间电压Vds也成为几mV。
在晶体管处于非饱和状态时，晶体管的漏电流与漏源间电压大致成比例关系。因此，在感测晶体管30的漏源间电压Vds偏离哪怕几mV时、即输入到比较器32的同相输入端子的电压哪怕偏离几mV时，电流检测值Idet会与之成比例地较大程度地偏离。
发明内容
本发明正是鉴于上述课题而完成的，其目的在于提供一种监视电路以及半导体装置，在包含MPU的系统中，即使输出晶体管为非饱和状态也能够减小包含MPU的系统的功耗，并且能够稳定地监视MPU的动作。
为了解决现有的课题，本发明的监视电路的特征在于，具有：非饱和检测电路，其检测LDO稳压器的输出晶体管的非饱和状态，该LDO稳压器向MPU提供电源电压；电流检测电路，其对输出晶体管的输出电流为规定的电流值以上这一情况进行检测；以及看门狗定时器，其监视MPU的动作，在输出晶体管不是非饱和状态、且输出晶体管的输出电流为规定的电流值以上时，启用看门狗定时器。
根据本发明的监视电路，具有检测输出晶体管的非饱和状态的非饱和检测电路，因此，即使输出晶体管成为非饱和状态，也能够减小包含MPU的系统的功耗，并且，能够稳定地监视MPU的动作。
附图说明
图1是示出具有第一实施方式的监视电路的半导体装置的电路图。
图2是示出非饱和检测电路的一例的电路图。
图3是示出非饱和检测电路的另一例的电路图。
图4是示出电流检测电路的一例的电路图。
图5是示出具有第二实施方式的监视电路的半导体装置的电路图。
图6是示出具有第三实施方式的监视电路的半导体装置的电路图。
图7是通常的包含MPU的系统的框图。
标号说明
100、200、300：半导体装置；101：微处理器；110：输出晶体管；111：误差放大器；112：反馈电路；113：基准电压源；114、214、314：监视电路；115、215、315：电流检测电路；116：看门狗定时器；117：非饱和检测电路；218、318：逻辑电路；171、155：比较器。
具体实施方式
图1是示出具有第一实施方式的监视电路114的半导体装置100的电路图。
半导体装置100具有：LDO稳压器部，该LDO稳压器部具有输出晶体管110、误差放大器111、反馈电路112和基准电压源113；以及监视电路114，该监视电路114具有电流检测电路115、看门狗定时器116和非饱和检测电路117。
输出晶体管110的源极与电源端子连接，栅极与误差放大器111的输出端子连接，漏极与电压输出端子121和反馈电路112的输入端子连接。反馈电路112的输出端子与误差放大器111的同相输入端子连接。基准电压源113的一个端子与误差放大器111的反相输入端子连接，另一个端子与接地端子连接。
非饱和检测电路117的输出端子与电流检测电路115的非饱和检测输入端子连接。电流检测电路115的电流检测输入端子与输出晶体管110的栅极连接，输出端子与看门狗定时器116的使能端子连接。看门狗定时器116与输入端子123和输出端子122连接。
电压输出端子121、输入端子123和输出端子122与作为监视对象的半导体装置的微处理器(MPU)101连接。
这里仅说明最低限度的连接，虽然没有图示，但是，结合各个例子构造在下面的说明中出现的电流检测电路115和非饱和检测电路117的具体例所需的连接。
对第一实施方式的半导体装置100的动作进行说明。
具有输出晶体管110、误差放大器111、反馈电路112和基准电压源113的LDO稳压器部根据电源端子的电压Vi并基于基准电压Vref，将输出电压Vout输出到电压输出端子121。在输出电压Vout下降时，反馈电路112输出的反馈电压Vfb下降。误差放大器111根据反馈电压Vfb和基准电压Vref之间的误差来控制输出晶体管110的栅极，使输出电压Vout上升。相反，在输出电压Vout上升时，误差放大器111控制输出晶体管110的栅极，使输出电压Vout下降。通过这样构成负反馈电路，LDO稳压器部将输出电压Vout控制为基于基准电压Vref的规定的电压。MPU 101的电源端子与电压输出端子121连接，电源电压被LDO稳压器部控制为恒定。MPU 101的电源电流通过输出晶体管110的输出电流来提供。在MPU 101的电源电流充分大于流入反馈电路112的输入端子的电流的情况下，MPU 101的电源电流和输出晶体管110的输出电流大致相等。
在检测出输出晶体管110可能成为非饱和状态时，非饱和检测电路117将非饱和检测信号131输出到电流检测电路115的非饱和检测输入端子。非饱和检测电路117例如通过使电源电压Vin下降并接近规定的输出电压Vout，检测输出晶体管110成为非饱和状态的可能性。
在非饱和检测输入端子未被输入非饱和检测信号131时，如果检测出输出晶体管110的输出电流大于规定的电流值，则电流检测电路115判别为MPU 101处于工作模式，将使能信号132输出到看门狗定时器116的使能端子。此外，在检测出输出晶体管110的输出电流小于规定的电流值时，判别为MPU 101处于待机模式，停止向看门狗定时器116的使能端子输出使能信号132。而且，在非饱和检测输入端子被输入了非饱和检测信号131时，无论输出晶体管110的输出电流的大小如何，电流检测电路115都停止使能信号132。
在使能端子被输入了信号时，看门狗定时器116成为使能状态，进行MPU 101的监视动作。此外，在输入到使能端子的信号停止时，成为禁用状态，停止MPU 101的监视动作。看门狗定时器116在为使能状态时，在根据从外部的MPU 101输入到输入端子123的监视信号而检测出MPU 101可能失控时，将复位信号输出到输出端子122，以将MPU 101复位。看门狗定时器116在为禁用状态时，停止MPU 101的监视动作。
这样，根据第一实施方式的监视电路114，即使电源电压Vin下降且输出晶体管110成为了非饱和状态，也利用非饱和检测电路117的输出，使电流检测电路115输出的使能信号132停止，从而停止看门狗定时器116的监视，因此，不会受到电流检测电路115的电流检测精度恶化的影响，能够减小半导体装置100的功耗。
另外，也可以是，根据MPU 101的规格，在输入了非饱和检测信号131时，无论输出晶体管110的输出电流的大小如何，电流检测电路115都向看门狗定时器116输出使能信号132。
图2是示出非饱和检测电路117的一例的电路图。
图2的非饱和检测电路117具有比较器171和基准电压源172。
比较器171的反相输入端子与输出晶体管110的栅极连接，同相输入端子与基准电压源172连接，输出端子与非饱和检测电路117的输出端子连接。
在电源电压Vin下降并接近规定的输出电压Vout时，输出晶体管110的漏源间电压Vds减小，接近非饱和状态。这时，输出电压Vout下降，因此，误差放大器111使输出晶体管110的栅电压下降。即，在比较器171的反相输入端子的电压下降并低于基准电压源172的基准电压Vref2时，比较器171输出非饱和检测信号131。
在电源电压Vin上升并高于规定的输出电压Vout时，输出晶体管110的漏源间电压Vds变大，接近饱和状态。这时，误差放大器111控制输出晶体管110的栅电压，使得输出电压Vout成为规定的电压。基准电压Vref2被设定为低于该输出晶体管110的栅电压，因此，比较器171停止非饱和检测信号131的输出。
根据如以上所说明那样构成的非饱和检测电路117，能够利用简单的电路实现检测输出晶体管的非饱和状态的电路。
另外，关于图2的非饱和检测电路117，对具有比较器171和基准电压源172的结构进行了说明，但也可以由偏移比较器构成。在由偏移比较器构成的情况下，可以对电源端子的电压与输出晶体管的输出端子的电压进行比较。
在电源电压Vin下降并接近规定的输出电压Vout时，输出晶体管110的漏源间电压Vds下降。在设阈值电压为Vth、栅源间电压为Vgs时，在不满足式1的饱和条件时，输出晶体管110成为非饱和状态。
Vds≥Vgs-Vth (1)
偏移比较器检测输出晶体管110的漏源间电压Vds减小且输入端子间的电压差减小至规定的偏移电压以下的情况，从而检测输出晶体管110的非饱和状态。
在该情况下，能够直接检测输出晶体管110的漏源间电压Vds的下降，因此，具有能够比较快地输出非饱和检测信号131的优点。
图3是示出非饱和检测电路117的另一例的电路图。
图3的非饱和检测电路117具有感测晶体管173、电压检测电路174和电阻175。
感测晶体管173的栅极与输出晶体管110的栅极连接，源极与电源端子连接，漏极与电阻175的一个端子和电压检测电路174的输入端子连接。电压检测电路174的输出端子与非饱和检测电路117的输出端子连接。
在感测晶体管173中流过与输出晶体管110的漏电流成比例的漏电流。通过感测晶体管173的漏电流而在电阻175的两端产生电压。
非饱和检测电路117利用电阻175的电压和电压检测电路174的阈值电压，检测输出晶体管110的非饱和状态，输出非饱和检测信号131。
例如，通过设定为在输出晶体管110的输出电流较小时，感测晶体管173的漏电流减小，设为由带恒流制限的逆变器构成电压检测电路174而使得不流过稳定的电路电流，能够减小非饱和检测电路117的消耗电流。此外，即使替代电阻175而使用恒流源，也能够得到相同的作用。
如果使用图3的电路，则能够利用简单的电路实现图1的监视电路114的非饱和检测电路117，并且与图2的非饱和检测电路117相比，更能够减小消耗电流。
图4是示出本实施方式的监视电路114的电流检测电路115的一例的电路图。
图4的电流检测电路115具有感测晶体管151、开关152、电阻153、基准电压源154和比较器155。
感测晶体管151的源极与电源端子连接，栅极与输出晶体管110的栅极连接，漏极与开关152的一个端子连接。开关152的另一个端子与电阻153和比较器155的同相输入端子连接。比较器155的反相输入端子与基准电压源154连接，输出端子与电流检测电路115的输出端子连接。在来自非饱和检测电路117的非饱和检测信号停止时，开关152成为导通状态，在输入了非饱和检测信号时，开关152成为非导通状态。
在从非饱和检测电路117向电流检测电路115输入了非饱和检测信号131时，开关152成为非导通状态，因此，比较器155停止使能信号132的输出。
这样，通过使用在电流检测电路115被输入了非饱和检测信号131时成为非导通状态的开关152，能够容易地实现在输出晶体管110为非饱和状态时使看门狗定时器116的监视停止的监视电路114。
图5是示出具有第二实施方式的监视电路214的半导体装置200的电路图。
对与第一实施方式的半导体装置100相同的部位标注相同标号并省略其说明。
第二实施方式的半导体装置200的监视电路214具有看门狗定时器116、非饱和检测电路117、电流检测电路215和逻辑电路218。电流检测电路215是从电流检测电路115中删除了开关152的结构。
电流检测电路215输出的使能信号132被输入到逻辑电路218的第一输入端子。非饱和检测电路117输出的非饱和检测信号131被输入到逻辑电路218的第二输入端子。逻辑电路218输出的第二使能信号133被输入到看门狗定时器116的使能端子。
在输入了非饱和检测信号131的情况下，逻辑电路218判断为电源电压Vin下降且电流检测电路115的电流检测精度发生了恶化，无论是否输入使能信号132，都不向看门狗定时器116输出第二使能信号133。
根据这样构成的第二实施方式的半导体装置200，能够得到与第一实施方式的半导体装置100相同的效果。
图6是示出具有第三实施方式的监视电路314的半导体装置300的电路图。
对与第二实施方式的半导体装置200相同的部位标注相同标号并省略其说明。
第三实施方式的半导体装置300的监视电路314具有看门狗定时器116、非饱和检测电路117、电流检测电路215、作为第二电流检测电路的电流检测电路315、以及逻辑电路318。
在输出晶体管110为非饱和状态时，电流检测电路315根据输出晶体管110的输出电流是否为规定值以上来输出电流检测信号134。
电流检测电路315例如由偏移比较器构成，该偏移比较器的反相输入端子与电源端子连接，同相输入端子与电压输出端子121连接。在输出晶体管110成为非饱和状态时，输出晶体管110的输出电流与漏源间电压Vds大致成比例。因此，通过用偏移比较器监视输出晶体管110的漏源间电压Vds，能够检测输出晶体管110的输出电流。这里，在输出晶体管110的漏源间电压Vds成为偏移比较器的偏移电压以上时，电流检测电路315输出电流检测信号134。
在输入了非饱和检测信号131的情况下，逻辑电路318判断为电源电压Vin下降且电流检测电路115的电流检测精度发生了恶化，无论是否输入使能信号132，都不向看门狗定时器116输出第二使能信号133。此外，即使在输入了非饱和检测信号131的情况下，在输入了电流检测信号134时，逻辑电路318也向看门狗定时器116输出第二使能信号133。
这样，根据具有第三实施方式的监视电路314的半导体装置300，在电源电压Vin较高且输出晶体管110为饱和状态时，能够利用电流检测电路215判别MPU 101是工作模式还是待机模式，即使电源电压Vin下降且输出晶体管110成为了非饱和状态，也能够利用第二电流检测电路119判别MPU 101是工作模式还是待机模式。因此，能够在较大的电源电压Vin的范围内，根据MPU 101的工作状态来控制看门狗定时器116，能够使监视动作稳定。
如以上所说明那样，根据本发明的监视电路，利用非饱和检测电路检测输出晶体管成为非饱和状态的可能性，从而对电流检测电路或者看门狗定时器进行停止控制，因此，能够抑制半导体装置的功耗。此外，即使输出晶体管成为非饱和状态，也能够使看门狗定时器的监视动作稳定。
另外，不限于实施方式所示的结构，当然可以在不脱离本发明主旨的范围内进行各种变更。例如，电流检测电路可以构成为具有开关电路，利用非饱和检测信号，切断比较器的工作电流的提供。此外，例如，非饱和检测电路或电流检测电路具有的比较器或电压检测单元可以设置迟滞，并且也可以对输出设置噪声滤波器，使得输出相对于输入信号的噪声稳定。

Claims (6)

1.一种监视电路，该监视电路是具有LDO稳压器的系统的监视电路，该LDO稳压器向作为监视对象的半导体装置提供电源电压，该监视电路的特征在于，具有：
非饱和检测电路，其检测所述LDO稳压器的输出晶体管的非饱和状态；
电流检测电路，其对所述输出晶体管的输出电流为规定的电流值以上这一情况进行检测；以及
看门狗定时器，其监视所述作为监视对象的半导体装置的动作，
在所述非饱和检测电路检测出所述输出晶体管的非饱和状态时，停止所述看门狗定时器的动作。
2.根据权利要求1所述的监视电路，其特征在于，
所述非饱和检测电路在检测出所述输出晶体管的非饱和状态时，将非饱和检测信号输出到所述电流检测电路，
在所述非饱和检测信号未被输入到所述电流检测电路时，所述电流检测电路在检测出所述输出晶体管的输出电流为规定的电流值以上时，将使能信号输出到所述看门狗定时器。
3.根据权利要求1所述的监视电路，其特征在于，
所述监视电路还具有逻辑电路，
所述非饱和检测电路在检测出所述输出晶体管的非饱和状态时，将非饱和检测信号输出到所述逻辑电路，
所述电流检测电路在检测出所述输出晶体管的输出电流为规定的电流值以上时，将使能信号输出到所述逻辑电路，
在所述非饱和检测信号未被输入到所述逻辑电路时，所述逻辑电路根据所述使能信号，将第二使能信号输出到所述看门狗定时器。
4.根据权利要求2所述的监视电路，其特征在于，
所述电流检测电路具有开关电路，在所述非饱和检测信号被输入到所述电流检测电路时，所述开关电路断开，从而减小工作电流。
5.根据权利要求3所述的监视电路，其特征在于，
所述监视电路还具有第二电流检测电路，该第二电流检测电路在检测出所述输出晶体管的输出电流为规定的电流值以上时，将电流检测信号输出到所述逻辑电路，
在所述非饱和检测信号被输入到所述逻辑电路时，所述逻辑电路根据所述电流检测信号，将所述第二使能信号输出到所述看门狗定时器。
6.一种半导体装置，其特征在于，具有：
权利要求1～5中的任意一项所述的监视电路，其监视作为监视对象的半导体装置的动作；以及
LDO稳压器，其向所述作为监视对象的半导体装置提供电源电压。
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