CN109557861B - 跨电压域的电源管理电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于片上系统的跨电压域的电源管理电路。所述电路包括：电平转换电路、上电边沿检测、多路选择器、施密特触发器一、传输门、与门、D触发器以及施密特触发器二，本发明通过锁存核心电路的掉电信号，保证掉电后的系统能切断核心电路电源，同时保持系统唤醒功能；本发明可工作在电压域一和电压域二两个电压域内，同时具有强制掉电控制功能，用于极端条件下的容错处理。利用本发明进行电源管理的片上系统可以实现核心电源电路的完全掉电控制，有利于完全切断休眠态的低电压电流，有助于实现整个片上系统的低功耗待机或休眠。

Description

跨电压域的电源管理电路
技术领域
本发明涉及一种半导体集成电路，特别是涉及待机状态功耗极低，且需要跨电压域，具有掉电、唤醒功能电源管理的集成电路。
背景技术
在集成电路中，尤其是用于电池供电的物联网设备及消费电子设备的集成电路中，利用频繁的休眠或者待机状态是减少功耗的主要手段之一，因此，可以控制芯片内工作电源的电源管理模块必须具有响应系统自身产生的掉电命令，使系统进入休眠或者待机状态的功能，并具有响应来自集成电路系统外的唤醒信号，使系统重新进入工作状态的能力。同时，为了降低工作状态下的功耗，并减少串扰，芯片一般都会采用多个电压域，核心电路在休眠或者待机状态下完全掉电，而给输入输出端口提供电源的电压域保持上电状态，等待片外唤醒信号。系统会在唤醒信号到来时结束休眠或者待机状态，进入工作状态，核心电路所在的电压域重新上电。
发明内容
本发明设计了一种基于标准CMOS工艺，可以跨电压域实现核心电路掉电，系统进入待机或者休眠状态，并可被外部唤醒的电源管理电路。电路由电平转换、上电边沿检测、多路选择器三个电路模块以及施密特触发器一、施密特触发器二、传输门、与门、D触发器五个功能单元组成，其中，
所述施密特触发器二，其一端与电平转换电路相连，能产生掉电控制信号，该信号可以控制系统待机或者休眠；
所述电平转换电路，其一端与施密特触发器二相连，另一端与所述D触发器相连，对所述施密特触发器二传来的掉电控制信号进行电压转换；
所述D触发器，其时钟输入端与电平转换电路相连，数据端与电源相连，输出端与所述传输门相连，能滤除已转换过电压的掉电控制信号的噪声或者由于掉电控制信号抖动导致的误操作信号；
所述传输门电路，其一端与所述D触发器相连，另一端与所述施密特触发器二相连；
所述与门，输入端与所述传输门及所述上电边沿检测电路相连，输出端与所述D触发器清零端相连；
所述上电边沿检测电路，其一端与电源相连，检测输入电源电压的上升沿，对所述D触发器进行清零，保证掉电使能信号无效；
所述多路选择器，其一端与所述D触发器输出端相连，接收掉电控制信号，并输出电源使能信号，控制电源模块输出；
所述施密特触发器一，接收唤醒控制信号，并滤除唤醒控制信号的噪声和干扰导致的误操作信号。
可选地，该电路可以工作在电压域一和电压域二两种电压域。
可选地，当强制掉电使能有效时，所述多路选择器选择强制掉电信号，控制电源管理模块的工作状态。
可选地，所述唤醒控制信号由片外接入，低电平有效。
可选地，所述传输门在所述D触发器接收到掉电控制信号后打开。
可选地，所述D触发器数据端所接电源电压为电压域二的电压。
可选地，所述上电边沿检测电路所接电源电压为电压域一的电压。
可选地，该电路包括正常工作模式与调试模式。
可选地，当电路处于调试模式时，掉电控制信号为片外的强制掉电使能信号。
本发明实施例提供的跨电压域的片上电源管理电路，通过锁存核心电路的掉电信号，保证掉电后的系统能切断核心电路电源，同时保持系统唤醒功能；电源管理电路工作在电压域一和电压域二两个电压域内，同时具有强制掉电控制功能，用于极端条件下的容错处理。利用本发明进行电源管理的片上系统可以实现核心电源电路的完全掉电控制，有利于完全切断休眠态的低电压电流，有助于实现整个片上系统的低功耗待机或休眠。
附图说明
图1为本发明实施例跨电压域电源管理电路的结构图；
图2为本发明实施例电压转换电路结构图；
图3为本发明实施例电源电压一的上升边沿检测电路；
图4为本发明实施例各个控制信号的功能时序图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供一种跨电压域的电源管理电路，如图1所示，由电平转换11、上电边沿检测14、多路选择器16三个电路模块以及施密特触发器一12、施密特触发器二18、传输门13、与门15、D触发器17五个功能单元组成，其中，
所述施密特触发器二18的一端与电平转换电路11相连，能产生掉电控制信号，该信号可以控制系统待机或者休眠；
所述电平转换电路11的一端与所述施密特触发器二18相连，另一端与所述D触发器17相连，对所述施密特触发器二18传来的掉电控制信号进行电压转换；
可选地，如图2所示，为电压转换电路结构图；
其中，该结构适用于电压域二的电源电压低于电压域一的电源电压的情况，其它情况可以选用其它类似的电路结构。在这种结构中，通过将单端信号变化为差分信号来作为锁存结构的差分输入，低电压通过控制输入端电压驱动锁存结构，使得低压驱动信号转换为高压锁存输出。锁存后的信号通过反相电路整形后输出。
所述D触发器17，其时钟输入端与所述电平转换电路11相连，数据端与电源相连，输出端与所述传输门13相连，能滤除已转换过电压的掉电控制信号的噪声或者由于掉电控制信号抖动导致的误操作信号；
所述传输门13电路的一端与所述D触发器17相连，另一端与所述施密特触发器二18相连；
所述与门15，输入端与所述传输门13及所述上电边沿检测电路相连14，输出端与所述D触发器17清零端RST相连；
所述上电边沿检测电路14，一端与电源相连，检测输入电源电压的上升沿，对所述D触发器17进行清零，保证掉电使能信号无效；
可选地，如图3所示，为上电边沿检测的电路结构图；
其中，该结构通过对上电边沿的延迟，再与信号本身进行逻辑变换后获得上升沿的信息。延迟通过反相器以及电阻、电容电路的充放电电路实现，多个电阻和电容的加入是为了调整延迟的时间长度，从而调整检测范围。
所述多路选择器16的一端与所述D触发器18输出端相连，接收掉电控制信号，并输出电源使能信号，控制电源模块输出；
所述施密特触发器一12，一端与所述传输门13相连，能接收唤醒控制信号，并滤除唤醒控制信号的噪声和干扰导致的误操作信号。
本发明实施例提供的跨电压域的片上电源管理电路，通过锁存核心电路的掉电信号，保证掉电后的系统能切断核心电路电源，同时保持系统唤醒功能；电源管理电路工作在电压域一和电压域二两个电压域内，同时具有强制掉电控制功能，用于极端条件下的容错处理。利用本发明进行电源管理的片上系统可以实现核心电源电路的完全掉电控制，有利于完全切断休眠态的低电压电流，有助于实现整个片上系统的低功耗待机或休眠。
可选地，该电路可以工作在电压域一和电压域二两种电压域。
可选地，当强制掉电使能有效时，所述多路选择器16选择强制掉电信号，控制电源管理模块的工作状态。
可选地，所述唤醒控制信号由片外接入，低电平有效。
可选地，所述传输门13在所述D触发器17接收到掉电控制信号后打开。
可选地，所述D触发器17数据端所接电源电压为电压域二的电压。
可选地，所述上电边沿检测电路14所接电源电压为电压域一的电压。
可选地，该电路包括正常工作模式与调试模式；
可选地，当电路处于调试模式时，掉电控制信号为片外的强制掉电使能信号。
可选的，所述跨电压域的片上电源管理电路的工作原理如下：
核心电路在电源模块提供的电源电压下处于正常工作状态，这一电源电压为电压域二，在系统需要进入待机或者休眠状态的特定时刻，核心电路发出掉电信号，掉电信号通过所述施密特触发器二产生掉电控制，通过触发器的目的是滤除噪声或者信号抖动导致的误操作信号，这一控制信号进入电压域一的所述电平转换电路，所述电平转换电路将电压域二的信号电压转换为电压域一的控制信号，提供给所述的D触发器使用。所述电平转换电路的输出接入所述D触发器的时钟输入端CK，所述D触发器的数据端D接电压域二的电源电压。后续过程中，电压域二的供电电源切断后，掉电控制进入不定态，但由于所述D触发器的存在，所述触发器将只响应一次来自于所述电平转换电路的控制信号，且只响应在上升沿。后续的不定态将不会影响D触发器的输出。通过D触发器后，掉电命令又通过所述多路选择器后作为电源使能信号，控制电源模块的输出，电源模块接收到掉电命令后，将切断对核心电路的供电电源，系统进入待机或者休眠状态。
唤醒信号由片外接入，低电平有效。唤醒信号通过所述施密特触发器一后通过所述传输门，所述施密特触发器一同样为了滤除噪声和干扰导致的误操作信号。所述传输门在所述D触发器接收到掉电控制命令后打开，这样可以避免系统在正常工作状态下由于受到无效的唤醒信号的干扰，即只有系统进入待机或者休眠态以后，唤醒信号才是有效的。唤醒信号通过所述与门后接入所述D触发器的清零端RST，所述D触发器接到唤醒信号后，关闭电源使能信号，唤醒电源模块的输出，核心电路上电，系统进入工作状态。
由于整个芯片有一个上电过程，核心电路上电后默认进入工作状态，而上电过程容易出现错误的电源使能信号，导致电源模块无法提供供电电源，因此采用上电边沿检测，检测电压域一的电源电压的上升沿，对D触发器进行清零，以保证掉电使能信号无效。
另外，由于芯片需要预留强制掉电控制以进入调试模式，这时的掉电控制不受核心电路的命令控制，而直接受到片外的强制掉电使能信号控制，因此增加强制掉电控制和强制掉电使能两个控制端口。强制掉电使能有效时，将控制多路选择器选通强制掉电控制这一信号通路，通过强制掉电控制来实现对电源模块工作状态的控制。
图4为电源管理电路各个主要控制信号的时序说明图。图中电源电压一即为电压域一的电源电压，在整个芯片上电后保持。内部核心电路给出掉电信号，掉电信号通过电源管理电路后，成为电平有效的电源使能信号。电源电压二在电源使能信号的控制下开启或关闭。在电源电压二关闭后，唤醒控制的操作才有效，此时唤醒控制的下降沿可以启动电源使能信号，从而使电源电压二重新开启。强制掉电使能无效时，电源电压二的关闭和开启由核心电路和唤醒控制来实现，强制掉电使能有效时，电源电压二的关闭和开启由强制掉电控制来管理实现。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种跨电压域的电源管理电路，其特征在于，所述电源管理电路包括电平转换电路、上电边沿检测、多路选择器、施密特触发器一、传输门、与门、D触发器以及施密特触发器二，其中，
所述施密特触发器二，其一端与电平转换电路相连，能产生掉电控制信号，该信号可以控制系统待机或者休眠；
所述电平转换电路，其一端与施密特触发器二相连，另一端与所述D触发器相连，对所述施密特触发器二传来的掉电控制信号进行电压转换；
所述D触发器，其时钟输入端与所述电平转换电路相连，数据端与电源相连，输出端与所述传输门相连，能滤除已转换过电压的掉电控制信号的噪声或者由于掉电控制信号抖动导致的误操作信号；
所述传输门电路，其一端与所述D触发器相连，另一端与所述施密特触发器二相连；
所述与门，其输入端与所述传输门及所述上电边沿检测电路相连，输出端与所述D触发器清零端相连；
所述上电边沿检测电路，其一端与电源相连，检测输入电源电压的上升沿，对所述D触发器进行清零，保证掉电使能信号无效；
所述多路选择器，其一端与所述D触发器输出端相连，接收掉电控制信号，并输出电源使能信号，控制电源模块输出；
所述施密特触发器一，其输入端接收唤醒控制信号，并滤除唤醒控制信号的噪声和干扰导致的误操作信号，其输出端与所述传输门相连。
2.根据权利要求1所述的电源管理电路，其特征在于，该电路可以工作在电压域一和电压域二两种电压域；电压域二的电源电压低于电压域一的电源电压；所述电压域一的电源电压输入至所述上电边沿检测电路；所述电源模块输出电压域二的电源电压，所述电压域二的电源电压输入至所述D触发器的数据端、所述施密特触发器二及核心电路，所述核心电路连接至所述施密特触发器二。
3.根据权利要求1所述的电源管理电路，其特征在于，当强制掉电使能有效时，所述多路选择器选择强制掉电信号，控制电源管理模块的工作状态。
4.根据权利要求1所述的电源管理电路，其特征在于，所述唤醒控制信号由片外接入，低电平有效。
5.根据权利要求1所述的电源管理电路，其特征在于，所述传输门在所述D触发器接收到掉电控制信号后打开。
6.根据权利要求1所述的电源管理电路，其特征在于，该电路包括正常工作模式与调试模式，当电路处于调试模式时，掉电控制信号为片外的强制掉电使能信号。
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