CN109739710B - 一种欠压检测电路和检测欠压的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种欠压检测电路，包括：第一振荡电路，其被配置为根据待测的输出电压生成具有第一脉冲频率的第一输出信号，其中第一脉冲频率与待测的输出电压呈正相关关系；第二振荡电路，其被配置为生成具有第二脉冲频率的第二输出信号，其中第二脉冲频率为固定值并且第二脉冲频率大于第一脉冲频率；脉冲计数比较电路，其被配置为以第二脉冲频率为单位对所述第一输出信号的一个或多个脉冲周期进行脉冲计数，以得到计数值；以及控制器，其被配置为在所述计数值低于第一脉冲阈值时发出表示存在欠压的信号。本发明还涉及一种检测欠压的方法。通过该电路或该方法，可以可靠地防止处理器工作在欠压状态，从而有效地防止处理器损坏和代码跑飞。
Description
技术领域
本发明总体上涉及电路安全防护领域，具体而言涉及一种欠压检测电路。此外，本发明还涉及一种检测欠压的方法、一种电路和一种复位方法。
背景技术
处理器、尤其是微控制单元MCU是计算机或控制电路的核心部件，其可靠性是处理器直接关系到整个设备或电路的运行安全性。衡量处理器的可靠性的标准之一是欠压保护，也就是说，在处理器的电压过低时处理器能够进行相应操作、如关机或复位，以防止某些不期望的结果出现、如器件损坏或数字电路的代码跑飞。代码跑飞是指数字电路的程序代码出现死循环或堆栈溢出。
欠压复位(Brown-Out Reset，缩写为BOR)电路是处理器的实现欠压保护功能的一种芯片。现有的BOR电路一般基于内部参考电压来对电源电压进行高低压判定，其判定精度较高。然而，现有BOR电路对最低工作电压有较高要求，使得如果MCU的电源电压落到BOR电路的最低工作电压之下，则BOR电路极有可能失效，无法防止MCU的数字电路跑飞。
目前需要一种可靠性更高的欠压检测方案。
发明内容
从现有技术出发，本发明的任务是提供一种欠压检测电路、一种检测欠压的方法、一种电路和一种复位方法，通过这些电路或这些方法，可以可靠地防止处理器工作在欠压状态，从而有效地防止处理器损坏和代码跑飞。
在本发明的第一方面，该任务一种欠压检测电路来解决，该电路包括：
第一振荡电路，其被配置为根据待测的输出电压生成具有第一脉冲频率的第一输出信号，其中第一脉冲频率与待测的输出电压呈正相关关系；
第二振荡电路，其被配置为生成具有第二脉冲频率的第二输出信号，其中第二脉冲频率为固定值并且第二脉冲频率大于第一脉冲频率；
脉冲计数比较电路，其被配置为以第二脉冲频率为单位对所述第一输出信号的单个脉冲周期进行脉冲计数，以得到计数值；以及
控制器，其被配置为在所述计数值低于第一脉冲阈值时发出表示存在欠压的信号。
在本发明的一个优选方案中规定，控制器还被配置为：
在所述计数值高于第二脉冲阈值时，控制器发出表示不存在欠压的信号，其中第二脉冲阈值大于第一脉冲阈值；
当所述计数值由第一脉冲阈值升至第二脉冲阈值的过程中，控制器发出表示存在欠压的信号。
在本发明的一个优选方案中规定，，控制器还被配置为：
当所述计数值由第二脉冲阈值降至第一脉冲阈值的过程中，控制器发出表示不存在欠压的信号。
在本发明的一个优选方案中规定，所述欠压检测电路还包括欠压复位电路，其中所述欠压复位电路被配置为将待测的输出电压与参考电压相比较并且在二者差异超出允许范围时输出复位信号。通过该优选方案，可以实现双重欠压保护，由此实现更高的可靠性。
在本发明的另一优选方案中规定，所述脉冲阈值为50/秒。通过该优选方案，可以保证实现常规Vdd电压(如5V)情况下的欠压保护。但是应当指出，在本发明的教导下，根据不同应用场景，其它脉冲阈值也是可设想的。
在本发明的又一优选方案中规定，第一振荡电路包括振荡器，并且第二振荡电路包括恒流源和振荡器。第一振荡电路的振荡器例如由三个反相器构成，其输出的脉冲信号的稳定性较低，而第二振荡电路的振荡器例如是RC振荡电路以提供精确且稳定的脉冲信号。
在本发明的一个扩展方案中规定，所述欠压检测电路被用于处理器或单片机。例如，本发明的欠压检测电路可用于MCU、单片机、通用处理器、专用处理器等等。
在本发明的一个优选方案中规定，所述第一脉冲阈值被设置为使得在待测的输出电压处于0.65V至1.3V时，所述计数值低于所述第一脉冲阈值。通过该优选方案，可以保证电源电压不会处于0.65V至1.3V，其中在该电压范围中，处理器容易跑飞，由此可有效地降低处理器跑飞的概率。
在本发明的第二方面，前述任务通过一种检测欠压的方法来解决，该方法包括下列步骤：
根据待测的输出电压生成具有第一脉冲频率的第一输出信号，其中第一脉冲频率与待测的输出电压呈正相关关系；
生成具有第二脉冲频率的第二输出信号，其中第二脉冲频率为固定值并且第二脉冲频率大于第一脉冲频率；
以第二脉冲频率为单位对第一输出信号的一个或多个脉冲周期进行脉冲计数，以得到计数值；以及
在所述计数值低于脉冲阈值时，发出表示存在欠压的信号。
通过该优选方案，可以实现双重欠压保护，由此实现更高的可靠性。通过该方案，尤其是可以实现本发明的欠压检测电路与传统欠压复位电路的优势互补，即本发明可有效地检测代码容易跑飞的电压范围，而传统欠压复位可检测其它电压范围，由此可提高欠压检测的可靠性。
在本发明的一个优选方案中规定，该方法还包括：
将待测电压与参考电压相比较；以及
待测电压与参考电压相比较之间的差异超出允许范围时输出复位信号在所述计数值高于第二脉冲阈值时，发出表示不存在欠压的信号，其中第二脉冲阈值大于第一脉冲阈值；
当所述计数值由第一脉冲阈值升至第二脉冲阈值的过程中，发出表示存在欠压的信号。
在本发明的一个优选方案中规定，该方法还包括：
当所述计数值由第二脉冲阈值降至第一脉冲阈值的过程中，发出表示不存在欠压的信号。
在本发明的第三方面，前述任务通过一种电路来解决，该电路包括：
电压提供单元，其被配置为向用电单元提供输出电压；以及
根据本发明的欠压检测电路。
在本发明第四方面，前述任务通过一种复位方法来解决，该方法包括：
向用电单元提供输出电压；
使用根据本发明的检测欠压的方法监控所述输出电压。
本发明至少具有下列有益效果：(1)本发明通过具有振荡电路和脉冲计数比较电路的欠压检测电路实现了良好的欠压保护，而且由于本发明的欠压检测电路可以比常规比较器工作在更低的阈值电压(例如振荡器可以使用低阈值器件)，因此可以可靠地检测常规欠压复位电路难以可靠地检测的欠电压，由此更好地保护处理器免受欠电压的损害；(2)此外，本发明的欠压检测电路使用了与现有欠压复位电路完全不同的原理，即本发明生成先两个脉冲信号、再比较二者间的较脉冲数目差异，由此实现可靠的欠压检测，因此本发明的欠压检测电路既可单独充当欠压检测手段，也可作为现有欠压复位电路的有效补充。
附图说明
下面结合附图参考具体实施例来进一步阐述本发明。
图1示出了根据本发明的欠压检测电路的示意图；
图2示出了根据本发明的欠压检测电路的一个应用场景；
图3a-3b示出了根据本发明的欠压检测电路的第一和第二振荡电路的示意图；以及
图4示出了根据本发明的欠压检测电路的波形示意图。
具体实施方式
应当指出，各附图中的各组件可能为了图解说明而被夸大地示出，而不一定是比例正确的。在各附图中，给相同或功能相同的组件配备了相同的附图标记。
在本发明中，各实施例仅仅旨在说明本发明的方案，而不应被理解为限制性的。
在本发明中，除非特别指出，量词“一个”、“一”并未排除多个元素的场景。
在此还应当指出，在本发明的实施例中，为清楚、简单起见，可能示出了仅仅一部分部件或组件，但是本领域的普通技术人员能够理解，在本发明的教导下，可根据具体场景需要添加所需的部件或组件。
在此还应当指出，在本发明的范围内，“相同”、“相等”、“等于”等措辞并不意味着二者数值绝对相等，而是允许一定的合理误差，也就是说，所述措辞也涵盖了“基本上相同”、“基本上相等”、“基本上等于”。
另外，本发明的各方法的步骤的编号并未限定所述方法步骤的执行顺序。除非特别指出，各方法步骤可以以不同顺序执行。
图1示出了根据本发明的欠压检测电路100的示意图。
如图1所示，根据本发明的欠压检测电路100包括下列组件：
·第一振荡电路101，其被配置为根据待测的输出电压生成具有第一脉冲频率的第一输出信号，其中第一脉冲频率与待测的输出电压呈正相关关系。第一振荡电路101的振荡器例如由三个反相器构成，其输出的脉冲信号的稳定性较低，也就是说，第一振荡电路101对电压变化较敏感，电压越低，则其输出信号频率越低，电压越高，则其输出信号频率越高。第一振荡电路101的示例性结构参见图3a。
·第二振荡电路102，其被配置为基于待测的输出电压生成具有第二脉冲频率的第二输出信号，其中第二脉冲频率为固定值。第二振荡电路102的振荡器例如是RC振荡电路以提供精确且稳定的脉冲信号。第二振荡器102例如具有恒流源电路的RC振荡器，其RC的充放电是稳定的，所以时间准确，具有较为固定的脉冲频率。第二振荡电路102的示例性结构参见图3b。第一和第二振荡电路101、102可以使用低阈值器件，也就是说，这两个振荡电路的工作电压远远低于处理器或处理器的数字电路的工作电压。
·脉冲计数比较电路103，其被配置为在单位时间内对第一信号和第二信号进行脉冲计数并确定第一脉冲信号的脉冲计数与第二脉冲信号的脉冲计数之间的差值。或者脉冲计数比较电路103被配置为以第二脉冲频率为单位对第一输出信号的一个或多个脉冲周期进行脉冲计数，以得到计数值。其它可确定第一输出信号与第二输出信号之间的频率差值的方式也是可设想的。
·控制器104，其被配置为在所述差值低于脉冲阈值时发出表示存在欠压的输出信号。控制器104可以用软件、硬件或固件来实现。控制器104既可以单独存在，也可以是某个部件、如脉冲计数比较电路103的一部分。
图2示出了根据本发明的欠压检测电路100的一个应用场景。
如图2所示，在本应用场景中，采用双重欠压检测，即采用欠压复位电路202和根据本发明的欠压检测电路201二者来实现欠压检测。欠压复位电路202例如是常规的欠压复位电路，其例如通过将待检测电压VDD_core(其例如由低压差线性稳压器204来提供)比较来确定是否存在欠压。
下面阐述本发明的欠压检测电路100如何防止MCU的数字电路203跑飞。
MCU的跑飞，主要是因为BOR 202在低电压下没有正常工作，同时数字电路204的电压处于异常电压，导致MCU程序解码出错，MCU跑飞。数字电路203是处理器内部的数字逻辑电路，其在不同电压VDD_core下具有不同特性：
·0～1*Vth(Vth为欠压检测电路201开始工作的阈值电压，BOR202的阈值电压显著高于Vth)：数字电路203无法工作。BOR202和欠压检测电路201都无法工作，但是在这个电压范围，数字电路203也无法工作，也就无法跑飞，实际效果与处于复位等效。
·1*Vth～2*Vth：数字电路有可能处于跑飞状态。欠压检测电路201可有效地防范这个电压范围。
·2*Vth～3*Vth：数字电路的正常工作区域。BOR 202可以较好地防范这个电压异常。
·＞3*Vth：超过数字电路可接受的电压范围，器件容易受损。一般由PMU进行管理。
从上面可以得知，通过欠压复位电路202和欠压检测电路201的互补的欠压检测范围，可以实现较好的欠压检测，尤其是可以防止落入数字电路203容易跑飞的电压范围。
下面的表1示出了欠压复位电路202和欠压检测电路201的示例性工作范围，在此Vth＝0.65V，为欠压检测电路201开始工作的阈值电压。BOR 202的阈值电压显著高于Vth。
表1：欠压复位电路和欠压检测电路的工作范围
图3a-3b示出了根据本发明的欠压检测电路的第一和第二振荡电路的示意图。
如图3a所示，第一振荡电路101例如由三个反相器、相应电容、以及施密特触发器构成，其输出的脉冲信号的稳定性较低，也就是说，第一振荡电路101对电压变化较敏感，电压越低，则其输出信号频率越低，电压越高，则其输出信号频率越高。
如图3b所示，第二振荡电路102包括恒流源和RC振荡电路，可提供精确且稳定的脉冲信号。第二振荡电路102的RC的充放电是稳定的，所以时间准确，具有较为固定的脉冲频率。
在本发明的教导下，其它振荡电路也是可设想的。
图4示出了根据本发明的欠压检测电路的波形示意图。
欠压检测电路201例如具有两个RCOSC、以及一个脉冲计数比较电路。
欠压检测电路201不受系统复位的影响，并且一直处于工作状态，工作电流一般在300nA以下，跟普通传统型的BOR功耗一个等级。
欠压检测电路201经过特别设计，工作电压都可以比标准库的数字电路的工作电压更低，所以可以自适应的去监控数字电路工作的可靠性。以下计数值、计数差异均为单位时间内(如1秒)的数值。
如果计数差异>60，则表示VDD_core电压正常，数字电路可以正常工作，不会跑飞。
如果计数差异<50，则表示VDD_core电压降低，数字电路可能工作不正常，脉冲计数比较电路或控制器可以给出一个复位信号BOR_New让整个系统继续。
如果计数差异不到60，则系统永远处于复位状态，所以计数50～60是VDD_core的计数迟滞区域。当然这个值，可以增大，系统的可靠性会更好。但不能无限变大，否则失去了BOR的效果。这个数值可以在芯片考核阶段进行确认。同时这个迟滞值也是设计的冗余量。
如图4所示，欠压检测电路201能够有效地检测欠电压。
本发明至少具有下列有益效果：(1)本发明通过具有振荡电路和脉冲计数比较电路的欠压检测电路实现了良好的欠压保护，而且由于本发明的欠压检测电路可以比常规比较器工作在更低的阈值电压(例如振荡器可以使用低阈值器件)，因此可以可靠地检测常规欠压复位电路难以可靠地检测的欠电压，由此更好地保护处理器免受欠电压的损害；(2)此外，本发明的欠压检测电路使用了与现有欠压复位电路完全不同的原理，即本发明生成先两个脉冲信号、再比较二者间的较脉冲数目差异，由此实现可靠的欠压检测，因此本发明的欠压检测电路既可单独充当欠压检测手段，也可作为现有欠压复位电路的有效补充。
虽然本发明的一些实施方式已经在本申请文件中予以了描述，但是本领域技术人员能够理解，这些实施方式仅仅是作为示例示出的。本领域技术人员在本发明的教导下可以想到众多的变型方案、替代方案和改进方案而不超出本发明的范围。所附权利要求书旨在限定本发明的范围，并藉此涵盖这些权利要求本身及其等同变换的范围内的方法和结构。
Claims (12)
1.一种欠压检测电路，包括：
第一振荡电路，其被配置为根据待测的输出电压生成具有第一脉冲频率的第一输出信号，其中第一脉冲频率与待测的输出电压呈正相关关系；
第二振荡电路，其被配置为生成具有第二脉冲频率的第二输出信号，其中第二脉冲频率为固定值并且第二脉冲频率大于第一脉冲频率；
脉冲计数比较电路，其被配置为以第二脉冲频率为单位对所述第一输出信号的一个或多个脉冲周期进行脉冲计数，以得到计数值；以及
控制器，其被配置为在所述计数值低于第一脉冲阈值时发出表示存在欠压的信号。
2.根据权利要求1所述的欠压检测电路，控制器还被配置为：
在所述计数值高于第二脉冲阈值时，控制器发出表示不存在欠压的信号，其中第二脉冲阈值大于第一脉冲阈值；
当所述计数值由第一脉冲阈值升至第二脉冲阈值的过程中，控制器发出表示存在欠压的信号。
3.根据权利要求2所述的欠压检测电路，控制器还被配置为：
当所述计数值由第二脉冲阈值降至第一脉冲阈值的过程中，控制器发出表示不存在欠压的信号。
4.根据权利要求1所述的欠压检测电路，其中第一振荡电路包括振荡器，并且第二振荡电路包括恒流源和振荡器；其中所述欠压检测电路被用于处理器或单片机；其中所述第一脉冲阈值为50/秒；其中所述第一脉冲阈值被设置为使得在待测的输出电压处于0.65V至1.3V时，所述计数值低于所述第一脉冲阈值。
5.一种电路，包括：
电压提供单元，其被配置为向用电单元提供输出电压；以及
根据权利要求1至4任意一项所述的欠压检测电路。
6.根据权利要求5所述的电路，还包括欠压复位电路，其中所述欠压复位电路被配置为将待测的输出电压与参考电压相比较并且在二者差异超出允许范围时输出复位信号，所述复位信号用于复位所述用电单元。
7.根据权利要求5所述的电路，其中所述用电单元为逻辑数字电路。
8.一种检测欠压的方法，包括下列步骤：
根据待测的输出电压生成具有第一脉冲频率的第一输出信号，其中第一脉冲频率与待测的输出电压呈正相关关系；
生成具有第二脉冲频率的第二输出信号，其中第二脉冲频率为固定值并且第二脉冲频率大于第一脉冲频率；
以第二脉冲频率为单位对第一输出信号的一个或多个脉冲周期进行脉冲计数，以得到计数值；以及
在所述计数值低于第一脉冲阈值时，发出表示存在欠压的信号。
9.根据权利要求8所述的方法，还包括：
将待测电压与参考电压相比较；以及
待测电压与参考电压相比较之间的差异超出允许范围时，输出复位信号，在所述计数值高于第二脉冲阈值时，发出表示不存在欠压的信号，其中第二脉冲阈值大于第一脉冲阈值；
当所述计数值由第一脉冲阈值升至第二脉冲阈值的过程中，发出表示存在欠压的信号。
10.根据权利要求9所述的方法，还包括：
当所述计数值由第二脉冲阈值降至第一脉冲阈值的过程中，发出表示不存在欠压的信号。
11.一种复位方法，包括：
向用电单元提供输出电压；
使用根据权利要求8至10任意一项所述的检测欠压的方法监控所述输出电压。
12.根据权利要求11所述的复位方法，还包括：
待测的输出电压与参考电压相比较之间的差异超出允许范围时输出复位信号，所述复位信号用于复位所述用电单元。
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