CN111796807A - 一种应用于反熔丝器件的自适应编程方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于应用技术领域，涉及一种应用于反熔丝器件的自适应编程方法。发明能根据不同反熔丝的编程特性自适应地调整，实现了对不同的反熔丝器件，以及单个器件内部不同的反熔丝单元的编程自适应调节，解决了由于工艺偏差，位置差异与寄生参数不同等导致的反熔丝编程失败的问题。发明涉及编程器硬件以及软件驱动层面的设计与结合，加入采样电阻获得反熔丝的编程信息，依据反熔丝特性从编程脉冲数，编程电压值以及导通阈值三方面自适应地调整，提升了反熔丝编程成功率。

Description

一种应用于反熔丝器件的自适应编程方法

技术领域

本发明属于应用技术领域，涉及一种应用于反熔丝器件的自适应编程方法，主要适用于反熔丝FPGA，反熔丝PROM等反熔丝器件的编程。

背景技术

通过对反熔丝器件进行编程，反熔丝FPGA能实现用户自定义的逻辑电路设计，反熔丝PROM能实现用户自定义的数据存储。

反熔丝主要有ONO型和MTM型，具有一次可编程的特点，编程是不可逆的。所有基于反熔丝单元的器件都需要用户对特定的反熔丝进行编程才能实现特定的功能。反熔丝器件的编程是通过编程器对器件中的指定反熔丝单元进行编程。编程完成后，用户配置信息将永久固化在器件内部。

反熔丝编程时需要在反熔丝两端加上编程高压，持续一段时间将反熔丝烧通。编程前，反熔丝的阻值非常大，为MΩ量级。编程成功后，反熔丝的阻值显著减小，理论上可达到50Ω左右。通过检测反熔丝的电阻可以判断该反熔丝单元是否编程成功。不同反熔丝单元的理想编程电压有所差异，离散度取决于反熔丝的制造工艺。反熔丝单元编程往往还具有累积性，即持续给反熔丝加载相同的编程高压脉冲时，当编程高压脉冲累积到一定数量后，反熔丝能被成功烧通。单个反熔丝器件中有成千上万，甚至几十上百万的反熔丝单元，每个独立单元所需的可编程电压往往会有一定的差异，而且芯片外部输入的编程高压在到达芯片内部的反熔丝单元之前因寄生效应会带来部分压降，不同的反熔丝单元在芯片中的位置不一样，其编程电压传输路径及寄生效应存在不同，实际编程电压相比外部施加的编程高压的降低程度往往具有差异性。

传统上对于反熔丝的编程就是在其两端施加编程高压脉冲，在整个编程过程中，编程高压电平始终保持不变。因为反熔丝编程的累积性，不同反熔丝单元所需编程电压的离散性，以及不同位置反熔丝的高压通路上编程压降的差异性，导致部分反熔丝不能编程成功。为了提升反熔丝编程的效率和成功率，本发明提出了一种针对反熔丝器件的自适应编程方法。

发明内容

本发明针对上述存在的问题，提供了一种实用于反熔丝器件的自适应编程方法。该方法能够根据反熔丝的编程特性去自适应地调整，提升反熔丝编程的成功率。

本发明采用如下方案解决上述问题：

本发明在编程器硬件中加入采样电路，在编程过程中根据采样电路的反馈信息自适应地调整编程脉冲数、编程电压值以及导通阈值，解决反熔丝单元因个体性差异带来的编程失败问题，从而提高反熔丝的编程成功率。

编程后的反熔丝电阻值存在导通阈值，即当反熔丝的电阻小于阈值就判定该反熔丝已经编程成功，反之编程不成功。在编程器硬件中设置采样电阻，对反熔丝单元进行编程后，通过采样电阻上的电学信息计算出反熔丝的电阻值，从而根据导通阈值对反熔丝编程成功与否进行正确地判断。分析反熔丝采样电阻电路发现，采样电阻与反熔丝电阻属于串联关系，采样电阻两端的电压或电流等电学信息与反熔丝的阻值存在准线性关系。因此通过采集和分析采样电阻上的电学信息就可以判断反熔丝的编程效果。

编程器驱动设置对反熔丝采用自适应编程，包含了编程脉冲数，编程电压值以及导通阈值的自适应调整。因为反熔丝编程存在累积性，进行自适应地编程脉冲次数调整，可以将部分不能一次成功编程的反熔丝编程成功。不同反熔丝有效编程电压的离散性，以及不同反熔丝单元在器件中的位置不同，电压通路上存在不同程度的压降，进行编程电压的自适应调整，可以让大部分的待编程反熔丝两端的实际编程电压值更为接近其有效编程电压值，从而实现其成功编程。反熔丝器件用途广泛，当应用场景对器件运行速度没有太高要求时，可以进行反熔丝导通阈值的适度放宽调整，在能满足应用需求的前提下，实现更高的反熔丝器件编程成功率。

自适应编程方法需要用户设置两个不同的导通阈值，分别代表了最优编程标准和次级编程标准。当对反熔丝单元进行编程时，若编程后的阻值达不到最优编程标准，可以自动进行编程脉冲次数的调整，避免因反熔丝编程的累积性而导致编程失败。自适应地调整编程脉冲后，若反熔丝单元电阻值仍然达不到最优编程标准，表明反熔丝单元两端的实际编程电压相比有效值偏低，进行编程电压值的自适应调整，避免编程通路压降和反熔丝有效编程电压值的离散性导致反熔丝编程失败。编程脉冲调整后，若反熔丝仍然达不到最优编程标准，在能满足运行速度不高应用场景的需求前提下，可以进行自适应的导通阈值调整，使达到次级编程标准的反熔丝单元编程成功。自适应编程方法可以提高反熔丝单元的编程成功率，对编程电压值的自适应调整能够加速反熔丝单元编程，提升编程效率。

附图说明

图1为本发明中编程器硬件上的采样电阻设置

图2为编程器与反熔丝器件的实际连接关系

图3为反熔丝单元自适应编程的流程图

图4为反熔丝器件编程流程图

具体实施方式

为了更为清晰、具体、详细地说明本发明的目的、优点和技术方案，下面将结合附图对本发明的一个实例进行完整地描述。

图1为本发明的采样电阻设置，采样电阻设置在编程器硬件中，与反熔丝电阻属于串联关系。通过对采样电阻的电压信息进行测量，能准确地计算出反熔丝的阻值，从而准确地对反熔丝编程情况进行判断。本发明还设置了保护电阻，防止编程电压还未加载在反熔丝上时，采样电阻与反熔丝器件中的连接关系不确定，由于采样电阻阻值较小，通路上电流较大损坏采样电路或反熔丝器件的情况出现。

图2为采样电阻和反熔丝器件中的反熔丝单元的实际位置关系。将编程信号输入待编程反熔丝器件后，反熔丝器件经过一定的配置，能将编程信号加载到待编程的反熔丝单元上。从而实现采样电阻与反熔丝单元的串联连接。

编程器产生高电压的编程脉冲加载在反熔丝通路上，然后通过运放测量采样电阻上的电压，从而计算出反熔丝的电阻值。Raf表示反熔丝的阻值，Rs表示采样电阻的阻值，Rprt为保护电阻，Vp表示通路上加载的编程电压，V为采样电阻的电压测量值，G为运放放大倍数。则Raf可通过表达式(1)计算出来：

等式(1)的计算结果理论上应该为反熔丝电阻与保护电阻的并联值，但上式并不影响我们对反熔丝编程成功与否进行合理的判断。保护电阻的阻值非常大，该实例设置为1MΩ。反熔丝未编程前，阻值也为MΩ量级，两者并联结果影响较大。反熔丝编程后，阻值下降明显，理论上可达50Ω，两者并联的影响很小。编程时我们关心的是反熔丝阻值较小的时候，这样我们才能合理的判断反熔丝的编程情况。所以用上式的计算值作为反熔丝电阻值来判断反熔丝是否编程成功是非常合理的。

图3为反熔丝单元自适应编程的流程图。在编程器驱动程序中设置2个反熔丝电阻值，分别50Ω和100Ω，代表了最优编程成功和次级编程成功对应的导通阈值Rth1和Rth2。设置2种编程脉冲阈值Kmax和Mmax，分别代表了固定电压编程脉冲自适应调整的最大次数和单个反熔丝总编程脉冲次数最大值。2个导通阈值对应着的2个不同的采样电阻电压分别记为V1和V2。

在进行反熔丝器件编程时，给反熔丝加载高压脉冲，并在脉冲结束后测量采样电阻上的电压。若初次编程后测量的V>V1，则说明Raf<Rth1，判断反熔丝编程成功。若V<V1，则表明Raf>Rth1，进行编程脉冲数自适应调整，增加编程脉冲次数，直到反熔丝满足最优编程成功或该电压的编程脉冲自适应调整次数k超过了Kmax。

编程脉冲数自适应调整后，若该反熔丝单元仍不能达到最优编程标准，则进行自适应的编程电压值调整。当编程电压Vp增加固定幅度(该实例中为0.2V)仍没超过最大的编程电压值Vmax时，Vp每次增加固定的幅度，即增加0.2V。编程电压调整后，为新的编程电压，依此进行编程脉冲自适应调整，直至反熔丝满足最优编程成功，或该电压下的编程脉冲自适应调整次数k超过了Kmax。当k>Kmax时，若仍不满足最优编程成功，在总编程脉冲次数M没超过Mmax的情况下，继续进行编程电压的自适应调整。

编程电压值自适应调整结束后，或单个反熔丝总编程脉冲次数M>Mmax，若反熔丝单元仍不能达到最优编程标准，则进行导通阈值自适应调整，放宽反熔丝的编程后阻值要求。判断V与V2的关系，若满足V>V2，则表示Raf<Rth2，反熔丝满足次级编程标准，反熔丝单元编程成功，若不满足，则该反熔丝单元编程失败，整个反熔丝器件也不能使用。

图4为对一个反熔丝器件进行编程的流程图。若反熔丝单元进行自适应编程时判断编程成功，则继续对下一个反熔丝进行自适应编程，直到编程完所有的待编程反熔丝单元，编程结束。若出现反熔丝单元编程失败，则直接结束整个反熔丝器件的编程，编程失败，反熔丝器件也不能使用。

以上描述内容，仅是基于本发明内容的一个应用实例，并非本发明所作的任何形式上的限制。本领域人员皆可在不脱离本发明技术方案范围情况下，对本发明技术内容作出许多可能的变动，使其更实用于更为具体的情况。因此，凡是依据本发明技术方案作出任何等同变化或简单修改，仍属于本发明保护的范围。

Claims (3)

1.一种应用于反熔丝器件的自适应编程方法，特征在于协调反熔丝编程器硬件设计与编程器驱动编写。通过软硬件的结合，实现对目的反熔丝的编程自适应调节，提升反熔丝编程的成功率。具体步骤如下：

1)在编程器硬件设计时，加入采样电阻模块。在实际对反熔丝器件编程时，采样电阻与编程的反熔丝单元属于串联连接。

2)用户分析待编程反熔丝器件中的反熔丝特性，设置两组合适的电压阈值参数和编程脉冲次数参数。驱动软件根据电压阈值参数计算出相应的采样电阻电学信息，并将其作为变量存储。

3)驱动软件中加入自适应编程。在对反熔丝编程时，测量采样电阻上的电学信息，将其与上述存储的变量进行对比，以此来判断反熔丝电阻是否达到了编程后电阻的要求，对未达要求的反熔丝采用自适应编程提升成功率。

4)自适应编程时，会依次调整编程脉冲数，编程电压值，导通阈值，从三个方面对目的反熔丝进行编程自适应调整。避免因反熔丝编程累积性，不同反熔丝单元所需编程电压的离散型，以及不同位置反熔丝的高压通路上编程压降的差异性而导致部分反熔丝编程失败。进行编程自适应调整，提升了反熔丝的编程成功率。

2.如权利要求1所述的自适应编程方法，其特征在于：待编程器件多为反熔丝FPGA、反熔丝PROM等反熔丝器件，用户通过对器件编程实现自定的逻辑功能或者存储数据。

3.所述的编程自适应调节，特征在于：对于不同工艺反熔丝器件，单个器件中不同的反熔丝单元实现编程的自适应调节。通过采样电阻电路的反馈信息来调整编程脉冲数，编程电压值以及导通阈值。编程脉冲数的调整能避免因反熔丝编程累积性导致的编程失败，编程电压的调整能避免因反熔丝理想编程电压离散型，以及芯片内部压降而导致的编程失败，导通阈值调整能使器件满足部分不需要高速的应用场景。

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