CN113342726A - 一种i2c总线系统、具有外加电压工作模式的芯片和方法 - Google Patents

Abstract

一种I2C总线系统，具有外加电压工作模式的芯片，和复用I2C总线向芯片内部施加电压的方法，芯片包括总线接口电路、数据选择器和核心功能电路；总线接口电路包括数据端口，用于与数据线连接，以使得芯片通过数据线基于总线协议接收和发出信号；数据选择器与数据端口、工作电压线、核心功能电路连接，用于从数据线和工作电压线中选择一路电压输出给核心功能电路；其中：在外加电压工作模式下，所述数据线被从所述芯片外施加预设电压，所述数据选择器选择将所述数据线这一路电压输出给所述核心功能电路，以使得所述核心功能电路被施加所述预设电压。本发明通过对芯片内部的电路进行改进，并通过复用芯片的总线接口来实现向芯片内部电路加入电压。

Description

一种I2C总线系统、具有外加电压工作模式的芯片和方法

技术领域

本发明涉及集成电路领域，特别涉及一种I2C总线系统，一种具有外加电压工作模式的芯片，一种复用I2C总线向芯片内部施加电压的方法。

背景技术

一些应用中分配给单个芯片的管脚资源有限，在一些传感器的应用中如型号为DS18B20的芯片中只有VCC管脚，GND管脚以及单总线接口等，甚至在一些应用中，VCC管脚也可以省去，芯片由总线接口通过特殊的电路结构处理后供电。在这样的应用中，受限于PIN脚资源，需要复用这些有限的PIN脚实现某些功能，如测试内部电压、向芯片内部施加电压等等。

在通常情况下，上述的操作都可以在晶圆级层面(wafer level)实现，如可以在芯片设计的时候增加一些额外的PAD脚(Pin脚指芯片封装好后的管脚，即用户能够看到的管脚；PAD脚是硅片的管脚，是封装在芯片内部的，用户一般无法看到)，这些额外的PAD脚可以在封装的时候可以不进行封装，从而可以将这些PAD单独用作测试或者外加电压等用途，这是业内解决上述问题的常用方案。

但是在一些应用中的芯片却无法使用上述方案来解决问题。例如温度传感器的应用中，温度测试的精度是和封装相关的，这种情况下，一些操作就需要封装后完成，而此时由于PIN脚受限并没有额外的PIN脚资源可以用来进行这些操作，在这种情况下，就无法使用上述引入额外的PAD脚并且不进行封装这一方案来解决问题。

发明内容

本发明提出一种I2C总线系统，一种具有外加电压工作模式的芯片，一种复用I2C总线向芯片内部施加电压的方法，下面具体说明。

根据第一方面，一种实施例中提供一种I2C总线系统，其特征在于，包括：主机电路和从机芯片，所述主机电路和从机芯片用于根据I2C通信协议进行通信；

所述从机芯片包括I2C接口电路、寄存器组、时钟延展单元、数据选择器、片内时钟单元和核心功能电路；所述I2C接口电路包括用于与串行数据线SDA连接的SDA端口，和用于与串行时钟线SCL连接的SCL端口；所述寄存器组用于寄存数据；所述时钟延展单元用于将所述串行时钟线SCL上的时钟信号进行时钟延展；所述数据选择器至少与所述串行数据线SDA、工作电压线V₁相连，用于从中选择一路输出给所述核心功能电路；所述核心功能电路用于实现所述从机芯片的预设功能；所述片内时钟单元用于产生片内时钟信号并计时；

所述主机电路包括控制单元和开关电路，所述控制单元至少包括与所述串行数据线SDA连接的SDA端口，与所述串行时钟线SCL连接的SCL端口，以及控制端；所述开关电路具有第一极、第二极和控制极，所述开关电路的控制极与所述控制单元的控制端连接，所述开关电路的第一极与预设电压线V_ext连接，所述开关电路的第二极与所述串行数据线SDA连接；

所述I2C总线系统具有正常工作模式和外加电压工作模式；其中：

在所述正常工作模式下：

所述控制单元通过其控制端向所述开关电路发出信号，以控制所述开关电路断开；

所述控制单元通过所述串行数据线SDA向从机芯片发出信号，所述从机芯片的I2C接口电路接收到信号后转存至所述寄存器组，所述寄存器组将该信号发送给所述数据选择器，以使得所述数据选择器选择将工作电压线V₁上的电压V₁输出给所述核心功能电路；

所述主机电路和从机芯片通过所述串行数据线SDA和串行时钟线SCL并基于I2C通信协议进行通信；

在所述外加电压工作模式下：

所述控制单元通过所述串行数据线SDA向从机芯片发出信号，所述从机芯片的I2C接口电路接收到信号后转存至所述寄存器组，所述寄存器组将该信号发送给所述时钟延展单元和所述数据选择器，以使得所述时钟延展单元将所述串行时钟线SCL上的时钟信号进行时钟延展，和使得所述数据选择器选择将所述串行数据线SDA的电压输出给所述核心功能电路；

所述控制单元通过其控制端向所述开关电路发出信号，以控制所述开关电路导通；所述开关电路导通后将其第一极连接的预设电压线V_ext的电压V_ext传输到第二极连接的串行数据线SDA，以使得所述数据选择器选择将串行数据线SDA的电压V_ext输出给所述核心功能电路；

所述片内时钟单元进行计时，当计时达到预设时长时，发出信号给所述寄存器组，所述寄存器组将该信号发送给所述时钟延展单元和所述数据选择器，以使得所述时钟延展单元恢复串行时钟线SCL上的时钟信号，使得数据选择器选择将工作电压线V₁上的电压V₁输出给所述核心功能电路。

根据第二方面，一种实施例中提供一种具有外加电压工作模式的芯片，包括：I2C接口电路、数据选择器和核心功能电路；

所述核心功能电路用于实现所述芯片的预设功能；

所述I2C接口电路包括用于与串行数据线SDA连接的SDA端口，和用于与串行时钟线SCL连接的SCL端口；所述I2C接口电路用于与所述核心功能电路通信，将所述核心功能电路发送的数据基于I2C通信协议通过所述串行数据线SDA和串行时钟线SCL发送出去，以及基于I2C通信协议通过所述串行数据线SDA和串行时钟线SCL接收数据并发送给所述核心功能电路；

所述数据选择器与所述SDA端口、工作电压线、所述核心功能电路连接，用于从所述串行数据线SDA和工作电压线中选择一路电压输出给所述核心功能电路；

其中：

在外加电压工作模式下，所述串行数据线SDA被从所述芯片外施加预设电压，所述数据选择器选择将所述串行数据线SDA这一路电压输出给所述核心功能电路，以使得所述核心功能电路被施加所述预设电压。

一实施例中，所述的芯片还包括时钟延展单元；在所述外加电压工作模式下，所述时钟延展单元将所述串行时钟线SCL上的时钟信号进行时钟延展。

一实施例中，所述时钟延展单元包括晶体管M1，所述晶体管M1的第一极与所述串行时钟线SCL连接，第二极接地，控制极用于响应指令来断开和导通其第一极和第二极的连通。

一实施例中，所述的芯片还包括片内时钟单元；在所述外加电压工作模式下，所述片内时钟单元进行计时，并当计时达到预设时长时，发出信号以使得所述数据选择器切换为将工作电压线上的电压输出给所述核心功能电路，还使得所述时钟延展单元恢复串行时钟线SCL上的时钟信号。

一实施例中，所述的芯片：

所述I2C接口电路通过所述串行数据线SDA接收到进入外加电压工作模式的进入指令时，所述I2C接口电路将该进入指令转发给所述时钟延展单元、所述数据选择器和片内时钟单元；

响应于所述进入指令，所述时钟延展单元将所述串行时钟线SCL上的时钟信号进行时钟延展；

响应于所述进入指令，所述数据选择器选择将所述串行数据线SDA的电压输出给所述核心功能电路；

响应于所述进入指令，所述片内时钟单元开始计时；

当计时达到预设时长时，所述片内时钟单元发出退出外加电压工作模式的退出指令；

响应于所述退出指令，所述数据选择器选择将所述工作电压线的电压输出给所述核心功能电路；

响应于所述退出指令，所述时钟延展单元停止对所述串行时钟线SCL上的时钟信号进行时钟延展。

一实施例中，所述芯片还具有正常工作模式，在所述正常工作模式下：

所述数据选择器选择将所述工作电压线的电压输出给所述核心功能电路；

所述I2C接口电路基于I2C通信协议通过所述串行数据线SDA和串行时钟线SCL接收数据，并发送给所述核心功能电路；或者，所述I2C接口电路接收所述核心功能电路发送过来的数据，并基于I2C通信协议将该数据通过所述串行数据线SDA和串行时钟线SCL发送出去。

根据第三方面，一种实施例提供一种具有外加电压工作模式的芯片，包括：总线接口电路、数据选择器和核心功能电路；

所述核心功能电路用于实现所述芯片的预设功能；

所述总线接口电路至少包括数据端口，用于与数据线连接，以使得所述芯片通过所述数据线基于总线协议接收和发出信号；

所述数据选择器与所述数据端口、工作电压线、核心功能电路连接，用于从所述数据线和工作电压线中选择一路电压输出给所述核心功能电路；

其中：

在外加电压工作模式下，所述数据线被从所述芯片外施加预设电压，所述数据选择器选择将所述数据线这一路电压输出给所述核心功能电路，以使得所述核心功能电路被施加所述预设电压。

一实施例中，所述的芯片还包括片内时钟单元；在所述外加电压工作模式下，所述片内时钟单元进行计时，并当计时达到预设时长时，发出信号以使得所述数据选择器切换为将工作电压线上的电压输出给所述核心功能电路。

根据第四方面，一种实施例提供一种复用I2C总线向芯片内部施加电压的方法，所述芯片包括I2C接口电路、数据选择器和核心功能电路，所述I2C接口电路用于连接串行数据线SDA和串行时钟线SCL连接，所述数据选择器用于连接所述串行数据线SDA和工作电压线；所述方法包括：

所述数据选择器将所述工作电压线这一路电压输出给所述核心功能电路；

响应于进入外加电压工作模式的进入指令，所述数据选择器切换为将所述串行数据线SDA这一路电压输出给所述核心功能电路；

所述串行数据线SDA被从所述芯片外施加预设电压；

响应于退出外加电压工作模式的退出指令，所述数据选择器切换为将所述工作电压线这一路电压输出给所述核心功能电路。

依据上述实施例的I2C总线系统，具有外加电压工作模式的芯片，和复用I2C总线向芯片内部施加电压的方法，对芯片内部的电路进行改进，并通过复用芯片的总线接口来实现向芯片内部电路加入电压。

附图说明

图1为一种实施例的具有外加电压工作模式的芯片的结构示意图；

图2为一种实施例的具有外加电压工作模式的芯片的结构示意图；

图3为一种实施例的具有外加电压工作模式的芯片的结构示意图；

图4为一种实施例的具有外加电压工作模式的芯片的结构示意图；

图5为一种实施例的具有外加电压工作模式的芯片的结构示意图；

图6为一种实施例的I2C总线系统的结构示意图；

图7为一种实施例的I2C总线系统的结构示意图；

图8为一种实施例的时序工作图；

图9为一种实施例的复用I2C总线向芯片内部施加电压的方法的流程图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本申请能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本申请相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。

另外，说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。同时，方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此，说明书和附图中的各种顺序只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的顺序，除非另有说明其中某个顺序是必须遵循的。

本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。

发明人在面对上述问题时，考虑对芯片内部的电路进行改进，并通过复用芯片的总线接口来实现向芯片内部电路加入电压参考，例如以I2C协议为例，通过复用芯片的sdio管脚来向芯片内部施加电压，下面具体说明。

本发明一些实施例中公开了一种芯片，该芯片具有外加电压工作模式或者说状态。请参照图1，一些实施例中，本发明具有外加电压工作模式的芯片包括总线接口电路10、数据选择器20和核心功能电路30，下面对各部分和电路进行详细说明。

核心功能电路30用于实现芯片的预设功能。预设功能一般指芯片的基本功能或者说核心功能。核心功能电路30即为实现本芯片基本或者说核心功能的电路。例如带有I2C通信功能的数字温度传感器的芯片，核心功能电路30包括核心感温电路和ADC电路等；再例如，带有I2C通信功能的EEPROM芯片，核心功能电路30即为存储单元。

总线接口电路10至少包括数据端口，用于与数据线连接，以使得芯片通过数据线基于总线协议接收和发出信号。也即，总线接口电路10根据相应的总线协议，从数据线上接收或发送数据，而在芯片内部，总线接口电路10又能够与核心功能电路30进行通信和数据交换，从而使得核心功能电路30能够通过总线接口电路10与外界进行通信和数据的收发、交换。

数据选择器20与总线接口电路10的数据端口、工作电压线、核心功能电路30连接，数据选择器20通过总线接口电路10的数据端口就能够与数据线连接。数据选择器20用于从数据线和工作电压线中选择一路电压输出给核心功能电路30。当然，在通常情况下，数据线上传输的是数据，当在特殊情况下，可以从外部向数据线施加预设的电压，例如测试所需电压或预设的外加电压等，接着就通过复用总线接口电路10的数据端口，数据选择器20选择数据线这一路的电压输给出核心功能电路30。

请参照图2，一些实施例中，芯片还可以包括片内时钟单元40，片内时钟单元40进行计时或者说计数。一些实施例中，片内时钟单元40可以通过晶振或震荡器等来实现计时和/或计数。

以上是具有外加电压工作模式的芯片的一些电路结构上的说明。本领域技术人员可以理解地，芯片还可以进一步包括其他电路，这可以根据用户的实际需求来确定，以上只是针对与本发明有关的一些电路进行了说明。

在正常工作模式下，数据选择器20是选择将工作电压线这一路电压输出给核心功能电路30，以对核心功能电路30进行供电；总线接口电路10能够基于相应的总线协议通过数据线与外界进行数据通信，从而总线接口电路10作为数据通信的桥梁，能够使得芯片或者说核心功能电路30完成与外界的数据通信。

在外加电压工作模式下，数据线会被从芯片外施加预设电压，而数据选择器20选择将数据线这一路电压输出给核心功能电路30，这就使得核心功能电路30被施加所述预设电压。

一些例子中，可以通过片内时钟单元40的计时或者说计数来设定退出外加电压工作模式的条件，例如在外加电压工作模式下，片内时钟单元40进行计时或计数，并当计时达到预设时长时或者说计数到达预设数值时，发出信号以使得数据选择器20切换为将工作电压线上的电压输出给核心功能电路30。

下面不妨以总线协议为I2C协议为例进行说明。

I2C总线是一种简单、双向二线制同步串行总线，它只需要两根线即可在连接于总线上的器件之间传送信息。主器件用于启动总线传送数据，并产生时钟以开放传送的器件，此时任何被寻址的器件均被认为是从器件.在总线上主和从、发和收的关系不是恒定的，而取决于此时数据传送方向。如果主机要发送数据给从器件，则主机首先寻址从器件，然后主动发送数据至从器件，最后由主机终止数据传送；如果主机要接收从器件的数据，首先由主器件寻址从器件，然后主机接收从器件发送的数据，最后由主机终止接收过程。在这种情况下，主机负责产生定时时钟和终止数据传送。

在硬件上，I2C总线只需要一根数据线(串行数据线SDA)和一根时钟线(串行时钟线SCL)两根线，总线接口已经集成在芯片内部，不需要特殊的接口电路，而且片上接口电路的滤波器可以滤去总线数据上的毛刺。因此I2C总线简化了硬件电路PCB布线，降低了系统成本，提高了系统可靠性。因为I2C芯片除了这两根线和少量中断线，与系统再没有连接的线，用户常用集成电路IC可以很容易形成标准化和模块化，便于重复利用。

请参照图3，一些实施例中，本发明具有外加电压工作模式的芯片包括I2C接口电路10、数据选择器20和核心功能电路30，下面对各部分和电路进行详细说明。

核心功能电路30用于实现芯片的预设功能，这在上文已有详细描述，在此不再赘述。

I2C接口电路10包括用于与串行数据线SDA连接的SDA端口，和用于与串行时钟线SCL连接的SCL端口；I2C接口电路10用于与核心功能电路30通信，将核心功能电路30发送的数据基于I2C通信协议通过串行数据线SDA和串行时钟线SCL发送出去，以及基于I2C通信协议通过串行数据线SDA和串行时钟线SCL接收数据并发送给核心功能电路30，这样的话，I2C接口电路10作为数据通信的桥梁，能够使得芯片或者说核心功能电路30完成与外界的数据通信。

数据选择器20与I2C接口电路10的SDA端口、工作电压线、核心功能电路30连接，数据选择器20通过I2C接口电路10的SDA端口就能够与串行数据线SDA连接。数据选择器20用于从串行数据线SDA和工作电压线中选择一路电压输出给核心功能电路30。

请参照图4，一些实施例中，芯片还可以包括时钟延展单元50；在外加电压工作模式下，时钟延展单元50将串行时钟线SCL上的时钟信号进行时钟延展，例如将串行时钟线SCL的电压拉低并维持为低电平。

一些实施例中，时钟延展单元50包括晶体管M1，晶体管M1的第一极与串行时钟线SCL连接，第二极接地，控制极用于响应指令来断开和导通其第一极和第二极的连通。当导通时，则实现了时钟延展功能。

需要说明的是，本申请中的晶体管可以是任何结构的晶体管，比如双极型晶体管或者场效应晶体管。当晶体管为双极型晶体管时，其控制极是指双极型晶体管的栅极，第一极可以为双极型晶体管的集电极或发射极，对应的第二极可以为双极型晶体管的发射极或集电极，在实际应用过程中，“发射极”和“集电极”可以依据信号流向而互换；当晶体管为场效应晶体管时，其控制极是指场效应晶体管的栅极，第一极可以为场效应晶体管的漏极或源极，对应的第二极可以为场效应晶体管的源极或漏极，在实际应用过程中，“源极”和“漏极”可以依据信号流向而互换。

请参照图5，一些实施例中，芯片还可以包括片内时钟单元40，片内时钟单元40进行计时或者说计数。一些实施例中，片内时钟单元40可以通过晶振或震荡器等来实现计时和/或计数。可以通过片内时钟单元40的计时或者说计数来设定退出外加电压工作模式的条件，例如在外加电压工作模式下，片内时钟单元40进行计时或计数，并当计时达到预设时长时或者说计数到达预设数值时，发出信号以使得数据选择器20切换为将工作电压线上的电压输出给核心功能电路30，同时使得时钟延展单元50恢复串行时钟线SCL上的时钟信号或者说停止对所述串行时钟线SCL上的时钟信号进行时钟延展。

以上是具有外加电压工作模式的I2C协议芯片的一些电路结构上的说明。下面对其工作过程进行一个说明。

在正常工作模式下：

数据选择器20选择将工作电压线的电压输出给核心功能电路30，以对核心功能电路30进行供电；

I2C接口电路10则基于I2C通信协议通过串行数据线SDA和串行时钟线SCL接收数据，并发送给核心功能电路30；或者，I2C接口电路10接收核心功能电路30发送过来的数据，并基于I2C通信协议将该数据通过串行数据线SDA和串行时钟线SCL发送出去。

而在外加电压工作模式下，串行数据线SDA被从芯片外施加预设电压，数据选择器20则选择将串行数据线SDA这一路电压输出给核心功能电路30，以使得核心功能电路30被施加所述预设电压。具体地，在外加电压工作模式下：

I2C接口电路10通过串行数据线SDA接收到进入外加电压工作模式的进入指令时，I2C接口电路将该进入指令转发给时钟延展单元50、数据选择器20和片内时钟单元40；

响应于上述的进入指令，时钟延展单元50将串行时钟线SCL上的时钟信号进行时钟延展；

响应于上述的进入指令，数据选择器20选择将串行数据线SDA的电压输出给核心功能电路30；

响应于上述的进入指令，片内时钟单元40开始计时；可以理解地，这一步不是必须的，也可以通过其他方式来退出外加电压工作模式；

当计时达到预设时长时，片内时钟单元40发出退出外加电压工作模式的退出指令；

响应于上述的退出指令，数据选择器20选择将工作电压线的电压输出给核心功能电路30；

响应于上述的退出指令，时钟延展单元50停止对所述串行时钟线SCL上的时钟信号进行时钟延展，即串行时钟线SCL上恢复了时钟信号。

一些实施例中，外界向串行时钟线SCL施加预设电压的结束时间点晚于片内时钟单元40所计时的预设时长的到达点，这样可以防止时序错位。

需要说明的是，本文中计时和计数可以表征同一个意思，计数在某种程度是一种计时，计时在某种程度也是一种计数，在本文中他们都共同用于表征一段设定的时长。

如上文所述，本文中具有外加电压工作模式的芯片除了本文所涉及的电路部件，还可以进一步包括其他电路，这可以根据用户的实际需求来确定，例如可以包括寄存器组，来进行数据的寄存，以协助进行芯片内部的数据传输。图6就是一个例子。

请参照图6，本发明一些实施例中公开了一种I2C总线系统，其包括主机电路200和从机芯片100，主机电路200和从机芯片100用于根据I2C通信协议进行通信。

一些实施例中，从机芯片100为本文中任一实施例所描述的具有外加电压工作模式的芯片。一些实施例中，从机芯片100或者说具有外加电压工作模式的芯片100，包括I2C接口电路10、数据选择器20、核心功能电路30、片内时钟单元40、时钟延展单元50和寄存器组60，下面对各部件进行说明。

I2C接口电路10包括用于与串行数据线SDA连接的SDA端口，和用于与串行时钟线SCL连接的SCL端口；数据选择器20至少与串行数据线SDA、工作电压线V₁相连，用于从中选择一路输出给核心功能电路30；核心功能电路30用于实现从机芯片100的预设功能；片内时钟单元40用于产生片内时钟信号并计时；时钟延展单元50用于将所述串行时钟线SCL上的时钟信号进行时钟延展；寄存器组60用于寄存数据。

主机电路200包括控制单元210和开关电路220。控制单元210至少包括与串行数据线SDA连接的SDA端口，与串行时钟线SCL连接的SCL端口，以及控制端；一些实施例中，控制单元210可以通过MCU来实现。开关电路220具有第一极、第二极和控制极，开关电路220的控制极与控制单元210的控制端连接，开关电路220的第一极与预设电压线V_ext连接，开关电路220的第二极与所述串行数据线SDA连接。开关电路220有多种实现方式，例如通过晶体管来实现。

I2C总线系统具有正常工作模式和外加电压工作模式，下面具体说明。

在正常工作模式下：

控制单元210通过其控制端向开关电路220发出信号，以控制开关电路220断开，因此串行数据线SDA上不会被施加电压V_ext；

控制单元210通过所述串行数据线SDA向从机芯片100发出信号，从机芯片100的I2C接口电路10接收到信号后转存至寄存器组60，寄存器组60将该信号发送给数据选择器20，以使得数据选择器20选择将工作电压线V₁上的电压V₁输出给所述核心功能电路；

主机电路200和从机芯片100通过串行数据线SDA和串行时钟线SCL并基于I2C通信协议进行通信。

在外加电压工作模式下：

控制单元210通过串行数据线SDA向从机芯片100发出信号，从机芯片100的I2C接口电路10接收到信号后转存至寄存器组60，寄存器组60将该信号发送给时钟延展单元50和数据选择器20，以使得时钟延展单元50将串行时钟线SCL上的时钟信号进行时钟延展，和使得数据选择器20选择将串行数据线SDA的电压输出给核心功能电路30；

控制单元210通过其控制端向开关电路210发出信号，以控制开关电路导通；开关电路210导通后将其第一极连接的预设电压线V_ext的电压V_ext传输到第二极连接的串行数据线SDA，由于此时数据选择器20选择将串行数据线SDA的电压输出给所述核心功能电路，因此这就实现了通过复用I2C接口电路10的SDA端口或者说串行数据线SDA向从机芯片100施加电压；

片内时钟单元40进行计时，当计时达到预设时长时，发出信号给寄存器组60，寄存器组60将该信号发送给时钟延展单元50、数据选择器20，以使得时钟延展单元50恢复串行时钟线SCL上的时钟信号，使得数据选择器20选择将工作电压线V₁上的电压V₁输出给核心功能电路30。

可以理解地，在这个过程中，控制单元210也会在某个时间节点通过其控制端向开关电路210发出信号，以控制开关电路断开，这个时间节点可以由控制单元210内部设定——例如对于对一个具体的从机芯片100来讲，其核心功能电路30完成核心功能的时间是已知的，例如温度传感器完成一次温度转换的最长时间是已知的，因此可以在控制单元210将上述的时间节点设置为大于从机芯片100完成一次核心功能的时间即可。

如图7所示，寄存器组60可以包括寄存器reg1、寄存器reg2和寄存器reg3。图8为对应的一个时序图。

正常工作情况下，开关S1(即开关电路210)是断开状态，MCU(即控制单元210)与I2C接口电路10根据I2C协议正常通信。图中MUX表示数据选择器20，其输入分别与工作电压线V₁和串行数据线SDA相连，其控制信号为寄存器reg3的输出，即寄存器reg3能够决定数据选择器20选择哪路来输出，MUX的输出表示为V_mo。正常工作情况下，数据选择器20的输出V_mo的值为V₁；而当进入外加电压模式时，数据选择器20的输出为此时sdio总线上的电压。时钟延展单元50的晶体管M1的栅端受寄存器reg3的控制，漏端与sclk线相连，实现的功能为时钟延展(clock stretching)。寄存器reg1受I2C接口电路10的控制，其输出与核心功能电路30相连，参与内部电路的状态控制，寄存器reg2的时钟为内部时钟，内部时钟通过片内时钟单元40来产生，其用来内部计时。

外加电压工作模式具体的工作流程如下：当需要进入外加电压工作模式时，MCU发送指令控制寄存器reg3，同时将MUX选通至sdio输入端，晶体管M1的栅端电压为高，sclk被拉低，进入clock stretching状态，此时MUX的输出电压与sdio上的电压相同。经过时间t₁后，MCU控制某个将开关S1闭合(即导通)，此时SDA总线上的电压即为外加电压V_ext，MUX的输出也即为V_ext。

退出外加电压模式的具体流程如下。寄存器reg3同时受到片内时间单元40的计数的控制，当寄存器reg3接收到MCU发出的进入外加模式指令之后，片内时间单元40开始工作和计数，当计数到n以后(n值根据内部电路具体情况设定)，寄存器reg3的输出即晶体管M1的栅端电压以及MUX控制信号恢复到正常工作模式，计数的总时间为t₂，计数时间的参考时钟为内部时钟。开关S1的控制信号ctrl1为高的时间为t₃，这个时间由MCU控制。t₁加t₃的时间应该保证大于t₂(计时时长)以防止时序错位。t₃具体如何来设置可以参见上文的描述，例如t₃大于从机芯片100的完成一次核心功能的时间。

本发明一些实施例中还公开了一种复用I2C总线向芯片内部施加电压的方法，芯片包括I2C接口电路、数据选择器和核心功能电路，I2C接口电路用于连接串行数据线SDA和串行时钟线SCL连接，数据选择器用于连接所述串行数据线SDA和工作电压线。请参照图9，一些实施例中，复用I2C总线向芯片内部施加电压的方法包括以下步骤：

步骤S100：所述数据选择器将所述工作电压线这一路电压输出给所述核心功能电路；

步骤S110：响应于进入外加电压工作模式的进入指令，所述数据选择器切换为将所述串行数据线SDA这一路电压输出给所述核心功能电路；

步骤S120：所述串行数据线SDA被从所述芯片外施加预设电压；

步骤S130：响应于退出外加电压工作模式的退出指令，所述数据选择器切换为将所述工作电压线这一路电压输出给所述核心功能电路。

本文参照了各种示范实施例进行说明。然而，本领域的技术人员将认识到，在不脱离本文范围的情况下，可以对示范性实施例做出改变和修正。例如，各种操作步骤以及用于执行操作步骤的组件，可以根据特定的应用或考虑与系统的操作相关联的任何数量的成本函数以不同的方式实现(例如一个或多个步骤可以被删除、修改或结合到其他步骤中)。

虽然在各种实施例中已经示出了本文的原理，但是许多特别适用于特定环境和操作要求的结构、布置、比例、元件、材料和部件的修改可以在不脱离本披露的原则和范围内使用。以上修改和其他改变或修正将被包含在本文的范围之内。

前述具体说明已参照各种实施例进行了描述。然而，本领域技术人员将认识到，可以在不脱离本披露的范围的情况下进行各种修正和改变。因此，对于本披露的考虑将是说明性的而非限制性的意义上的，并且所有这些修改都将被包含在其范围内。同样，有关于各种实施例的优点、其他优点和问题的解决方案已如上所述。然而，益处、优点、问题的解决方案以及任何能产生这些的要素，或使其变得更明确的解决方案都不应被解释为关键的、必需的或必要的。本文中所用的术语“包括”和其任何其他变体，皆属于非排他性包含，这样包括要素列表的过程、方法、文章或设备不仅包括这些要素，还包括未明确列出的或不属于该过程、方法、系统、文章或设备的其他要素。此外，本文中所使用的术语“耦合”和其任何其他变体都是指物理连接、电连接、磁连接、光连接、通信连接、功能连接和/或任何其他连接。

具有本领域技术的人将认识到，在不脱离本发明的基本原理的情况下，可以对上述实施例的细节进行许多改变。因此，本发明的范围应仅由权利要求确定。

Claims (10)

1.一种I2C总线系统，其特征在于，包括：主机电路和从机芯片，所述主机电路和从机芯片用于根据I2C通信协议进行通信；

所述从机芯片包括I2C接口电路、寄存器组、时钟延展单元、数据选择器、片内时钟单元和核心功能电路；所述I2C接口电路包括用于与串行数据线SDA连接的SDA端口，和用于与串行时钟线SCL连接的SCL端口；所述寄存器组用于寄存数据；所述时钟延展单元用于将所述串行时钟线SCL上的时钟信号进行时钟延展；所述数据选择器至少与所述串行数据线SDA、工作电压线V₁相连，用于从中选择一路输出给所述核心功能电路；所述核心功能电路用于实现所述从机芯片的预设功能；所述片内时钟单元用于产生片内时钟信号并计时；

所述主机电路包括控制单元和开关电路，所述控制单元至少包括与所述串行数据线SDA连接的SDA端口，与所述串行时钟线SCL连接的SCL端口，以及控制端；所述开关电路具有第一极、第二极和控制极，所述开关电路的控制极与所述控制单元的控制端连接，所述开关电路的第一极与预设电压线V_ext连接，所述开关电路的第二极与所述串行数据线SDA连接；

所述I2C总线系统具有正常工作模式和外加电压工作模式；其中：

在所述正常工作模式下：

所述控制单元通过其控制端向所述开关电路发出信号，以控制所述开关电路断开；

所述控制单元通过所述串行数据线SDA向从机芯片发出信号，所述从机芯片的I2C接口电路接收到信号后转存至所述寄存器组，所述寄存器组将该信号发送给所述数据选择器，以使得所述数据选择器选择将工作电压线V₁上的电压V₁输出给所述核心功能电路；

所述主机电路和从机芯片通过所述串行数据线SDA和串行时钟线SCL并基于I2C通信协议进行通信；

在所述外加电压工作模式下：

所述控制单元通过所述串行数据线SDA向从机芯片发出信号，所述从机芯片的I2C接口电路接收到信号后转存至所述寄存器组，所述寄存器组将该信号发送给所述时钟延展单元和所述数据选择器，以使得所述时钟延展单元将所述串行时钟线SCL上的时钟信号进行时钟延展，和使得所述数据选择器选择将所述串行数据线SDA的电压输出给所述核心功能电路；

所述控制单元通过其控制端向所述开关电路发出信号，以控制所述开关电路导通；所述开关电路导通后将其第一极连接的预设电压线V_ext的电压V_ext传输到第二极连接的串行数据线SDA，以使得所述数据选择器选择将串行数据线SDA的电压V_ext输出给所述核心功能电路；

所述片内时钟单元进行计时，当计时达到预设时长时，发出信号给所述寄存器组，所述寄存器组将该信号发送给所述时钟延展单元和所述数据选择器，以使得所述时钟延展单元恢复串行时钟线SCL上的时钟信号，使得数据选择器选择将工作电压线V₁上的电压V₁输出给所述核心功能电路。

2.一种具有外加电压工作模式的芯片，其特征在于，包括：I2C接口电路、数据选择器和核心功能电路；

所述核心功能电路用于实现所述芯片的预设功能；

所述I2C接口电路包括用于与串行数据线SDA连接的SDA端口，和用于与串行时钟线SCL连接的SCL端口；所述I2C接口电路用于与所述核心功能电路通信，将所述核心功能电路发送的数据基于I2C通信协议通过所述串行数据线SDA和串行时钟线SCL发送出去，以及基于I2C通信协议通过所述串行数据线SDA和串行时钟线SCL接收数据并发送给所述核心功能电路；

所述数据选择器与所述SDA端口、工作电压线、所述核心功能电路连接，用于从所述串行数据线SDA和工作电压线中选择一路电压输出给所述核心功能电路；

其中：

在外加电压工作模式下，所述串行数据线SDA被从所述芯片外施加预设电压，所述数据选择器选择将所述串行数据线SDA这一路电压输出给所述核心功能电路，以使得所述核心功能电路被施加所述预设电压。

3.如权利要求2所述的芯片，其特征在于，还包括时钟延展单元；在所述外加电压工作模式下，所述时钟延展单元将所述串行时钟线SCL上的时钟信号进行时钟延展。

4.如权利要求3所述的芯片，其特征在于，所述时钟延展单元包括晶体管M1，所述晶体管M1的第一极与所述串行时钟线SCL连接，第二极接地，控制极用于响应指令来断开和导通其第一极和第二极的连通。

5.如权利要求2至4中任一项所述的芯片，其特征在于，还包括片内时钟单元；在所述外加电压工作模式下，所述片内时钟单元进行计时，并当计时达到预设时长时，发出信号以使得所述数据选择器切换为将工作电压线上的电压输出给所述核心功能电路，还使得所述时钟延展单元恢复串行时钟线SCL上的时钟信号。

6.如权利要求5所述的芯片，其特征在于：

所述I2C接口电路通过所述串行数据线SDA接收到进入外加电压工作模式的进入指令时，所述I2C接口电路将该进入指令转发给所述时钟延展单元、所述数据选择器和片内时钟单元；

响应于所述进入指令，所述时钟延展单元将所述串行时钟线SCL上的时钟信号进行时钟延展；

响应于所述进入指令，所述数据选择器选择将所述串行数据线SDA的电压输出给所述核心功能电路；

响应于所述进入指令，所述片内时钟单元开始计时；

当计时达到预设时长时，所述片内时钟单元发出退出外加电压工作模式的退出指令；

响应于所述退出指令，所述数据选择器选择将所述工作电压线的电压输出给所述核心功能电路；

响应于所述退出指令，所述时钟延展单元停止对所述串行时钟线SCL上的时钟信号进行时钟延展。

7.如权利要求2至4中任一项所述的芯片，其特征在于，所述芯片还具有正常工作模式，在所述正常工作模式下：

所述数据选择器选择将所述工作电压线的电压输出给所述核心功能电路；

所述I2C接口电路基于I2C通信协议通过所述串行数据线SDA和串行时钟线SCL接收数据，并发送给所述核心功能电路；或者，所述I2C接口电路接收所述核心功能电路发送过来的数据，并基于I2C通信协议将该数据通过所述串行数据线SDA和串行时钟线SCL发送出去。

8.一种具有外加电压工作模式的芯片，其特征在于，包括：总线接口电路、数据选择器和核心功能电路；

所述核心功能电路用于实现所述芯片的预设功能；

所述总线接口电路至少包括数据端口，用于与数据线连接，以使得所述芯片通过所述数据线基于总线协议接收和发出信号；

所述数据选择器与所述数据端口、工作电压线、核心功能电路连接，用于从所述数据线和工作电压线中选择一路电压输出给所述核心功能电路；

其中：

在外加电压工作模式下，所述数据线被从所述芯片外施加预设电压，所述数据选择器选择将所述数据线这一路电压输出给所述核心功能电路，以使得所述核心功能电路被施加所述预设电压。

9.如权利要求8所述的芯片，其特征在于，还包括片内时钟单元；在所述外加电压工作模式下，所述片内时钟单元进行计时，并当计时达到预设时长时，发出信号以使得所述数据选择器切换为将工作电压线上的电压输出给所述核心功能电路。

10.一种复用I2C总线向芯片内部施加电压的方法，所述芯片包括I2C接口电路、数据选择器和核心功能电路，所述I2C接口电路用于连接串行数据线SDA和串行时钟线SCL连接，所述数据选择器用于连接所述串行数据线SDA和工作电压线；其特征在于，所述方法包括：

所述数据选择器将所述工作电压线这一路电压输出给所述核心功能电路；

响应于进入外加电压工作模式的进入指令，所述数据选择器切换为将所述串行数据线SDA这一路电压输出给所述核心功能电路；

所述串行数据线SDA被从所述芯片外施加预设电压；

响应于退出外加电压工作模式的退出指令，所述数据选择器切换为将所述工作电压线这一路电压输出给所述核心功能电路。

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