CN115831204A

CN115831204A - 一种反熔丝编程器及编程方法

Info

Publication number: CN115831204A
Application number: CN202310108548.7A
Authority: CN
Inventors: 吴方明; 李威; 王佐; 兰秋健
Original assignee: Chengdu Sihai Wulin Technology Co ltd
Current assignee: Chengdu Sihai Wulin Technology Co ltd
Priority date: 2023-02-14
Filing date: 2023-02-14
Publication date: 2023-03-21

Abstract

本发明公开一种反熔丝编程器及编程方法，该反熔丝编程器包括：转接板，用于连接反熔丝；电压输入模块，连接所述转接板，并为所述反熔丝提供测试电压；电压采集模块，连接所述转接板，并用于采集所述反熔丝的第一电压，所述第一电压为所述反熔丝接入所述测试电压后的实际电压；编程模块，连接所述转接板，并用于为所述反熔丝提供编程数据；控制模块，连接所述电压采集模块以及所述编程模块，并响应所述第一电压来控制所述编程模块输出编程数据；能够对编程电压进行实时监控，能够根据实际电压情况自适应调整编程数据。

Description

一种反熔丝编程器及编程方法

技术领域

本发明涉及反熔丝技术领域，尤其涉及一种反熔丝编程器及编程方法。

背景技术

编程器是为可编程的集成电路写入数据的工具，通常与计算机连接，再配合编程软件使用。反熔丝FPGA的编程器的基础功能是编程反熔丝，施加高压击穿特定的反熔丝点，反熔丝一段连接编程高压VPP，另外一端接GND，击穿反熔丝。击穿前的反熔丝不导通，输入无法进入芯片，芯片内的逻辑模块无有效输出；击穿后反熔丝点导通，信号可通过击穿后的反熔丝点进入反熔丝FPGA的逻辑阵列，逻辑阵列也通过复杂的互联，形成特定的功能。

编程器需要提供3个数字信号的输入MODE、DLCK、SDI、同时要提供3个高压输入VSV、VPP、VKS，才能完成编程过程。目前已有的编程器没有对3个高压输入VSV、VPP、VKS进行实时检测，VPP脉冲数目是固定值，无法根据反熔丝点的实际情况具体调整脉冲数目，所以无法提升反熔丝FPGA芯片的编程精准度和编程效率。

因此，急需要一种能够解决上述问题的反熔丝编程器及编程方法。

发明内容

本申请旨在提供一种反熔丝编程器及编程方法，能够对编程电压进行实时监控，能够根据实际电压情况自适应调整编程数据。

第一方面，本申请提供一种反熔丝编程器，包括：

转接板，用于连接反熔丝；

电压输入模块，连接所述转接板，并为所述反熔丝提供测试电压；

电压采集模块，连接所述转接板，并用于采集所述反熔丝的第一电压，所述第一电压为所述反熔丝接入所述测试电压后的实际电压；

编程模块，连接所述转接板，并用于为所述反熔丝提供编程数据；

控制模块，连接所述电压采集模块以及所述编程模块，并响应所述第一电压来控制所述编程模块输出编程数据。

在本申请的部分实施例中，所述电压采集模块包括降压采集单元，所述降压采集单元用于采集所述第一电压，并将所述第一电压转换为第二电压，所述第二电压小于所述第一电压。

在本申请的部分实施例中，所述降压采集单元包括运算放大器、第一电阻以及第二电阻，所述第一电阻的一端用于接收所述第一电压、另一端连接所述第二电阻，所述第二电阻背离所述第一电阻的一端接地；所述运算放大器包括第一输入端、第二输入端和第一输出端，所述第一输入端连接在所述第一电阻和所述第二电阻之间，所述第二输入端连接所述输出端，所述第一输出端输出所述第二电压。

在本申请的部分实施例中，所述电压采集模块还包括模数转换单元，所述模数转换单元用于将所述第二电压转换为数字信号，并将所述数字信号输出给所述控制模块。

在本申请的部分实施例中，所述第一电压包括至少三个第一子电压；所述降压采集单元和所述模数转换单元之间还设置有电压选择单元，所述电压选择单元用于选择任意一个所述第一子电压，并将其输出到所述模数转换单元中。

在本申请的部分实施例中，所述反熔丝编程器还包括电流检测模块，所述电流检测模块连接所述转接板，并用于检测所述反熔丝的第一电流，所述第一电流为所述反熔丝接入所述测试电压后的实际电流。

在本申请的部分实施例中，所述电流检测模块包括第一场效应管、第二场效应管、检测电阻以及仪表放大器，所述第一场效应管一端连接所述反熔丝的第一端部、另一端接地；所述第二场效应管的一端连接所述反熔丝的第二端部，另一端连接所述仪表放大器的第三输入端；所述仪表放大器的第四输入端用于接入第一测试电压，所述第三输入端和所述第四输入端之间连接有所述检测电阻，所述仪表放大器的第二输出端连接所述控制模块；

其中，所述第一场效应管和所述第二场效应管用于接收第二测试电压，并控制其两侧的通断；所述测试电压包括所述第二测试电压和所述第一测试电压，且所述第二测试电压不同于所述第一测试电压。

在本申请的部分实施例中，所述反熔丝编程器还包括指示模块，所述指示模块与所述控制模块连接，且所述指示模块包括至少三种显示状态，以显示所述反熔丝编程器的工作状态。

在本申请的部分实施例中，所述反熔丝编程器还包括通信串口，所述通信串口连接所述控制模块，且所述通信串口用于与上位机连接。

一种反熔丝编程方法，采用上述的反熔丝编程器对反熔丝进行编程。

本申请所提供的一种反熔丝编程器及编程方法，该反熔丝编程器包括：转接板，用于连接反熔丝；电压输入模块，连接所述转接板，并为所述反熔丝提供测试电压；电压采集模块，连接所述转接板，并用于采集所述反熔丝的第一电压，所述第一电压为所述反熔丝接入所述测试电压后的实际电压；编程模块，连接所述转接板，并用于为所述反熔丝提供编程数据；控制模块，连接所述电压采集模块以及所述编程模块，并响应所述第一电压来控制所述编程模块输出编程数据；能够对编程电压进行实时监控，能够根据实际电压情况自适应调整编程数据。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的现有技术中的ONO反熔丝结构示意图；

图2为本发明的现有技术中的反熔丝FPGA中逻辑模块分布图；

图3为本发明的一实施例提供的反熔丝编程器的结构框图；

图4为本发明的另一实施例提供的反熔丝编程器的结构框图；

图5为本发明的又一实施例提供的反熔丝编程器的结构框图；

图6为本发明的一实施例提供的电压采集电路的结构示意图；

图7为本发明的一实施例提供的电压采集电路的电路图；

图8为本发明的一实施例提供的电流检测电路的结构示意图；

图9为本发明的一实施例提供的电流检测电路的电路图。

主要元素符号说明：

100-控制模块，200-编程模块，300-反熔丝，400-电压采集模块，500-电流检测模块。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。在本发明的描述中，“多个”的含义包含两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，“示例性”一词用来表示“用作例子、例证或说明”。本申请中被描述为“示例性”的任何实施例不一定被解释为比其它实施例更优选或更具优势。为使本领域任何技术人员能够实现和使用本发明，给出了以下描述。在以下描述中，为了解释的目的而列出了细节。应当明白的是，本领域普通技术人员可以认为，在不使用这些特定细节的情况下也可以实现本发明。在其它实施例中，不会对已知的结构和过程进行详细阐述，以避免不必要的细节使本发明的描述变得晦涩。因此，本发明并非旨在限于所示的实施例，而是与符合本申请所公开的原理的最广范围相一致。

现场可编程门阵列FPGA（Field Programmable Gate Array），是一种用户可配置的用以实现用户所需功能的集成电路器件。市面上有各种不同类型的FPGA器件，这些不同器最主要区别在于所使用的可编程单元不同。该发明针对的反熔丝300FPGA，基础的编程单元是反熔丝300(Antifuse)，因为反熔丝编程后，状态无法逆转，因此反熔丝300型FPGA属于一次可编程器件（OTP器件）。

反熔丝300型FPGA的基础单元是反熔丝300，最常见的ONO型反熔丝300器件（Oxide-Nitride-Oxide，氧化物-氮化物-氧化物）结构如图1所示，反熔丝300采用了两层氧化物SiO2中夹杂一层氮化物Si3N4。ONO反熔丝300包含在多晶硅层和N+扩散层中，四周设计了一层FOX场氧化层用于隔离多晶硅层和N+扩散层。反熔丝300两端的互连线分别连接到多晶硅层和N+扩散层(利用通孔连接到金属层)。反熔丝300厚度由工艺和击穿电压共同决定，1um工艺的ONO器件的典型厚度为9nm，编程电压大约为17V。反熔丝编程之前的电阻大于1MΩ，编程之后的电阻值范围为1kΩ~3kΩ。

从反熔丝300的结构上可见，反熔丝300的实际版图面积偏大，由于工艺限制，难以做到不同位置的反熔丝300击穿后电阻一致。反熔丝编程时，添加的VPP高压脉冲数目固定，就无法适应工艺偏差导致的反熔丝编程后电阻不一，每个反熔丝300都加载相同的VPP高压脉冲，耗时较长，降低了编程器的编程效率。

另外，反熔丝300处于大规模阵列中，有的反熔丝300点分布距离VPP布线较近，VPP脉冲加载到反熔丝300上的编程通路很短，那么实际加载到反熔丝300两端的编程电压就比较接近VPP的18V，这部分反熔丝300点不需要很多VPP脉冲就能编程成功。

有的反熔丝300分布距离VPP布线较远，VPP脉冲加载到反熔丝300上的编程通路较长，实际加载到反熔丝300两端的编程电压就偏低，最恶劣的情况，实际加载到反熔丝300的编程电压可能只有16V左右，较低编程电压编程的反熔丝300，编程后的电阻有可能偏大，为此，这部分反熔丝300需要适当增加VPP的高压脉冲，降低反熔丝300的编程后电阻，提升反熔丝300的频率特性，从而提升芯片的性能。

反熔丝300的物理结构和反熔丝300的阵列分布，决定了不同反熔丝300需要的编程条件不一致，反熔丝编程时，需要处理不同情况。如图2是反熔丝300FPGA中逻辑模块分布图，逻辑模块和反熔丝300都以阵列的形式分布在芯片中。反熔丝300芯片内部多样的布线资源，通过反熔丝编程与否，构成反熔丝300FPGA可编程特性的基础。反熔丝300FPGA在制造出来后，编程前为逻辑空片，内部所有逻辑模块不输出任何有效值，因此不具有任何逻辑功能，需要对其进行编程，使芯片具有用户所需的逻辑功能，然后被用户使用。

本申请基于此对现有的反熔丝编程器及编程方法进行了改进。

请参阅图1至图9，本实施例提供了一种反熔丝编程器，包括：转接板，用于连接反熔丝300；电压输入模块，连接所述转接板，并为所述反熔丝300提供测试电压；电压采集模块400，连接所述转接板，并用于采集所述反熔丝300的第一电压，所述第一电压为所述反熔丝300接入所述测试电压后的实际电压；编程模块200，连接所述转接板，并用于为所述反熔丝300提供编程数据；控制模块100，连接所述电压采集模块400以及所述编程模块200，并响应所述第一电压来控制所述编程模块200输出编程数据。能够对编程电压进行实时监控，能够根据实际电压情况自适应调整编程数据。

在本申请的部分实施例中，所述电压采集模块400包括降压采集单元，所述降压采集单元用于采集所述第一电压，并将所述第一电压转换为第二电压，所述第二电压小于所述第一电压。

在本申请的部分实施例中，所述降压采集单元包括运算放大器AD8066、第一电阻R1以及第二电阻R2，所述第一电阻R1的一端用于接收所述第一电压、另一端连接所述第二电阻R2，所述第二电阻R2背离所述第一电阻R1的一端接地；所述运算放大器AD8066包括第一输入端、第二输入端和第一输出端，所述第一输入端连接在所述第一电阻R1和所述第二电阻R2之间，所述第二输入端连接所述输出端，所述第一输出端输出所述第二电压。

在本申请的部分实施例中，所述电压采集模块400还包括模数转换单元，所述模数转换单元用于将所述第二电压转换为数字信号，并将所述数字信号输出给所述控制模块100。

在本申请的部分实施例中，所述反熔丝编程器还包括电流检测模块500，所述电流检测模块500连接所述转接板，并用于检测所述反熔丝300的第一电流，所述第一电流为所述反熔丝300接入所述测试电压后的实际电流。

在本申请的部分实施例中，所述电流检测模块500包括第一场效应管、第二场效应管、检测电阻以及仪表放大器，所述第一场效应管一端连接所述反熔丝300的第一端部、另一端接地；所述第二场效应管的一端连接所述反熔丝300的第二端部，另一端连接所述仪表放大器的第三输入端；所述仪表放大器的第四输入端用于接入第一测试电压，所述第三输入端和所述第四输入端之间连接有所述检测电阻，所述仪表放大器的第二输出端连接所述控制模块100；

在本申请的部分实施例中，所述反熔丝编程器还包括指示模块，所述指示模块与所述控制模块100连接，且所述指示模块包括至少三种显示状态，以显示所述反熔丝编程器的工作状态。

在本申请的部分实施例中，所述反熔丝编程器还包括通信串口，所述通信串口连接所述控制模块100，且所述通信串口用于与上位机连接。

请参阅图3至图5，控制模块100为主控芯片STM32，这是一款基于Cortex-M3架构的低功耗、低成本、高性能的处理器芯片。该芯片功能强大、资源丰富，拥有多个可配置I/O端口、外设资源丰富，芯片工作的最小系统电路配置较为简单，适合反熔丝300FPGA测试系统的设计。指示模块为指示电路，采用了3种不同颜色的LED灯，通过LED灯亮灭组合，显示编程器的不同工作状态。通信串口和PC连接，PC上的操作软件称为“上位机”，控制芯片的编程过程，并能读取芯片的编程、测试状态。编程模块200为编程电路；能够为反熔丝300FPGA的编程提供编程数据流和编程时钟等数字信号。高压产生电路为反熔丝300FPGA的编程3个高压输入VSV、VPP、VKS，提供VPP的脉冲电压；电压采集模块400主要功能是对3个高压输入VSV、VPP、VKS进行实时监测。将高压信号降压、采集后，转化为不同数据流输入STM32主控芯片处理。电流检测模块500主要功能是测量反熔丝300在VPP脉冲后的电阻值，转化为数据流输入STM32主控芯片进行分析处理。电源板将220V交流电转化为直流电，为编程器提供电源。

更为具体地实施例中，请参阅图6和图7，3个高压输入VSV、VPP、VKS的电压太高，直接输入到后级电路，会烧毁后级芯片，因此首先对3个高压输入进行降压、采集。再通过电压选择电路，将3个电压选择输入至ADC电路，把降压后的电平转化为10bit的数字信号，输入STM32芯片处理。以VPP为例，两个电阻R₁和R₂来实现VPP电压的采集和降压，易得

这里R₁=1MΩ，R₂=100KΩ，输出电压VOUT为输入电压VPP的1/11，保护了后级电路。VSV、VKS采集/处理电路原理相同，必要时可调整电阻R₁和R₂的比值。

电压选择电路的核心是74HC4051，模拟选择芯片，实现对输出电平的选择。将采集处理电路输入到74HC4051管脚上，通过设置选择信号，即可选择不同的输入信号到输出端。

ADC采用的芯片是AD9200。将电压选择电路输出的电压信号连接到ADC芯片的输入端口AIN，程序对AD9200芯片进行控制，使芯片对AIN管脚的模拟电压进行采样和转化。ADC采样转化完成后，将得到的10bit数字信号传送给STM32芯片，STM32芯片根据采集的数字电压值计算3个高压输入VSV、VPP、VKS的电平值。

在更为具体地实施例中，请参阅图8和图9，编程器不能直接测量反熔丝300的电阻，需要测量反熔丝300的电阻，可通过检测VPP端口的输入电流大小的变化，通过计算，判断反熔丝300的当前电阻。采集反馈电路结构示意图6所示，通过在VPP电源端口串联一个较小的电阻R，R的阻值比较小，不会影响反熔丝300的编程，编程器可以测量电阻R上的电压。电流测试电路的原理图如图7所示，I_VPP的输出值如下：

V_{I_VPP}= G×(V_+IN-V_-IN) = G×R₁×I_vpp

AD8421的输出电压采集获取后，就可以通过计算，去计算得出反熔丝300的电阻值

V_{AD_VPP}= (R₁+R_FUSE)×I_P

其中，如果设置R₁=50Ω，V_{AD_VPP}是测量电流时加载在50Ω电阻前端的VPP电压值(9V)。能够得出，计算反熔丝300的电阻值如下

R_FUSE=G×R₁×-R₁

随后，通过仪表放大器和ADC模数转换芯片将电阻R的端电压反输入STM32控制芯片中。主控芯片通过编程通路中的电流值，VPP的电压值、电阻R两端的电压、电阻R上的分压，即可算出反熔丝300当前的电阻。

通过电压采集模块400和电流检测模块500对反熔丝300的电压、电流进行检测，编程器对编程电压可以实时监控，也能在每个VPP高压脉冲后，测量反熔丝300的当前电阻值。有了这些硬件基础，编程就能根据不同反熔丝300的情况，进行编程自适应调整。

为了更好的实施例反熔丝编程器，本实施例在反熔丝编程器的基础上还提出了一种反熔丝编程方法，该反熔丝编程方法采用上述任意一实施例中的反熔丝编程器对反熔丝300进行编程。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见上文针对其他实施例的详细描述，此处不再赘述。

上文已对基本概念做了描述，显然，对于本领域技术人员来说，上述详细披露仅仅作为示例，而并不构成对本申请的限定。虽然此处并没有明确说明，本领域技术人员可能会对本申请进行各种修改、改进和修正。该类修改、改进和修正在本申请中被建议，所以该类修改、改进、修正仍属于本申请示范实施例的精神和范围。

同时，本申请使用了特定词语来描述本申请的实施例。如“一个实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本申请至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”或“一个替代性实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本申请的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。

同理，应当注意的是，为了简化本申请披露的表述，从而帮助对一个或多个发明实施例的理解，前文对本申请实施例的描述中，有时会将多种特征归并至一个实施例、附图或对其的描述中。但是，这种披露方法并不意味着本申请对象所需要的特征比权利要求中提及的特征多。实际上，实施例的特征要少于上述披露的单个实施例的全部特征。

相应地，在一些实施例中，说明书和权利要求中使用的数值参数均为近似值，该近似值根据个别实施例所需特点可以发生改变。在一些实施例中，数值参数应考虑规定的有效数位并采用一般位数保留的方法。尽管本申请一些实施例中用于确认其范围广度的数值域和参数为近似值，在具体实施例中，此类数值的设定在可行范围内尽可能精确。

针对本申请引用的每个专利、专利申请、专利申请公开物和其他材料，如文章、书籍、说明书、出版物、文档等，特此将其全部内容并入本申请作为参考，但与本申请内容不一致或产生冲突的申请历史文件除外，对本申请权利要求最广范围有限制的文件(当前或之后附加于本申请中的)也除外。需要说明的是，如果本申请附属材料中的描述、定义、和/或术语的使用与本申请内容有不一致或冲突的地方，以本申请的描述、定义和/或术语的使用为准。

以上对本申请实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims

1.一种反熔丝编程器，其特征在于，包括：

转接板，用于连接反熔丝；

2.根据权利要求1所述的反熔丝编程器，其特征在于，所述电压采集模块包括降压采集单元，所述降压采集单元用于采集所述第一电压，并将所述第一电压转换为第二电压，所述第二电压小于所述第一电压。

3.根据权利要求2所述的反熔丝编程器，其特征在于，所述降压采集单元包括运算放大器、第一电阻以及第二电阻，所述第一电阻的一端用于接收所述第一电压，另一端连接所述第二电阻，所述第二电阻背离所述第一电阻的一端接地；所述运算放大器包括第一输入端、第二输入端和第一输出端，所述第一输入端连接在所述第一电阻和所述第二电阻之间，所述第二输入端连接所述输出端，所述第一输出端输出所述第二电压。

4.根据权利要求2所述的反熔丝编程器，其特征在于，所述电压采集模块还包括模数转换单元，所述模数转换单元用于将所述第二电压转换为数字信号，并将所述数字信号输出给所述控制模块。

5.根据权利要求4所述的反熔丝编程器，其特征在于，所述第一电压包括至少三个第一子电压；所述降压采集单元和所述模数转换单元之间还设置有电压选择单元，所述电压选择单元用于选择任意一个所述第一子电压，并将其输出到所述模数转换单元中。

6.根据权利要求1所述的反熔丝编程器，其特征在于，所述反熔丝编程器还包括电流检测模块，所述电流检测模块连接所述转接板，并用于检测所述反熔丝的第一电流，所述第一电流为所述反熔丝接入所述测试电压后的实际电流。

7.根据权利要求6所述的反熔丝编程器，其特征在于，所述电流检测模块包括第一场效应管、第二场效应管、检测电阻以及仪表放大器，所述第一场效应管一端连接所述反熔丝的第一端部，另一端接地；所述第二场效应管的一端连接所述反熔丝的第二端部，另一端连接所述仪表放大器的第三输入端；所述仪表放大器的第四输入端用于接入第一测试电压，所述第三输入端和所述第四输入端之间连接有所述检测电阻，所述仪表放大器的第二输出端连接所述控制模块；

8.根据权利要求1所述的反熔丝编程器，其特征在于，所述反熔丝编程器还包括指示模块，所述指示模块与所述控制模块连接，且所述指示模块包括至少三种显示状态，以显示所述反熔丝编程器的工作状态。

9.根据权利要求1所述的反熔丝编程器，其特征在于，所述反熔丝编程器还包括通信串口，所述通信串口连接所述控制模块，且所述通信串口用于与上位机连接。

10.一种反熔丝编程方法，其特征在于，采用权利要求1-9任意一项所述的反熔丝编程器对反熔丝进行编程。