CN115833072A - 电压侦测装置与电压保护方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种电压侦测装置与电压保护方法。电压侦测装置包含分压电路、比较电路以及切换控制电路。分压电路基于一切换信号操作于一第一模式，并对一电源电压进行分压以产生一输入电压。比较电路比较该输入电压与一组参考电压，以产生一侦测信号。切换控制电路在该电源电压开始上电后的一预设期间之后，根据该侦测信号选择性地调整该切换信号，以控制该分压电路由操作于该第一模式切换为操作于一第二模式，其中该第一模式对应于该电源电压的一第一目标位准，该第二模式对应于该电源电压的一第二目标位准，且该第一目标位准高于该第二目标位准。

Description

电压侦测装置与电压保护方法

技术领域

本申请是关于电压侦测装置，尤其是可在电源电压在上电过程中提供系统或电路过电压保护的电压侦测装置与电压保护方法。

背景技术

在一些应用中，部分电路会使用到不同的电压位准。例如，输入输出界面电路需经由不同位准的电压进行供电，以相应地产生具有不同位准的信号。由于实际需求，可能需要使用具有较低耐压的晶体管来实现可操作于高电压环境下的电路。以前述的输入输出界面电路为例，为了适用于不同的电压位准，输入输出界面电路通常会具有多种电路组态以及过电压保护机制，以确保该些晶体管不会在操作于高电压位准的情形下受到损害。在现有技术中，为了设定输入输出界面电路的电路组态，通常需要使用多组分压电路以及多组比较器(其分别对应于不同的电压位准)来判断电源电压是位于高电压位准或是低电压位准。如此，将耗费较大的电路面积与成本。

发明内容

在一些实施例中，本案的目的之一在于提供一种电压侦测装置与电压保护方法，其可在上电过程中提供电压保护并自动侦测电源电压的目标位准，并可改善先前技术的不足。

在一些实施例中，电压侦测装置包含分压电路、比较电路以及切换控制电路。分压电路基于一切换信号操作于一第一模式，并对一电源电压进行分压以产生一输入电压。比较电路比较该输入电压与一组参考电压，以产生一侦测信号。切换控制电路在该电源电压开始上电后的一预设期间之后根据该侦测信号选择性地调整该切换信号，以控制该分压电路由操作于该第一模式切换为操作于一第二模式，其中该第一模式对应于该电源电压的一第一目标位准，该第二模式对应于该电源电压的一第二目标位准，且该第一目标位准高于该第二目标位准。

在一些实施例中，电压保护方法包含下列操作：基于一切换信号控制一分压电路操作于一第一模式，并经由该分压电路对一电源电压进行分压以产生一输入电压；比较该输入电压与一组参考电压，以产生一侦测信号；以及在该电源电压开始上电后的一预设期间之后根据该侦测信号选择性地调整该切换信号，以控制该分压电路由该第一模式切换为操作于一第二模式，其中该第一模式对应于该电源电压的一第一目标位准，该第二模式对应于该电源电压的一第二目标位准，且该第一目标位准高于该第二目标位准。

本申请实施例提供的技术方案，通过可利用一个比较电路以及一个分压电路并搭配时序控制，在电源电压的上电过程中维持电路组态操作在高压模式，并自动侦测电源电压的目标位准以在上电完成后自动切换电路组态。如此，可确保电压侦测装置以及欲驱动的电路不会在上电过程中受到过电压的损害，并可在上电完成后自动切换到适合的电路组态。

附图说明

图1为根据本案一些实施例绘制的一种电压侦测装置的示意图；

图2为根据本案一些实施例绘制图1的切换控制电路的示意图；

图3为根据本案一些实施例绘制图1中的比较电路的示意图；

图4为根据本案一些实施例绘制图1的电压侦测装置中的部分信号之波形图；

图5为根据本案一些实施例绘制图1的电压侦测装置中的部分信号之波形图；以及

图6为根据本案一些实施例绘制的一种电压保护方法的流程图。

具体实施方式

本文所使用的所有词汇具有其通常的意涵。上述之词汇在普遍常用之字典中之定义，在本案的内容中包含任一于此讨论的词汇之使用例子仅为示例，不应限制到本案之范围与意涵。同样地，本案亦不仅以于此说明书所示出的各种实施例为限。

关于本文中所使用之『耦接』或『连接』，均可指二或多个元件相互直接作实体或电性接触，或是相互间接作实体或电性接触，亦可指二或多个元件相互操作或动作。如本文所用，用语『电路』可为由至少一个晶体管与/或至少一个主被动元件按一定方式连接以处理信号的装置。

图1为根据本案一些实施例绘制一种电压侦测装置100的示意图。于一些实施例中，电压侦测装置100可侦测电源电压VP位于第一目标位准或是第二目标位准(其低于第一目标位准)，以相应地切换系统中的相关电路设定，从而避免系统中的电路受到过电压的损坏。例如，电源电压VP可用来驱动，但不限于，输入输出界面电路100A。在不同应用中，输入输出界面电路100A中的电路组态可设定为高压模式(对应于第一目标位准)或低压模式(对应于第二目标位准)。例如，若电源电压VP具有第一目标位准(例如可为3.3伏特)，输入输出界面电路100A可操作于高压模式，以输出具有较高位准的信号。于此条件下，输入输出界面电路100A中的过电压保护机制可启动以保护具有较低耐压的晶体管。或者，若电源电压VP具有第二目标位准(例如可为1.8伏特)，输入输出界面电路100A可操作于低压模式，以输出具有较低位准的信号。于此条件下，输入输出界面电路100A中的过电压保护机制可关闭。在一些实施例中，输入输出界面电路100A为通用输入/输出(general purpose input/output，GPIO)界面电路。

电压侦测装置100包含分压电路110、比较电路120与切换控制电路130。分压电路110基于切换信号SS操作于第一模式(其对应于第一目标位准)，并对电源电压VP进行分压以产生输入电压VIN。如后所述，分压电路110更基于切换信号SS切换为操作于第二模式(其对应于第二目标位准)。在不同的第一与第二模式下，分压电路110具有不同的组态，以对具有不同位准的电源电压VP进行分压。举例而言，分压电路110可包含串接耦接的多个电阻，且该些电阻中的一或多者可为可变电阻，且其阻值受控于切换信号SS。若切换信号SS具有第一逻辑值(例如为逻辑值1)时，该一或多个可变电阻的阻值会相应调整，以对具有第一目标位准的电源电压VP进行分压。或者，若切换信号SS具有第二逻辑值(例如为逻辑值0)时，该一或多个可变电阻的阻值将相应调整，以对具有第二目标位准的电源电压VP进行分压。在一些实施例中，当系统上电或是电源电压VP上电时，分压电路110预设为操作于第一模式。

比较电路120将输入电压VIN与一组参考电压VREF进行比较，以产生侦测信号SD。例如，该组参考电压VREF包含电压VIH以及电压VIL，其中电压VIH高于电压VIL。若输入电压VIN高于电压VIH，代表电源电压VP的位准已上升至第一或第二目标位准并趋于稳定。于此条件下，侦测信号SD具有第一逻辑值(例如为逻辑值1)。或者，若输入电压VIN低于电压VIL，代表电源电压VP的位准已过低。于此条件下，侦测信号SD具有第二逻辑值(例如为逻辑值0)。

在一些实施例中，该组参考电压VREF是来自于一参考电压产生器(未示出)，且该参考电压产生器可根据切换信号SS选择性地调整该组参考电压VREF。例如，若切换信号SS具有逻辑值1，该参考电压产生器可选择对应于第一目标位准的电压VIH与电压VIL为该组参考电压VREF。或者，若切换信号SS具有逻辑值0，该参考电压产生器可选择对应于第二目标位准的电压VIH与电压VIL为该组参考电压VREF。

切换控制电路130在电源电压VP上电后的一预设期间内根据侦测信号SD选择性地调整切换信号SS，以控制分压电路110由操作于第一模式切换为操作于第二模式。例如，切换控制电路130可根据旗标信号VF决定是否调整切换信号SS。旗标信号VF在该预设期间内具有一逻辑值(例如为逻辑值0)，并在该预设期间之后切换为具有另一逻辑值(例如为逻辑值1)。因此，切换控制电路130可根据旗标信号VF判断该预设期间是否到期，以开始根据侦测信号SD决定是否要调整切换信号SS。在预设期间内，切换控制电路130不调整切换信号SS，以使分压电路110可在预设期间内持续操作在第一模式。在预设期间之后，若侦测信号SD指示输入电压VIN低于该组参考电压VREF，切换控制电路130调整切换信号SS，以控制分压电路110切换为操作在第二模式。相关操作将于后参照图2或图5进行说明。

在一些实施例中，旗标信号VF可由一计数器(未示出)产生。例如，该计数器可在系统上电或是电源电压VP上电时开始计数，并在计数值等于一预设值(亦即预设期间到期)时切换该旗标信号VF的逻辑值。例如，在预设期间内，旗标信号VF具有逻辑值0。在预设期间之后，旗标信号VF具有逻辑值1。在另一些实施例中，旗标信号VF可基于系统中的软件或固件之控制产生。藉由上述设置方式，在电源电压VP开始上电时，分压电路110会持续地操作在第一模式(其对应于具有较高目标位准的电源电压VP)，并在上电过程开始之后的一段时间根据电源电压VP所达到的实际位准自动地选择是否要切换分压电路110的操作模式。如此，可确保分压电路110以及输入输出界面电路100A在电源电压VP的上电过程中是以对应于高电压的电路组态进行运作，以避免电源电压VP对具有低耐压的晶体管造成损害。在一些实施例中，可透过量测或模拟来确认电源电压VP上升到目标位准所需要的时间，以设定预设期间的时间长度。

在一些相关技术中，电压侦测装置需使用对应于多个不同目标位准的多组分压电路与多组比较器，以确认欲使用的电路组态为何。相对于上述的相关技术，在本案的一些实施例中，电压侦测装置100可在使用一个比较电路120以及一个分压电路110的条件下，利用时序控制来判断电源电压VP在预设期间后的目标位准，并在上电过程中控制分压电路110以及输入输出界面电路100A使用对应于高电压的电路组态进行运作。如此，可在上电过程中提供电压保护，并在上电完成之后根据实际的电压位准切换到合适的操作模式。

图2为根据本案一些实施例绘制图1的切换控制电路130的示意图。切换控制电路130包含延迟电路210、反相器220、逻辑门230、触发器240以及触发器250。延迟电路210根据旗标信号VF产生延迟信号VFD。在一些实施例中，延迟电路210可为引入至少一个闸延迟(gate delay)的数位电路，其可延迟旗标信号VF以产生延迟信号VFD。切换控制电路130可根据旗标信号VF以及延迟信号VFD决定是否调整切换信号SS。

反相器220根据旗标信号VF选择性地上电以产生信号S1。例如，反相器220可为具有电源闸控的反相器。当旗标信号VF为逻辑值0时，反相器220不上电并输出具有逻辑值1的信号S1。或者，当旗标信号VF为逻辑值1时，反相器220上电并根据电压AVDD输出具有逻辑值0的信号S1。如前所述，在电源电压VP开始上电的预设期间内，旗标信号VF具有逻辑值0。换言之，在该预设期间之内，反相器220可持续输出具有逻辑值1的信号S1。另一方面，在该预设期间后，旗标信号VF切换为具有逻辑值1。如此，在该预设期间之后，反相器220输出具有逻辑值0的信号S1。

逻辑门230根据侦测信号SD以及信号S1产生触发信号ST。于一些实施例中，逻辑门230可为反互斥或(XNOR)闸。如前所述，在电源电压VP开始上电的预设期间之后，反相器220输出具有逻辑值0的信号S1。若输入电压VIN在该预设期间之后低于该组参考电压VREF，侦测信号SD具有逻辑值0。于此条件下，代表电源电压VP是位于较低的第二目标位准。因此，逻辑门230可输出具有逻辑值1的触发信号ST，以触发触发器240进行运作，从而调整切换信号SS。或者，若侦测信号SD在该预设期间之后仍高于该组参考电压VREF，侦测信号SD具有逻辑值1。于此条件下，代表电源电压VP是位于较高的第一目标位准。因此，逻辑门230可持续输出具有逻辑值0的触发信号ST，而不调整切换信号SS。

触发器240根据触发信号ST将电压AVDD输出为信号S2，并根据旗标信号VF进行重置。触发器250耦接至触发器240，并根据延迟信号VFD以及信号S2输出切换信号SS，并根据延迟信号VFD进行重置，其中切换信号SS的逻辑值相反于信号S2的逻辑值。举例而言，触发器240与触发器250中每一者为具有重置端(标示为RN)的D型触发器。触发器240的重置端接收旗标信号VF，且触发器250的重置端与时脉接收端接收延迟信号VFD。如此，触发器240与触发器250中每一者在该预设期间内将被重置，使得信号S2与切换信号SS具有固定的位准。例如，信号S2在预设期间内将持续地具有逻辑值0，且切换信号SS在预设期间内将持续地具有逻辑值1。触发器250的数据输入端(标示为D)接收信号S2，且触发器250的反相输出端(标示为QN)输出切换信号SS，使得切换信号SS的逻辑值相反于信号S2的逻辑值。

根据上述设置方式，在电源电压VP开始上电后的预设期间内，触发器240与触发器250将基于旗标信号VF进行重置，从而将内部信号重置到预设位准。如此，可保持切换信号SS在预设期间内不变(即可使触发器250持续地输出具有逻辑值1的切换信号SS)，以保持分压电路110持续操作在对应于较高的第一目标位准之第一模式。在该预设期间之后，旗标信号VF切换为具有逻辑值1，使得触发器240与触发器250不再进行重置。于此条件下，若触发信号ST有发生转态(例如从逻辑值0切换到逻辑值1)，触发器240可将电压AVDD输出为信号S2，且触发器250可根据信号S2与延迟信号VFD产生具有逻辑值0的切换信号SS，以控制分压电路110操作在对应于较低的第二目标位准之第二模式。或者，若触发信号ST未发生转态，触发器250可持续输出具有逻辑值1的切换信号SS，以使分压电路110可持续操作于第一模式。

图3为根据本案一些实施例绘制图1中的比较电路120的示意图。比较电路120包含多路复用器310以及比较器320。多路复用器310根据侦测信号SD选择性地将电压VIH或是电压VIL输出为电压V3。例如，多路复用器310包含第一开关与第二开关。当侦测信号SD具有低位准(例如为逻辑值0)时，第一开关导通以将电压VIH输出为电压V3。或者，当侦测信号SD具有高位准(例如为逻辑值1)时，第二开关导通以将电压VIL输出为电压V3。比较器320将输入电压VIN与电压V3进行比较以产生侦测信号SD。如此一来，当输入电压VIN高于电压VIH时，侦测信号SD可具有高位准。或者，当输入电压VIN低于电压VIL时，侦测信号SD可具有低位准。

图4为根据本案一些实施例绘制图1的电压侦测装置100中的部分信号之波形图。在图4的例子中，电源电压VP是设置为第一目标位准。亦即，电源电压VP在上电过程中会上升到较高的位准(例如为，但不限于，3.3伏特)。在时间t0，电源电压VP开始上电，且分压电路110根据切换信号SS操作于对应于第一目标位准的第一模式以对电源电压VP进行分压，以产生输入电压VIN。在时间t1，电源电压VP到达第一目标位准，使得侦测信号SD切换为逻辑值1。在时间t2，预设期间(例如为时间t0与时间t2之间的期间)期满，使得旗标信号VF由逻辑值0切换到逻辑值1。在时间t3，延迟信号VFD亦从逻辑值0切换到逻辑值1。由于电源电压VP稳定地处于第一目标位准，在预设期间之后的侦测信号SD仍持续地具有逻辑值1。于此条件下，切换控制电路130可判断电源电压VP是位于较高的第一目标位准，故不调整切换信号SS。如此，可维持分压电路110以及输入输出界面电路100A维持操作在高压模式。

图5为根据本案一些实施例绘制图1的电压侦测装置100中的部分信号之波形图。在图5的例子中，电源电压VP是设置为第二目标位准。亦即，电源电压VP在上电过程中会上升到较低的位准(例如为，但不限于，1.8伏特)。在时间t0，电源电压VP开始上电，且分压电路110根据切换信号SS操作于对应于较高第一目标位准的第一模式以对电源电压VP进行分压，以产生输入电压VIN。在时间t1，电源电压VP到达第二目标位准。然而，由于分压电路110操作于第一模式，使得侦测信号SD具有逻辑值0。在时间t2，预设期间(例如为时间t0与时间t2之间的期间)期满，使得旗标信号VF由逻辑值0切换到逻辑值1。在时间t3，延迟信号VFD亦从逻辑值0切换到逻辑值1。由于电源电压VP是处于较低的第二目标位准，在预设期间之后的侦测信号SD具有逻辑值0。于此条件下，切换控制电路130可判断电源电压VP是位于较低的第二目标位准，故将切换信号SS由逻辑值1调整为逻辑值0。分压电路110可基于切换信号SS切换为操作在对应于第二目标位准的第二模式，以产生较高的输入电压VIN。如此一来，比较电路120可产生较高的侦测信号SD。据此，比较电路120可判断电源电压VP已稳定地位于第二目标位准，故可控制输入输出界面电路100A改操作在低压模式。

图6为根据本案一些实施例绘制的一种电压保护方法600的流程图。在操作S610，基于一切换信号控制一分压电路操作于一第一模式，并经由该分压电路对一电源电压进行分压以产生一输入电压。在操作S620，比较该输入电压与一组参考电压，以产生侦测信号。在操作S630，在该电源电压开始上电后的一预设期间之后根据该侦测信号选择性地调整该切换信号，以控制该分压电路由操作于该第一模式切换为操作于一第二模式，其中该第一模式对应于该电源电压的一第一目标位准，该第二模式对应于该电源电压的一第二目标位准，且该第一目标位准高于该第二目标位准。

上述多个操作之说明可参照前述各个实施例，故不再重复赘述。上述电压保护方法600的多个操作仅为示例，并非限定需依照此示例中的顺序执行。在不违背本案的各实施例的操作方式与范围下，在电压保护方法600下的各种操作当可适当地增加、替换、省略或以不同顺序执行(例如可以是同时执行或是部分同时执行)。

综上所述，本案一些实施例中的电压侦测装置以及电压保护方法可利用一个比较电路以及一个分压电路并搭配时序控制，在电源电压的上电过程中维持电路组态操作在高压模式，并自动侦测电源电压的目标位准以在上电完成后自动切换电路组态。如此，可确保电压侦测装置以及欲驱动的电路不会在上电过程中受到过电压的损害，并可在上电完成后自动切换到适合的电路组态。

虽然本案之实施例如上所述，然而该些实施例并非用来限定本案，本技术领域具有通常知识者可依据本案之明示或隐含之内容对本案之技术特征施以变化，凡此种种变化均可能属于本案所寻求之专利保护范畴，换言之，本案之专利保护范围须视本说明书之申请专利范围所界定者为准。

【符号说明】

100:电压侦测装置

100A:输入输出界面电路

110:分压电路

120:比较电路

130:切换控制电路

210:延迟电路

220:反相器

230:逻辑门

240,250:正反器

310:多工器

320:比较器

600:电压保护方法

AVDD,V3:电压

S1,S2:信号

S610,S620,S630:在操作

SD:侦测信号

SS:切换信号

ST:触发信号

VF:旗标信号

VFD:延迟信号

VIH,VIL:电压

VIN:输入电压

VP:电源电压

VREF:一组参考电压

t0～t3:时间。

Claims (11)

1.一种电压侦测装置，其特征在于，包括：

一分压电路，基于一切换信号操作于一第一模式，并对一电源电压进行分压以产生一输入电压；

一比较电路，比较所述输入电压与一组参考电压，以产生一侦测信号；以及

一切换控制电路，在所述电源电压开始上电后的一预设期间之后，根据所述侦测信号选择性地调整所述切换信号，以控制所述分压电路由操作于所述第一模式切换为操作于一第二模式，

其中所述第一模式对应于所述电源电压的一第一目标位准，所述第二模式对应于所述电源电压的一第二目标位准，且所述第一目标位准高于所述第二目标位准。

2.根据权利要求1所述的电压侦测装置，其特征在于，所述切换控制电路在所述预设期间内不调整所述切换信号，以使所述分压电路在所述预设期间内持续操作于所述第一模式。

3.根据权利要求1所述的电压侦测装置，其特征在于，若所述侦测信号在所述预设期间之后指示所述输入电压低于所述组参考电压，所述切换控制电路调整所述切换信号以控制所述分压电路切换为操作于所述第二模式。

4.根据权利要求1所述的电压侦测装置，其特征在于，所述切换控制电路更根据一旗标信号以及所述旗标信号的一延迟信号决定是否调整所述切换信号。

5.根据权利要求4所述的电压侦测装置，其特征在于，所述旗标信号在所述预设期间之内具有一第一逻辑值，并在所述预设期间之后切换为具有一第二逻辑值。

6.根据权利要求1所述的电压侦测装置，其特征在于，所述切换控制电路包括：

一延迟电路，根据一旗标信号产生一延迟信号；

一反相器，根据所述旗标信号选择性地上电以产生一第一信号；

一逻辑门，根据所述侦测信号以及所述第一信号产生一触发信号；

一第一触发器，根据所述触发信号将一电压输出为一第二信号，并根据所述旗标信号进行重置；以及

一第二触发器，根据所述触发信号以及所述第二信号输出所述切换信号，并根据所述延迟信号进行重置。

7.根据权利要求6所述的电压侦测装置，其特征在于，所述第一触发器与所述第二触发器在所述预设期间内进行重置，以保持所述切换信号不变。

8.根据权利要求6所述的电压侦测装置，其特征在于，所述切换信号的逻辑值相反于所述第二信号的逻辑值。

9.根据权利要求1所述的电压侦测装置，其特征在于，所述比较电路包括：

一多工器，根据所述侦测信号输出所述组参考电压中的一第一电压或一第二电压为一第三电压；以及

一比较器，比较所述输入电压与所述第三电压以产生所述侦测信号。

10.根据权利要求1所述的电压侦测装置，其特征在于，所述电源电压用以驱动一输入输出界面电路。

11.一种电压保护方法，其特征在于，包括：

基于一切换信号控制一分压电路操作于一第一模式，并经由所述分压电路对一电源电压进行分压以产生一输入电压；

比较所述输入电压与一组参考电压，以产生一侦测信号；以及

在所述电源电压开始上电后的一预设期间之后，根据所述侦测信号选择性地调整所述切换信号，以控制所述分压电路由操作于所述第一模式切换为操作于一第二模式，

其中所述第一模式对应于所述电源电压的一第一目标位准，所述第二模式对应于所述电源电压的一第二目标位准，且所述第一目标位准高于所述第二目标位准。

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