CN116111552A - 供电系统及芯片 - Google Patents

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CN116111552A CN202111335133.0A CN202111335133A CN116111552A CN 116111552 A CN116111552 A CN 116111552A CN 202111335133 A CN202111335133 A CN 202111335133A CN 116111552 A CN116111552 A CN 116111552A
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Abstract

本发明提供了一种供电系统及芯片，能够利用第一功率管和第一过流检测模块组成对芯片内的第一电路进行供电和过流检测的一供电保护支路，利用第二功率管和第二过流检测模块组成对芯片内的第二电路进行供电和过流检测的另一供电保护支路，由此实现了芯片内的通过相同电源信号供电的第一电路与第二电路分开进行过流检测与保护，能够在第一电路和第二电路中的任一个所在的供电支路发生过流时进行过流保护，降低芯片过流保护的误判率。当本发明的技术方案应用于指纹芯片(尤其是侧边指纹芯片)时，能够避免因长时间的大的短路电流导致指纹芯片发烫且温度过高而危及使用者的安全的问题。

Description

供电系统及芯片
技术领域
本发明涉及集成电路设计技术领域，特别涉及一种供电系统及芯片。
背景技术
芯片技术与现在人们的日常生活息息相关，芯片从制造至到达消费者手中需要经过多次物流转运，这很容易造成芯片因不可抗力的外力产生难以恢复的硬件损坏问题，进而导致芯片内部电路的部分节点短路，而这些短路电流可达到上百毫安级别，长时间的大的短路电流会造成芯片发烫，过高的芯片温度会造成进一步的芯片内部电路的损坏甚至危及使用者的安全。尤其是在指纹芯片模组的使用场景中，由于指纹芯片模组中的指纹芯片需要直接与外界或人体接触，其封装与普通芯片不同(例如侧边指纹模组等指纹芯片为了实现薄型化，其封装往往只有环氧塑封料EMC和指纹涂层coating)，因此一旦指纹芯片内部电路的部分节点短路，其产生的短路电流可达到上百毫安级别，长时间的大的短路电流会造成指纹芯片发烫且温度过高，进而危及使用者的安全。
因此，如何设计一种供电系统及具有该供电系统的芯片，以有效地对芯片内部的各部分电路进行供电、电流检测和过流保护，成为本领域技术人员亟待解决的关键技术问题之一。
发明内容
本发明的目的在于提供一种供电系统及芯片，能够有效地对芯片内部的第一电路和第二电路进行供电和电流检测，以在第一电路和第二电路任一发生过流时及时进行过流保护。
为实现上述目的，本发明提供一种供电系统，其用于通过同一电源信号向一芯片的第一电路和第二电路分别供电，所述供电系统包括：
第一功率管，耦接在所述电源信号和所述第一电路的电源端之间；
第一过流检测模块，连接所述第一功率管的控制端，用于检测所述第一功率管提供给所述第一电路的第一供电电流，并在所述第一供电电流超过第一限流值时关断所述第一功率管，以停止所述电源信号向所述第一电路的电源端供电；
第二功率管，耦接在所述电源信号与所述第二电路的电源端之间；
第二过流检测模块，连接所述第二功率管的控制端，用于检测所述第二功率管提供给所述第二电路的第二供电电流，并在所述第二供电电流超过第二限流值时关断所述第二功率管，以停止所述电源信号向所述第二电路的电源端供电。
可选地，所述的供电系统还包括第一或逻辑，所述第一或逻辑的两个输入端分别一一对应地连接所述第一过流检测模块的输出端和所述第二过流检测模块的输出端，所述第一或逻辑的输出端连接一控制单元的中断引脚；所述第一或逻辑用于在所述第一供电电流超出所述第一限流值或所述第二供电电流超出所述第二限流值时，通过所述中断引脚向所述控制单元发送中断信号，并进一步使得所述控制单元在检测到所述中断信号一段时间后控制所述第一功率管或所述第二功率管再次导通。
可选地，所述第一电路具有低功耗模块，所述供电系统具有信号输入输出模块和中断模块，所述低功耗模块的电源端直接接入所述电源信号，所述信号输入输出模块连接在所述低功耗模块的输出端和所述控制单元的输入输出引脚之间，所述中断模块连接所述第一或逻辑的输出端、所述控制单元的所述中断引脚以及所述低功耗模块的输出端，所述低功耗模块用于在所述第一功率管关断时向所述信号输入输出模块和所述中断模块供电，以使得所述信号输入输出模块输出的信号和所述中断模块输出的信号均能有效地发送至所述控制单元。
可选地，所述第一过流检测模块具有第一比较器和第一基准参考电路，所述第一比较器的一个输入端接入到所述第一功率管与所述第一电路的电源端的连接节点上，所述第一比较器的另一个输入端连接所述第一基准参考电路的输出端；
所述第二过流检测模块具有第二比较器和第二基准参考电路，所述第二比较器的一个输入端接入到所述第二功率管与所述第二电路的电源端的连接节点上，所述第二比较器的另一个输入端连接所述第二基准参考电路的输出端；
其中，所述第一基准参考电路和所述第二基准参考电路为两路相互电性分离的电路，所述第一基准参考电路用于根据所述第一限流值产生第一基准参考电压，所述第二基准参考电路用于根据所述第二限流值产生第二基准参考电压；或者，所述第一基准参考电路和所述第二基准参考电路为同一路基准参考电路，所述同一路基准参考电路根据所述第一限流值和第二限流值产生基准参考电压。
可选地，所述第一基准参考电路、所述第二基准参考电路或所述同一路基准参考电路分别包括耦接的参考开关管和尾负载，所述参考开关管的控制端以及所述尾负载的另一端均接地。
可选地，所述尾负载为尾电流源或者尾电阻。
可选地，所述第一功率管、所述第二功率管以及所述参考开关管构成电流镜结构，所述第一过流检测模块的所述第一限流值由所述第一功率管和所述参考开关管的尺寸比例决定，所述第二过流检测模块的所述第二限流值由所述第二功率管和所述参考开关管的尺寸比例决定。
可选地，当所述第一过流检测模块和所述第二过流检测模块共用所述同一路基准参考电路时，所述第一功率管和所述参考开关管的尺寸比例是使得当所述第一功率管的漏极电流等于所述第一限流值时，所述第一功率管和所述参考开关管的漏极电压相等且等于所述基准参考电压，所述第二功率管和所述参考开关管的尺寸比例是使得当所述第二功率管的漏极电流等于所述第二限流值时，所述第二功率管和所述参考开关管的漏极电压相等且等于所述基准参考电压，其中，所述第一功率管的所述漏极电流为所述第一供电电流，所述第二功率管的所述漏极电流为所述第二供电电流。
可选地，所述第一过流检测模块还包括第一延时电路，所述第一延时电路耦接在所述第一比较器的输出端和所述第一功率管的控制端之间，用于在所述第一供电电流大于所述第一限流值但不超过第一预设时长时，保持所述第一功率管的控制端的电压不变；
和/或，所述第二过流检测模块还包括第二延时电路，所述第二延时电路耦连接在所述第二比较器的输出端和所述第二功率管的控制端之间，用于在所述第二供电电流大于所述第二限流值但不超过第二预设时长时，保持所述第二功率管的控制端的电压不变。
可选地，所述第一延时电路为RC延时电路，和/或，所述第二延时电路为RC延时电路。
可选地，所述第一过流检测模块还包括第二或逻辑，所述第二或逻辑的一输入端连接所述第一延时电路的输出端，所述第二或逻辑的另一输入端接入控制单元所发出的启停控制信号，所述第二或逻辑用于根据所述启停控制信号或者所述第一延时电路的输出来控制所述第一功率管导通或者关断；
和/或，所述第二过流检测模块还包括第三或逻辑，所述第三或逻辑的一输入端连接所述第二延时电路的输出端，所述第三或逻辑的另一输入端接入所述启停控制信号，所述第三或逻辑用于根据所述启停控制信号或者所述第二延时电路的输出来控制所述第二功率管导通或者关断。
可选地，所述供电系统还具有第一电阻，所述第一电阻的一端接入所述电源信号，所述第一电阻的另一端连接所述第一过流检测模块的电源端；
和/或，所述供电系统还具有第二电阻，所述第二电阻的一端接入所述电源信号，所述第二电阻的另一端连接所述第二过流检测模块的电源端。
基于同一发明构思，本发明还提供一种芯片，其包括第一电路、第二电路以及如本发明所述的供电系统，所述供电系统通过同一电源信号向所述第一电路和所述第二电路分别供电，且所述供电系统向所述第一电路提供第一供电电流，向所述第二电路提供第二供电电流。
可选地，所述第一电路、所述第二电路以及所述供电系统均耦接至控制单元，在所述第一供电电流超出第一限流值或所述第二供电电流超出第二限流值时，所述供电系统发送中断信号至所述控制单元，一段时间后，所述供电系统收到所述控制单元发出的启停控制信号，并进一步控制所述相应的第一功率管或所述第二功率管再次导通，如果在一固定时间间隔收到的所述中断信号超过阈值，则所述控制单元不会发出该启停控制信号。
可选地，所述芯片为指纹芯片，所述第一电路包括依次连接的指纹像素阵列、指纹信号采集电路、信号放大电路、模数转换器；所述第二电路包括滤波电路和数字信号处理电路，所述数字信号处理电路用于输出所述第一电路所采集的指纹的图像。
与现有技术相比，本发明的技术方案至少具有以下有益效果之一：
1、利用第一功率管和第一过流检测模块组成对芯片内的第一电路进行供电和过流检测的一供电保护支路，利用第二功率管和第二过流检测模块组成对芯片内的第二电路进行供电和过流检测的另一供电保护支路，由此实现了芯片内的通过相同电源信号供电的第一电路与第二电路分开进行过流检测与保护，能够在第一电路和第二电路中的任一个所在的供电支路发生过流时进行过流保护，降低芯片过流保护的误判率。
2、本发明的供电系统中允许两支供电支路共用外部相同的电源信号，因此对电源电压约束较少，可适用于多种电压域下的芯片中。
3、可以在芯片内部电路的原有基础上增设本发明的供电系统，不会给芯片带来电压余量的损失。
4、当第一过流检测模块和第二过流检测模块共用同一路基准参考电路时，可以使得第一功率管、第二功率管以及该同一路基准参考电路中的参考开关管构成电流镜结构，进而可以通过合理设置第一功率管、第二功率管和该同一路基准参考电路中的参考开关管的尺寸比例，实现电路功耗和过流保护速度之间的平衡权衡，并达到进一步降低功耗的效果，且可以使得芯片的工作电压范围达到较低水平。
5、芯片的第一电路中设有低功耗模块，且该低功耗模块能直接接入外部的电源信号，以在第一功率管关断后为供电系统的中断模块和信号输入输出模块供电，由此在芯片进入过流保护状态时，仍能使得相应的一些信号被中断模块和信号输入输出模块有效地发送至相应的控制单元(该控制单元可以是该芯片外部的控制器芯片，也可以是芯片内的控制单元)。
6、当本发明的技术方案应用于指纹芯片(尤其是侧边指纹芯片)时，能够避免因长时间的大的短路电流导致指纹芯片发烫且温度过高而危及使用者的安全的问题。
附图说明
图1是本发明一实施例的供电系统的电路架构设计示意图。
图2是图1所示的供电系统与外部的控制单元连接的示意图。
图3是图2所示的供电系统中的第一过流检测模块和第二过流检测模块的电路架构设计的一种示例示意图。
图4是图2所示的供电系统中的第一过流检测模块和第二过流检测模块的电路架构设计的另一种示例示意图。
图5是图2和图4中的各个基准参考电路的具体电路设计示例结构示意图。
图6是图4所示的具体的电路架构设计示例中的具体电路连接示意图。
图7是图6所示的具体电路中的第二供电电流与DOCP信号随实际变化的曲线示意图。
图8是本发明一实施例的芯片的结构示意图。
具体实施方式
在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。应当理解的是，本发明能够以不同形式实施，而不应当解释为局限于这里提出的实施例。相反地，提供这些实施例将使公开彻底和完全，并且将本发明的范围完全地传递给本领域技术人员。自始至终相同附图标记表示相同的元件。应当明白，当元件被称为"连接到"其它元件时，其可以直接地连接其它元件，或者可以存在居间的元件。相反，当元件被称为"直接连接到"其它元件时，则不存在居间的元件。尽管可使用术语第一、第二、第三等描述各种元件、部件和/或部分，这些元件、部件和/或部分不应当被这些术语限制。这些术语仅仅用来区分一个元件、部件或部分与另一个元件、部件或部分。因此，在不脱离本发明教导之下，下面讨论的第一元件、部件或部分可表示为第二元件、部件或部分。在此使用时，单数形式的"一"、"一个"和"所述/该"也意图包括复数形式，除非上下文清楚的指出另外的方式。还应明白术语“包括”用于确定可以特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其它的特征、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。在此使用时，术语"和/或"包括相关所列项目的任何及所有组合。
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的技术方案作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
请参考图1，本发明一实施例提供一种供电系统1，其用于通过外部的同一电源信号AVDD向一芯片的第一电路3和第二电路2分别供电。该供电系统1包括：第一功率管M1、第一过流检测模块OCP_A、第二功率管M2、第二过流检测模块OCP_D。其中，第一功率管M1耦接在电源信号AVDD和第一电路3的电源端(未图示)之间，第二功率管M2耦接在电源信号AVDD与第二电路2的电源端(未图示)之间，第一过流检测模块OCP_A连接第一功率管M1的控制端，第二过流检测模块OCP_D连接第二功率管M2的控制端，其中，当M1、M2分别为MOS管时，M1、M2的控制端分别为MOS管的栅极，当M1、M2分别为三极管时，M1、M2的控制端分别为三极管的基极。第一过流检测模块OCP_A用于检测第一功率管M1提供给第一电路3的电源端(未图示)的第一供电电流I1，并在第一供电电流I1超过第一限流值(未图示)时，关断第一功率管M1(即，使M1截止)，以停止电源信号AVDD向第一电路3的电源端供电；第二过流检测模块OCP_D用于检测第二功率管M2提供给第二电路2的第二供电电流I2，并在第二供电电流I2超过第二限流值(未图示)时，关断第二功率管M2(即，使M2截止)，以停止电源信号AVDD向第二电路2的电源端(未图示)供电。
可选地，供电系统1可以具有电源接入端VDD PAD(其可以是由多个电子元件连接形成的电路，也可以是焊盘、端子或引脚等接线结构)，电源信号AVDD通过电源接入端VDDPAD分别连接第一功率管M1、第一过流检测模块OCP_A、第二功率管M2、第二过流检测模块OCP_D。值得注意的是，在很多芯片的实际应用场合中，外部并不能为芯片提供多个电压域电源，芯片的第一电路3和第二电路2的电源端(未图示)均耦接外部的电源信号AVDD，但电源信号AVDD可以在芯片内部由通过低压差线性稳压器LDO(Low-DropOut regulator)输出不同电压再为第一电路3和第二电路2分别供电，第一电路3和第二电路2的工作电流有较大差异，需要设置第一功率管M1和第二功率管M2分别供电，分别进行过流检测。第一电路3例如为模拟电路(analog circuit)，第二电路2例如为数字电路(digital circuit)。
可选地，请参考图2，该供电系统还包括第一或逻辑OR1，第一或逻辑OR1的两个输入端分别一一对应地连接第一过流检测模块OCP_A的输出端和第二过流检测模块OCP_D的输出端，第一或逻辑OR1的输出端连接一控制单元4的中断引脚INT。其中，第一或逻辑OR1用于在第一供电电流I1超出为第一电路3所设定的第一限流值(未图示)时，或者，在第二供电电流I2超出为第二电路2所设定的第二限流值(未图示)时，通过控制单元4的中断引脚INT向控制单元4发送中断信号INT，并进一步使得控制单元4在检测到该中断信号INT一段时间后控制第一功率管M1或第二功率管M2再次导通(又称为M1或M2打开)。
可选地，第一电路3具有由电源信号AVDD直接供电的低功耗模块30，且该供电系统具有信号输入输出模块I/O PAD和中断模块IRQ PAD，低功耗模块30的电源端直接接入述电源信号AVDD，信号输入输出模块I/O PAD连接在低功耗模块30的输出端和控制单元4的输入输出引脚I/O之间，中断模块IRQ PAD连接第一或逻辑OR1的输出端、控制单元4的中断引脚INT以及低功耗模块30的输出端。该低功耗模块30用于在第一功率管M1关断时向信号输入输出模块I/O PAD和中断模块IRQ PAD供电，以使得信号输入输出模块I/O PAD输出的信号和中断模块IRQ PAD输出的信号均能有效地发送至控制单元4。
作为一种示例，低功耗模块30可以是由相互连接的亚阈值区晶体管BG和低压差线性稳压器LDO(Low-DropOut regulator)组成。
应当理解的是，控制单元4可以是独立于具有供电系统1、第一电路3和第二电路2的芯片以外的控制器芯片(例如为MCU芯片)，也可以是根据需要与供电系统1、第一电路3和第二电路2集成在同一芯片内的控制电路。
本实施例中，供电系统1还具有连接控制单元4、第一过流检测模块OCP_A、和第二过流检测模块OCP_D的启停控制端Shutdn PAD，控制单元4向供电系统1的启停控制端Shutdn PAD提供启停控制信号Shutdn，第一过流检测模块OCP_A能够在该启停控制信号Shutdn的控制下，控制第一功率管M1导通或者关断，第二过流检测模块OCP_D能够在该启停控制信号Shutdn的控制下，控制第二功率管M2导通或者关断。
当第一功率管M1、第二功率管M2均为PMOS管(当然本发明并不局限于此，也可以是NMOS管、NPN三极管或者PNP三极管等)时，图2所示的供电系统的具体工作控制过程包括：
首先，由控制单元4输出一启动控制信号到供电系统1的启停控制端Shutdn PAD，以控制第一过流检测模块OCP_A与第二过流检测模块OCP_D的输出，且当第一过流检测模块OCP_A输出低电平到第一功率管M1的栅极，第二过流检测模块OCP_D输出低电平到第二功率管M2的栅极时，导通(即打开)第一功率管M1和第二功率管M2，电源信号AVDD对芯片中的第一电路3和第二电路2供电，且此时第一功率管M1和第二功率管M2工作在深线性区，具有很小的压降。
当芯片的第一电路3和第二电路2工作时，第一过流检测模块OCP_A开始检测第一功率管M1的漏极电流(即第一供电电流I1)，第二过流检测模块OCP_D开始检测第二功率管M2的漏极电流(即第二供电电流I2)，正常工作情况下，I1和I2均较小，第一过流检测模块OCP_A的输出使得第一功率管M1持续导通，第二过流检测模块OCP_D使得第二功率管M2持续导通，且第一过流检测模块OCP_A和第二过流检测模块OCP_D的输出共同使得第一逻辑或OR1持续输出低电平到中断模块IRQ PAD，控制单元4的中断引脚INT不会被拉起，控制单元4检测芯片的工作电流正常。
当出现I1持续较大的情况(主要针对I1持续超过所设的第一限流值且持续时间大于所设的第一预设时长的情况，此时说明第一电路3发生电地短路等故障)时，第一过流检测模块OCP_A输出高电平至第一功率管M1的栅极，以关断第一功率管M1，进而关断电源信号AVDD向第一电路3的供电(以使得第一电路3的大部分或者全部的电子元件停止工作)来达到芯片的过流保护的目的，同时第一过流检测模块OCP_A的相应输出端的输出，还使得第一逻辑或OR1持续输出一高电平信号到中断模块IRQ PAD，进而拉起控制单元4的中断引脚INT(也可以说，中断模块IRQ PAD发出了中断信号INT至控制单元4)，由此使得控制单元4检测到芯片的过流保护的状态。经过一定时间后，控制单元4通过启停控制端Shutdn PAD发出启停控制信号Shutdn，控制第一过流检测模块OCP_A的输出翻转，以再次导通第一功率管M1，以使得电源信号AVDD再次向第一电路3供电，进而恢复第一电路3的工作。
同理，当出现I2持续较大的情况(主要针对I2持续超过所设的第二限流值且持续时间大于所设的第二预设时长的情况，此时说明第二电路3发生电地短路等故障)时，第二过流检测模块OCP_D输出高电平至第二功率管M2的栅极，以关断第二功率管M2，进而关断电源信号AVDD向第二电路2的供电(以使得第二电路2的大部分或者全部的电子元件停止工作)来达到芯片的过流保护的目的，同时第二过流检测模块OCP_D的相应输出端的输出，还使得第一逻辑或OR1持续输出一高电平信号到中断模块IRQ PAD，进而拉起控制单元4的中断引脚INT(也可以说，中断模块IRQ PAD发出了中断信号INT至控制单元4)，由此使得控制单元4检测到芯片的过流保护的状态。经过一定时间后，控制单元4通过启停控制端ShutdnPAD发出启停控制信号Shutdn，控制第二过流检测模块OCP_D的输出翻转，以再次导通第二功率管M2，以使得电源信号AVDD再次向第二电路2供电，进而恢复第二电路2的工作。
应当理解的是，由于中断模块IRQ PAD通过第一逻辑或OR1连接第一过流检测模块OCP_A和第二过流检测模块OCP_D，因此只要I1和I2两个供电电流中的任意一个出现上述的持续较大的情况，第一逻辑或OR1都能持续输出一高电平信号到中断模块IRQ PAD，进而拉起控制单元4的中断引脚INT，由此使得控制单元4检测到芯片的流保护的情况。
而且，当第一电路3中具有由电源信号AVDD直接供电的低功耗模块30时，低功耗模块30的输出能为输入输出模块I/O PAD和中断模块IRQ PAD供电，以在第一功率管M1关断时，仍能将因第二功率管M2持续工作、第二电路2持续输出而导致中断模块IRQ PAD和输入输出模块I/O PAD所产生的相应信号，也能有效地送至控制单元4。
此外，该供电系统与第一电路3和第二电路2集成到同一芯片中时，中断模块IRQPAD、输入输出模块I/O PAD、启停控制端Shutdn PAD以及电源接入端VDD PAD均用于形成该芯片的相应引脚，以向外输出或者接入外部相应的信号。
进一步地，第一过流检测模块OCP_A和第二过流检测模块OCP_D的电路架构设计和具体电路连接，可以采用本领域技术人员所熟知的任意合适的设计，本发明对此不作具体限定。
作为一种示例，请参考图3，第一过流检测模块OCP_A具有第一比较器COMP1、第一延时电路11、第一基准参考电路12和第二逻辑或OR2。第一基准参考电路12由电源信号AVDD直接供电，第一基准参考电路12用于根据电源信号AVDD产生第一限流值。第一比较器COMP1的一个输入端接入到第一功率管M1与第一电路3的电源端的连接节点上，以采集第一功率管M1提供给第一电路3的第一供电电流I1；第一比较器COMP1的另一个输入端连接第一基准参考电路12的输出端，以采集第一基准参考电路12产生的第一限流值，由此第一比较器COMP1能够比较I1和第一限流值的大小，并根据比较的结果输出相应的高电平或者低电平。第一延时电路11耦接在第一比较器COMP1的输出端和第一功率管M1的控制端(通过第二或逻辑OR2)之间，用于在第一供电电流I1大于第一基准参考电路12产生的第一限流值但持续超过的时长不超过第一预设时长时，保持第一功率管M1的控制端的电压不变。第二或逻辑OR2的一输入端连接第一延时电路11的输出端，第二或逻辑OR2的另一输入端连接启停控制端Shutdn PAD，以接入控制单元4所发出的启停控制信号Shutdn，第二或逻辑OR2用于根据控制单元4所发出的启停控制信号Shutdn或者第一延时电路11的输出AOCP来控制第一功率管M1导通或者关断。
第二过流检测模块OCP_D具有第二比较器COMP2、第二延时电路13、第二基准参考电路14和第三逻辑或OR3。第二基准参考电路14由电源信号AVDD直接供电，第二基准参考电路14用于根据电源信号AVDD产生第二限流值，该第二限流值可以与第一基准参考电路12产生的第一限流值相同，也可以不同。第二比较器COMP2的一个输入端接入到第二功率管M2与第二电路2的电源端的连接节点上，以采集第二功率管M2提供给第二电路2的第二供电电流I2；第二比较器COMP2的另一个输入端连接第二基准参考电路14的输出端，以采集第二基准参考电路14产生的第二限流值，由此第二比较器COMP2能够比较I2和第二限流值的大小，并根据比较的结果输出相应的高电平或者低电平。第二延时电路13耦接在第二比较器COMP2的输出端和第二功率管M2的控制端(通过第三或逻辑OR3)之间，用于在第二供电电流I2大于第二基准参考电路14产生的第二限流值但持续超过的时长不超过第二预设时长时，保持第二功率管M2的控制端的电压不变。第三或逻辑OR3的一输入端连接第二延时电路13的输出端，第三或逻辑OR3的另一输入端连接启停控制端Shutdn PAD，以接入控制单元4所发出的启停控制信号Shutdn，第三或逻辑OR3用于根据控制单元4所发出的启停控制信号Shutdn或者第二延时电路13的输出DOCP来控制第二功率管M2导通或者关断。
第一延时电路11和第二延时电路13的设置，可以避免短时间的大电流对芯片造成损坏，以及，避免短时间的大电流造成第一过流检测模块OCP_A和第二过流检测模块OCP_D的输出翻转的问题。
上述示例中，第一过流检测模块OCP_A和第二过流检测模块OCP_D采用两路相互电性分离的基准参考电路(即第一基准参考电路12和第二基准参考电路14)以获得各自所需的限流值，能够满足芯片内不同电路对过流保护阈值需求不同的效果。但是本发明的技术方案不仅仅限定于此。请参考图4，在本实施例的其他示例中，第一过流检测模块OCP_A和第二过流检测模块OCP_D可以共用同一路基准参考电路10，该同一路基准参考电路10也能够给第一过流检测模块OCP_A和第二过流检测模块OCP_D提供不同的限流值，相当于图3中的第一基准参考电路12和第二基准参考电路14为同一路基准参考电路，该同一路基准参考电路仍能分别提供不同的第一限流值和第二限流值，这取决于第一功率管M1、第二功率管M2分别与基准参考电路10中的参考开关管Ms之间的尺寸比例，由于第一功率管M1与基准参考电路10中的参考开关管Ms之间的尺寸比例，不同于第二功率管M2与基准参考电路10中的参考开关管Ms之间的尺寸比例，因此第一限流值和第二限流值不同。由此可以实现减少电路面积的技术效果。
应当理解的是，上述各示例中，各基准参考电路10/12/14能够为第一过流检测模块OCP_A和第二过流检测模块OCP_D提供所需的限流值，各基准参考电路10/12/14能够分别根据第一限流值和第二限流值产生相应的基准参考电压，第一过流检测模块OCP_A和第二过流检测模块OCP_D分别将第一供电电流I1对应的检测电压(即第一功率管M1的漏极电压)以及第二供电电流I2对应的检测电压(即第二功率管M2的漏极电压)与相应的基准参考电压进行比较。具体地，同一基准参考电路10或者第一基准参考电路12能够根据第一限流值产生相应的第一基准参考电压，第一过流检测模块OCP_A能够将第一功率管M1的漏极电压与第一基准参考电压进行大小比较，以根据比较结果输出高电平或低电平；同一基准参考电路10或者第二基准参考电路14能够根据第二限流值产生相应的第二基准参考电压，第二过流检测模块OCP_D能够将第二功率管M2的漏极电压与第二基准参考电压进行大小比较，以根据比较结果输出高电平或低电平。
可选地，请参考图3-图5，第一基准参考电路12、第二基准参考电路14或同一路基准参考电路10可以分别包括耦接的参考开关管Ms和尾负载Rs，参考开关管Ms的控制端(即该MOS管的栅极)以及尾负载Rs的另一端均接地，参考开关管Ms的另一端接入电源信号AVDD。其中，尾负载Rs可以为尾电流源或者尾电阻，尾负载Rs可以使Ms管的漏极电流是恒定的，同时为第一比较器COMP1和第二比较器COMP2提供稳定的翻转点电压，以提高第一比较器COMP1和第二比较器COMP2的比较结果的准确性和可靠性。
请参考图6，下面以第一过流检测模块OCP_A和第二过流检测模块OCP_D共用同一路基准参考电路10，且基准参考电路10由参考开关管Ms和尾负载Rs组成，第一延时电路11由延时电阻R3和延时电容C1组成，第二延时电路13由延时电阻R4和延时电容C2组成、参考开关管Ms、第一功率管M1、第二功率管M2均为PMOS管且构成电流镜为例，来详细说明本实施例的供电系统的电路设计原理和逻辑时序等。
在该供电系统中，电源信号AVDD直接与参考开关管Ms的源极、第一功率管M1的源极以及第二功率管M2的源极相连，第一功率管M1的漏极连接第一电路3的电源端，第二功率管M2的漏极连接第二电路2的电源端，以满足芯片内的第一电路3与第二电路2对不同工作电流的需求，同时减小第二电路2对第一电路3的不良影响。延时电阻R3和延时电容C1的一端相连以形成第一延时电路11的输出端，并连接第二逻辑或OR2的一端以及第一逻辑或OR1的一输入端，延时电阻R3的另一端连接第一比较器COMP1的输出端，延时电容C1的另一端接地。延时电阻R4和延时电容C2的一端相连以形成第二延时电路13的输出端，并连接第三逻辑或OR3的一端以及第一逻辑或OR1的另一输入端，延时电阻R4的另一端连接第二比较器COMP2的输出端，延时电容C2的另一端接地。参考开关管Ms的栅极直接接地，第一功率管M1的栅极连接第二逻辑或OR2的输出端，第二功率管M2栅极连接第三逻辑或OR3的输出端，因此第一功率管M1由第一延时电路11的输出间接控制，第二功率管M2由第二延时电路13的输出间接控制。
正常工作情况下，第一比较器COMP1和第二比较器COMP2分别(经由第一延时电路11和第二延时电路13)输出节点电压为零，所以M1管、M2管和Ms管的栅源电压相等，构成了电流镜结构。第一比较器COMP1检测M1管和Ms管的漏极节点电压大小，由MOS晶体管的电压电流公式
Figure BDA0003350293330000141
可知，设置合适的M1管的宽长比以及Ms管的宽长比，即将M1管和Ms管之间的尺寸比例设置合适，就可以使得当第一供电电流I1刚好为第一限流值(例如50mA)，即当M1管的漏极电流等于第一限流值时，M1管和Ms管的漏极电压相同(即均为基准参考电路10产生的基准参考电压)，即以此时的Ms管的漏极电压作为比较器COMP1的翻转电压。例如，选择Rs的阻值大小，使流过Ms管的工作电流(即第一供电电流I1或者说Ms的漏极电流)大小为10μA，同时M1管、MS管的尺寸比为5000:1，则当M1管的工作电流小于50mA时，则M1管的漏极电压小于Ms管的漏极电压，第一比较器COMP1的输出不产生翻转；当M1管的工作电流大于50mA时，第一比较器COMP1的输出产生翻转，M1管的栅极电压变高，M1管关断，芯片内第一电路3的电源被切断。在芯片内电路工作时，会有多个信号同时翻转的情况，导致电路瞬时存在一个大电流，但此时芯片电路为正常工作。为屏蔽此类或其他瞬时大电流脉冲对第一过流检测模块OCP_A和第二过流检测模块OCP_D的工作逻辑的不利影响，第一比较器COMP1的输出端所连接第一延时电路11能够使得瞬时的大电流不会引起M1管的栅极电压的变化。同理，调整M2管与Ms管的尺寸比例大小，就可以使得当第二供电电流I2刚好为第二限流值(例如50mA)，即当M2管的漏极电流等于第二限流值时，M2管和Ms管的漏极电压相同(即均为基准参考电路10产生的基准参考电压)，由此亦可控制第二比较器COMP2的输出翻转时的M2管的工作电流(即第二限流值)的大小，即以此时的Ms管的漏极电压作为比较器COMP2的翻转电压。第二比较器COMP2的输出端所连接第二延时电路13，能使得瞬时的大电流不会引起M2管的栅极电压的变化。
也就是说，第一功率管M1、第二功率管M2以及参考开关管Ms构成电流镜结构，第一过流检测模块OCP_A所需的第一限流值由第一功率管M1和参考开关管Ms的尺寸比例决定，第二过流检测模块OCP_D所需的第二限流值由第二功率管M2和参考开关管Ms的尺寸比例决定。图6所示的实施例的第一过流检测模块OCP_A和第二过流检测模块OCP_D共用同一路基准参考电路(由参考开关管Ms和尾负载Rs组成)，两个比较器COMP1和COMP2的翻转电压可以均为Ms的漏极电压(即为同一基准参考电压)，但通过设置第一功率管M1和第二功率管M2分别同参考开关管Ms的尺寸比例的不同，可实现第一和第二限流值不同，举例而言：第一功率管M1的漏极电流(第一供电电流I1)正常时，M1漏极电压>Ms漏极电压；第一功率管M1的漏极电流(第一供电电流)过流(大于第一限流值)时，M1漏极电压被拉低<Ms漏极电压，比较器COMP1因此翻转。第二功率管M2的漏极电流(第二供电电流I2)正常时，M2漏极电压>Ms漏极电压；第二功率管M2的漏极电流(第二供电电流I2)过流(大于第二限流值)时，M2漏极电压被拉低<Ms漏极电压，比较器COMP2因此翻转。
这里详述第一和第二延时电路11和13。如前所述，第一过流检测模块OCP_A中的第一延时电路11包括电阻R3和电容C1，用于在第一供电电流I1大于第一限流值但不超过第一预设时长时，保持第一过流检测模块OCP_A的输出信号AOCP不变，即保持第一功率管M1的栅极电压不变，具体而言，当COMP1发生翻转拉高时，由于电阻R3和电容C1可减慢输出信号AOCP的电压爬升速度使得输出信号AOCP的电压尚未达到让第二或逻辑OR1发生跳变的阈值，而负载电流I1又恢复小于第一限流值使得比较器COMP1再次发生翻转拉低，如此一来输出信号AOCP和第二或逻辑OR2都未发生跳变；第二过流检测模块OCP_D中的第二延时电路13包括电阻R4和电容C2，用于在第二供电电流I2大于第二限流值但不超过第二预设时长时，保持第二过流检测模块OCP_D的输出信号DOCP不变，即保持第二功率管M2的栅极电压不变，具体而言，当COMP2发生翻转拉高时，由于电阻R4和电容C2可减慢输出信号DOCP的电压爬升速度使得输出信号DOCP的电压尚未达到让第三或逻辑OR3发生跳变的阈值，而负载电流I2又恢复小于第二限流值使得比较器COMP2再次发生翻转拉低，如此一来可认为输出信号DOCP和第三或逻辑OR3都未发生跳变。综上所述，第一延时电路11和第二延时电路13中的一个或者两个可以为RC延时电路。下面图7以第二延时电路13为例说明。
图7为本实施例的供电系统中的第二电路2的工作逻辑时序图。请结合图2至图7所示，当第二功率管M2提供的第二供电电流I2出现短时脉冲电流，第二过流检测模块OCP_D内部通过第二延时电路13屏蔽瞬时大电流脉冲对第二过流检测模块OCP_D工作逻辑的影响，即，能维持第二过流检测模块OCP_D输出的DOCP为低，使得短时脉冲大电流不会引起第二功率管M2栅极电压的变化，当电流恢复后，电路状态恢复到原本状态，中断模块IRQ PAD不会拉起控制单元4的中断引脚INT。当第二供电电流I2出现超过第二预设时长的大电流(大于第二限流值)时，第二过流检测模块OCP_D输出的DOCP为高，会将第二功率管M2的栅极电压拉高，M2管关断，断开第二电路3的电源供给，中断模块IRQ PAD拉起控制单元4的中断引脚INT，使得控制单元4检测到芯片的过流保护状态。
应当理解的是，上述图6中的电路设计以及上述内容中的数据举例仅仅作为本发明的一种示例，在本发明的其他实施例中，可以通过调整电路中的电子元件的器件参数，来达到不同的设计值(例如实现不同的第一限流值等)，且第一比较器的输入极性亦可互换，第二比较器的输入极性亦可互换。此外，图1至图6中仅仅示出了供电系统1中最重要的电路部分，但这不表明本发明的供电系统仅仅具有这些电路，在本发明的其他实施例中，可以根据实际需要来对供电系统的电路进行删减和增添，例如，在本发明的其他一实施例的供电系统中，省略第一延时电路11和/或第二延时电路13；又例如，请参考图8，在本发明的其他另一实施例的供电系统中，增设第一电阻R1和/或第二电阻R2，第一电阻R1的一端接入电源信号AVDD，第一电阻R1的另一端连接第一过流检测模块OCP_A的电源端。第二电阻R2的一端接入电源信号AVDD，第二电阻R2的另一端连接第二过流检测模块OCP_D的电源端，由此，一方面可以防止静电分别通过第一过流检测模块OCP_A和第二过流检测模块OCP_D对第一电路3和第二电路2造成损伤。另一方面使得第一过流检测模块OCP_A和第二过流检测模块OCP_D的供电也是独立的，进而使得在第一功率管M1关断时，第一过流检测模块OCP_A一直工作，而且由于第一供电电流I1为0，因此在控制单元4未发送启停控制信号shutdn时，第一过流检测模块OCP_A中的第一比较器COMP1不会再次翻转回来打开第一功率管M1；同样地，在第二功率管M2关断时，第二过流检测模块OCP_D一直工作，但是由于第二供电电流I2为0，因此在控制单元4未发送启停控制信号shutdn时，第二过流检测模块OCP_D中的第二比较器COMP2不会再次翻转回来打开第二功率管M2。
基于同一发明构思，请参考图1至图8，本发明一还提供一种芯片，其包括第一电路3、第二电路2以及如本发明所述的供电系统1，供电系统1通过同一电源信号AVDD向第一电路3和第二电路2分别供电，且供电系统1向第一电路3提供第一供电电流I1，向第二电路2提供第二供电电流I2。
可选地，第一电路3、第二电路2以及供电系统1均耦接至控制单元4，在第一供电电流I1超出第一限流值或第二供电电流I2超出第二限流值时，供电系统1发送中断信号INT至控制单元4，一定时间(由控制单元4决定该时间长短)后，供电系统1收到控制单元4发出的启停控制信号shutdn并进一步控制第一功率管M1或第二功率管M2再次导通，如果仍然过流，则再次触发过流保护，以关断第一功率管M1或第二功率管M2，供电系统1又会再次发送中断信号INT至控制单元4。如果控制单元4在一固定时间间隔收到的中断信号超过阈值，则控制单元4认为芯片故障，不会发出该启停控制信号shutdn。
可选地，该芯片为指纹芯片等功能芯片，控制单元4为独立于该指纹芯片的控制器芯片。在本发明的其他实施例中，控制单元4可以是集成在该芯片内的控制电路。
可选地，该芯片为指纹芯片(例如侧边指纹芯片等)，第一电路3包括依次连接的指纹像素阵列31、指纹信号采集电路32、信号放大电路(例如PGA)33、模数转换器34；第二电路2包括滤波电路21和数字信号处理电路22，数字信号处理电路22用于对第一电路3所采集的指纹信息进行处理并输出指纹图像。可见，本实施例的指纹芯片1中的模拟电路部分(第一电路3)和数字电路部分(第二电路2)可以经由相同电源信号AVDD供电，可通过芯片内部的例如低压差线性稳压器LDO(未示出)等实现不同工作电压，且分别通过第一功率管M1和第二功率管M2分别实现供电和过流保护(Over Current Protection,OCP)。
综上所述，本发明提供的供电系统及芯片，不会给芯片带来电压余量的损失，且能够利用第一功率管和第一过流检测模块组成对芯片内的第一电路进行供电和过流检测的一供电保护支路，利用第二功率管和第二过流检测模块组成对芯片内的第二电路进行供电和过流检测的另一供电保护支路，由此实现了芯片内的通过相同电源信号供电的第一电路与第二电路分开进行过流检测与保护，能够在第一电路和第二电路中的任一个所在的供电支路发生过流时进行过流保护，降低芯片过流保护的误判率。同时两支供电支路共用外部相同的电源信号，能够对电源电压约束较少，可适用于多种电压域下的芯片中。进一步地，当第一过流检测模块和第二过流检测模块共用同一路基准参考电路时，可以使得第一功率管、第二功率管以及该同一路基准参考电路中的参考开关管构成电流镜结构，进而可以通过合理设置第一功率管、第二功率管和该同一路基准参考电路中的参考开关管的尺寸比例，实现电路功耗和过流保护速度之间的平衡权衡，并达到进一步降低功耗的效果，且可以使得芯片的工作电压范围达到较低水平。当本发明的技术方案应用于指纹芯片(尤其是侧边指纹芯片)时，能够避免因长时间的大的短路电流导致指纹芯片发烫且温度过高而危及使用者的安全的问题。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于本发明技术方案的范围。

Claims (15)

1.一种供电系统，其特征在于，用于通过同一电源信号向一芯片的第一电路和第二电路分别供电，所述供电系统包括：
第一功率管，耦接在所述电源信号和所述第一电路的电源端之间；
第一过流检测模块，连接所述第一功率管的控制端，用于检测所述第一功率管提供给所述第一电路的第一供电电流，并在所述第一供电电流超过第一限流值时关断所述第一功率管，以停止所述电源信号向所述第一电路的电源端供电；
第二功率管，耦接在所述电源信号与所述第二电路的电源端之间；
第二过流检测模块，连接所述第二功率管的控制端，用于检测所述第二功率管提供给所述第二电路的第二供电电流，并在所述第二供电电流超过第二限流值时关断所述第二功率管，以停止所述电源信号向所述第二电路的电源端供电。
2.如权利要求1所述的供电系统，其特征在于，还包括第一或逻辑，所述第一或逻辑的两个输入端分别一一对应地连接所述第一过流检测模块的输出端和所述第二过流检测模块的输出端，所述第一或逻辑的输出端连接一控制单元的中断引脚；所述第一或逻辑用于在所述第一供电电流超出所述第一限流值或所述第二供电电流超出所述第二限流值时，通过所述中断引脚向所述控制单元发送中断信号，并进一步使得所述控制单元在检测到所述中断信号一段时间后控制所述第一功率管或所述第二功率管再次导通。
3.如权利要求2所述的供电系统，其特征在于，所述第一电路具有低功耗模块，所述供电系统具有信号输入输出模块和中断模块，所述低功耗模块的电源端直接接入所述电源信号，所述信号输入输出模块连接在所述低功耗模块的输出端和所述控制单元的输入输出引脚之间，所述中断模块连接所述第一或逻辑的输出端、所述控制单元的所述中断引脚以及所述低功耗模块的输出端，所述低功耗模块用于在所述第一功率管关断时向所述信号输入输出模块和所述中断模块供电，以使得所述信号输入输出模块输出的信号和所述中断模块输出的信号均能有效地发送至所述控制单元。
4.如权利要求1所述的供电系统，其特征在于，所述第一过流检测模块具有第一比较器和第一基准参考电路，所述第一比较器的一个输入端接入到所述第一功率管与所述第一电路的电源端的连接节点上，所述第一比较器的另一个输入端连接所述第一基准参考电路的输出端；
所述第二过流检测模块具有第二比较器和第二基准参考电路，所述第二比较器的一个输入端接入到所述第二功率管与所述第二电路的电源端的连接节点上，所述第二比较器的另一个输入端连接所述第二基准参考电路的输出端；
其中，所述第一基准参考电路和所述第二基准参考电路为两路相互电性分离的电路，所述第一基准参考电路用于根据所述第一限流值产生第一基准参考电压，所述第二基准参考电路用于根据所述第二限流值产生第二基准参考电压；或者，所述第一基准参考电路和所述第二基准参考电路为同一路基准参考电路，所述同一路基准参考电路根据所述第一限流值和第二限流值产生基准参考电压。
5.如权利要求4所述的供电系统，其特征在于，所述第一基准参考电路、所述第二基准参考电路或所述同一路基准参考电路分别包括耦接的参考开关管和尾负载，所述参考开关管的控制端以及所述尾负载的另一端均接地。
6.如权利要求5所述的供电系统，其特征在于，所述尾负载为尾电流源或者尾电阻。
7.如权利要求5所述的供电系统，其特征在于，所述第一功率管、所述第二功率管以及所述参考开关管构成电流镜结构，所述第一过流检测模块的所述第一限流值由所述第一功率管和所述参考开关管的尺寸比例决定，所述第二过流检测模块的所述第二限流值由所述第二功率管和所述参考开关管的尺寸比例决定。
8.如权利要求7所述的供电系统，其特征在于，当所述第一过流检测模块和所述第二过流检测模块共用所述同一路基准参考电路时，所述第一功率管和所述参考开关管的尺寸比例是使得当所述第一功率管的漏极电流等于所述第一限流值时，所述第一功率管和所述参考开关管的漏极电压相等且等于所述基准参考电压，所述第二功率管和所述参考开关管的尺寸比例是使得当所述第二功率管的漏极电流等于所述第二限流值时，所述第二功率管和所述参考开关管的漏极电压相等且等于所述基准参考电压，其中，所述第一功率管的所述漏极电流为所述第一供电电流，所述第二功率管的所述漏极电流为所述第二供电电流。
9.如权利要求4-8中任一项所述的供电系统，其特征在于，所述第一过流检测模块还包括第一延时电路，所述第一延时电路耦接在所述第一比较器的输出端和所述第一功率管的控制端之间，用于在所述第一供电电流大于所述第一限流值但不超过第一预设时长时，保持所述第一功率管的控制端的电压不变；
和/或，所述第二过流检测模块还包括第二延时电路，所述第二延时电路耦接在所述第二比较器的输出端和所述第二功率管的控制端之间，用于在所述第二供电电流大于所述第二限流值但不超过第二预设时长时，保持所述第二功率管的控制端的电压不变。
10.如权利要求9所述的供电系统，其特征在于，所述第一延时电路为RC延时电路，和/或，所述第二延时电路为RC延时电路。
11.如权利要求9所述的供电系统，其特征在于，所述第一过流检测模块还包括第二或逻辑，所述第二或逻辑的一输入端连接所述第一延时电路的输出端，所述第二或逻辑的另一输入端接入控制单元所发出的启停控制信号，所述第二或逻辑用于根据所述启停控制信号或者所述第一延时电路的输出来控制所述第一功率管导通或者关断；
和/或，所述第二过流检测模块还包括第三或逻辑，所述第三或逻辑的一输入端连接所述第二延时电路的输出端，所述第三或逻辑的另一输入端接入所述启停控制信号，所述第三或逻辑用于根据所述启停控制信号或者所述第二延时电路的输出来控制所述第二功率管导通或者关断。
12.如权利要求1-8和10-11中任一项所述的供电系统，其特征在于，所述供电系统还具有第一电阻，所述第一电阻的一端接入所述电源信号，所述第一电阻的另一端连接所述第一过流检测模块的电源端；
和/或，所述供电系统还具有第二电阻，所述第二电阻的一端接入所述电源信号，所述第二电阻的另一端连接所述第二过流检测模块的电源端。
13.一种芯片，其特征在于，包括第一电路、第二电路以及如权利要求1至12中任一项所述的供电系统，所述供电系统通过同一电源信号向所述第一电路和所述第二电路分别供电，且所述供电系统向所述第一电路提供第一供电电流，向所述第二电路提供第二供电电流。
14.如权利要求13所述的芯片，其特征在于，所述第一电路、所述第二电路以及所述供电系统均耦接至控制单元，在所述第一供电电流超出第一限流值或所述第二供电电流超出第二限流值时，所述供电系统发送中断信号至所述控制单元，一段时间后，所述供电系统收到所述控制单元发出的启停控制信号，并进一步控制相应的第一功率管或第二功率管再次导通，如果在一固定时间间隔收到的所述中断信号超过阈值，则所述控制单元不会发出该启停控制信号。
15.如权利要求13或14所述的芯片，其特征在于，所述芯片为指纹芯片，所述第一电路包括依次连接的指纹像素阵列、指纹信号采集电路、信号放大电路、模数转换器；所述第二电路包括滤波电路和数字信号处理电路，所述数字信号处理电路用于输出所述第一电路所采集的指纹的图像。
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