CN216817210U

CN216817210U - 低功耗控制电路及mcu芯片

Info

Publication number: CN216817210U
Application number: CN202220224580.2U
Authority: CN
Inventors: 吴国斌; 韩志强; 张虚谷; 康泽华
Original assignee: Zhuhai Geehy Semiconductor Co Ltd
Current assignee: Zhuhai Geehy Semiconductor Co Ltd
Priority date: 2022-01-26
Filing date: 2022-01-26
Publication date: 2022-06-24
Anticipated expiration: 2032-01-26

Abstract

本申请涉及IC芯片功耗管理技术领域，公开一种低功耗控制电路及MCU芯片，其中，所述低功耗控制电路包括：处理器、电压比较器、开关电路、电源以及电平移位器；所述电压比较器的第一输入端连接所述处理器，所述电压比较器的第二输入端连接参考电压，所述电压比较器的输出端连接所述开关电路的控制端；所述开关电路的两端分别连接所述电源和所述电平移位器。本申请技术方案，可以在处理器唤醒的过程中向电平移位器提供稳定的电压输入，保证电平移位器正常工作。

Description

低功耗控制电路及MCU芯片

技术领域

本实用新型涉及IC芯片功耗管理技术领域，尤其涉及一种低功耗控制电路及MCU芯片。

背景技术

随着IC(Integrated Circuit，集成电路)技术的发展，IC芯片在各种场景中得到了广泛的应用。例如，在几乎所有涉及到需要按键控制的电子产品中都采用了具有按键扫描逻辑的MCU(Microcontroller Unit，微控制单元)芯片。

MCU的低功耗设计是芯片设计的一个重要课题。在低功耗设计下，MCU芯片引入了休眠模式的概念。例如，对于具有按键扫描逻辑的MCU，在休眠模式下，其MCU内核并不工作，而启用外围的低频率的扫描逻辑电路监测电子产品的按键是否被触发，在按键被有效触发时，MCU内核才转换为工作模式。

在MCU的低功耗设计中，为了进一步节省功耗，通常采用多电源多电压(MSMV，Multiple supply and Multiple Voltage)技术，例如将工作模式下的MCU内核电压设置在第二电压域，而将休眠模式下的MCU内核的电压设置在第一电压域。一般的，在MSMV技术中，通常涉及到电平移位器(level shifter)，电平移位器起到电压转换的作用。

然而，本申请的发明人在研究中发现，MCU内核在唤醒的过程中，从第一电压域转换到第二电压域具有一定的延迟，当电压较低时，电平移位器将不能正常工作。

实用新型内容

本实用新型实施例提供低功耗控制电路及MCU芯片，可以在处理器唤醒的过程中向电平移位器提供稳定的电压输入，保证电平移位器正常工作。

一方面，本申请提供一种低功耗控制电路，包括：处理器、电压比较器、开关电路、电源以及电平移位器；

所述电压比较器的第一输入端连接所述处理器，所述电压比较器的第二输入端连接参考电压，所述电压比较器的输出端连接所述开关电路的控制端；

所述开关电路的两端分别连接所述电源和所述电平移位器。

结合第一方面，在一种可行的实现方式中，还包括线性稳压器，所述线性稳压器连接在所述开关电路和所述电平移位器之间。

结合第一方面，在一种可行的实现方式中，所述线性稳压器包括：功率管Mp、控制晶体管Mc1、控制晶体管Mc2、晶体管M、运算放大器、第一电流源和第二电流源；

所述晶体管M的源极连接所述开关电路；所述晶体管M的漏极连接所述控制晶体管Mc1的源极，并同时连接基准带隙电压；所述控制晶体管Mc1的漏极连接所述第一电流源，并与所述控制晶体管Mc1的栅极相连；所述运算放大器的正向输入端和反向输入端连接所述基准带隙电压，所述运算放大器的输出端连接所述晶体管M的栅极；

所述功率管Mp的源极连接所述开关电路；所述功率管Mp的漏极连接所述控制晶体管Mc2的源极，并作为所述线性稳压器的输出端；所述控制晶体管Mc2的漏极连接所述第二电流源，并同时连接所述功率管Mp的栅极；所述控制晶体管Mc2的栅极连接所述控制晶体管Mc1的栅极，在本申请实施例中通过线性稳压器可以稳定输出供电平移位器正常工作的工作电压。

结合第一方面，在一种可行的实现方式中，所述开关电路包括开关管，所述开关管为MOS管或三极管。

结合第一方面，在一种可行的实现方式中，所述MOS管具体为N型MOS管或P型MOS管。

第二方面，本申请提供一种MCU芯片，包括：MCU内核、电压比较器、开关电路、电源以及电平移位器；

所述电压比较器的第一输入端连接所述MCU内核，所述电压比较器的第二输入端连接参考电压，所述电压比较器的输出端连接所述开关电路的控制端；

所述开关电路的两端分别连接所述电源和所述电平移位器。

结合第二方面，在一种可行的实现方式中，还包括线性稳压器，所述线性稳压器连接在所述开关电路和所述电平移位器之间。

结合第二方面，在一种可行的实现方式中，所述线性稳压器包括：功率管Mp、控制晶体管Mc1、控制晶体管Mc2、晶体管M、运算放大器、第一电流源和第二电流源；

结合第二方面，在一种可行的实现方式中，所述开关电路包括开关管，所述开关管为MOS管或三极管。

结合第二方面，在一种可行的实现方式中，所述MOS管具体为N型MOS管或P型MOS管。

本申请提供低功耗控制电路、MCU芯片，其中MCU芯片包括MCU内核、电压比较器、开关电路、电源以及电平移位器，电压比较器的第一输入端连接MCU内核，从而获取MCU内核的电压，电压比较器的第二输入端连接参考电压，通过设置参考电压，在MCU内核的电压高于参考电压时就意味着MCU内核从休眠模式中唤醒，通过电压比较器的输出连接开关电路，从而使开关电路闭合，电源直接向电平移位器提供稳定的电压输入，使电平移位器能够正常工作，不会出现翻转功能异常。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请实施例提供的一种低功耗控制电路的结构示意图；

图2是本申请又一个实施例提供的低功耗控制电路的结构示意图；

图3是本申请实施例提供的一种低功耗控制电路及其中线性稳压器的结构示意图；

图4是本申请实施例提供的一种MCU芯片的结构示意图；

图5是本申请又一个实施例中的MCU芯片的结构示意图。

具体实施方式

为了更好的理解本实用新型的技术方案，下面结合附图对本实用新型实施例进行详细描述。

应当明确，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本实用新型。在本实用新型实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其它含义。

应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

参见图1，在本申请的一个实施例中提供了一种低功耗控制电路。本申请实施例中的低功耗控制电路，可以应用于具有不同电压域的MCU芯片。

如图1，本申请实施例中的低功耗控制电路，包括：处理器101、电压比较器102、开关电路103、电源104以及电平移位器105。

其中，电压比较器102的第一输入端连接处理器101，电压比较器102的第二输入端连接参考电压，电压比较器102的输出端连接开关电路103的控制端。

开关电路103的两端分别连接电源104和电平移位器105。

处理器可以是MCU的内核、也可以是图形处理器(英语：Graphics ProcessingUnit，缩写：GPU)、TPU(Tensor Processing Unit)即张量处理单元，是一款为机器学习而定制的芯片，经过了专门深度机器学习方面的训练，它有更高效能(每瓦计算能力)、嵌入式神经网络处理器(NPU)采用“数据驱动并行计算”的架构，特别擅长处理视频、图像类的海量多媒体数据、APU(Accelerated Processing Unit)加速处理器、DPU(Deep learningProcessing Unit)深度学习处理器等。

上述本申请实施例提供的低功耗控制电路，其中包括处理器、电压比较器、开关电路、电源以及电平移位器，电压比较器的第一输入端连接处理器，从而获取处理器的电压，电压比较器的第二输入端连接参考电压，通过设置参考电压，在处理器的电压高于参考电压时就意味着处理器从休眠模式中唤醒，通过电压比较器的输出连接开关电路，从而使开关电路闭合，电源直接向电平移位器提供稳定的电压输入，使电平移位器能够正常工作，不会出现翻转功能异常。

下面在本申请的一个更为详细的实施例中说明低功耗控制电路的结构及其工作原理。

具体的，本申请实施例中的电压比较器102的第一输入端连接处理器101，用于获取处理器101的电压。在本申请实施例中，处理器具有低功耗管理模块，处理器101可以处于工作模式或休眠模式。当处理器在休眠模式时，处于低电压域(第一电压域)，当处理器处于工作模式时，处于高电压域(第二电压域)。不同的处理器，低电压域和高电压域可以有不同的设置，例如低电压域可以是0.3～0.7V，高电压域为1.2～1.8V。当处理器被唤醒时，电压相应从0.3～0.7V的电压域转换为1.2～1.8V的电压域。在本申请实施例中处理器可以在不同的场景中被唤醒(例如对于具有按键扫描逻辑的处理器检测到按键被有效触发)，具体唤醒的过程在本申请实施例中就不再赘述。

在现有技术中，当处理器101被唤醒，电压从低电压域转换为高电压域具有一定的延时，而处理器中的电平移位器(lever shifter)需要在较高的电压(例如1.1V)才能完全正常工作，在处理器电压由0.7V升至1.1V的过程中，电平移位器容易出现不能实现正常的翻转功能。

电压比较器102的第二输入端连接参考电压Vref，可以将处理器101的电压与参考电压Vref进行比较，从而控制电压比较器102的输出信号。通过预先设置参考电压Vref，在进行电压比较时就可以发现处理器101的电压域转换过程，例如可以将Vref设置为处理器101低电压域的上限值0.7V，当处理器101的电压低于0.7V，就可以认为处理器101当前处于休眠模式，而当处理器101的电压高于0.7V，就可以视为处理器101被唤醒，当前正在向高电压域进行转换。

本申请实施例中的开关电路103的控制端连接电压比较器102的输出端。当处理器101的电压高于参考电压，电压比较器输出有效信号，有效信号可以是高电平或低电平。开关电路103的控制端在接收到有效信号时将处于闭合状态，否则开关电路103将断开。

更具体的，在本申请实施例中，开关电路103可以是开关管。开关管可以是MOS管或三极管。例如，当开关管是MOS管时，其控制端为MOS管的栅极，MOS管的栅极与电压比较器102的输出端相连接。当开关管是三极管时，其控制端相应为三极管的基极。

在一个实施例中，开关管具体可以是N型MOS管，当处理器的电压小于参考电压Vref时，电压比较器输出低电平信号控制N型MOS管断开，当处理器的电压大于等于参考电压Vref时，电压比较器输出高电平信号控制N型MOS管闭合。

在一个实施例中，开关管还可以是P型MOS管，当处理器的电压小于参考电压Vref时，电压比较器输出高电平信号控制P型MOS管断开，当处理器的电压大于等于参考电压Vref时，电压比较器输出低电平信号控制N型MOS管闭合。

在开关电路103闭合时，电源104与电平移位器105相连接，电源104向电平移位器105提供稳定的电压输入，确保电平移位器105正常工作。在本申请实施例中，电源104的电压VDD应当不低于电平移位器105稳定工作需要的电压，例如VDD可以设置在1.1V以上。

参见图2，在本申请的另一个实施例中也提供了一种低功耗控制电路。

具体的，本申请实施例中的低功耗控制电路，与图1实施例中的低功耗控制电路相类似，包括：处理器101、电压比较器102、开关电路103、电源104以及电平移位器105。进一步的，本实施例中的低功耗控制电路还包括线性稳压器106，线性稳压器106连接在开关电路103和电平移位器105之间，其中线性稳压器，也可以表述为LDO(low dropout regulator)。

本申请实施例中的处理器101、电压比较器102、开关电路103、电源104和电平移位器105的原理与图1实施例相类似。当处理器101的电压高于参考电压Vref，电压比较器102输出有效信号至开关电路103的控制端，开关电路103闭合，电源104为线性稳压器106进行供电，线性稳压器106输出稳定的电压(如1.2V)至电平移位器105，确保电平移位器105正常工作。

如图3，提供了一种更为具体的低功耗控制电路及其中的线性稳压器的结构。

具体的，在本申请实施例中，线性稳压器包括：功率管Mp、控制晶体管Mc1、控制晶体管Mc2、晶体管M、运算放大器A、第一电流源Ibias 1和第二电流源Ibias 2。

晶体管M的源极连接开关电路103；晶体管M的漏极连接控制晶体管Mc1的源极，并同时连接基准带隙电压Vref1；控制晶体管Mc1的漏极连接第一电流源Ibias 1，并与控制晶体管Mc1的栅极相连；运算放大器A的正向输入端和反向输入端连接基准带隙电压Vref1，运算放大器A的输出端连接晶体管M的栅极。

功率管Mp的源极连接开关电路103；功率管Mp的漏极连接控制晶体管Mc2的源极，并作为线性稳压器的输出端Vout；控制晶体管Mc2的漏极连接第二电流源Ibias 2，并同时连接功率管Mp的栅极；控制晶体管Mc2的栅极连接控制晶体管Mc1的栅极。

在本申请实施例中，当LDO工作时，Vout发生变动，Mc2管在漏极提供一个误差电压，控制Mp管的栅极，调节Mp管的VGS值。MOS管的电流为:

Iload＝1/2uCox(|VGS|-|VTHP|)2(1+αVDS)，

其中，u为载流子迁移率，Cox为栅氧化层电容、|VGS|-|VTHP|为PMOS管的过驱动电压；α为沟道调制系数。当Vout降低时，Mp管的VGS增大，为保持Iload的电流，VDS下降，在VDD不变的情况下，Mp管漏极的Vout只能上升，回到降低前的值.同理，Vout升高时，MP管的VGS减小，导致VDS增大，MP管漏极的Vout下降，达到稳压的效果；M管用作电平移位器，将Vref1移动到二极管连接的Mc1管的源极，Mc2、Mc1管的栅极产生电压Vctrl.由于Mc2管与Mc1管的尺寸相同,偏置Ibias 1和Ibias 2相同，Mc1管的Vsgc1与Mc2管的Vsgc2相等，因此，在Mc2管的源极同样产生一个Vref1即为Vout，使得Vref1独立于Iout，相互关系式为：

Vctrl＝Vref1-Vsgc1

Vout＝Vctrl+Vsgc2

Vout＝Vref1

其中，Vsgc2为Mc2管的源漏电压，Vsgc1为Mc1管的源漏电压。因此Vout为带隙提供电压Vref1。

参见图4，在本申请的一个实施例中还提供了一种MCU芯片200。

在图4实施例中，MCU芯片200，包括：MCU内核201、电压比较器202、开关电路203、电源204以及电平移位器205。

具体的，电压比较器202的第一输入端连接MCU内核201，电压比较器202的第二输入端连接参考电压，电压比较器202的输出端连接开关电路203的控制端。开关电路203的两端分别连接电源204和电平移位器205。

在图5的实施例中，MCU芯片200还可以包括线性稳压器206，线性稳压器206连接在开关电路203和电平移位器205之间。

上述本申请实施例中的MCU芯片，开关电路203中可以包括MOS管或三极管，MOS管可以是N型MOS管或P型MOS管。线性稳压器的结构及MCU芯片的工作原理可以参照低功耗控制电路中的相关描述，其具体结构和原理相类似，在此就不再具体赘述。

上述本申请实施例提供的MCU芯片，其中包括MCU内核、电压比较器、开关电路、电源以及电平移位器，电压比较器的第一输入端连接MCU内核，从而获取MCU内核的电压，电压比较器的第二输入端连接参考电压，通过设置参考电压，在MCU内核的电压高于参考电压时就意味着MCU内核从休眠模式中唤醒，通过电压比较器的输出连接开关电路，从而使开关电路闭合，电源直接向电平移位器提供稳定的电压输入，使电平移位器能够正常工作，不会出现翻转功能异常。

以上上述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型保护的范围之内。

Claims

1.一种低功耗控制电路，其特征在于，包括：处理器、电压比较器、开关电路、电源以及电平移位器；

所述开关电路的两端分别连接所述电源和所述电平移位器。

2.根据权利要求1所述的低功耗控制电路，其特征在于，还包括线性稳压器，所述线性稳压器连接在所述开关电路和所述电平移位器之间。

3.根据权利要求2所述的低功耗控制电路，其特征在于，所述线性稳压器包括：功率管Mp、控制晶体管Mc1、控制晶体管Mc2、晶体管M、运算放大器、第一电流源和第二电流源；

所述功率管Mp的源极连接所述开关电路；所述功率管Mp的漏极连接所述控制晶体管Mc2的源极，并作为所述线性稳压器的输出端；所述控制晶体管Mc2的漏极连接所述第二电流源，并同时连接所述功率管Mp的栅极；所述控制晶体管Mc2的栅极连接所述控制晶体管Mc1的栅极。

4.根据权利要求1所述的低功耗控制电路，其特征在于，所述开关电路包括开关管，所述开关管为MOS管或三极管。

5.根据权利要求4所述的低功耗控制电路，其特征在于，所述MOS管具体为N型MOS管或P型MOS管。

6.一种MCU芯片，其特征在于，包括：MCU内核、电压比较器、开关电路、电源以及电平移位器；

所述开关电路的两端分别连接所述电源和所述电平移位器。

7.根据权利要求6所述的MCU芯片，其特征在于，还包括线性稳压器，所述线性稳压器连接在所述开关电路和所述电平移位器之间。

8.根据权利要求7所述的MCU芯片，其特征在于，所述线性稳压器包括：功率管Mp、控制晶体管Mc1、控制晶体管Mc2、晶体管M、运算放大器、第一电流源和第二电流源；

9.根据权利要求6所述的MCU芯片，其特征在于，所述开关电路包括开关管，所述开关管为MOS管或三极管。

10.根据权利要求9所述的MCU芯片，其特征在于，所述MOS管具体为N型MOS管或P型MOS管。