DE10297753B4

DE10297753B4 - Unterspannungs-Detektionsschaltung

Info

Publication number: DE10297753B4
Application number: DE10297753T
Authority: DE
Inventors: Fan Yung Ma
Original assignee: Lantiq Deutschland GmbH
Current assignee: Intel Germany Holding GmbH
Priority date: 2002-07-01
Filing date: 2002-07-01
Publication date: 2011-07-28
Anticipated expiration: 2022-07-02
Also published as: CN1639578A; US20050218939A1; TW200401111A; WO2004003574A1; DE10297753T5; AU2002364112A1

Abstract

Unterspannungs-Detektionsschaltung zur Überwachung einer Versorgungsspannung (V_supply), mit
einem Komparator (1) zum Erzeugen eines Defizitsignals (V2I), das ein Defizit der Versorgungsspannung (V_supply) in Bezug auf eine Referenzspannung (V_ref) anzeigt, wobei das Defizitsignal (V2I) ein Stromsignal ist, dessen Wert mit dem Defizit der Versorgungsspannung (V_supply) in Bezug auf die Referenzspannung (V_ref) ansteigt, und
einem Integrierer (3) zum Zeitintegrieren des Defizitsignals (V2I), um ein integriertes Signal zu bilden,
wobei die Unterspannungs-Detektionsschaltung dazu ausgelegt ist, das integrierte Signal zum Erzeugen eines Rücksetzsignals zum Rücksetzen eines Mikroprozessors zu verwenden, und
weiterhin mit einer Diskriminatorschaltung (4) zum Empfangen des integrierten Signals und eines Spannungsausgangssignals (V2V) des Komparators (1), dessen Spannung mit dem Defizit der Versorgungsspannung (V_supply) in Bezug auf die Referenzspannung (V_ref) ansteigt, und zum Erzeugen eines Rücksetzsignals unter Verwendung des integrierten Signals und des Spannungsausgangssignals (V2V) des Komparators (1), wobei die Diskriminatorschaltung (4) so angeordnet ist, daß sie ein Steuersignal...

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltung zur Unterspannungs-Detektion (UVD) für einen Mikroprozessor und einen die UVD-Schaltung verwendenden Mikroprozessor.
Allgemeiner Stand der Technik
Schaltungen zur Unterspannungs-Detektion (UVD) sind Schaltungen, mit denen erkannt wird, wann eine Versorgungsspannung unter eine Detektionsschwelle abfällt. UVDs werden häufig in auf Mikrosteuerungen basierenden Systemen eingesetzt und werden besonders während der Zustände Herauffahren, Herunterfahren oder Brown-out verwendet (d. h. Versorgungszuständen in der Gestalt, daß die Versorgungsspannung im allgemeinen unter der Detektionsschwelle liegt, aber einige positive Spitzen enthält). Wenn die UVD erkennt, daß der Wert der Versorgungsspannung kleiner als die Detektionsschwelle ist, löst sie durch Setzen eines Rücksetzsignals ein Rücksetzen in dem Mikroprozessor aus. Unter bestimmten Umständen (wie z. B. bei Test mit elektrostatischen Entladungen (ESD)) kann jedoch eine negative Transiente kurzer Dauer auftreten, die eine Unterspannung darstellt, die die UDV-Schaltung aber vorzugsweise ignorieren soll, so daß kein Rücksetzen ausgelöst wird.
Es wird angenommen, daß frühe Mikroprozessorentwürfe dieses Problem durch Verwendung eines in der Nähe des Vorsorgungsanschlusses angeschlossenen externen Kondensators behandelten, um etwaige Versorgungsspitzen zu entfernen. Eine andere Möglichkeit, um dasselbe Ergebnis zu erreichen, wäre das Hinzufügen eines RC-Netzwerks in den Mikroprozessor am Eingang des Spannungsdetektionskomparators. Einen hohen Grad an Spitzenimmunität bereitzustellen, erfordert jedoch große RC-Werte, und dies ist flächenintensiv und deshalb nicht für eine IC-Implementierung geeignet.
Eine bekannte Spannungsüberwachungsvorrichtung ist in der DE 198 19 495 A1 beschrieben. Eine weitere Überwachungsvorrichtung, allerdings eine Vorrichtung zur Überwachung der von einer Energiequelle abgegebenen elektrischen Energie ist aus der DE-OS 2 239 268 bekannt. Die bekannten Überwachungsvorrichtungen sind jedoch nicht in der Lage, jede Unterspannung zu erkennen, und vermitteln auch keine Anregung wie eine solche universelle Spannungsüberwachungsvorrichtung aufgebaut sein oder funktionieren könnte.
Kurze Darstellung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung versucht, eine neue und nützliche UVD-Schaltung, einen Mikroprozessor mit einer solchen Schaltung, und ein UVD-Verfahren bereitzustellen.
Allgemein ausgedrückt, schlägt die Erfindung unter anderem vor, daß eine UVD-Schaltung die Differenz zwischen der Versorgungsspannung und einem Referenzsignal integriert und unter Verwendung dieses integrierten Signals bestimmen kann, ob ein Rücksetzen erzeugt werden sollte.
Spezifisch kann die Erfindung als eine UVD-Schaltung zur Überwachung einer Versorgungsspannung ausgedrückt werden, die unter anderem folgendes enthält:
einen Komparator zum Erzeugen eines Defizitsignals, das ein Defizit der Versorgungsspannung in bezug auf eine Referenz spannung anzeigt,
einen Integrierer zum Zeitintegrieren des Defizitsignals, um ein integriertes Signal zu bilden,
wobei das Ausgangssignal des Integrierers zum Erzeugen eines Rücksetzsignals verwendet wird.
Das integrierte Signal wird als ein Eingangssignal für eine Diskriminatorschaltung verwendet, die so angeordnet ist, daß das Rücksetzsignal abhängig von dem integrierten Signal, aber nicht ausschließlich abhängig hiervon erzeugt wird.
Das Defizitsignal ist ein Stromsignal mit einem Wert, der mit dem Defizit der Versorgungsspannung in bezug auf die Referenzspannung zunimmt. Dadurch kann der Integrierer einfach als eine analoge Schaltung mit einer Kapazität implementiert werden. Der Komparator erzeugt zusätzlich ein Spannungssignal, das das Defizit der Versorgungsspannung in bezug auf die Referenzspannung anzeigt, und auch dieses Signal kann von dem Diskriminator verwendet werden.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Kurze Beschreibung der Figuren
Eine Ausführungsform der Erfindung wird nun ausführlich, lediglich als Beispiel mit Bezug auf die folgenden Figuren beschrieben. Es zeigen:
1 ein Blockschaltbild der UVD-Schaltung der Ausführungsform;
2 ein Schaltbild des Komparators von 1;
3 ein Schaltbild der Ausführungsform;
4 das Stromausgangssignal des Komparators für einen Bereich von Differenzen zwischen den beiden Eingangsspannungen;
5, die aus 5(a) und 5(b) besteht, die Antwort der Ausführungsform auf zwei verschiedene Versorgungsspannungsprofile;
6 die Funktionssweise der Ausführungsform während langsamen Herauffahrens und Herunterfahrens;
7 die minimale Spitzendauer, die erforderlich ist, um die Ausführungsform in bezug auf den Spitzenbetrag auszulösen.
Ausführliche Beschreibung der Ausführungsform
1 zeigt eine schematische Form der Ausführungsform. Eine Komparatoreinheit 1 empfängt zwei Eingangssignale: V_supply, die zu prüfende Stromversorgungsspannung; und V_ref, die Referenzspannung. Sie erzeugt zwei Ausgangssignale V2V und V2I. V2I ist ein Strom, der mit dem Defizit von V_supply im Vergleich zu V_ref ansteigt (z. B. zu diesem proportional sein kann). V2V ist eine Spannung, die mit diesem Defizit ansteigt (z. B. kann sie proportional zu V2I sein).
Von diesen wird das Ausgangssignal V2I zu einer Integrierereinheit 3 gesendet, die V2I integriert und ein Rücksetzsignal R erzeugt.
Wahlweise kann R direkt zu Rücksetzmitteln (die nicht gezeigt sind, aber einen beliebigen herkömmlichen Entwurf aufweisen können) senden, die das Mikroprozessor- bzw. Computersystem zurücksetzen. Als Alternative kann ein (nicht gezeigter) Diskriminator so angeordnet werden, daß er V2I (und wahlweise weitere Eingangssignale, wie z. B. Steuersignale oder V2V) empfängt und ein zu den Rücksetzmitteln zu übertragendes modifiziertes Rücksetzsignal erzeugt.
Ausführliche Schaltbilder eines möglichen Komparators 1 und seiner Verbindung mit dem Integrierer 3 sind in 2 bzw. 3 angegeben.
Zu Anfang soll eine Übersicht über 3 gegeben werden. Der Komparator 1 empfängt zwei Eingangsspannungssignale inm und inp, die von einem Spannungsreferenzsignal V_ref bzw. der Versorgungspannung V_supply abgeleitet werden. Der Komparator erzeugt ein Stromausgangssignal i_out und zwei Spannungsausgangssignale V_outn und seine Umkehrung V_outp. Wie nachfolgend beschrieben, entspricht i_out V2I in 1 und ist ein Strommaß des Defizits von inp im Vergleich zu inm.
Das Stromsignal i_out wird zu dem Integrierer 3 gesendet, der ein Ausgangssignal V_o erzeugt. Eine Diskriminatorschaltung 4 verarbeitet das Ergebnis V_o, um eine Spannung zu erzeugen, die ein modifiziertes Rücksetzsignal R_out ist (ein Rücksetzen wird ausgelöst, wenn dieses Signal low ist).
Nunmehr unter ausführlicher Bezugnahme auf 2 ist der Komparator 1 eine Transkonduktanzverstärkerschaltung mit Stromausgangssignal i_out und Spannungsausgangssignalen V_outn und V_outp. Das Eingangsdifferenzpaar wird durch die Transistoren P2 und P3 gebildet, die Eingangssignale inm bzw. inp empfangen. Dieses Differenzpaar und der Vorspannungstransistor P0 führen eine Umwandlung von Spannung in Strom um, um das Signal i_out zu erzeugen.
Es ist bekannt, daß für
die Differenz der Drain-Ströme der Transistoreingangsbauelemente P2, P3 durch die folgende Gleichung beschrieben werden kann:
wobei V_id = inp – inm gilt und I₅₅ der Differenzpaar-Vorstrom (d. h. der Strom durch den Transistor P0) ist und eine Funktion der Bauelementemobilität, des Seitenverhältnisses und der Gateoxidkapazität ist.
Diese Gleichung wird an den Ausgang gespiegelt, d. h. für das Komparatorausgangssignal i_out gilt dieselbe Gleichung, skaliert durch einen Verstärkungsfaktor, der durch die Verstärkungsfaktoren der Transistoren N4, N5, N3, P4 und P6 bestimmt wird. Deshalb variiert gemäß der Gleichung i_out ungefähr linear mit V_id in der Nähe von V_id = 0 und sättigt sich dann bei höheren positiven und negativen Werten von I₅₅. Vor der Ausgangsstromsättigung approximiert diese Schaltung deshalb einen linearen Umsetzer von Spannung in Strom. Das Strom-Spannung-Profil wie in 4 gezeigt. Mit dem Ausgangssignal wird außerdem ein entsprechendes Spannungsausgangssignal V_out und seine Umkehrung V_outn erzeugt.
Iddq ist ein Herunterfahrsignal, daß nach high geht, um anzuzeigen, daß ein Herunterfahren erfolgen wird. Pbias wird durch eine (in 3 nicht gezeigte) Vorspannungsschaltung erzeugt.
Wieder mit Bezug auf 3 besteht der Integrierer 3 aus einem Widerstand R1 und zwei Kondensatoren C1 und C2. Es kann abgeleitet werden, daß für ein an den Eingang (aus dem i_out des Komparators) angelegtes Einheitssprung-Eingangssignal die Ausgangsspannung V_o am Eingang des Inverters INV1 der folgenden Gleichung genügt: V_o = k(t – τ(1 – exp(–t/τ)))u(t) mit k = i_out/(C1 + C2) und τ = RI·C1·C2/(C1 + C2)
Außerdem ist exp die Exponentialfunktion des natürlichen Logarithmus und u(t) ist die Einheitssprungfunktion. Im Prinzip weist V_o eine ungefähr lineare Beziehung mit der Zeit auf. Der Integrierer 3 führt also eine Integrationsfunktion durch, und die integrierte Spannung bewirkt, daß INV1 seinen Zustand wechselt, wenn sein Auslösepunkt erreicht wird, wodurch ein Rücksetzsignal erzeugt wird.
Der Diskriminator 4 von 3 wird durch ein Eingangssignal en gesteuert und ermöglicht sowohl spitzenimmun (en = ”1”) als auch spitzenempfindlich (en = ”0”). Im Fall von spitzenimmun läßt das AND-Gatter AND2 das Ausgangssignal des Inverters INV1 durch, dies wird durch das OR-Gatter OR1 durchgelassen und durch den Inverter INV3 invertiert. Somit besteht ein low-Ausgangssignal (ein modifiziertes Rücksetzsignal, das ein Rücksetzen in den Rücksetzmitteln auslöst) immer dann, wenn das Ausgangssignal des Integrierers 3 höher als die Auslösespannung V_c des Inverters INV1 und umgekehrt ist. Im Fall spitzenempfindlich ist en low und das Ausgangssignal der UVD-Schaltung wird stattdessen durch V_out bestimmt (da das Ausgangssignal des AND-Gatters AND0 immer Null ist). Genauer gesagt liegt R_out auf high (low) wenn V_out auf high (low) liegt.
Die Konfiguration der anderen Komponenten von 3 wird für Fachleute verständlich sein. Der Transistor P1, die Widerstände R3, R4 und R5 liefern eine skalierte Version der Versorgungsspannung Vsupply. Die Kondensatoren C4, C5 und C6 ergeben ein gewisses Maß an begrenzter schneller Spitzenimmunität unter Verwendung von standardmäßigen RC-Effekten. Mit solchen Techniken mehr Spitzenimmunität bereitzustellen, würde jedoch große Werte für RC erfordern, und dies ist flächenintensiv und für IC-Implementierung nicht praktikabel.
Der Widerstand R2 und der Kondensator C3 bilden einen Tiefpaßfilter für das Komparatorreferenzsignal, um etwaige Jitter-Effekte in diesem Signal zu entfernen.
Die Schalter S1 und S2 sind zusammen mit den Gattern NOR1 und INV2 so angeordnet, daß Hysterese in der Detektion bereitgestellt wird. Abhängig davon, welcher der Schalter S1 und S2 eingeschaltet ist, wird das Eingangssignal inp skaliert. Das heißt, daß die von dem Komparator 1 gesehene effektive Versorgungsspannung, abhängig davon, ob das Rücksetzen bereits ausgelöst wurde, höher oder niedriger sein kann.
Das Gatter AND1 und der Transistor N2 dienen zum Entladen von C1, indem er mit Masse 7 verbunden wird, nachdem das Eingangssignal von INV1 über den INV1-Auslösepunkt hinweg abnimmt. Dadurch soll die Schaltung für das nächste positive Ereignis, z. B. Herauffahren, vorbereitet werden.
Der Transistor N1 und das Eingangssignal init dienen zum Initalisieren der Spannung an C1 auf Masse beim Herauffahren. Normalerweise ist init low, so daß der Transistor N1 inaktiv ist, nach einer Initalisierung der UVD-Schaltung wird init aber auf high gesetzt, um C1 auf Masse zu legen.
5(a) zeigt schematisch die Zeitvariation der Schaltung in zwei Fällen, wobei sich die UVD-Schaltung in beiden Fällen in dem Zustand spitzenimmun befindet. Im Fall von 5(a) fällt die Versorgungsspannung V_supply für eine kurze Zeit, wie durch den schattierten Bereich 5 angegeben, unter V_ref ab. V_o ist vor dieser Zeit high, hält aber während der Periode 5 ungefähr proportional zu der Zeit des Dauerns der Spitze ab. Vsupply steigt jedoch über Vref an, bevor der Inverter INV1 ausgelöst wird, so daß das Ausgangssignal R_out auf logisch 1 bleibt und kein Rücksetzen erfolgt.
In dem in 5(b) gezeigten Fall liegt V_supply umgekehrt jedoch lang genug unter V_ref, so daß V_o unter die Auslösespannung V_c des Inverters INV1 abfällt und R_out auf Null abfällt, d. h. ein Rücksetzen erfolgt.
6 zeigt die Variation von R_out mit der Zeit während eines langsamen Herauffahrens und Herunterfahrens.
7 zeigt für ein typisches Bauelement Werte in den Schaltungen von 2 und 3, die minimale Dauer einer Spitze, die ein Rücksetzen für Spitzen verschiedener Beträge (d. h. verschiedene Werte des Defizits von V_supply in bezug auf V_ref) in dem Zusstand spitzenimmun der UVD-Schaltung bewirkt. Der Betrag der Spitzen ist auf der x-Achse angegeben, während die Zeit, die eine solche Spitze dauern muß, um ein Rücksetzen zu bewirken, auf der y-Achse gezeigt ist. Wie aus 7 hervorgeht, bewirkt eine Spitze von mehr als etwa 650 mV ungeachtet ihrer Dauer ein Rücksetzen. Für einen großen Bereich von Spitzenwerten (z. B. 250 mV bis 600 mV) wird ein Rücksetzen nur dann bewirkt, wenn die Dauer der Spitze mehr als etwa 7 μs beträgt.
Obwohl nur eine einzige Ausführungsform der Erfindung ausführlich beschrieben wurde, ist für Fachleute erkennbar, daß verschiedene Modifikationen innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung möglich sind.

Claims

Unterspannungs-Detektionsschaltung zur Überwachung einer Versorgungsspannung (V_supply), mit einem Komparator (1) zum Erzeugen eines Defizitsignals (V2I), das ein Defizit der Versorgungsspannung (V_supply) in Bezug auf eine Referenzspannung (V_ref) anzeigt, wobei das Defizitsignal (V2I) ein Stromsignal ist, dessen Wert mit dem Defizit der Versorgungsspannung (V_supply) in Bezug auf die Referenzspannung (V_ref) ansteigt, und einem Integrierer (3) zum Zeitintegrieren des Defizitsignals (V2I), um ein integriertes Signal zu bilden, wobei die Unterspannungs-Detektionsschaltung dazu ausgelegt ist, das integrierte Signal zum Erzeugen eines Rücksetzsignals zum Rücksetzen eines Mikroprozessors zu verwenden, und weiterhin mit einer Diskriminatorschaltung (4) zum Empfangen des integrierten Signals und eines Spannungsausgangssignals (V2V) des Komparators (1), dessen Spannung mit dem Defizit der Versorgungsspannung (V_supply) in Bezug auf die Referenzspannung (V_ref) ansteigt, und zum Erzeugen eines Rücksetzsignals unter Verwendung des integrierten Signals und des Spannungsausgangssignals (V2V) des Komparators (1), wobei die Diskriminatorschaltung (4) so angeordnet ist, daß sie ein Steuersignal empfängt, und wobei die Diskriminatorschaltung weiterhin einen Schalter (NOR2, AND2) umfaßt, der durch das Steuersignal gesteuert wird, um auf der Basis des integrierten Signals oder des Spannungsausgangssignals (V2V) des Komparators (1) zu bestimmen, ob das Rücksetzsignal erzeugt wird.
Mikroprozessor mit einer Unterspannungs-Detektionsschaltung nach Anspruch 1, und mit Rücksetzmitteln, die so angeordnet sind, daß sie das von der Unterspannungs-Detektionsschaltung ausgegebene Rücksetzsignal empfangen und abhängig von seinem Wert ein Rücksetzen des Mikroprozessors einleiten.
Verfahren zum Überwachen einer Versorgungsspannung (V_supply) mit den folgenden Schritten: Erzeugen eines Defizitsignals (V2I), das ein Defizit der Versorgungsspannung (V_supply) in Bezug auf eine Referenzspannung (V_ref) anzeigt, wobei das Defizitsignal (V2I) ein Stromsignal ist, dessen Wert mit dem Defizit der Versorgungsspannung (V_supply) in Bezug auf die Referenzspannung (V_ref) ansteigt; Zeitintegrieren des Defizitsignals (V2I), um ein integriertes Signal zu bilden; Erzeugen eines Spannungsausgangssignals (V2V), dessen Spannung mit dem Defizit der Versorgungsspannung (V_supply) in Bezug auf die Referenzspannung (V_ref) ansteigt; Erzeugen eines Rücksetzsignals unter Verwendung des integrierten Signals, oder unter Verwendung des Spannungsausgangssignals (V2V); und Bestimmen mittels eines Steuersignals, ob das Rücksetzsignal auf der Basis des integrierten Signals oder auf der Basis des Spannungsausgangssignals (V2V) erzeugt wird; wobei das Rücksetzsignal zum Rücksetzen eines Mikroprozessors dient.