KR20070100426A - 저전압 감지 회로를 이용한 온도 측정 방법 및 저전류원을이용한 온도 측정 방법 - Google Patents

저전압 감지 회로를 이용한 온도 측정 방법 및 저전류원을이용한 온도 측정 방법 Download PDF

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루안 루렌스
미구엘 모리노
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마이크로칩 테크놀로지 인코포레이티드
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Abstract

초저전력 전압 감지 회로는, 디지털 집적 회로 또는 장치에서, 디지털 집적 회로 장치와 디지털 집적 회로 장치의 외부 수동 소자(들)의 단일의 접속부를 이용하는, 베이식 타이머, 프로그램 가능한 타이머, 및 프로그램 가능한 저전압 감지(PLVD)를 제공하기 위하여 구현되어 있다. 내부 저전류원은, 출력 접속부에 연결된 외부 타이밍 커패시터를 방전시키기 위해 인에이블되고, 이에 의해 외부 레지스터의 필요성이 없어진다. 그러나 외부 방전 레지스터 및/또는 충전 레지스터를 추가함으로써 타이밍 정확도를 향상시킬 수 있다. 출력 접속부는, 3-상태 출력으로 구성되며, 타이밍 커패시터를 충전하기 위해 하이 레벨로, 방전시키기 위해 로우 레벨로 구동된다. 기준 전압은 타이밍에 대한 전압 트립 포인트를 결정하고 저전압을 검출하기 위해 이용된다. 온도는, 알고 있는 온도에서 측정된 알고 있는 전압과 트립 전압을 비교함으로써 측정되거나, 전류원의 전류값과 알고 있는 온도에서 측정된 알고 있는 전류값을 비교하고 상수를 곱함으로써 측정된다.
PLVD

Description

저전압 감지 회로를 이용한 온도 측정 방법 및 저전류원을 이용한 온도 측정 방법{METHOD OF DETERMINING TEMPERATURE WITH VOLTAGE DETECTION CIRCUITS AND METHOD OF DETERMINING TEMPERATURE WITH LOW-CURRENT SOURCE}
본 발명은 저전력 배터리로 동작하는 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 프로그램 가능한 초저전력 타이머 및 저전압 감지 회로에 관한 것이다.
배터리를 전원으로 이용하는 디지털 전자 제품에 있어서 전력을 적게 소모하도록 하는 것은 매우 중요하며, 이러한 대부분의 제품에서 휴면 모드(sleep mode) 상태인 동안에 소모되는 전류가 제품의 배터리 사용 시간을 결정한다. 따라서, 휴면 모드인 동안에 매우 적은 전력을 소모하고, 시간의 측면에서, 휴면 모드로부터 웨이크업(wake-up)시킬 때 저전력을 소모하도록 하는 것이 매우 중요하다. 종래의 발진기에 기초하는 웨이크업 타이머는 리튬 배터리 제품으로부터 너무 많은 전력을 소모하며, 수 ㎃의 전류를 소모하기도 한다. 이러한 문제점에 대한 하나의 해결책으로, "웨이크업 온 체인지(wake-up on change)" 이벤트에서 디지털 프로세서 등의 디지털 회로를 웨이크업시키기 위해 RC 타이머를 이용하는 방법이 있지만, 현존하는 디지털 입력 구조물에서는 입력 신호가 천천히 변화하고 많은 크로우바 전 류(crowbar current)를 소모하였다.
일부 제품에 대해서는, 디지털 프로세서에 의해 제어될 수 있는 가변성 웨이크업 주기를 갖도록 하는 것이 바람직하다.
배터리에 의해 동작하는 제품에 있어서, 저전력을 소모하는 프로그램 가능한 저전압 감지(PLVD) 회로를 구비하는 것은 매우 바람직하지만, 가격 및 전력 소모의 문제 때문에 종종 생략된다.
저전력 웨이크업 타이머는, VDD를 향하여 서서히 상승하는 전압 레벨을 갖는 수동 RC 타이밍 회로를 이용한다. 이러한 형태의 타이머 회로의 문제점으로는, 누설되기 쉬운 커패시터가 저전력 모드(높은 저항값)에서 사용될 때, 커패시터의 누설 전류 및 디바이스 접속부로의 입력 누설이 레지스터의 구동 능력을 초과할 경우 디바이스를 웨이크업시킬 수 없게 된다는 것이다. 이러한 문제는 고온에서 더 심해져 이러한 형태의 타이머의 동작을 예측할 수 없게 한다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여, 전력을 거의 소모하지 않으며, 장치의 사용 가능 온도 범위의 모든 구간에 걸쳐서 정확하고, 신뢰성 있는 프로그램 가능한 초저전력 타이머 및 저전압 감지 회로를 제공하고자 한다. 또한, 이를 이용하여 온도를 측정하는 방법을 제공하고자 한다.
본 발명은, 핀, 볼, 패드, 탭, 표면 실장용 날개 등의 단일 접속부(single connection)와 디지털 집적 회로 장치의 외부에 있는 수동 소자(들)를 이용하여, 디지털 회로 장치의 베이식 타이머, 프로그램 가능한 타이머, 및 프로그램 가능한 저전압 감지기(PLVD)를 구현하는 데에 사용될 수 있는 초저전력 회로를 제공함으로써, 종래 기술의 상기한 문제점 및 또 다른 결점, 미비점을 극복한다. 내부의 저전류원은, 접속부에 접속된 외부 커패시터를 방전시키기 위해 인에이블될 수 있으므로, 외부 레지스터에 대한 필요성을 제거한다. 그러나 내부 전류원은 외부 방전 레지스터보다 프로세스 및 온도에 대해 더 종속적이기 때문에, 외부 방전 레지스터를 추가함으로써 타이밍의 정확도를 개선할 수 있다. 접속부는 3-상태(tri-state) 출력으로서 구성될 수 있고, 커패시터를 충전하기 위해 하이(high) 레벨로 구동된다. 아날로그 전압 레벨 검출 회로와 전류원은 디지털 집적 회로 장치가 휴면 모드로 되었을 때 선택적으로 인에이블될 수 있다. 휴면 모드의 동안에, 외부 커패시터는 전압 레벨 검출 회로 및/또는 전류원(및/또는 외부 레지스터)을 통해 서서히 방전 되고, 저전압 임계값에 도달하면, 전압 레벨 검출 회로에 포함된 전압 레벨 비교 회로가 디지털 집적 회로 장치를 휴면 모드로부터 활성시키기 위해("awakens") 로직 레벨을 변경시킨다. 디지털 집적 회로 장치는 마이크로 프로세서, 마이크로 컨트롤러, 프로그래머블 로직 어레이(PLA), 프로그래머블 게이트 어레이(PGA), 제품 특화 집적 회로(ASIC) 등과 같은 디지털 프로세서일 수도 있다.
바람직하게는, 단일의 출력 접속부와 외부 커패시터만이, 베이식 타이머, 프로그램 가능한 타이머 및 PLVD의 기능들을 구현하는 데 필요하다. 따라서, 본 발명은 비용에 민감한 제품에 대해 매우 적합하다. 본 발명의 회로는 소정의 임계 전압 또는 트리거 전압과 관계있는 아날로그 신호 레벨을 검출한다. 이것은 하나의 공급 전압 레일(rail)로부터 다른 공급 전압 레일로 서서히 변화하는 디지털 입력 신호와 관계있는 높은 크로우바 전류가 없이도, 초저전력 타이머와 PLVD 기능의 구현을 가능하게 한다.
이러한 기능들의 타이밍 정확도는, 내부 전류원을 이용하는 대신에, 단일의 방전 레지스터를 추가함으로써 개선될 수 있다. 프로그램 가능한 타이밍에 있어서, 소정 시간 동안에 커패시터를 특정 전압으로 더욱 정확하게 충전시키기 위해, 충전 레지스터가 추가될 수 있다. 많은 리튬 배터리 제품은 대략 1㎂의 시한 휴면 전류(timed sleep current)를 필요로 하고, 타이머 회로를 구성하는 최소의 전력을 소모하는 클럭 발진기조차도 적어도 몇 ㎂를 소모한다. 바람직한 실시예에서, 본 발명은 대략 350㎁ 이하의 최대 전류 소모량을 갖기 때문에, 휴면 모드에서 수백 ㎁의 대기 전류가 디지털 장치에서 사용될 수 있게 된다.
온도는 기준 전압과 내부 전류원 사이의 관계에 의해 결정된다. 기준 전압과 내부 전류원에 대한 파라미터는, 본 발명을 제조하는 동안의 온도 및 프로세스의 변화에 대해 종속적이다. 프로세스의 변화는, 본 발명의 회로가 제어된 조건에서 최초에 온 될 때 측정된다. 온도의 변화에 따른 측정값들은, 측정된 후에 EEPROM, 플래시 메모리 등의 메모리에 저장되어, 본 발명으로 이후의 온도를 측정하는 데에 이용된다. 기준 전압의 온도 종속성은 대체로 선형적이지만, 내부 전류원에 있어서는 급격한 2차항을 포함한다. 그러나 온도의 변동이 비교적 작은 경우, 이 2차항은 무시될 수 있다.
본 발명의 기술적 장점은 초저전력으로 동작함에 있다. 다른 기술적 장점은 최소한의 외부 소자만을 필요로 한다는 것이다. 또 다른 기술적인 장점은 구성 비용이 저렴하다는 것이다. 또 다른 기술적인 장점은 타이밍 회로가 매우 적은 전류를 방전한다는 것이다. 또 다른 기술적인 장점은 집적 회로 패키지가 가지고 있는 출력 접속부를 이용한다는 점이다. 또한, 또 다른 장점은 기준 전압과 내부 전류원의 온도 종속성을 이용하여 온도를 감지한다는 점이다.
본 발명의 특징과 장점은 이후 실시예 및 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명될 것이다.
상기한 구성으로 이루어지는 본 발명에 의하면, 전력을 거의 소모하지 않으며, 장치의 사용 온도 범위의 전체에 걸쳐서 정확하고, 신뢰성 있는 프로그램 가능한 초저전력 타이머 및 저전압 감지 회로를 얻을 수 있으며, 이를 이용하여 온도를 측정할 수 있다.
본 발명이 다양한 변형 및 변경이 가능하다고 할지라도, 이하 첨부된 도면에서는 도시된 실시예를 참조하여 상세하게 설명한다. 여기에 설명된 특정 실시예는 본 발명을 개시된 형태만으로 한정하는 것이 아니며, 첨부된 청구항에 의해 정의된 본 발명의 정신과 범위를 벗어나지 않는 모든 변형물, 균등물, 및 대체물들을 포함한다.
이하, 도면을 참조하여, 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 도면에서의 구성 요소들은 부호 등으로 표시되고, 유사한 소자들은 다른 첨자를 부가한 번호로써 표시된다.
도 1에서는, 본 발명의 실시예에 따른 초저전력 타이머 또는 프로그램 가능한 저전압 감지기(PLVD)를 나타내고 있다. 본 발명은, 참조번호(102)로 표시되는 초저전력 전압 감지 및 로직 모듈과, 타이밍 커패시터(126), 레지스터(124) 및 레지스터(122)와 같은 외부 소자를 포함한다. 디지털 집적 회로 장치(100)의 출력 접속부(120; 예를 들면, 핀, 볼, 패드, 탭, 표면 실장용 날개 등)는, 트랜지스터(118, 116)를 포함하는 3-상태 출력 회로에 연결되어 있다. 초저전력 전압 감지 및 로직 모듈(102)은, 인에이블 입력단(128)을 갖는 매우 낮은 전류의 내부 전류원(104), 외부 접속부(120)에 연결된 입력단과 기준 전압(112)에 연결된 또 다른 입력단을 갖는 아날로그 비교기(106; 예를 들면, 고이득 차동 증폭기), 및 비교 기(106)의 출력단에 연결된 디지털 출력단(110)과 입력단을 갖는 디지털 로직(108)을 포함한다. 모듈(102)은 디지털 집적 회로 장치(100)의 일부일 수 있다. 레지스터(122, 124)는 선택적인 것이며, 본 발명은 이러한 레지스터 없이도 효과적으로 동작할 수 있다. 상기 레지스터(122, 124)는 본 발명의 기능을 향상시킨다.
비교기(106)는, 접속부(120)에서의 아날로그 신호가 기준 전압(112)보다 작거나 같은지 또는 큰지를 판정한다. 비교기(106)의 출력은 로직(108)을 구동하고, 로직의 출력단(110)은, 접속부(120)에서의 아날로그 신호가 기준 전압(112)보다 작거나 같은 경우에는 제 1 디지털 로직 레벨로 되고, 아날로그 신호가 기준 전압(112)보다 큰 경우에는 제 2 디지털 로직 레벨이 된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 베이식 타이머는 커패시터(126)를 접속부(120)에 연결함으로써 구현될 수도 있다. 내부 전류원(104)은, 디스에이블 신호를 인에이블 입력단(128)에 인가함으로써 디스에이블된 상태로 유지된다. 접속부(120)는 트랜지스터(116, 118)를 통한 디지털 출력단으로 정의되고, 커패시터(126)는 대략 레일 전압(130; 예를 들면 VDD)으로 충전된다. 일단 커패시터(126)가 레일 전압(130)으로 충전되면, 트랜지스터(116, 118)는 오프되거나(3-상태화 됨) 또는 접속부(120)로부터 연결 해제되고, 모듈(102)은 인에이블 입력단(132)에 의해 인에이블된다. 커패시터(126)는 인에이블된 모듈(102)에 의해 커패시터(126)의 충전 전하에 의해 전류가 흘러나가면서 천천히 방전되고, 따라서 커패시터(126)의 전압도 그에 비례하여 낮아진다. 방전하는 커패시터(126)에서의 전압이 기준 전압(112)보다 작거나 같아지면, 출력단(110)은 로직 레벨을 변경시킨다. 디지털 집적 회로 장치(100)는 이러한 방전 프로세스 동안 "휴면 모드"로 유지되고, 이후 출력단(110)에서의 로직 레벨의 변경에 의해 어웨이큰 된다. 방전 레지스터(124)를 커패시터(126)를 따라 추가함으로써 방전 속도를 더욱 정확하게 제어할 수 있다. 인에이블 입력단(128, 130)은 하나의 입력 신호로서 함께 연결될 수도 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 베이식 타이머는, 커패시터(126)를 접속부(120)에 연결하거나 인에이블 입력단(128)에서의 디스에이블 신호에 의해 내부 전류원(104)을 디스에이블시킴으로써 구현될 수 있다. 접속부(120)는 트랜지스터(116, 118)를 통한 디지털 출력단으로 정의되고, 커패시터(126)는 대략 레일 전압(130; 예를 들면 VDD)으로 충전된다. 일단, 커패시터(126)가 레일 전압(130)으로 충전되면, 트랜지스터(116, 118)는 오프되거나(3-상태화 됨) 또는 접속부(120)로부터 연결 해제되고, 내부 전류원(104)은 인에이블 입력단(128)에 의해 인에이블 된다. 커패시터(126)는 내부 전류원(104)을 통해 천천히 방전하고, 커패시터(126)의 전압도 그에 비례하여 낮아진다. 방전하는 커패시터(126)에서의 전압이 기준 전압(112)보다 작거나 같아지면, 출력단(110)은 로직 레벨을 변경시킨다. 디지털 집적 회로 장치(100)는 이러한 방전 과정 동안 "휴면 모드"인 상태이고, 출력단(110)에서의 로직 레벨 변경에 의해 어웨이큰 된다. 레지스터(124)를 대신하여 내부 전류원(104)을 이용하는 것은, 프로세스와 온도의 변화에 의존하는 덜 정확한 시한 주기를 발생시키게 되고, 이것은 외부 레지스터(124)를 이용할 경우보다 내부 전류 원(104)에 더 영향을 미치게 된다. 인에이블 입력단(128, 130)은 하나의 입력 신호로서 함께 연결될 수도 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 프로그램 가능한 타이머는, 접속부(120)의 전압을 트랜지스터(116)에서의 대략적인 전압 레일(114, 예를 들면 VSS)로 설정함으로써 구현될 수 있다. 커패시터(126)는 접속부(120)에 연결되기 때문에, 대략 전압 레일(114; voltage rail)로 설정될 수 있다. 그리고 트랜지스터(118)가 미리 정해진 시간 동안 온되어 커패시터(126)의 충전을 제어한다. 이 충전 시간 동안, 모듈(102) 및/또는 전류원(104)은 기생 전류의 누출을 방지하기 위해 디스에이블될 수도 있다. 충전 시상수는 레지스터(122)와 커패시터(126)의 조합에 의한 직렬 RC 시상수로부터 결정되고, 방전 시간은 레지스터(124)와 커패시터(126)의 조합에 의한 병렬 RC 시상수로부터 결정된다. 기준 전압(112)의 값은 프로그램 가능한 시상수(들)를 결정한다. 충전 및 방전 시상수는 대칭일 수 있으며 비대칭일 수도 있다. 레지스터(122)는 선택적으로 구비되고, 본 발명은 이 레지스터가 없더라도 잘 동작할 수 있다. 레지스터(122)는 본 발명의 기능성을 향상시킨다.
디지털 집적 회로 장치(100)가 이러한 프로그램 가능한 타이머를 조정하는 과정(calibration process)은 액티브 타이밍 모드에서 행해진다. 조정은 예를 들면 내부 발진기 또는 외부 수정 발진기와 같은 메인 액티브 클럭 소스(도시하지 않음)에 의해 결정된다. 배터리로 구동되는 제품에 있어서, 일반적으로 일정한 공급 전 압을 생각할 수 있지만, 충전 및 방전 주기가 휴면 타이머(sleep timer)의 정확도를 확보하기 위해 주기적으로 재조정된다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 프로그램 가능한 저전압 감지(PLVD) 회로는 커패시터(126)를 레일 전압(130)으로 충전하고, 모듈(102)을 액티브로 함으로써 구현될 수 있다. 커패시터(126)는 모듈(102), 액티브된 전류원(104), 및/또는 레지스터(124)를 통해 방전한다. 저전압(배터리의 저전압)이 존재하는 경우에는 방전 타이밍이 되어, 커패시터(126)의 전압이 특정 시간 동안 기준 전압(112) 이하로 방전되고 출력단(110)에서의 로직 레벨을 변경시킨다. 이러한 로직 레벨의 변경은 배터리의 저전압 상태를 표시한다. 본 발명에 있어서, 커패시터의 전압을 기준 전압(112)보다 높게 유지하기 위해서, 커패시터(126)는 충분히 짧은 특정 시간 동안 충전될 수도 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 기준 전압과 내부 전류원에 영향을 주는 온도의 변화에 의해 온도의 측정이 이루어질 수 있다. 기준 전압의 온도 의존성은 대체로 선형적이고, 온도 변화가 비교적 작은 경우, 내부 전류원도 대체로 선형적이 된다. 일반적으로, 이미 알고 있는 온도에 대해서 기준 전압과 내부 전류원의 값들이 측정될 수 있다. 상기의 알고 있는 온도로부터의 편차는 대략 다음의 관계식들로부터 결정될 수 있다:
ΔT = (VIL - VSTANDARD)/(-1.25 × 10-3), 또는,
ΔT = (ISINK - ISTANDARD)/(140 × 10-12)
ΔT 는 알고 있는 온도와의 온도 편차이고, VIL 은 트립 전압(trip voltage) 즉 온도 편차에서의 기준 전압의 값이고; VSTANDARD 는 알고 있는 온도에서의 기준 전압의 값이고, ISINK 는 온도 편차에서의 내부 전류원의 값이고, ISTANDARD 는 알고 있는 온도에서의 내부 전류원의 값이다. ISINK 는 정밀한 타이머 회로의 타이밍에 어떻게 영향을 미치는지에 의해 측정되거나, 내부 전류원에 직렬로 연결된 정밀한 레지스터를 통해 측정되는 전압 강하로부터 결정된다(전류값을 얻기 위해 옴의 법칙을 이용).
이러한 본 발명은, 목적을 훌륭히 수행하며, 언급된 결과 및 장점을 달성할 수 있다. 본 발명은 특정한 실시예를 참조하여 설명 및 정의되었지만, 이러한 참조는 본 발명을 한정하는 것이 아니다. 본 발명은, 본 기술 분야의 당업자에 있어서, 다양한 변형, 변경, 동일한 형태 및 기능을 갖는 균등물로의 치환이 가능할 것이다. 상기 설명된 본 발명의 실시예는 본 발명의 기술적 범위를 모두 포함하고 있는 것은 아니다. 따라서, 본 발명은 첨부된 청구항의 정신과 범위에 의해서만 한정되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 초저전력 타이머 또는 프로그램 가능한 저 전압 감지기(PLVD)의 회로에 대한 개략적인 설명도이다.

Claims (4)

  1. 저전압 감지 회로를 이용한 온도 측정 방법으로서,
    집적 회로 전압 비교기로 트립 전압을 측정하는 단계; 및
    트립 전압값과 이미 알고 있는 전압값과의 차이를 판정하고, 상기 차이를 소정 상수로 나눔으로써, 이미 알고 있는 온도로부터 온도를 계산하는 단계를 포함하는 저전압 감지 회로를 이용한 온도 측정 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 이미 알고 있는 전압값, 상기 이미 알고 있는 온도, 및 상기 상수는 소정의 메모리에 저장되어 있는 것을 특징으로 하는 저전압 감지 회로를 이용한 온도 측정 방법.
  3. 저전류원을 이용한 온도 측정 방법으로서,
    상기 저전류원의 전류를 측정하는 단계; 및
    상기 측정된 전류값과 이미 알고 있는 전류값과의 차이를 판정하고, 상기 차이를 소정 상수로 나눔으로써, 이미 알고 있는 온도로부터 온도를 계산하는 단계를 포함하는 저전류원을 이용한 온도 측정 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 이미 알고 있는 전류값, 상기 이미 알고 있는 온도, 및 상기 상수는 소정의 메모리에 저장되어 있는 것을 특징으로 하는 저전류원을 이용한 온도 측정 방법.
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