TW505838B - Power source detector of digital integrated circuit - Google Patents

Description

505838 五、發明說明α) 發明之領域： 本發明係提供一種積體電路上之電源偵測器，尤指一 種以完全以金氧半（M0S)電晶體構成而能減少功率消耗、 增加積體電路集積程度之電源偵測器。 背景說明： ^ 在講求高科技與自動化的現代資訊社會，微處理機系 統早已深入現代人生活的各層面。從資訊家電、一般人熟 知的電腦、到處理大量資訊的交換機系統，無不可歸類為 丨_ 微處理機系統。為了模組化設計之便，微處理機系統多半 包含有複數個積體電路，協調組合這些積體電路個別的功 能，便能完成整個微處理機系統的功能。 請參考圖一，圖一為一典型積體電路10之功能方塊 圖。積體電路1 0中包含有一電源供應器1 2用來提供積體電 路1 0所需的直流偏壓、一核心電路2 0、一介面電路3 0以及 一電源偵測器4 0。核心電路2 0中包含有一時序產生器2 2與 複數個邏輯閘2 4，以便完成核心電路2 0的資料處理功能。 電源供應器1 2中則有一第一輸出端1 4與一第二輸出端1 6。 第一輸出端1 4電連接於電源偵測器4 0與核心電路2 0 ;第二 輸出端1 6則電連接於介面電路3 0與電源偵測器4 0。透過電 源供應器1 2的第一輸出端1 4，電源供應器1 2可提供一直流 、

第4頁 505838 五、發明說明（2) — 一~一~~一^ 之核心電壓；透過第二輸出端i 6，電供應器丨2可提供一 直流電壓。

積體電路10的工作情形可描述如下。電源供應器12由 積體電=1 0的外部引入電源，並分別由電源供應器i 2的第 輸出細> 1 4與第二輸出端1 6提供核心電壓與直流電壓，以 滿足積體電路10整體的電源需求。核心電路2〇是用來實現 積體電路1 〇各種功能的資料運算、處理的核心；介面電路 3 0則負責積體電路1 〇與外界其他積體電路交換資料的工 作，也就疋說，介面電路3 0負責接收外界電路之資料，將 其送至核心電路2 0處理；而核心電路2 〇處理後的資料，也 ^透過介面，路30送至外界的電路。為了減少耗能以實現 南集積度與高速運算，核心電路2 〇所使用的電壓較小。另 一方面，負責與外界電路交換資料的介面電路3〇,為了有 ，好的驅動能力與雜訊裕度（n〇ise margin)，所使用的電 壓也較南。這也就是為什麼電源供應器12包含有第一與第 二兩個輸出端1 4、1 6，分別用來對核心電路2 〇供應電壓值 較小的核心電壓，及對介面電路3 〇供應電壓值較大的直流 電壓。以電腦中主機板上各種以積體電路構成的晶片為例 (如Be機存取§己憶體（random access memory)、中央處理 器（central processing uni t)或是負責此二者之間資料 協調的北橋（north bridge)晶片），各積體電路間透過匯 流排交換資料所用之直流電壓的規格為3 · 3伏特，而各積 體電路内部運作所使用的核心電壓則為2 · 5伏特。

第5頁 505838 五、發明說明（3) 當整個微處理機系統的電源開啟準備要啟動整個微處 理機系統時，積體電路1 0中的電源供應器1 2也會獲得外界 供應電源，並開始建立核心電壓與直流電壓。不過，電源 供應器1 2會先建立並供應電壓較小的核心電壓，稍後才能 建立穩定的直流電壓，供應給介面電路3 0使用。在電源供 應器12已供應核心電壓但未建立穩定之直流偏壓的這段期 胃 間，若核心電路2 0已接受核心電壓而開始工作，則核心電 . 路2 0勢必無法經由介面電路3 0與微處理機系統中的其他積 體電路交換資料與協調工作；因為此時介面電路3 0賴以工 作的直流電壓還沒有建立。為了確保核心電路2 0與介面電 路3 0能同時開始正常工作’積體電路1 0中另設有電源"ί貞測 器4 0。電源偵測器4 0的功能，就是在偵測電源供應器1 2是 否已建立穩定的直流電壓。在電源供應器1 2建立核心電壓 但未建立直流電壓前，電源偵測器4 0並不會觸發核心電路 2 0。若電源偵測器4 0偵測到電源供應器1 2已建立穩定的直 流電壓，表示介面電路3 0已經能正常工作，電源偵測器4 0 便會以一重置訊號輸入核心電路2 0，通知核心電路2 0可以 開始與介面電路3 0協同工作了 。接到電源偵測器4 0的重置 訊號後，核心電路2 0會重置（r e s e t)核心電路2 0内的邏輯 閘2 4，確定各邏輯閘2 4的狀態；同時時序產生器2 2也會啟 φ 動而開始產生時脈訊號。到了這個時候，整個積體電路10 才開始依照時脈訊號的驅動而正式的開始工作，並發揮其 應有的功能。

第6頁 505838 五、發明說明（4) 請參考圖二，圖二為習知電源偵測器4 0使用於積體電 路1 0，並與電源供應器1 2、核心電路2 0工作之功能方塊 圖。習知電源偵測器4 0包含有一比較器4 4與一穩壓產生器 4 2。比較器4 4有兩個比較端，其中一個電連接於電源供應 器1 2用來供應直流電壓的第二輸出端1 6，另一個則電連接 於穩壓產生器42的輸出端。另外，比較器44的輸出端電連 接於核心電路2 0，用來輸出重置訊號。電源偵測器4 0中的 穩壓產生器4 2則可利用電源供應器第一輸出端1 4提供的核 心電壓，產生一比較用的參考電壓Vref，並輸出到比較器 4 4的一個比較端。電源偵測器4 0的工作原理可說明如下。 當電源供應器1 2開始建立直流電壓時，第二輸出端1 6的電 壓會由零開始漸增，比較器4 4也會比較第二輸出端1 6的電 壓與參考電壓的大小。若第二輸出端16的電壓未超過參考 電壓，比較器4 4會以一低位準訊號輸出至核心電路2 0而不 觸發核心電路2 0開始運作。等到第二輸出端1 6的電壓漸漸 爬升而終於超過參考電壓時，比較器44會輸出一高位準的 重置訊號給核心電路2 0，代表電源供應器1 2已經可以建立 穩定的直流電壓，而重置訊號也會觸發核心電路2 0開始運 作。 習知電源偵測器40中的穩壓產生器42是以帶隙電路 (bandgap circuit)構成。帶隙電路必須以電流驅動其内 部的回饋機制才能建立參考電壓；所以穩壓產生器4 2主要

505838 五、發明說明（5) 以雙載子接面電晶體（bipolar junction transistor)構 成；像是美國專利第5 6 1 9 1 6 3號所揭露之習知技術，就是 以雙載子接面電晶體構成之帶隙電路。如此一來，以半導 體製程製作穩壓產生器4 2時，其佔用的面積就很大，影響 整個積體電路的面積及集積度，況且帶隙電路的電流消耗 量大，所需要的功率也變大，增加了積體電路整體所需的 功率。況且消耗的功率越大，產生的廢熱也越多，微處理 a 機的整體體積也就無法縮的更小。如前面說明所提到的， _ 穩壓產生器42是用來建立參考電壓Vref的，而且這個參考 電壓必須在第二輸出端1 6之電壓開始由零爬升的時候就要 建立，否則第二輸出端1 6的電壓就失去了比較的標準。為 了縮短穩壓產生器建立參考電壓所需的時間，穩壓產生器 4 2中須另設有一加速電路，而這個加速電路更增加了習知 電源偵測器40的功率消耗。另外，習知電源偵測器40中的 比較器44要用十餘個電晶體才能實現，也使整個習知電源 偵測器4 0的面積無法縮小。 發明概述： 因此，本發明之主要目的在於提供一種用於積體電路 之電源偵測器，其内部元件可使用構成數位電路的標準金 || 氧半（Metal-Oxide-Semiconductor， M0S)電晶體，其佔用 的面積較小，所需的功率也較小。

505838 五、發明說明（6) 發明之詳細說曰月 請參考圖 積體電路10之 路6 2、一啟始 產生器68。電 壓，第二輸出 過節點A 1經過 連接；啟始電 出端1 6。波形 連接。最後， 連接。另外， 出端1 4，並以 源0 ——·中 鉗電 訊號 心電 6 2透 6電 一輪 6 8電 2 0電 一輪 之電 ς ’圖三為本發明電源偵測器6〇用於圖 電路圖。本發明電源偵測器6 〇包含—失 電路6 4、一波形修正器6 6、以及一重^ ，供應器1 2之第一輸出端丨4用來輸出核 ^ 1 6則是用來輸出直流電壓。夾鍺電路 電阻R而與電源供應器丨2的第二輸出^端] 路64與波形修正器66也分別電連接於第 修正器66則在節點Α4與重置訊號產生器 重置訊號產生器6 8以節點A 5與核心電路 重置訊號產生器68由節點A6電連接於第 第一輸出端1 4供應的核心電壓作為偏壓 在本發明電源偵測器60中，夾钳電路62包含有兩個p 型金氧半電晶體PI、P2，兩者的閘級（gate)皆分別電連接 於各自的渠級（d r a i η )，使電晶體P1與P 2形同兩個串接的 二極體。啟始電路6 4中則包含一個Ρ型金氧半電晶體ρ 3， 做為開關。波形修正器6 6中有一 Ν型金氧半電晶體ν 1。重 置訊號產生器68中各有兩個Ρ型金氧半電晶體Ρ4、Ρ5與兩 個Ν型金氧半電晶體Ν4、Ν5 ;電晶體Ρ4、Ν4電連接為一互 補式金氧半電晶體（CM0S)之反相器（inverter)，同樣地電 晶體P5、N5也構成一反相器。電源偵測器6 0中所包含的電

505838 ——-—_ ·ιινι111一 1 …___ 五、發明說明（7) 容CO、n、C3、C4則可用來吸收各電晶 產生的突波。 至於本發明電源偵測器6 0的工作原 圖五來说明。圖四為電源供應器丨2之第 隨時間變化之波形；圖五則是電源供應 狀態隨時間改變之示意圖。圖四中縱轴 間。圖五表列電晶體P1、ρ2、？3與^在 橫軸亦為時間。請先參考圖四，圖四之 應器1 2第二輸出端1 6之電壓隨時間漸增 應器1 2從時間t0開始在第二輸出端1 6建 二輸出端1 6的電壓會隨時間漸增，如波 在時間10以前，分別在失鉗電路6 2、啟 正器66中的電晶體？1、卩2、卩3、1^1,因 電壓為零’上述電晶體皆處於關閉而不 二所示’卽點A1與A 2之間無電流導通， 等於節點A2之電壓。 隨時間推演，第二輸出端1 6的電壓 tl時增至電壓V卜因為電壓VI大約等於 限電壓（threshold voltage )絕對值之^ 1 6的電壓在時間11後超過V 1，夾钳電路 P 2會被導通，如圖三所示。因為電晶體 二極體的型態，在兩者被導通後，其跨 體狀態突然改變而 理，則可用圖四與 二輸出端1 6的電壓 器6 0中各電晶體之 為電壓，橫軸為時 各時間之狀態’其 波形72即為電源供 之波形。當電源供 立直流電壓時，第 形7 2所示。當然， 始電路6 4與波形修 為第二輸出端1 6的 導通之狀態，如圖 故節點A 1之電壓就 也漸增，並在時間 兩電晶體P卜P2臨 3，當第二輸出端 62中的電晶體Pi、 、P2被電連接為 壓（源極至渠極） 505838 — 一 __ 五、發明說明（8) 並不會隨流通過，晶體Ρ卜ρ 2之電流增加而有明顯增加， 等效上相當於將節點A 1之電壓夾鉗於電壓ν卜而電壓ν 1就 相當於夾甜電路62提供的固定電壓。一旦電晶體j^、p2被 導通，節點A1至^節點A2之間就會有電流導通。而電流流經 電阻R後產生電壓差，使節點A 2的電壓在時間11之後會開 始大於節點A1之電壓。 隨第二 A 2之電壓也 钳於固定電 節點A 2 (也 時間12，第 與節點A2之 始電路64中 點A3之電壓 始電路64中 節點A3之電 相當於由啟 號。而節點 體N1導通， 速升高。憑 節點A4之電 的速度還要 之波形更像 輸出端1 6之電壓在時間11之後繼續爬升，節點 ，步升高。因為節點A1之電壓被夾鉗電路62夾 壓，使得節點A2與節點A 1之間的電壓差會隨著 就是第二輸出端16)的電壓升高而升高。到了 二輸出端16之電壓升高至電壓V2，此時節點A1 間的電壓超過電壓V2減去電壓V1之值，使得啟 的電晶體P3開始導通。電晶體p3導通後會使節 由零迅速上升至幾乎與節點A 2之電壓相等。啟 節點A3的電壓隨電晶體P3導通而快速升高，使 壓隨時間變化之波形成為—步階（step)波形， 始電路64中的節點A3發出一個高位準的啟動訊 p之電壓升高會連帶使波形修正器6 6中的電晶 f點A4的電壓也會隨電晶體^的導通而由零快 ，N型金氧半電晶體N丨較佳的電流驅動能力， 由零爬升的速度會比節點A 3之電壓由零爬升 陕，使節點A4電壓隨時間變化的波形比節點A3 一個標準的步階訊號，也就是說，節點A4電壓

505838 五、發明說明（9) 波形的上升緣（rising edge)斜率會比節點A3波形更大。 等效上來說，由啟始電路64中節點A3發出的啟動訊號，會 被波形修正器6 6修正的更像一個步階訊號，而這個修正後 的啟動tfL號就由波形修正電路6 6的節點A 4輸出。快速由低 位準升高至高位準的啟動訊號可減少功率的消耗。 重置訊號產生器6 8在接 準的啟動訊號之後，經由重 由P 4、N 4與P 5、N 5組合成的 節點A5向核心電路20輸出一 生器68中的電晶體P4、N4、 數位電路之電晶體構造相同 輸出的數位重置訊號就是核 了。換句話說，對核心電路 由數位0升至數位1的標準數 器68的電晶體P4、N4與電晶 半電晶體，只有在狀態改變 期間才會消耗功率，這也就 訊號產生器6 8之啟動訊號修 為這樣可以進一步減少本發 受節點A4由 置訊號產生 反相器反相 個數位重置 P 5、N 5可採 的電晶體， 心電路能接 而言，數位 位訊號。另 體 P5、N5， (如低位準 是波形修正 正地更像步 明電源偵測 低位準升南 器6 8中的兩 兩次之後， 訊號。重置 用與核心電 這樣一來由 受的標準數 重置訊號就 外，重置訊 分別組成互 改變至高位 器6 6要將觸 階波形的原 器6 0的功率 至高位 個分別 就可由 訊號產 路20中 節點A 5 位訊號 是一個 號產生 補金氧 準）的 發重置 因，因 消耗。 總結本發明電源偵測器6 0的電源供應器1 2由第二輸出 端1 6建立直流電壓的工作情形，可簡述如下··隨著第二輸 出端1 6的電壓由零爬升，電源偵測器6 0中的夾鉗電路6 2會

第12頁 505838 五、發明說明（ίο) 在時間11建立固定電壓V 1。等到時間12，第二輸出端1 6的 電壓攸升超過電壓V2的時候，啟始電路64中的電晶體P3會 快速導通，並連帶觸發波形修正器6 6中的電晶體N 1導通， 連鎖地使重置訊號產生器68發出一個數位0至數位1的數位 重置訊號，如同圖五中所示。相對於電源供應器1 2要花上 微秒（micro-second ’即千分之一秒）級時間才能建立穩定 的直流電壓，上述由啟始電路6 4觸發波形修正器6 6再觸發 * 重置訊號產生器6 8產生數位重置訊號的過程可說是發生在 一瞬間（少於1微秒的萬分之一時間）。換句話說，在第 二輸出端1 6之電壓爬升而超過電壓v 2的那一瞬間，本發明 電源偵測器6 0就能被觸發而發出一個數位重置訊號。而電 餐_ 壓V 2也就成為判斷電源供應器1 2是否能在第二輸出端丨6建 立穩定直流電壓的標準。電壓V2之值可由電阻R之電阻 值、電晶體PI、P 2的特性參數（如縱橫比（a s p e c t r a t i ο ’即W / L)等）共同決定，故可在設計本發明電源谓 測器6 0的時候就預先設計好。這個預先設定好的電壓v 2也 就是一個預定電壓。一旦第二輸出端16的電壓超過預定電 壓V 2，電源偵測器6 0就會判斷電源供應器1 2可以穩定地在 苐一輸出端1 6建立直流電壓供應介面電路正常工作，此時 電源偵測器6 0就會以數位重置訊號觸發核心電路2 〇，使核 心電路2 0開始與介面電路3 0協同工作，發揮整體積體電路 應有的功能。 -、— 與省知電源偵測為4 0相比’本發明電源^貞測器⑽不需 i

505838 五、發明說明（11) 要複雜的穩壓產生器與比較器（通常由數十個電晶體構成 )，僅僅以數個電晶體便可以實現本發明電源偵測器6 0的 電路架構。這使得本發明電源偵測器6 0的面積可大幅減 少。而電晶體的數目.減少，也使得本發明電源偵測器6 0消 耗的功率也比習知電源偵測器4 0小。本發明電源偵測器6 0 中的波形修正器6 6的設計也能進一步減少功率的消耗。綜 合以上各點，足證本發明電源偵測器為優於習知電源偵測 ' 器之設計。 . 以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡一本發明申請 專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明專利之涵 蓋範圍。

第14頁 505838 圖式簡單說明 圖示之簡單說明： 圖一為一積體電路之功能方塊圖。 圖二為圖一電源债測器之功能方塊圖。 圖三為本發明電源偵測器之電路圖。 圖四為圖一中電源供應器直流電壓隨時間變化之波形 圖。 圖五為本發明電源偵測器中各電晶體隨時間改變狀態 之示意圖。 圖示之符號說明： 10 積體電路 14 第一輸出端 20 核心電路 24 邏輯閘 60 本發明電源偵 測器 64 啟始電路 68 重置訊號產生 器 72 電壓波形 R 電阻 P卜 P2、 P3、 P4、 P5 N卜 N5 A卜 A2、 A3、 A4、 A5 12 電源供應器 16 第二輸出端 22 時序產生器 30 介面電路 6 2 夾鉗電路 66 波形修正器 P型金氧半電晶體 N型金氧半電晶體 節點

Claims (1)

1. 505838 六、申請專利範圍 1. 一種積體電路上之電源偵測器，該積體電路包含有一 電源供應器，用來提供一直流電壓； 而該電源偵測器包含有： 一夾鉗電路，電連接於該電源供應器，用來產生一固 定電壓；以及 一啟始電路，電連接於該電源供應器及該夾鉗電路， 用來產生一啟動訊號； 其中當該夾鉗電路之輸出端的電壓隨著該電源供應器 . 輸出之該直流電壓向上爬升至該固定電壓時，該夾鉗電路 之輸出端會固定在該固定電壓且不會再隨著該電源供應器 之該直流電壓向上爬升，而當該電源供應器輸出之該直流 電壓繼續向上爬升至一預定電壓時，該啟始電路會輸出該 啟動訊號。 2. 如申請專利範圍第1項之電源偵測器，其中該夾鉗電 路包含至少一連接為二極體之電晶體，當該電源供應器輸 入之直流電壓升高至該固定電壓後，該電晶體會被導通並 且其輸出會維持在談固定電壓。 3. 如申請專利範圍第1項之電源偵測器，其另包含一波 形修正器，電連接於該電源供應器及該啟始電路，用來修 || 正該啟始電路所產生之該啟動訊號的波形。 4. 如申請專利範圍第3項之電源偵測器，其另包含一重

   第16頁 505838 六、申請專利範圍 置訊號產生器，電連接於該波形修正電路；其中該重置訊 號產生器會於接收到修正後的該啟動訊號後輸出一數位重 置訊號。 5. 如申請專利範圍第1項之電源偵測器，其係設於一主 機板之北橋晶片（north bridge)上。 ❿ 6. 如申請專利範圍第1項之電源偵測器，其另包含一重 置訊號產生器，電連接於該啟始電路，其中該重置訊號產 生器會於接收到該啟動訊號後輸出一數位重置訊號。 7. 如申請專利範圍第6項之電源偵測器，其中該重置訊 號產生器包含兩串接之反相器（inverter)，用來產生該數 位重置訊號。 8. 如申請專利範圍第6項之電源偵測器，其中該積體電 路上設有複數個邏輯閘，而該數位重置訊號係用來重置 (r e s e t )該複數個邏輯閘。. 9. 如申請專利範圍第6項之電源偵測器，其中該積體電 路上設有一時序產生器，電連接於該重置訊號產生器，當 該時序產生器接收到該數位重置訊號時，該時序產生器會 產生一時脈訊號以控制該積體電路運作的時序。

   第17頁 505838 六、申請專利範圍 1 0. —種積體電路上之電源偵測器，該積體電路包含有一 電源供應器，用來提供一直流電壓； 而該電源偵測器包含有： 一夾鉗電路，電連接於該電源供應器，用來產生一固 定電壓； 一啟始電路，電連接於該電源供應器及該夾鉗電路， 用來產生一啟動訊號； 一波形修正器，電連接於該電源供應器及該啟始電 . 路，用來修正該啟動訊號的波形；以及 一重置訊號產生器，電連接於該波形修正電路； 其中該重置訊號產生器會於接收到修正後的該啟動訊 號後輸出一數位重置訊號； 其中當該夾鉗電路之輸出端的電壓隨著該電源供應器 輸出之該直流電壓向上爬升至該固定電壓時，該夾鉗電路 之輸出端會固定在該固定電壓且不會再隨著該電源供應器 之該直流電壓向上爬升，而當該電源供應器輸出之該直流 電壓繼續向上爬升至一預定電壓時，該啟始電路會輸出該 啟動訊號，並經過該波形修正器修正後，會使該重置訊號 產生器輸出該數位重置訊號。 1 1.如申請專利範圍第1 0項之電源偵測器，其中該夾鉗電 路包含至少一連接為二極體之電晶體，當該電源供應器輸 入之直流電壓升高至該固定電壓後，該電晶體會被導通並 且其輸出會維持在該固定電壓。

   第18頁 505838 六、申請專利範圍 1 2.如申請專利範圍第1 0項之電源偵測器，其係設於一主 機板之北橋晶片（η 〇 r t h b r i d g e )上。 1 3 .如申請專利範圍第1 0項之電源偵測器，其中該重置訊 號產生器包含兩串接之反相器（inverter)，用來產生該數 位重置訊號。 1 4.如申請專利範圍第1 0項之電源偵測器，其中該積體電 路上設有複數個邏輯閘，而該數位重置訊號係用來重置 (r e s e t )該複數個邏輯閘。 1 5.如申請專利範圍第1 0項之電源偵測器，其中該積體電 路上設有一時序產生器，電連接於該重置訊號產生器，當 該時序產生器接收到該數位重置訊號時，該時序產生器會 產生一時脈訊號以控制該積體電路運作的時序。 <1

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