TWI421661B - 調節電壓系統及其保護方法及調適以執行該方法之積體電路 - Google Patents

Description

調節電壓系統及其保護方法及調適以執行該方法之積體電路

本發明係關於一種調節電壓系統。本發明適用於(但不限於)防止電壓調節器自一耦接至該電壓調節器之外部電容器意外地斷開。

在類比及混合積體電路(IC)領域中，眾所習知，IC經常使用或以可操作方式耦接至外部組件。該等類比/混合IC經常用於安全應用中。很明顯，安全應用中之系統行為必須得到謹慎控制，以便使系統之運行可靠且不會受到破壞。例如，眾所習知，外部組件(例如外部濾波電容器)之意外斷開可破壞IC乃至系統之運行及功能性。

一實例係一使用電壓調節器IC之系統，電壓調節器IC通常耦接至一個或多個用於濾波目的的外部電容器。圖1說明一具有電壓調節器之已知系統在萬一外部電容器斷開時不提供任何保護。在圖1中，已知系統100包括一具有內部功能元件110之類比或混合積體電路105。內部功能元件110由電壓調節器115提供一電壓，電壓調節器115以可操作方式耦接至一重設電路120。一外部濾波電容器130以可操作方式耦接至類比或混合積體電路105上之電壓調節器115與地135之間，以經由IC管腳125為電壓調節器115提供交流耦合。

濾波電容器130通常為μF數量級，且因而具有相當大之尺寸。濾波電容器130之尺寸實際上意味著其不能整合於類比或混合積體電路105上，且必須從外部耦接至類比或混合積體電路105。

當此外部電容器130斷開時，電壓調節器115仍試圖在沒有外部電容器之情況下進行調節。因而，電壓調節器115之行為(例如其輸出電壓)降格；但電壓調節器115仍能保持足夠之電壓以避免達到重設電路120之重設臨限值。其結果係降格之系統在不進行任何斷開偵測或者實際上電壓調節器不存在任何安全、可預測狀態之情況下(比如在一重設操作之後)運行。結果，由電壓調節器115供電之內部系統功能、電路或元件亦可表現出不可預測之行為，此係吾人所不希望的。

解決此問題之一常用方法係在系統內引入冗餘。圖2說明一具有電壓調節器215且針對外部電容器可能斷開之情況採用一冗餘電容器保護方案之已知系統200。

在圖2中，已知系統200包括一具有內部功能元件210之類比或混合積體電路205。內部功能元件210由電壓調節器215提供一電壓，電壓調節器215以可操作方式耦接至一重設電路220。一第一外部濾波電容器230經由管腳225以可操作方式耦接於類比或混合積體電路205上之電壓調節器215與地245之間，以經由IC管腳225(在圖2中未示出)為電壓調節器215提供交流耦合。

為對系統提供保護，一第二外部濾波電容器240與第一外部濾波電容器230並聯地以可操作方式經由管腳235耦接於類比或混合積體電路205上之電壓調節器215與地245之間。由此，該系統採用冗餘形式將兩個外部電容器耦接至兩個分離之管腳。

若第一或第二外部濾波電容器中之任一者意外斷開，該系統仍藉由剩餘之所連接外部電容器加以保護。在此種情況下，電壓調節器215繼續正常工作。剩餘電容器使電壓調節器215穩定並濾除任何雜訊。每個電容器值皆經計算以使在正常運行時及如果由於任何原因而致使另一電容器斷開時，系統行為及效能可令人接受。

然而，由於增加一額外組件，此解決方案導致IC封裝具有較系統實際所需的更高之管腳數、組件數及增大之尺寸，且因此效率低下並不必要地增大成本。

因而，需要一種萬一在所耦接的外部組件(例如濾波電容器)斷開時為電壓調節器及相關積體電路系統提供改良保護之機制。

依據本發明之態樣，提供一種在隨附申請專利範圍中所界定的用於減小電容器斷開之影響之保護系統及操作方法。

概言之，本文闡述一種用於偵測一外部電容器之斷開並響應於此而促成一系統鎖定狀態之完全積體系統及方法。

現參照圖3，一系統300包括一類比或混合積體電路305，類比或混合積體電路305具有至少一內部功能元件310，在圖中為清楚起見僅顯示一個功能元件。內部功能元件310由電壓調節器315提供一電壓，電壓調節器315以可操作方式耦接至一重設電路320。一外部濾波電容器330經由管腳325以可操作方式耦接於類比或混合積體電路305上之電壓調節器315與地335之間，以經由IC管腳325為電壓調節器315提供交流耦合。

根據本發明之一實施例，一調節器開關345及脈衝產生器340以可操作方式耦接至電壓調節器315及重設電路320。脈衝產生器340經設置以提供週期性電壓脈衝，該等週期性電壓脈衝經設置以間歇地且暫時地關斷電壓調節器315。

在本發明之一實施例中，脈衝產生器340對外部電容器是否已連接作出響應。若外部電容器330已連接，則在電壓調節器輸出端上將出現可忽略之電壓降。若外部電容器330斷開，則電壓調節器之電壓降顯著。

低於臨限值之電壓降(或不存在電壓降)被重設電路320偵測到。隨後，重設電路320經由路徑350將一重設脈衝施加到包括脈衝產生器340在內之內部功能元件，以啟始對系統之重設。就此而言，脈衝產生器340之信號輸出被強制變回至「0」，從而經由調節器開關345使電壓調節器315再次接通。電壓調節器輸出升回到其調節電壓。由此，使作用中低重設信號釋放，亦即被重設為「高」，且該過程將重複進行，直到外部電容器重新連接為止。

因而，當經調節之輸出電壓325降到一臨限值以下時，經由重設電路320啟動系統重設，從而重設脈衝產生器340。該脈衝產生器重設使電壓調節器之運作返回到正常輸出電壓，且該過程將重複進行。若外部電容器330隨後正確地連接，則系統300返回到正常運作，此時重設電路320無法為脈衝產生器340及內部功能元件310提供重設信號。在此正常運作模式中，脈衝產生器返回到其「週期性」脈衝產生模式。

然而，若外部電容器330仍斷開，則將執行一如下無限循環：調節器關斷、重設、調節器重啟、升壓、調節器關斷等等。此實際上意味著系統300處於一鎖定模式。

參照圖4，依據本發明之一實施例，一流程圖400說明一系統鎖定順序。該流程圖開始於電壓調節器處於「接通」狀態時。在步驟405中，藉由「重設」功能來釋放一電壓調節器「重設」信號。在釋放「重設」信號情況下，脈衝產生器產生信號並將其施加到電壓調節器，以間歇性地(例如週期性地)暫時切'斷'且立即重新'接通'電壓調節器，如步驟410所顯示。

隨後，作出關於外部濾波電容器是否連接至系統/類比或混合IC的判定，如在步驟415中所示。若在步驟415中外部濾波電容器連接至系統/類比或混合IC，則在步驟420中，在電壓調節器輸出端上存在可忽略之電壓降。因此，作用中低「重設」電路保持不被激活，且該流程圖以正常系統行為環回到步驟415。

然而，若在步驟415中判定由於任何原因而使濾波電容器斷開，則系統將回復至以系統鎖定模式運作。此時，電壓調節器降到一臨限值以下且被「重設」電路偵測到，「重設」電路隨後啟始一施加到脈衝產生器之「重設」信號，如在步驟425中所顯示。結果，在步驟430中，脈衝產生器重新切換至「0」，且調節器重新'接通'，如在步驟435中所顯示。調節器輸出電壓上升，直到在步驟440中達到一重設臨限值、從而釋放重設信號為止。隨後，該過程進入一無限循環狀態且環回到步驟410，從而完成「系統鎖定」循環。

現參照圖5，其根據本發明之一實施例說明一電壓調節器波形505、一重設波形540及一週期性脈衝波形560。

電壓調節器波形505說明調節器電壓與時間之關係圖。一旦電壓調節器'接通'，其便保持'接通'狀態直到外部電容器斷開520為止。此種斷開在圖中顯示為一快速電壓降。圖中顯示由於脈衝產生器之週期性切'斷'操作而導致之電壓調節器輸出電壓515之暫時重設。

一第二波形540說明一作用中低重設操作。一第三波形560說明對電壓調節器施加之重複性、週期性切'斷'脈衝。因此，調節器輸出電壓515暫時下降。若外部電容器斷開，則電壓調節器之輸出電壓515將下降520至「PORN」臨限值510以下。此種調節器輸出電壓之下降在作用中低重設信號上產生一下降沿530(從而重設內部元件)，此會強制脈衝產生器將信號560切'斷'回至「0」。此將使電壓調節器再次'接通'且輸出電壓515重新升到調節值。

需注意，當經調節輸出電壓穿越PORN臨限值510(沿上升方向)時，作用中低重設信號540被再次置高，亦即「重設」信號被釋放。

因而，當重新變為0時，電壓調節器「REG_OFF」脈衝580之作用使經調節電壓升至臨限值以上，且該循環無限地重複。因而，系統進入「系統鎖定」狀態。上述機制適用於任何能夠忍受幾毫伏雜訊位準之電壓調節器電路，不論其係類比電路、混合類比/數位電路抑或數位電路。

熟習此項技術者將瞭解，在其他應用中，也可使用替代功能/電路/器件及/或其他過程步驟或波形/脈衝構造。

本文以一電壓調節器來闡述本發明，該電壓調節器以可操作方式耦接至能確保電壓調節器正確運作之外部電容器。然而，熟習此項技術者將瞭解，本文所述發明概念可實施於任何類型之電路或器件中，其中將經調節電壓以可操作方式耦接至一其斷開將影響該電路或器件之運作之外部組件。

本文已參照「重設電壓調節器」對本發明進行了闡述，在一實施例中，設想此涵蓋「切'斷'電壓調節器」。就此而言，「Reg_OFF」週期性信號切'斷'該電壓調節器，且相應電壓降產生一重設信號，其重設各內部元件及Reg_OFF脈衝。此將導致重新「接通」該電壓調節器。

在一實施例中，「重設電壓調節器」涵蓋「將電壓調節器切'斷'」一短的時間週期。藉由將調節器切'斷'一短的時間週期，可用若干種方法偵測該「短」的切'斷'週期，包括(但不限於)：(i)啟動PORN；(ii)啟動任何其他信號來發出斷開通知(例如在不切'斷'調節器情況下)；(iii)偵測由該短的切'斷'週期所引起之AC雜訊，比如在容性斷開情況下。

應瞭解，可在不同功能單元或電壓調節器之間使用任何適當之功能分配，此並不背離本文所述之發明概念。因而，所提及之特定功能器件或元件應僅視為對用於提供所述功能之適當構件之提及，而不應視為表示嚴格的邏輯或物理結構或組織。

本發明之態樣可構建為任一適宜之形式，包括硬體、軟體、韌體或該等之任一組合。可採用任一適宜方式在實體上、功能上及邏輯上構建本發明之一實施例之該等元件及組件。的確，功能可構建於單個單元或IC內、複數個單元或IC內或作為其他功能單元之一部分。

應瞭解，上文所述改良機制及操作方法旨在提供至少一個或多個以下優點：(i)不需要使用額外之管腳及/或組件來實現系統保護；(ii)該機制容易適用於傳統電壓調節器拓撲，從而容易重新使用及實現快速設計整合；(iii)由於該機制能夠完全整合且易於構建，因而其具有成本有效性；(iv)該機制在外部組件(例如濾波電容器)斷開之情況下，為系統提供安全行為；及(v)該解決方案可容易應用於嵌入式系統。

具體而言，應設想到，前述發明概念可由半導體製造商應用於任何包括以可操作方式耦接至外部電容器之電壓調節器之積體電路，例如Freescale^TM 類比/混合器件系列之積體電路。進一步可設想到，例如，半導體製造商可在一獨立器件或應用專用積體電路(ASIC)及/或任何其他子系統元件之設計中使用本發明概念。

儘管已結合一些實施例闡述了本發明，但本發明並不意欲限定為本文中所陳述之具體形式。而是，本發明之範圍僅由隨附申請專利範圍加以限制。另外，儘管看起來結合具體實施例對一特徵進行闡述，但熟習此項技術者將認識到，所述具體實施例之各種特徵可根據本發明進行組合。於申請專利範圍中，術語「包括」並不排除其他元件或步驟之存在。

另外，儘管在不同請求項內可能包含個別之特徵，然而該等特徵可有利地加以組合，且包含於不同請求項內並非意味著該等特徵之組合不可行及/或不有利。而且，一特徵包含於一類請求項中並非意味僅限於此類請求項，而是指示該特徵在適當時同樣適用於其他請求項類別。

另外，申請專利範圍中各特徵之順序並非意味著必須以任何特定順序來實施該等特徵，且具體而言，一方法請求項中各個別步驟之順序並非意味著該等步驟必須以此順序實施。而是，該等步驟可按任何適宜順序實施。另外，單數提及形式並不排除複數形式。因而，所提及的「一」、「一個」、「第一」、「第二」等並不排除複數形式。

由此，本文已闡述一種包括電壓調節器電路之改良系統及其保護方法，其中已實質減輕了先前技術方案之上述缺點。

100．．．已知系統

105．．．類比或混合積體電路

110．．．內部功能元件

115．．．電壓調節器

120．．．重設電路

125．．．IC管腳

130．．．外部濾波電容器

135．．．地

200．．．已知系統

205．．．類比或混合積體電路

210．．．內部功能元件

215．．．電壓調節器

220．．．重設電路

225．．．IC管腳

230．．．外部濾波電容器

235．．．管腳

240．．．外部濾波電容器

245．．．地

300．．．系統

305．．．類比或混合積體電路

310．．．內部功能元件

315．．．電壓調節器

320．．．重設電路

325．．．管腳

330．．．外部濾波電容器

335．．．地

340．．．脈衝產生器

345．．．調節器開關

350．．．路徑

505．．．電壓調節器波形

510．．．'PRON'臨限值

515．．．輸出電壓

520．．．電壓調節器壓降

530．．．作用中低重設信號

540．．．重設波形

560．．．週期性脈衝波形

580．．．電壓調節器'REG_OFF'脈衝

圖1說明一具有電壓調節器且在外部電容器斷開時無任何保護之已知系統；及圖2說明一具有電壓調節器且對其中外部電容器斷開之情形採樣冗餘電容器保護方案之已知系統。

現在，將參照附圖僅以舉例方式來說明本發明之實例性實施例，附圖中：圖3說明一具有電壓調節器且採用根據本發明一實施例之保護方案之系統；圖4說明根據本發明一實施例之系統鎖定順序之流程圖；及圖5說明根據本發明一實施例之電壓調節器、重設及週期性脈衝波形。

300．．．系統

305．．．類比或混合積體電路

310．．．內部功能元件

315．．．電壓調節器

320．．．重設電路

325．．．管腳

330．．．外部濾波電容器

335．．．地

340．．．脈衝產生器

345．．．調節器開關

350．．．路徑

Claims (16)

1. 一種用以調節電壓之系統(300)，其包括一以可操作方式耦接至一外部組件(330)之電壓調節器(315)、一電壓調節器重設電路(320)及至少一功能元件，由該電壓調節器(315)提供一電壓給該至少一功能元件，其中該系統(300)之特徵在於：該電壓調節器重設電路(320)經設置以在該外部組件(330)斷開時反覆地重設該電壓調節器。
2. 如請求項1之系統(300)，其中該外部組件(330)係一電容器。
3. 如請求項2之系統(300)，其中該外部電容器係一濾波電容器。
4. 如任一前述請求項之系統(300)，其特徵進一步在於一脈衝產生器(340)，其以可操作方式耦接至該電壓調節器(315)並經設置以為該電壓調節器(315)提供反覆性脈衝來反覆地切斷該電壓調節器(315)。
5. 如請求項4之系統(300)，其特徵進一步在於：該等反覆性脈衝係由在該電壓調節器(315)之一輸出端處出現的一電壓降予以觸發。
6. 如請求項5之系統(300)，其特徵進一步在於：當該電壓調節器(315)之一輸出端處之該電壓降降到一臨限值(510)以下時，該等反覆性脈衝受到觸發。
7. 如請求項5之系統(300)，其特徵進一步在於：該重設電路(320)以可操作方式耦接至該脈衝產生器(340)，且該電壓降在該重設電路(320)中產生一欲施加到該脈衝產生器 (340)之觸發器重設信號。
8. 2或3之系統(300)，其中該系統(300)整合於一類比或混合類比/數位積體電路上。
9. 一種用於保護一系統(300)之方法(400)，該系統(300)包括一耦接至一重設電路之電壓調節器(315)、一外部組件(330)及至少一個功能元件，該方法包括以下步驟：由該電壓調節器(315)提供一電壓至該功能元件，其中該方法之特徵在於以下步驟：判定該外部組件是否連接至該系統(415)；及由該重設電路響應於該外部組件(330)自該電壓調節器之斷開而反覆地重設(430)該電壓調節器。
10. 如請求項9之方法(400)，其中該判定步驟包括：在一電壓調節器輸出端處偵測一電壓降(420)。
11. 如請求項10之方法(400)，其中該反覆地重設(430)該電壓調節器之步驟係響應於在一電壓調節器輸出端處偵測到一電壓降低於一臨限值(420)而進行。
12. 如前述請求項9至11中任一項之方法(400)，其中該反覆地重設該電壓調節器之步驟包括：在一系統鎖定運作中重設該電壓調節器。
13. 如前述請求項9至11中任一項之方法(400)，其中該反覆地重設該電壓調節器之步驟包括：將一電壓調節器重設信號施加到該電壓調節器(405)，從而間歇性地將該電壓調節器切'斷'(410)。
14. 如請求項13之方法(400)，其中施加一電壓調節器重設信 號包括：啟始一週期性電壓調節器重設信號，從而週期性地將該電壓調節器切'斷'(410)。
15. 一種用以調節電壓之系統(300)，其包括一電壓調節器且經調適以執行如前述請求項9至14中任一項之步驟。
16. 一種積體電路，其包括一電壓調節器且經調適以執行如前述請求項9至14中任一項之步驟。