TWI638254B - 用於在高溫下操作低功率電路之系統及方法 - Google Patents

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克拉克 羅傑斯
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Abstract

本發明提供一種系統，該系統包含：第一電路，其包含用於在一低功率模式下操作之第一元件；第二電路，其包含用於在一高溫模式下操作之第二元件；及用於在該低功率模式與該高溫模式之間選擇之一或多個開關元件。

Description

用於在高溫下操作低功率電路之系統及方法
本發明大體上係關於低功率電路，且特定言之，本發明係關於能夠在相對高溫下操作之低功率電路。
電子裝置越來越多被設計成具有低功率或電池功率功能性。因此，節能係實施裝置特徵之微控制器及其他電路之一重要要求。
諸多裝置在「睡眠」或「待機」模式下操作，其電路經組態以藉由低待機電流運作，例如待機電流可能低到為9nA。在一些實施方案中，此等電路經指定在-40℃至85℃的溫度下運作。然而，一些應用(稱之為「擴展溫度」應用)要求高達150℃之溫度下之功能性。然而，不幸的是，在消耗非常低之電流之電路中，當操作溫度增加時，洩漏電流成指數方式增加。此導致電路故障，因為在電路中流動之全部或大多數偏壓電流可能洩漏至接地及/或電源導軌。
因此，在過去，在低電流與高溫操作之間已存在一折衷。
在很大程度上，藉由根據本發明之實施例之一系統及方法而克服先前技術中之此等及其他缺點。
更特定言之，根據實施例，提供其中回應於溫度而調整所使用之電流量之電路。在一些實施例中，電路在係可兩個模式下操作：低 功率及高溫。
用於一積體電路中之一系統包含：第一電路，其包含用於在一低功率模式下操作之第一元件；第二電路，其包含用於在一高溫模式下操作之第二元件；及用於在該低功率模式與該高溫模式之間選擇之一或多個開關元件。
用於確保溫度相關電路操作之一方法包含：提供一基於溫度之控制信號；及回應於該基於溫度之控制信號而在第一電路與第二電路之間切換電路操作，其中第一電路包含用於在一低功率模式下操作之第一元件，且該第二電路包括用於在一高溫模式下操作之第二元件。在其中一控制電路量測溫度且接著自動選擇低功率或高溫模式之情況下，可添加遲滯現象以在所感測溫度橫跨跳脫點時快速避免兩個模式之間之觸發。
100‧‧‧電路
101‧‧‧模式選擇模組
102a‧‧‧反相器
102b‧‧‧多工器
103a‧‧‧電路
103b‧‧‧電路
104a‧‧‧校準單元
104b‧‧‧校準單元
201‧‧‧模式選擇單元
202‧‧‧電路
203‧‧‧基準電流
203a‧‧‧電阻器
203b‧‧‧電阻器
204‧‧‧斜坡產生器
204a‧‧‧電容器
208b‧‧‧開關
可藉由參考附圖而更加理解本發明且使一般技術者明白其數種目的、特徵及優點。不同圖式中使用相同參考符號指示類似或相同物品。
圖1係繪示根據實施例之一例示性電路之一方塊圖。
圖2係根據實施例之另一電路之一圖式。
如下文更詳細所描述，提供電路以實施低電流待機操作。該電路可在一標準溫度範圍內之一第一、低功率模式中操作，且可在超出標準溫度範圍之溫度下之至少一第二模式中操作。一例示性標準溫度範圍為-40℃至85℃。一例示性擴展溫度範圍高達約150℃。
現請參考圖式，且特別注意圖1，圖中展示根據實施例之用於低功率及高溫模式之一例示性電路100之一圖式。
電路100包含：一電路103a，其經組態以用於低功率操作；及一 電路103b，其經組態以用於高溫操作。在所繪示之實施例中，雖然電路103a、103b為振盪器電路，但電路103a、103b可表示對高溫下之退化具敏感性，且其中功率消耗為一問題之任一電路功能。進一步而言，應注意，雖然本文僅論述兩個離散操作模式，但其他實施例可包含根據溫度而在一連續操作功率位準發揮作用的電路。
提供一模式選擇模組101以輸送一模式選擇信號或控制至電路。模式選擇模組101可實施為用於選擇模式之任一適合電路或控制。例如，模式選擇模組可實施為：一晶片上熔絲，其經程式化以預選擇該部分之操作是否將針對低功率或高溫而最佳化；在組裝期間放置之一接合線；量測溫度且選擇操作模式之一電路之輸出；或一模式暫存器(其由使用者軟體所控制)。因此，模式選擇模組101可(例如)回應於一溫度感測功能而實施為一手動控制或實施為一自動控制。
在所繪示之實例中，將模式選擇輸入提供至一反相器102a、一多工器102b之控制輸入及高溫電路103b。因此，若模式選擇輸入為低值(0)，則選擇低功率模式；若模式選擇輸入為高值(1)，則選擇高溫模式。因此，反相器102a發揮作用以實現對應電路103a、103b，同時多工器102b選擇其輸出。
在一些實施例中，可提供充當校準單元之額外電路104a、104b。校準單元104a、104b可用來分別「修整」對應電路103a、103b之功能，對應電路103a、103b用來最佳化各自操作之溫度範圍的效能。
圖2繪示另一實施例。更特定言之，在圖2中，提供包含對高溫敏感之電路元件之一單一電路202。
模式選擇單元201大體上類似於圖1之模式選擇單元101。然而，在此實施例中，模式選擇信號可為表示溫度之一類比信號。
歸因於在高溫下存在之洩漏電流，電路202係對操作中之干擾或退化敏感之一功能。在所繪示之實例中，一斜坡產生器204藉由產生 用於為一電容器204a充電之一基準電流203而產生一斜坡。在低功率模式下，電阻器203b經由開關208b耦合至電路。
針對低功率操作，在203中所使用之電流最小。然而，在高溫下，除想要電流外，存在非想要之洩漏電流。此等洩漏電流可自若干源出現。例如，全部MOS源及汲極植入物含有至存在於CMOS電路中之井及基板的寄生二極體。此等二極體被逆向偏壓，但會傳導隨溫度升高而成指數增加的洩漏電流。
為維持高溫下之效能，針對低電流模式，當藉由實現一不同電阻器203b(經由開關208a)而非電阻器203a來產生所要電流時，可於203中使用所要電流。因此，雖然可產生大於洩漏電流之所要電流，但要以較高功率消耗為代價。另外，為了在新電流設定的情況下保持相同斜坡率，充電電容值亦同樣需要改變。因此，針對高溫、較高電流模式可切換使用開關210來提供一第二充電電容器204b。
接著，在一些實施例中。模式選擇信號206控制開關208a、208b及210之操作，以根據溫度來改變電阻及電容，且因此改變電流使用。
雖然已繪示行動計算裝置之具體實施方案及硬體/軟體組態，應注意，可以有其他實施方案及硬體組態，且不需要特定實施方案或硬體/軟體組態。因此，行動計算裝置並非需要所繪示之全部組件以實施本文所揭示之方法。
如本文所使用，不論上面描述或是以下申請專利範圍，術語「包括」、「包含」、「承載」、「具有」、「含有」、「涉及」等等應理解為開放性用語，即意指包含但不限於。如前所述，僅連貫詞「由……組成」及「基本上由……組成」分別考量為關於申請專利範圍之美國專利局之專利審查程序手冊中之排他性連貫詞。
申請專利範圍中修飾一專利申請元件之諸如「第一」、「第二」、 「第三」等之序數詞之使用並非自動意味任何優先權、優先級或一專利申請元件高於另一元件之順序，或執行一方法之時間順序。實情係，除非特定闡明，否則此等序數詞僅用作為區分具有某一名稱之一專利申請元件與具有一相同名稱之另一元件(但沒有使用序數詞)之標籤。
上述實施例意欲繪示本發明之原理，但不限制本發明之範疇。一般技術者可在未背離本發明之範疇之情況下實施各種其他實施例及對於此等較佳實施例之修改。

Claims (20)

  1. 一種用於確保在高溫下低功率電路操作之系統，其包括：電路元件，其等對高溫敏感，其等進一步包括：一振盪器，其包括一電流基準(current reference)及一斜坡產生器(ramp generator)，該電流基準及該斜坡產生器經組態以在一第一模式及一第二模式中操作以產生該輸出信號，其中該第一模式係一低功率模組且該第二模式係一高溫模式，其中該振盪器包括接收一控制信號之一控制輸入，且其中取決於該控制信號，該電流基準及該斜坡產生器操作於該第一模式或第二模式中；及一選擇單元，其用於控制該等電路元件以操作於該低功率模式或該高溫模式中。
  2. 如請求項1之系統，其中該振盪器包括第一電阻及第二電阻，且其中回應於一溫度變化，該第一電阻及該第二電阻係可選擇的。
  3. 如請求項1之系統，其中該選擇單元係一溫度選擇控制器。
  4. 如請求項1之系統，其中該選擇單元係一接合線(bond wire)。
  5. 如請求項1之系統，其中該選擇單元係一模式暫存器控制(mode register control)。
  6. 如請求項1之系統，其中該選擇單元係一熔絲(fuse)。
  7. 一種用於確保溫度相關電路操作之方法，其包括：提供基於溫度之一控制信號；提供一振盪器，其包括用於產生一輸出時脈信號之一電流基準及一斜坡產生器，其中該電流基準及該斜坡產生器可經控制以操作於一第一模式或一第二模式中，其中該第一模組係一低 功率模式且該第二模組係一高溫模式，基於該控制信號，操作該電流基準及該斜坡產生器以在該第一模式或該第二模式中產生該輸出信號。
  8. 如請求項7之方法，其中在該第一模式及該第二模式之間切換包括調整電路操作之電流、電壓或電荷。
  9. 一種積體電路，其包括：一振盪器，其產生一輸出時脈信號，該振盪器包括一電流基準及一斜坡產生器，其中該電流基準及該斜坡產生器可經控制以在一第一模式或一第二模式下操作，其中該第一模式為一低功率模式且該第二模式為一高溫模式，其中該振盪器包括一控制輸入，該控制輸入接收一控制信號，且其中取決於該控制信號，該電流基準及該斜坡產生器在該第一模式或該第二模式下操作。
  10. 如請求項9之積體電路，其中由一溫度選擇控制器、一接合線、一模式控制暫存器或一熔絲提供該控制信號。
  11. 如請求項9之積體電路，其中該電流基準可控制以在該第一模式下產生一第一電流及在該第二模式下產生一第二電流，其中該第二電流在一高溫範圍內補償洩漏電流。
  12. 如請求項11之積體電路，其中該斜坡產生器包括：一第一充電電容器，其在該第一模式下判定一斜坡率(ramp rate)；及一第二充電電容器，其可與該第一充電電容器平行切換，以在該第二模式下判定一第二斜坡率。
  13. 如請求項12之積體電路，其中該電流基準包括一電流鏡(current mirror)。
  14. 如請求項13之積體電路，其中該斜坡產生器與該電流鏡耦合，俾使一斜坡電流由該電流鏡界定。
  15. 如請求項11之積體電路，其包括用於選擇一第一電阻或一第二電阻之一切換單元，其中該第一電阻界定該第一電流且該第二電阻界定該第二電流。
  16. 如請求項15之積體電路，其中回應於一溫度變化，該第一電阻及該第二電阻係可選擇的。
  17. 如請求項15之積體電路，其中該控制信號係由一溫度選擇控制器所提供。
  18. 如請求項15之積體電路，其中該控制信號係由一接合線所提供。
  19. 如請求項15之積體電路，其中該控制信號係由一模式暫存器控制所提供。
  20. 如請求項15之積體電路，其中該控制信號係由一熔絲所提供。
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