TWI754030B - 監視電路及半導體裝置 - Google Patents

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Abstract

一種監視電路，其是具有低壓差穩壓器的系統的監視電路，包括：非飽和檢測電路，檢測對MPU供給電源電壓的低壓差穩壓器的輸出電晶體的非飽和狀態；電流檢測電路，對輸出電晶體的輸出電流為規定的電流值以上的情況進行檢測；以及看門狗計時器，監視MPU的動作，並且所述監視電路於輸出電晶體不為非飽和狀態且輸出電晶體的輸出電流為規定的電流值以上時使看門狗計時器致能。

Description

監視電路及半導體裝置
本發明是有關於一種對微處理器(Microprocessor)等的動作進行監視的監視電路及半導體裝置。
作為包含微處理器(MPU)的各種嵌入式系統的監視電路，普遍公知的是看門狗計時器(watchdog timer)。
圖7是一般的包含MPU的系統的方塊圖。
一般的包含MPU的系統具備：作為監視對象的MPU 10、看門狗計時器11、用以檢測MPU 10的動作狀態的電流檢測電路12及具有輸出電晶體13、誤差放大器14、反饋電路15及參考電壓源16的低壓差穩壓器(low-dropout regulator)部。電流檢測電路12具備感測電晶體30、定電流源31及比較器(comparator)32。
低壓差穩壓器部對MPU 10供給電流。看門狗計時器11藉由自MPU 10定期地接收信號而對MPU 10進行監視。電流檢測電路12對自電源流入MPU 10的電流量進行檢測，對MPU 10的動作狀態例如動作模式與待機(standby)模式進行辨別，並對看門狗計時器11輸出控制信號EN。
關於如此構成的一般的包含MPU的系統，因電流檢測電路12於MPU 10為待機模式時使看門狗計時器11停止，因此可減小包括MPU的系統的消耗電力。
此處，MPU 10例如於動作模式時流動數10mA~數100mA左右的電流，與此相對，於待機模式時流動數10μA~數100μA左右的電流。電流檢測電路12利用MPU 10的動作狀態的電流量差異，例如藉由於數mA左右設置臨限值而對MPU 10中流動的電流進行檢測，而辨別MPU 10的動作狀態。關於電流檢測電路12，例如已知有專利文獻1所記載的電路。
[現有技術文獻]
[專利文獻]
[專利文獻1]日本專利特開2004-140423號公報
一般而言，低壓差穩壓器為了實現低壓差電壓而將輸出電晶體的接通(ON)電阻Ron設計得小。具體而言，於非飽和狀態下，輸出電晶體的ON電阻Ron為數100mΩ~數Ω左右。另一方面，用以辨別MPU 10的動作模式的電流檢測值Idet例如以mA單位計小至一位數。因此，輸出電晶體13成為非飽和狀態時，輸出電晶體13的汲極．源極間電壓Vds的大小由Ron×Idet賦予，於電流檢測值附近以mV單位計成為一位數左右。於此狀態下，比較器32的輸出反相時，感測電晶體30的汲極．源極間電壓Vds亦與輸出電晶體13同樣地成為數mV。
於電晶體處於非飽和狀態時，電晶體的汲極電流與汲極．源極間電壓大致成比例關係。因此，若感測電晶體30的汲極．源極間電壓Vds偏移數mV，即若輸入至比較器32的非反相輸入端子中的電壓偏移數mV，則電流檢測值Idet與此成比例地大幅偏移。
本發明鑒於所述課題而成，提供一種在包含MPU的系統中，即便輸出電晶體成為非飽和狀態亦可減小包含MPU的系統的消耗電力，且可穩定地監視MPU的動作的監視電路及半導體裝置。
為了解決先前的課題，本發明的監視電路包括：非飽和檢測電路，檢測對MPU供給電源電壓的低壓差穩壓器的輸出電晶體的非飽和狀態；電流檢測電路，對輸出電晶體的輸出電流為規定的電流值以上的情況進行檢測；以及看門狗計時器，監視MPU的動作，並且所述監視電路於輸出電晶體不為非飽和狀態且輸出電晶體的輸出電流為規定的電流值以上時使看門狗計時器致能(enable)。
根據本發明的監視電路，因具備檢測輸出電晶體的非飽和狀態的非飽和檢測電路，因此即便輸出電晶體成為非飽和狀態亦可減小包含MPU的系統的消耗電力，且可穩定地監視MPU的 動作。
10、101:微處理器(MPU)
11、116:看門狗計時器
12、115、215、315:電流檢測電路
13、110:輸出電晶體
14、111:誤差放大器
15、112:反饋電路
16、113、154、172:參考電壓源
30、151、173:感測電晶體
31:定電流源
32、155、171:比較器
100、200、300:半導體裝置
114、214、314:監視電路
117:非飽和檢測電路
121:電壓輸出端子
122:輸出端子
123:輸入端子
131:非飽和檢測信號
132:致能信號
133:第二致能信號
134:電流檢測信號
152:開關
153、175:電阻
174:電壓檢測電路
218、318:邏輯電路
EN:控制信號
Vfb:反饋電壓
Vin:電源電壓
Vout:輸出電壓
Vref、Vref2:參考電壓
圖1是表示具備第一實施形態的監視電路的半導體裝置的電路圖。
圖2是表示非飽和檢測電路的一例的電路圖。
圖3是表示非飽和檢測電路的另一例的電路圖。
圖4是表示電流檢測電路的一例的電路圖。
圖5是表示具備第二實施形態的監視電路的半導體裝置的電路圖。
圖6是表示具備第三實施形態的監視電路的半導體裝置的電路圖。
圖7是表示一般的包含MPU的系統的方塊圖。
圖1是表示具備第一實施形態的監視電路114的半導體裝置100的電路圖。
半導體裝置100具備：低壓差穩壓器部，具有輸出電晶體110、誤差放大器111、反饋電路112及參考電壓源113；以及監視電路114，具有電流檢測電路115、看門狗計時器116及非飽和檢測電路117。
輸出電晶體110的源極連接於電源端子，閘極連接於誤差放大器111的輸出端子，汲極連接於電壓輸出端子121及反饋電路112的輸入端子。反饋電路112的輸出端子連接於誤差放大器111的非反相輸入端子。參考電壓源113的一個端子連接於誤差放大器111的反相輸入端子，另一端子連接於接地端子。
非飽和檢測電路117的輸出端子連接於電流檢測電路115的非飽和檢測輸入端子。電流檢測電路115的電流檢測輸入端子連接於輸出電晶體110的閘極，輸出端子連接於看門狗計時器116的致能端子。看門狗計時器116連接於輸入端子123及輸出端子122。
電壓輸出端子121、輸入端子123及輸出端子122連接於作為監視對象的半導體裝置即微處理器(MPU)101。
此處，僅對最低限的連接進行說明，關於雖未圖示但於之後的說明中出現的構成電流檢測電路115或非飽和檢測電路117的具體例時所需的連接，設為配合各自的示例而成。
對第一實施形態的半導體裝置100的動作進行說明。
具有輸出電晶體110、誤差放大器111、反饋電路112及參考電壓源113的低壓差穩壓器部自電源端子的電壓Vin基於參考電壓Vref而向電壓輸出端子121輸出輸出電壓Vout。當輸出電壓Vout下降時，反饋電路112所輸出的反饋電壓Vfb下降。誤差放大器111基於反饋電壓Vfb與參考電壓Vref的誤差來控制輸出電晶體110的閘極，使輸出電壓Vout上升。相反，當輸出電壓Vout上升， 誤差放大器111控制輸出電晶體110的閘極，使輸出電壓Vout下降。藉由如此構成負反饋電路，低壓差穩壓器部進行控制，使輸出電壓Vout成為基於參考電壓Vref的規定的電壓。MPU 101的電源端子連接於電壓輸出端子121，電源電壓由低壓差穩壓器部控制為固定。MPU 101的電源電流由輸出電晶體110的輸出電流供給。於MPU 101的電源電流充分大於流入至反饋電路112的輸入端子中的電流的情況下，MPU 101的電源電流與輸出電晶體110的輸出電流變為大致相等。
非飽和檢測電路117當檢測出輸出電晶體110成為非飽和狀態的可能性時，將非飽和檢測信號131輸出至電流檢測電路115的非飽和檢測輸入端子。非飽和檢測電路117例如藉由電源電壓Vin下降而接近規定的輸出電壓Vout的情況而檢測出輸出電晶體110成為非飽和狀態的可能性。
電流檢測電路115於非飽和檢測輸入端子中未輸入有非飽和檢測信號131時，當檢測出輸出電晶體110的輸出電流變為大於規定的電流值時，辨別為MPU 101為動作模式，對看門狗計時器116的致能端子輸出致能信號132。而且，當檢測出輸出電晶體110的輸出電流變為小於規定的電流值時，辨別為MPU 101為待機模式，停止向看門狗計時器116的致能端子的致能信號132。並且，電流檢測電路115於非飽和檢測輸入端子中輸入有非飽和檢測信號131時，不管輸出電晶體110的輸出電流的大小均停止致能信號132。
看門狗計時器116當致能端子中輸入信號時成為致能狀態，進行MPU 101的監視動作。而且，當向致能端子輸入的信號停止時成為禁能(disable)狀態，停止對MPU 101的監視動作。看門狗計時器116於致能狀態時當基於自外部的MPU 101輸入至輸入端子123的監視信號而檢測出MPU 101失控的可能性時，為了重置(reset)MPU 101而對輸出端子122輸出重置信號。看門狗計時器116於禁能狀態時停止對MPU 101的監視動作。
如此，根據第一實施形態的監視電路114，即便電源電壓Vin下降而輸出電晶體110成為非飽和狀態，亦因藉由非飽和檢測電路117的輸出使電流檢測電路115所輸出的致能信號132停止而停止看門狗計時器116的監視，從而可不受電流檢測電路115的電流檢測精度惡化的影響，而減小半導體裝置100的消耗電力。
另外，根據MPU 101的規格，電流檢測電路115亦可當輸入非飽和檢測信號131時，不管輸出電晶體110的輸出電流的大小均對看門狗計時器116輸出致能信號132。
圖2是表示非飽和檢測電路117的一例的電路圖。
圖2的非飽和檢測電路117具備比較器171及參考電壓源172。
比較器171的反相輸入端子連接於輸出電晶體110的閘極，非反相輸入端子連接於參考電壓源172，輸出端子連接於非飽和檢測電路117的輸出端子。
當電源電壓Vin下降而接近規定的輸出電壓Vout時，輸出電晶體110的汲極．源極間電壓Vds變小而所述輸出電晶體110成為非飽和狀態。此時，因輸出電壓Vout下降，因此誤差放大器111使輸出電晶體110的閘極的電壓下降。即，比較器171的反相輸入端子的電壓下降，當低於參考電壓源172的參考電壓Vref2時，比較器171輸出非飽和檢測信號131。
當電源電壓Vin上升而變為高於規定的輸出電壓Vout時，輸出電晶體110的汲極．源極間電壓Vds變大而所述輸出電晶體110變為接近飽和狀態。此時，誤差放大器111以輸出電壓Vout成為規定的電壓的方式對輸出電晶體110的閘極的電壓進行控制。參考電壓Vref2較該輸出電晶體110的閘極電壓設定得低，因此比較器171停止非飽和檢測信號131的輸出。
根據如上所說明般構成的非飽和檢測電路117，可實現藉由簡單的電路而檢測出輸出電晶體的非飽和狀態的電路。
另外，關於圖2的非飽和檢測電路117，以具備比較器171及參考電壓源172的構成進行了說明，但亦能夠以偏移比較器(offset comparator)而構成。若以偏移比較器構成時，則亦可對電源端子的電壓與輸出電晶體的輸出端子的電壓進行比較。
當電源電壓Vin下降而接近規定的輸出電壓Vout時，輸出電晶體110的汲極．源極間電壓Vds下降。當將臨限值電壓設為Vth，並設閘極．源極間電壓為Vgs時，輸出電晶體110當不滿足式1的飽和條件時成為非飽和狀態。
Vds≧Vgs-Vth (1)
偏移比較器檢測出輸出電晶體110的汲極．源極間電壓Vds變小，輸入端子間的電壓之差變小至規定的偏移電壓以下的情況，從而檢測出輸出電晶體110的非飽和狀態。
此時，可直接檢測出輸出電晶體110的汲極．源極間電壓Vds的下降，因此，具有可比較早地輸出非飽和檢測信號131這一優點。
圖3是表示非飽和檢測電路117的另一例的電路圖。
圖3的非飽和檢測電路117具備感測電晶體173、電壓檢測電路174及電阻175。
感測電晶體173的閘極連接於輸出電晶體110的閘極，源極連接於電源端子，汲極連接於電阻175的一個端子及電壓檢測電路174的輸入端子。電壓檢測電路174的輸出端子連接於非飽和檢測電路117的輸出端子。
感測電晶體173流動與輸出電晶體110的汲極電流成比例的汲極電流。電阻175藉由感測電晶體173的汲極電流而於兩端產生電壓。
非飽和檢測電路117藉由電阻175的電壓與電壓檢測電路174的臨限值電壓而對輸出電晶體110的非飽和狀態進行檢測，並輸出非飽和檢測信號131。
例如，設定為當輸出電晶體110的輸出電流小時感測電晶體173的汲極電流變小，並使電壓檢測電路174包括附加定電流限制 的逆變器(inverter)以不流動恆定的電路電流，藉此可減小非飽和檢測電路117的消耗電力。而且，使用定電流源代替電阻175亦可獲得同樣的作用。
若使用圖3的電路，則可藉由簡單的電路實現圖1的監視電路114的非飽和檢測電路117，並且，可較圖2的非飽和檢測電路117更減少消耗電力。
圖4是表示本實施形態的監視電路114的電流檢測電路115的一例的電路圖。
圖4的電流檢測電路115具備感測電晶體151、開關152、電阻153、參考電壓源154及比較器155。
感測電晶體151的源極連接於電源端子，閘極連接於輸出電晶體110的閘極，汲極連接於開關152的一個端子。開關152的另一端子連接於電阻153及比較器155的非反相輸入端子。比較器155的反相輸入端子連接於參考電壓源154，輸出端子連接於電流檢測電路115的輸出端子。開關152當來自非飽和檢測電路117的非飽和檢測信號停止時成為導通狀態，當輸入非飽和檢測信號時成為非導通狀態。
關於電流檢測電路115，當自非飽和檢測電路117輸入非飽和檢測信號131時，開關152成為非導通狀態，因此比較器155停止致能信號132的輸出。
如此，藉由使用電流檢測電路115中輸入有非飽和檢測信號131時成為非導通狀態的開關152，可容易地實現當輸出電晶 體110為非飽和狀態時使看門狗計時器116的監視停止的監視電路114。
圖5是表示具備第二實施形態的監視電路214的半導體裝置200的電路圖。
針對與第一實施形態的半導體裝置100相同的部位標注相同的符號並省略其說明。
第二實施形態的半導體裝置200的監視電路214具備看門狗計時器116、非飽和檢測電路117、電流檢測電路215及邏輯電路218。電流檢測電路215為自電流檢測電路115去除開關152的構成。
電流檢測電路215所輸出的致能信號132輸入至邏輯電路218的第一輸入端子。非飽和檢測電路117所輸出的非飽和檢測信號131輸入至邏輯電路218的第二輸入端子。邏輯電路218所輸出的第二致能信號133輸入至看門狗計時器116的致能端子。
邏輯電路218於輸入有非飽和檢測信號131的情況下判斷為電源電壓Vin下降而電流檢測電路215的電流檢測精度惡化，並且不論是否輸入致能信號132均不對看門狗計時器116輸出第二致能信號133。
根據如此構成的第二實施形態的半導體裝置200，可獲得與第一實施形態的半導體裝置100同樣的效果。
圖6是表示具備第三實施形態的監視電路314的半導體裝置300的電路圖。
針對與第二實施形態的半導體裝置200相同的部位標注相同的符號並省略其說明。
第三實施形態的半導體裝置300的監視電路314具備看門狗計時器116、非飽和檢測電路117、電流檢測電路215、第二電流檢測電路即電流檢測電路315及邏輯電路318。
電流檢測電路315當輸出電晶體110為非飽和狀態時，基於輸出電晶體110的輸出電流是否為規定值以上來輸出電流檢測信號134。
電流檢測電路315例如包括反相輸入端子連接於電源端子，非反相輸入端子連接於電壓輸出端子121的偏移比較器。當輸出電晶體110成為非飽和狀態時，輸出電晶體110的輸出電流與汲極．源極間電壓Vds大致成比例。因此，藉由利用偏移比較器對輸出電晶體110的汲極．源極間電壓Vds進行監視，可檢測出輸出電晶體110的輸出電流。此處，電流檢測電路315當輸出電晶體110的汲極．源極間電壓Vds成為偏移比較器的偏移電壓以上時輸出電流檢測信號134。
邏輯電路318於輸入有非飽和檢測信號131的情況下，判斷為電源電壓Vin下降而電流檢測電路215的電流檢測精度惡化，並且不論是否輸入致能信號132均不對看門狗計時器116輸出第二致能信號133。而且，邏輯電路318於輸入有非飽和檢測信號131的情況下，當自電流檢測電路315輸入電流檢測信號134時，對看門狗計時器116輸出第二致能信號133。
如此，根據具備第三實施形態的監視電路314的半導體裝置300，於電源電壓Vin高且輸出電晶體110為飽和狀態時，能夠藉由電流檢測電路215辨別MPU 101為動作模式或是待機模式，即便於電源電壓Vin下降而輸出電晶體110成為非飽和狀態，亦能夠藉由電流檢測電路315辨別MPU 101為動作模式或是待機模式。因此，可跨及廣的電源電壓Vin而基於MPU 101的動作狀態來控制看門狗計時器116，可使監視動作穩定。
如以上所說明般，根據本發明的監視電路，藉由非飽和檢測電路檢測出輸出電晶體成為非飽和狀態的可能性，並對電流檢測電路或看門狗計時器進行停止控制，因此可抑制半導體裝置的消耗電力。而且，即便輸出電晶體成為非飽和狀態，亦可使看門狗計時器的監視動作穩定。
另外，並不限定於實施形態所示的構成，當然可於不脫離本發明的主旨的範圍內進行各種變更。例如，電流檢測電路亦可構成為具備開關電路，並藉由非飽和檢測信號來阻斷比較器的動作電流的供給。而且，例如非飽和檢測電路或電流檢測電路所具備的比較器或電壓檢測單元為了使輸出相對於輸入信號的雜訊而穩定亦可設置遲滯(hysteresis)，或者對輸出設置雜訊濾波器(noise filter)。
100‧‧‧半導體裝置
101‧‧‧MPU
110‧‧‧輸出電晶體
111‧‧‧誤差放大器
112‧‧‧反饋電路
113‧‧‧參考電壓源
114‧‧‧監視電路
115‧‧‧電流檢測電路
116‧‧‧看門狗計時器
117‧‧‧非飽和檢測電路
121‧‧‧電壓輸出端子
122‧‧‧輸出端子
123‧‧‧輸入端子
131‧‧‧非飽和檢測信號
132‧‧‧致能信號
Vfb‧‧‧反饋電壓
Vin‧‧‧電源電壓
Vout‧‧‧輸出電壓
Vref‧‧‧參考電壓

Claims (6)

  1. 一種監視電路，是具備對作為監視對象的半導體裝置供給電源電壓的低壓差穩壓器的系統的監視電路，所述監視電路包括： 非飽和檢測電路，對所述低壓差穩壓器的輸出電晶體的非飽和狀態進行檢測； 電流檢測電路，對所述輸出電晶體的輸出電流為規定的電流值以上的情況進行檢測；以及 看門狗計時器，監視所述作為監視對象的半導體裝置的動作， 當所述非飽和檢測電路檢測出所述輸出電晶體的非飽和狀態時，使所述看門狗計時器的動作停止。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的監視電路，其中， 當檢測出所述輸出電晶體的非飽和狀態時，所述非飽和檢測電路將非飽和檢測信號輸出至所述電流檢測電路， 當於未輸入有所述非飽和檢測信號時檢測出所述輸出電晶體的輸出電流為規定的電流值以上的情況時，所述電流檢測電路對所述看門狗計時器輸出致能信號。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的監視電路，其中， 所述監視電路更包括邏輯電路， 當檢測出所述輸出電晶體的非飽和狀態時，所述非飽和檢測電路將非飽和檢測信號輸出至所述邏輯電路， 當檢測出所述輸出電晶體的輸出電流為規定的電流值以上的情況時，所述電流檢測電路將所述致能信號輸出至所述邏輯電路， 在未輸入有所述非飽和檢測信號時，所述邏輯電路基於所述致能信號而對所述看門狗計時器輸出第二致能信號。
  4. 如申請專利範圍第2項所述的監視電路，其中，所述電流檢測電路包括開關電路，當輸入有所述非飽和檢測信號時，所述開關電路斷開，動作電流減少。
  5. 如申請專利範圍第3項所述的監視電路，其中， 所述監視電路更包括第二電流檢測電路，當檢測出所述輸出電晶體的輸出電流為規定的電流值以上的情況時，所述第二電流檢測電路將電流檢測信號輸出至所述邏輯電路， 在輸入有所述非飽和檢測信號時，所述邏輯電路基於所述電流檢測信號而對所述看門狗計時器輸出所述第二致能信號。
  6. 一種半導體裝置，包括： 如申請專利範圍第1項至第5項中任一項所述的監視電路，對作為監視對象的半導體裝置的動作進行監視；以及 低壓差穩壓器，對所述作為監視對象的半導體裝置供給電源電壓。
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