TWI806786B - 積體電路 - Google Patents

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賴德倫
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Abstract

一種積體電路，包含開機重設電路、看門狗計時器、及閘及電力管理控制電路。開機重設電路用以接收輸入電壓以產生開機重設訊號，及產生時脈訊號。看門狗計時器用以於開機重設訊號具有致能電壓時，依據時脈訊號產生過期訊號，時脈訊號使過期訊號於每隔預定時間具有一過期脈波。及閘包含第一輸入端，耦接於開機重設電路，用以接收開機重設訊號；第二輸入端，耦接於看門狗計時器，用以接收過期訊號；及輸出端，用以根據開機重設訊號及過期訊號輸出重置訊號。電力管理控制電路耦接於及閘，用以響應於重置訊號上的重置脈波而重置輸出電流。

Description

積體電路
本發明關於電子電路，特別是使用隨時開啟的看門狗計時器的積體電路。
電器裝置為使用電池或電源轉換器供電的裝置。當電池由於電力過低而造成供電電壓劇烈下降，或電源轉換器由於切換雜訊干擾而造成輸入電壓不穩時，電器裝置可能會發生系統當機。此時需要重置電器裝置以使電器裝置繼續運作。
在相關技術中，電器裝置會加入外部重置電路或內部電壓偵測電路來克服電壓不穩定問題。然而，使用外部復位電路會產生額外的製造成本，使用內部電壓偵測電路則會因為製程差異而產生電壓偵測的死區(dead zone)，因而無法正確偵測過低的輸入電壓。第5圖顯示先前電壓偵測電路的死區示意圖，其中橫軸為時間t，縱軸為電壓V。Vbod為內部電壓偵測電路的理想偵測臨界值。由於製程變化，內部電壓偵測電路的實際偵測臨界值可介於高偵測臨界值Vbodh及低偵測臨界值Vbodl之間，理想偵測臨界值Vbod及低偵測臨界值Vbodl之間的電壓範圍稱為死區5。例如Vbod可以是2.5V，高偵測臨界值Vbodh可以是2.6V，低偵測臨界值Vbodl可以是2.3V，死區5可介於2.5V及2.3V之間。若輸入電壓Vin落入死區5，則當內部電壓偵測電路的實際偵測臨界值為低偵測臨界值Vbodl時會無法辨識過低的輸入電壓Vin，因而無法正確重置電器裝置。
本發明實施例提供一種積體電路，包含開機重設電路、看門狗計時器、第一及閘及電力管理控制電路。開機重設電路用以接收輸入電壓以產生開機重設訊號，及產生時脈訊號。看門狗計時器耦接於開機重設電路，用以於開機重設訊號具有致能電壓時，依據時脈訊號產生過期訊號，時脈訊號使過期訊號於每隔預定時間具有一過期脈波。第一及閘包含第一輸入端，耦接於開機重設電路，用以接收開機重設訊號；第二輸入端，耦接於看門狗計時器，用以接收過期訊號；及輸出端，用以根據開機重設訊號及過期訊號輸出重置訊號。電力管理控制電路耦接於第一及閘，用以響應於重置訊號上的重置脈波而重置輸出電流。
本發明實施例另提供一種積體電路，包含開機重設電路、低電壓偵測電路、第二及閘、看門狗計時器、第一及閘及電力管理控制電路。開機重設電路用以接收輸入電壓以產生開機重設訊號，及產生時脈訊號。低電壓偵測電路用以接收輸入電壓以產生低電壓偵測訊號。第二及閘包含第一輸入端，耦接於開機重設電路，用以接收開機重設訊號；第二輸入端，耦接於低電壓偵測電路，用以接收低電壓偵測訊號；及輸出端，用以根據開機重設訊號及低電壓偵測訊號輸出致能訊號。看門狗計時器耦接於第二及閘的輸出端，用以於致能訊號具有致能電壓時，依據時脈訊號產生過期訊號，時脈訊號使過期訊號於每隔預定時間具有一過期脈波。第一及閘包含第一輸入端，耦接於第二及閘的輸出端，用以接收致能訊號；第二輸入端，耦接於看門狗計時器，用以接收過期訊號；及輸出端，用以根據致能訊號及過訊號波輸出重置訊號。電力管理控制電路耦接於第一及閘，用以響應於重置訊號上的重置脈波而重置輸出電流。
1,2:積體電路
10:開機重設電路
100:低壓差穩壓器
102:時脈產生器
12:看門狗計時器
13:反向器
14,22:及閘
16:電力管理控制電路
18:系統電路
20:低電壓偵測電路
Iout:輸出電流
t,t1至t7:時間
Pr1至Pr3:重置脈波
Pto1至Pto3:過期脈波
Ptob1至Ptob3:反向脈波
Sbod:低電壓偵測訊號
Sclk:時脈訊號
Sen:致能訊號
Spor:開機重設訊號
Srst:重置訊號
Sto:過期訊號
Stob:反向訊號
Tact:正常運作時段
Tpwr_lo:省電時段
Tpwr_on:開機時段
V:電壓
Vbod:理想偵測臨界值
Vbodh:高偵測臨界值
Vbodl:低偵測臨界值
VL:低電壓
Ilo:省電電流準位
VH:高電壓
Vin:輸入電壓
第1圖係為本發明實施例中之一種積體電路的示意圖。
第2圖係為本發明實施例中之另一種積體電路的示意圖。
第3圖為第1圖或第2圖中之積體電路的時序圖。
第4圖係為第1圖或第2圖中之積體電路的操作模式之示意圖。
第5圖顯示先前電壓偵測電路的死區示意圖。
第1圖係為本發明實施例中之一種積體電路1的示意圖。積體電路1可為任意種類的晶片，例如積體電路1可為處理晶片、通訊晶片、網路晶片、家電控制晶片、顯示器控制晶片、或其他晶片。在一些實施例中，積體電路1可為獨立(standalone)晶片，無須外部電路即可獨立運作。在另一些實施例中，積體電路1可為非獨立(non-standalone)晶片，須外接外部電路來進行運作，外部電路可為微控制器單元(microcontroller unit，MCU)。積體電路1可包含隨時開啟的看門狗計時器(watchdog timer)，用以對積體電路1定期進行電壓重置，因此在電壓不穩定、人為操作不當或進入省電模式的各種故障情況下，積體電路1皆無需外部重置電路觸發重置且無需人為重置即可自發地進行電壓重置，節省製造成本同時達到重新啟動的效果。舉例而言，掃地機器人的控制晶片可以本發明實施例的積體電路實現，若掃地機器人在使用過程因電壓不穩定或是人為操作不當導致當機，由於控制晶片內含的看門狗計時器可持續定時重置系統電壓，因此不需透過外部人為重置電源鍵即可重新啟動掃地機器人。
積體電路1可包含開機重設(power on reset，POR)電路10、看門狗計時器12、反向器13、第一及閘14、電力管理控制電路16及系統電路18。看門狗 計時器12可耦接於開機重設電路10。反向器13包含輸入端，耦接於看門狗計時器12；及輸出端，耦接於第一及閘14的第二輸入端。第一及閘14包含第一輸入端，耦接於開機重設電路10；第二輸入端，經由反向器13耦接於看門狗計時器12；及輸出端。電力管理控制電路16可耦接於第一及閘14。系統電路18可耦接於電力管理控制電路16。
開機重設電路10可接收輸入電壓Vin以產生開機重設訊號Spor，及產生時脈訊號Sclk。輸入電壓Vin可為3.3V，及可由積體電路1的外部電源提供，外部電源可為電池或電源轉換器。開機重設電路10可於輸入電壓Vin超出高開機重設電壓準位時將開機重設訊號Spor轉為致能電壓，及於輸入電壓Vin小於低開機重設電壓準位時將開機重設訊號Spor轉為失能電壓。高開機重設電壓準位可大於低開機重設電壓準位。在一些實施例中，高開機重設電壓準位可為2.4V，低開機重設電壓準位可為0.5V。若開機重設訊號Spor為高態有效(active high)訊號，則致能電壓可為高電壓，例如0.9V，且失能電壓可為低電壓，例如0V。若開機重設訊號Spor為低態有效(active low)訊號，則致能電壓可為低電壓，且失能電壓可為高電壓。以下段落以開機重設訊號Spor為高態有效訊號進行說明。開機重設電路10可包含低壓差(low dropout，LDO)穩壓器100及時脈產生器(clock generator，CLKGEN)102。低壓差穩壓器100可對輸入電壓Vin進行降壓以產生供電電壓，例如供電電壓可為0.9V±10%。時脈產生器102可產生時脈訊號Sclk。在一些實施例中，時脈產生器102可由積體電路1外部的晶體震盪器接收參考時脈訊號，及對參考時脈訊號進行濾波、放大及頻率轉換以產生時脈訊號Sclk。在另一些實施例中，時脈產生器102可包含壓控震盪器及鎖相迴路，用以產生時脈訊號Sclk。開機重設電路10可使用供電電壓對看門狗計時器12、反向器13、第一及閘14及電力管理控制電路16供電，及可將時脈訊號Sclk傳送至看門狗計時器12。 供電電壓及時脈訊號Sclk可於積體電路1收到輸入電壓Vin後持續產生，例如可於開機模式、正常運作模式及省電模式中持續產生，因此看門狗計時器12、反向器13、第一及閘14及電力管理控制電路16可於開機模式、運作模式及省電模式中持續運作。
看門狗計時器12可於開機重設訊號Spor具有致能電壓時，依據時脈訊號Sclk產生過期訊號Sto，時脈訊號Sclk會使過期訊號Sto於每隔預定時間具有一過期脈波。舉例而言，預定時間可為5秒，看門狗計時器12可每隔5秒過期並重置，及可每隔5秒輸出一個過期脈波。過期脈波可為正脈波。反向器13的輸入端可接收過期訊號Sto，且反向器13的輸出端可輸出過期訊號Sto的反向訊號Stob。第一及閘14的第一輸入端可接收開機重設訊號Spor，第一及閘14的第二輸入端可接收反向訊號Stob，且第一及閘14的輸出端可根據開機重設訊號Spor及反向訊號Stob輸出重置重置訊號Srst。重置訊號Srst上的重置脈波可為負脈波，用以重置電力管理控制電路16，使電力管理控制電路16重置輸出電流Iout，及將輸出電流Iout輸出至系統電路18以進行供電。系統電路18可為類比電路、數位電路或混和訊號電路。在一些實施例中，於重置輸出電流Iout，電力管理控制電路16亦可於重置脈波發生時重置輸出電壓，使輸出電壓維持於穩定準位，及將輸出電壓輸出至系統電路18。
第2圖係為本發明實施例中之另一種積體電路2的示意圖。積體電路2及積體電路1之間的主要差異在於積體電路2另包含低電壓偵測電路(brown-out detection，BOD)20及第二及閘22，且第一及閘14的連接方式不同。以下針對積體電路2及積體電路1之間的差異進行解釋。
第二及閘22包含第一輸入端，耦接於開機重設電路10；第二輸入端，耦接於低電壓偵測電路；及輸出端。第一及閘14包含第一輸入端，耦接於開機重設電路10；第二輸入端，耦接於看門狗計時器12；及輸出端。開機重設電路10可另使用供電電壓對低電壓偵測電路20及第二及閘22供電，以使低電壓偵測電路20及第二及閘22於開機模式、正常運作模式及省電模式中持續運作。
低電壓偵測電路20可於輸入電壓Vin超出高偵測電壓準位時將低電壓偵測訊號Sbod轉為致能電壓，及於輸入電壓Vin小於低偵測電壓準位時將低電壓偵測訊號Sbod轉為失能電壓。高開機重設電壓準位可大於低開機重設電壓準位。以下段落以低電壓偵測訊號Sbod為高態有效訊號進行說明。第二及閘22的第一輸入端可接收開機重設訊號Spor，第二及閘22的第二輸入端可接收低電壓偵測訊號Sbod，及第二及閘22的輸出端可根據開機重設訊號Spor及低電壓偵測訊號Sbod輸出致能訊號Sen。因此若低電壓偵測訊號Sbod及開機重設訊號Spor皆為致能電壓，第二及閘22可將致能訊號Sen設為致能電壓。若低電壓偵測訊號Sbod及開機重設訊號Spor中之至少一者為失能電壓時，第二及閘22可將致能訊號Sen設為失能電壓。在一些實施例中，高偵測電壓準位可為2.65V，低偵測電壓準位可為2.5V，高開機重設電壓準位可為2.4V，低開機重設電壓準位可為0.5V，因此第二及閘22可於輸入電壓Vin超出2.65V時將致能訊號Sen設為致能電壓，及於輸入電壓Vin小於2.5V時將致能訊號Sen設為失能電壓。
在積體電路2中，致能訊號Sen替代開機重設訊號Spor被輸入至第一及閘14的第一輸入端，因此第一及閘14的輸出端可根據致能訊號Sen及過期脈波的反向脈波輸出重置脈波。其他電路元件的連接及運作方式可參考前述段落，在此不再贅述。
第3圖為積體電路1或積體電路2的時序圖，顯示開機重設訊號Spor及/或致能訊號Sen、過期訊號Sto、反向訊號Stob及重置訊號Srst的波形。
在時間t1，開機重設訊號Spor及/或致能訊號Sen由低電壓VL(失能電壓)轉為高電壓VH(致能電壓)，看門狗計時器12開始計數預定時間，過期訊號Sto維持於低電壓VL，反向訊號Stob維持於高電壓VH，且重置訊號Srst由低電壓VL轉為高電壓VH。
在時間t2，開機重設訊號Spor及/或致能訊號Sen維持於高電壓VH，看門狗計時器12過期並重置以重新計數預定時間，過期訊號Sto由低電壓VL轉為高電壓VH以形成過期脈波Pto1的上升緣，反向訊號Stob由高電壓VH轉為低電壓VL以形成反向脈波Ptob1的下降緣，且重置訊號Srst由高電壓VH轉為低電壓VL以形成重置脈波Pr1的下降緣。時間t2及時間t1之間的時間差(t2-t1)為看門狗計時器12計數的預定時間，例如5秒。
在時間t3，開機重設訊號Spor及/或致能訊號Sen維持於高電壓VH，過期訊號Sto由高電壓VH轉為低電壓VL以形成過期脈波Pto1的下降緣，反向訊號Stob由低電壓VL轉為高電壓VH以形成反向脈波Ptob1的上升緣，且重置訊號Srst由低電壓VL轉為高電壓VH以形成重置脈波Pr1的上升緣。時間t3及時間t2之間的時間差(t3-t2)為過期脈波Pto1的預設脈寬，例如1秒。
時間t3至時間t5之間波形及時間t5至時間t7之間波形為時間t1至時間t3之間波形的重複，其解釋在此不再贅述。於時間t4至時間t5之間及時間t6至時 間t7之間積體電路1分別產生重置脈波Pr2及重置脈波Pr3。重置脈波Pr2的下降緣及重置脈波Pr1的下降緣發生的時間差(t4-t2)及重置脈波Pr3的下降緣及重置脈波Pr2的下降緣發生的時間差(t6-t4)皆等於看門狗計時器12計數的預定時間。重置脈波P1的脈寬(t3-t2)、重置脈波P2的脈寬(t5-t4)及重置脈波P3的脈寬(t7-t6)可相等。電力管理控制電路16可響應於重置脈波Pr1、Pr2及Pr3而重置輸出電流Iout，即於時間t2至時間t3之間、時間t4至時間t5之間及時間t6至時間t7之間重置輸出電流Iout，以持續定時重置輸出電流Iout。
第4圖係為積體電路1或積體電路2的操作模式之示意圖，其中縱軸為輸出電流Iout，橫軸為時間t。
在時間t1，積體電路1或積體電路2尚未通電，輸出電流Iout為0A。在時間t2，積體電路1或積體電路2開機，輸出電流Iout由0A開始上升。在時間t2至t3之間，輸出電流Iout由0A上升至正常運作電流。時間t2至t3之間的時段可稱為開機時段Tpwr_on。於開機時段Tpwr_on，系統電路18可不運作。
在時間t3，輸出電流Iout到達正常運作電流準位。在時間t3至t4之間，輸出電流Iout維持於正常運作電流準位。時間t3至t4之間的時段可稱為正常運作時段Tact。於正常運作時段Tact，系統電路18可以正常運作模式運作，提供所有電路功能。
在時間t4，輸出電流Iout下降至省電電流準位Ilo。例如省電電流準位Ilo可為20uA。在時間t4至t5之間，輸出電流Iout維持於省電電流準位Ilo。時間t4至t5之間的時段可稱為省電時段Tpwr_lo。於省電時段Tpwr_lo，系統電路18可以 省電模式(亦可稱為睡眠模式或低功率模式)運作，將系統電路18中不必要的內部電路關閉(如振盪器及鎖相迴路等)，而僅提供部分必要的電路功能(例如喚醒功能)。
於致能時，看門狗計時器12可於開機模式、正常運作模式及省電模式中持續定時重置輸出電流Iout，以確保在電壓不穩定、人為操作不當或進入省電模式的情況下，積體電路1或積體電路2皆無需外部重置電路觸發重置且無需人為重置即可自發地進行電壓重置，達到重新啟動的效果。在一些實施例中，於開機模式、正常運作模式及省電模式中，輸出電壓可被重置以維持於穩定準位，藉以產生輸出電流Iout。
雖然積體電路1及2中重置訊號Srst的重置脈波為負脈波，本發明不限於此，熟習此技藝者亦可依據實際設計需求省略反向器13，而在重置訊號Srst中產生正脈波作為重置脈波。在一些實施例中，積體電路1或積體電路2亦可外接外部控制電路(如微控制器單元)，及透過通用型之輸入輸出(general-purpose input/output，GPIO)接腳將重置訊號Srst輸出至外部控制電路，以通知外部控制電路進行電壓重置或其他操作。在一些實施例中，積體電路1或積體電路2亦可於輸入電壓Vin穩定後關閉看門狗計時器12，藉以達成省電及穩定系統的效果。
積體電路1及積體電路2使用看門狗計時器12，於開機模式、正常運作模式及省電模式中持續定時重置輸出電流Iout，當電壓不穩定、人為操作不當或進入省電模式時，積體電路1及積體電路2仍可自動重置，無需外部重置電路且無需人為重置，節省製造成本同時使系統於所有模式下都以定期重置電壓的方式排除系統當機的問題。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
1:積體電路
10:開機重設電路
100:低壓差穩壓器
102:時脈產生器
12:看門狗計時器
13:反向器
14:及閘
16:電力管理控制電路
18:系統電路
Sclk:時脈訊號
Spor:開機重設訊號
Srst:重置訊號
Sto:過期訊號
Stob:反向訊號
Vin:輸入電壓
Iout:輸出電流

Claims (7)

  1. 一種積體電路，包含：一開機重設(power on reset，POR)電路，用以接收一輸入電壓以產生一開機重設訊號，及產生一時脈訊號；一看門狗計時器，耦接於該開機重設電路，用以於該開機重設訊號具有一致能電壓時，依據該時脈訊號產生一過期訊號，該時脈訊號使該過期訊號於每隔預定時間具有一過期(timeout)脈波；一第一及閘，包含：一第一輸入端，耦接於該開機重設電路，用以接收該開機重設訊號；一第二輸入端，耦接於該看門狗計時器，用以接收該過期訊號；及一輸出端，用以根據該開機重設訊號及該過期訊號輸出一重置訊號；及一電力管理控制電路，耦接於該第一及閘，用以響應於該重置訊號上的一重置脈波而重置一輸出電流。
  2. 一種積體電路，包含：一開機重設(power on reset，POR)電路，用以接收一輸入電壓以產生一開機重設訊號，及產生一時脈訊號；一低電壓偵測(brown-out detection，BOD)電路，用以接收該輸入電壓以產生一低電壓偵測訊號；一第二及閘，包含：一第一輸入端，耦接於該開機重設電路，用以接收該開機重設訊號；一第二輸入端，耦接於該低電壓偵測電路，用以接收該低電壓偵測訊號；及 一輸出端，用以根據該開機重設訊號及該低電壓偵測訊號輸出一致能訊號；一看門狗計時器，耦接於該第二及閘的該輸出端，用以於該致能訊號具有一致能電壓時，依據該時脈訊號產生一過期訊號，該時脈訊號使該過期訊號於每隔預定時間具有一過期(timeout)脈波；一第一及閘，包含：一第一輸入端，耦接於該第二及閘的該輸出端，用以接收該致能訊號；一第二輸入端，耦接於該看門狗計時器，用以接收該過期訊號；及一輸出端，用以根據該致能訊號及該過期訊號輸出一重置訊號；及一電力管理控制電路，耦接於該第一及閘，用以響應於該重置訊號上的一重置脈波而重置一輸出電流。
  3. 如請求項2所述之積體電路，其中該低電壓偵測電路用以於該輸入電壓超出一第一電壓準位時將該低電壓偵測訊號轉為該致能電壓。
  4. 如請求項1或2所述之積體電路，其中：該開機重設電路另用以依據該輸入電壓產生一供電電壓，及使用該供電電壓對該看門狗計時器及該電力管理控制電路供電。
  5. 如請求項4所述之積體電路，其中於一省電模式下，該開機重設電路持續對該看門狗計時器及該電力管理控制電路供電，及持續輸出該時脈訊號至該看門狗計時器。
  6. 如請求項1或2所述之積體電路，其中該開機重設電路用以於該輸 入電壓超出一第二電壓準位時將該開機重設訊號轉為該致能電壓。
  7. 如請求項1或2所述之積體電路，另包含一反向器，包含：一輸入端，耦接於該看門狗計時器，用以接收該過期訊號；及一輸出端，耦接於該第一及閘的該第二輸入端，用以輸出該過期訊號的一反向訊號。
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