TWI831605B

TWI831605B - 電流檢測電路與電子晶片檢測裝置

Info

Publication number: TWI831605B
Application number: TW112104308A
Authority: TW
Inventors: 李偉江; 陳飛祥; 胡丹丹; 劉伯文
Original assignee: 大陸商北京集創北方科技股份有限公司
Priority date: 2023-02-07
Filing date: 2023-02-07
Publication date: 2024-02-01

Abstract

本發明主要揭示一種電流檢測電路，係用於對一電子晶片進行各種模式的操作電流檢測，從而在該電子晶片的操作電流超過閾值之時，報警提示該電子晶片的功耗異常。依據本發明之設計，該電流檢測電路包括：一第一比較器、一第一開關單元、一第二開關單元、一第三開關單元、以及一電流源。依此設計，本發明之電流檢測電路的電流檢測精度可達1mA±1%。

Description

電流檢測電路與電子晶片檢測裝置

本發明係關於電子晶片的有關領域，尤指用於對電子晶片進行電流檢測的一種電流檢測電路。

已知，積體電路(Integrated circuit, IC)晶片為電子產品所不可或缺。在電子產品的使用過程中，IC晶片(或稱電子晶片)會因為外力受損或元件老化等因素而導致的其漏電流增加，從而使其睡眠模式(Sleep mode)及/或閒置模式(Idle mode)的待機功耗增加。舉例而言，睡眠模式的操作電流由幾十μA增加至幾百μA甚至mA，而閒置模式操作電流則由幾百μA增加至幾十/幾百mA。有鑑於此，現有技術利用一電流檢測電路對IC晶片進行實時電流檢測，從而在IC晶片的操作電流超過閾值之時，報警提示該IC晶片的功耗異常。

圖1為習知的一種電流檢測電路的電路拓樸圖。如圖1所示，習知的電流檢測電路1a包括一電流採樣電阻11a以及一比較器12a，其中，該電流採樣電阻11a的一端電性連接至一電子晶片2a的一電源端，且其另一端電性連接至該比較器12a的負輸入端。並且，該比較器12a的正輸入端耦接一參考電壓Vref。當該電子晶片2a工作時，該電源端提供一工作電壓AVDD，且該工作電壓在該電流採樣電阻11a產生一電壓降作為一採樣電壓。如此設計，當該電子晶片2a的操作電流超過閥值時，該採樣電壓會低於該參考電壓，使該比較器12a輸出一報警信號以提示該IC晶片2a的功耗異常。

實務經驗指出，該電流採樣電阻11a係利用積體電路製造技術所製成，因此其電阻值會隨著電阻電容工藝角(RC corner)以及工作溫度而飄移，例如飄移±50%，使得該採樣電壓也連帶著飄移±50%，最終導致該電流檢測電路1a無法檢測出正確的操作電流。另外，實務經驗還指出，若該電流採樣電阻11a的電阻值設計的過高，則該電流採樣電阻11a會在該IC晶片2a操作於工作模式之時產生額外的功耗。舉例而言，該IC晶片2a在睡眠模式、閒置模式和工作模式的操作電流分別為1～50μA、50～500μA和5～15mA。若該電流採樣電阻11a的電阻值設計在2.5～7.5Ω，當該IC晶片2a的工作模式的操作電流為10 mA時，該電流採樣電阻11a會造成25～75mV的高電壓降。另外，在採樣電壓高於參考電壓5mV時，該電流檢測電路1a的電流檢測精度為5mV/(2.5～7.5Ω)＝0.67mA～2mA。若引入該比較器12a的1mV誤差，則電流檢測精度變為4mV/7.5Ω～6mV/2.5Ω＝0.53mA～2.4mA。綜上所述，習知的電流檢測電路1a係存在諸多缺陷有待改善。

由上述說明可知，本領域亟需一種新式的電流檢測電路。

本發明之主要目的在於提供一種電流檢測電路，用於對一電子晶片進行各種模式的操作電流檢測，從而在該電子晶片的操作電流超過閾值之時，報警提示該電子晶片的功耗異常。

值得說明的是，本發明之電流檢測電路的電流檢測精度可達1mA±1%。另外，在考慮比較器具有1mV誤差的情況下，本發明之電流檢測電路的電流檢測精度仍可為0.95mA～1.05mA。

為達成上述目的，本發明提出所述電流檢測電路的一實施例，其包括：一第一比較器，具有一正輸入端、一負輸入端與一輸出端；一第一開關單元，具有一第一端、一第二端與一接地端，其中該第一端耦接一電源，且該第二端耦接該第一比較器的該正輸入端；一第二開關單元，具有一第一端、一第二端與一接地端，其中該第一端耦接該電源，且該第二端耦接該第一比較器的該負輸入端；一第三開關單元，具有一第一端、一第二端與一第三端，其中該第一端耦接該電源，且該第二端耦接該第二開關單元的該第二端以及該第一比較器的該負輸入端；以及一電流源，具有一電流端與一接地端，其中該電流端耦接該第一開關單元的該第二端以及該第一比較器的該正輸入端。

在一實施例中，該第三開關單元包括：一第一MOSFET元件，具有一源極端、一汲極端與一閘極端分別作為該第三開關單元的該第一端、該第二端與該第三端。

在一實施例中，該第二開關單元包括：一第二MOSFET元件，具有一源極端、一汲極端與一閘極端，其中該源極端與該汲極端分別作為該第二開關單元的該第一端與該第二端；以及一第一接地電阻，其一端耦接該第二MOSFET元件的該閘極端，且其另一端作為該第二開關單元的該接地端。

在一實施例中，該第一開關單元包括：一第三MOSFET元件，具有一源極端、一汲極端與一閘極端，其中該源極端與該汲極端分別作為該第一開關單元的該第一端與該第二端；以及一第二接地電阻，其一端耦接該第三MOSFET元件的該閘極端，且其另一端作為該第一開關單元的該接地端。

在可行的實施例中，本發明之電流檢測電路更包括：一驅動單元，耦接一控制信號，且依據該控制信號產生一驅動信號傳送至該第三開關單元的該第三端。

在一實施例中，該第一比較器為一自動歸零第一比較器(auto-zero comparator)，且該第一MOSFET元件、該第二MOSFET元件和該第三MOSFET元件皆為一P型MOSFET元件。

在一實施例中，該電流源包括：一第二比較器，具有一正輸入端、一負輸入端與一輸出端，其中該負輸入端耦接一帶隙電壓；一第四MOSFET元件，具有一源極端、一汲極端與一閘極端，其中該源極端耦接一工作電壓，該汲極端耦接該第二比較器的該正輸入端，且該閘極端耦接該第二比較器的該輸出端；一第五MOSFET元件，具有一源極端、一汲極端與一閘極端，其中該源極端耦接一工作電壓，且該閘極端耦接該第二比較器的該輸出端；一第一電流鏡，耦接該第五MOSFET元件的該汲極端，且具有一電性端作為該電流源的該電流端；一第二電流鏡，與該第一電流鏡疊接，且具有一電性端作為該電流源的該接地端；以及一可變電阻，耦接於該接地端和該第四MOSFET元件的該汲極端之間。

在一實施例中，該第四MOSFET元件與該第五MOSFET元件皆為一P型MOSFET元件。

此外，本發明還提出一種電子晶片檢測裝置的一實施例，用以對一電子晶片進行功能測試，其特徵在於，包含至少一如前所述本發明之電流檢測電路。

在一實施例中，該電子晶片為選自於由觸控晶片、顯示驅動晶片、顯示驅動和觸控整合單晶片、指紋識別晶片、數位處理晶片、FPGA晶片、CPLD晶片、電源管理晶片、基頻晶片、和基板管理晶片所組成群組之中的任一者。

為使貴審查委員能進一步瞭解本發明之結構、特徵、目的、與其優點，茲附以圖式及較佳具體實施例之詳細說明如後。

請參閱圖2，其為本發明之一種電流檢測電路的電路拓樸圖。如圖2所示，本發明之電流檢測電路1係用於對一電子晶片2進行各種模式的操作電流檢測，從而在該電子晶片2的操作電流超過閾值之時，報警提示該電子晶片2的功耗異常。在可行的實施例中，本發明可以整合在一晶片測試設備之中，且該電子晶片可以是但不限於觸控晶片、顯示驅動晶片、顯示驅動和觸控整合單晶片、指紋識別晶片、數位處理晶片、FPGA晶片、CPLD晶片、電源管理晶片、基頻晶片、或基板管理晶片。

如圖2所示，本發明之電流檢測電路1包括：一第一比較器11、一第一開關單元12、一第二開關單元13、一第三開關單元14、一電流源15、以及一驅動單元16，其中，該第一比較器11具有一正輸入端、一負輸入端與一輸出端。另一方面，該第一開關單元12具有一第一端、一第二端與一接地端，其中，該第一端耦接一電源，且該第二端耦接該第一比較器11的該正輸入端。並且，該第二開關單元13具有一第一端、一第二端與一接地端，其中，該第一端耦接該電源，且該第二端耦接該第一比較器11的該負輸入端。進一步地，該第三開關單元14具有一第一端、一第二端與一第三端，其中，該第一端耦接該電源，且該第二端耦接該第二開關單元13的該第二端以及該第一比較器11的該負輸入端。再者，該電流源15具有一電流端與一接地端，其中該電流端耦接該第一開關單元12的該第二端以及該第一比較器11的該正輸入端。

具體地，如圖2所示，該第三開關單元14包括一第一MOSFET元件M1，且該第一MOSFET元件M1具有一源極端、一汲極端與一閘極端分別作為該第三開關單元14的該第一端、該第二端與該第三端。值得注意的是，該驅動單元16耦接一控制信號，從而依據該控制信號產生一驅動信號傳送至該第一MOSFET元件M1的該閘極端。更詳細地說明，該第二開關單元13包括一第二MOSFET元件M2以及一第一接地電阻131，其中該第二MOSFET元件M2具有一源極端、一汲極端與一閘極端，且該源極端與該汲極端分別作為該第二開關單元13的該第一端與該第二端。並且，該第一接地電阻131的一端耦接該第二MOSFET元件M2的該閘極端，且其另一端作為該第二開關單元13的該接地端。

進一步地，如圖2所示，該第一開關單元12包括一第三MOSFET元件M3以及一第二接地電阻121，其中該第三MOSFET元件M3具有一源極端、一汲極端與一閘極端，且該源極端與該汲極端分別作為該第一開關單元12的該第一端與該第二端。並且，該第二接地電阻121的一端耦接該第三MOSFET元件M3的該閘極端，且其另一端作為該第一開關單元12的該接地端。

實際應用本發明之時，在考慮到有效降低該第一比較器11的偏移電壓(Offset voltage)的情況下，可以將以一自動歸零第一比較器(auto-zero comparator)作為所述第一比較器11。另外，如圖2所示，該第一MOSFET元件M1、該第二MOSFET元件M2和該第三MOSFET元件M3皆為一P型MOSFET元件，其中該第一MOSFET元件M1為一可控開關元件，其係受控於該驅動單元16，並具有小於2Ω的低導通阻抗。另一方面，特別地，該第二MOSFET元件M2和該第三MOSFET元件M3採共質心(Common centroid)對稱的方式排列，且其導通阻抗高於該第一MOSFET元件M1。更詳細地說明，該第三MOSFET元件M3亦為一可控開關元件，其係受控於該電流源15，使得傳送至該第一比較器11的該正輸入端的一參考電壓Vref=Isink*R3，其中R3為第三MOSFET元件M3操作在線性區時的導通阻抗。進一步地，在考慮到靜電防護(ESD)的情況下，利用該第一接地電阻131將該第二MOSFET元件M2的該閘極端耦接至該接地端，且利用該第二接地電阻121將該第三MOSFET元件M3的該閘極端耦接至該接地端。

本發明之電流檢測電路1可整合在一電子晶片檢測裝置(或稱晶片測試設備)之中，用以對一電子晶片2進行各種模式的操作電流檢測。在該電子晶片2的上電過程中，該第二MOSFET元件M2和該第三MOSFET元件M3導通，該電流源15關閉，且該第一比較器11亦關閉，其中該第二MOSFET元件M2的導通確保該電子晶片2不會在上電過程中鎖死。另一方面，當該電子晶片2操作於閒置模式或睡眠模式之時，該第一MOSFET元件M1導通或關閉(與晶片操作電流有關)，該第二MOSFET元件M2導通，該第一比較器11關閉，且該電流源15亦關閉。再者，當該電子晶片2操作於工作模式之時，該第一MOSFET元件M1和該第二MOSFET元件M2皆導通，該第一比較器11關閉，且該電流源15亦關閉。簡單地說，在不進行電流檢測的情況下，該第一比較器11和該電流源15皆關閉。相反地，在電流檢測模式下，該第一比較器11和該電流源15皆開啟，該第一MOSFET元件M1關閉，且該第二MOSFET元件M2導通。

補充說明的是，該第二MOSFET元件M2的導通電阻(R2)和該第三MOSFET元件M3的導通電阻(R3)大於該第一MOSFET元件M1的導通電阻(R1)，且R2和R3會隨著電阻電容工藝角(RC corner)以及工作溫度而飄移，例如飄移±50%。即使如此，由於該第二MOSFET元件M2和該第三MOSFET元件M3採共質心(Common centroid)對稱的方式排列，因此R2/R3的值的飄移僅有±1%，這樣的設計保證了本發明之電流檢測電路1能夠檢測出正確的操作電流。舉例而言，該電子晶片2在睡眠模式、閒置模式和工作模式的操作電流分別為1～50μA、50～500μA和5～15mA。若R1的電阻值設計在0.5～2Ω且R2和R3的電阻值設計在25～75Ω，當該電子晶片2的工作模式的操作電流為10mA時，該電流源15輸出1mA的檢測電流Isink可造成25～75mV的電壓降。由於本發明之電流檢測電路1的電流檢測精度和R2/R3的值的漂移度正相關，因此電流檢測精度為1mA±1%。進一步地。若引入該第一比較器11的1mV誤差，則電流檢測精度變為24mV/(25Ω*101%)～26mV/(25Ω*99%)＝0.95mA～1.05mA。

圖3為圖2所示之電流源15的電路拓樸圖。如圖3所示，在一示範性實施例中，該電流源15包括：一第二比較器151、一第四MOSFET元件M4、一第五MOSFET元件M5、一第一電流鏡152、以及一第二電流鏡153，其中，該第二比較器151具有一正輸入端、一負輸入端與一輸出端，且該負輸入端耦接一帶隙電壓Vbg。另一方面，該第四MOSFET元件M4具有一源極端、一汲極端與一閘極端，其中該源極端耦接一工作電壓，該汲極端耦接該第二比較器151的該正輸入端，且該閘極端耦接該第二比較器151的該輸出端。並且，該第五MOSFET元件M5具有一源極端、一汲極端與一閘極端，其中該源極端耦接一工作電壓，且該閘極端耦接該第二比較器151的該輸出端。並且，如圖3所示，該第四MOSFET元件M4與該第五MOSFET元件M5皆為一P型MOSFET元件。更詳細地說明，該第一電流鏡152，耦接該第五MOSFET元件M5的該汲極端，且具有一電性端作為該電流源15的該電流端。並且，該第二電流鏡153與該第一電流鏡152疊接，且具有一電性端作為該電流源15的該接地端。再者，該可變電阻154耦接於該接地端和該第四MOSFET元件M4的該汲極端之間。

如圖3所示，檢測電流Isink的計算公式為：Isink=n*Vbg/RL，其中RL為該可變電阻154的電阻值。因此，可通過調示RL來得到精確的Isink。此外，為降低溫度漂移，可採用開關電容結構作為該可變電阻154。

如此，上述已完整且清楚地說明本發明之電流檢測電路；並且，經由上述可得知本發明具有下列優點：

(1)本發明揭示一種電流檢測電路，用於對一電子晶片進行各種模式的操作電流檢測，從而在該電子晶片的操作電流超過閾值之時，報警提示該電子晶片的功耗異常。

(2)本發明之電流檢測電路的電流檢測精度可達1mA±1%。另外，在考慮比較器具有1mV誤差的情況下，本發明之電流檢測電路的電流檢測精度仍可為0.95mA～1.05mA。

(3)本發明還提出一種電子晶片檢測裝置的一實施例，用以對一電子晶片進行功能測試，其特徵在於，包含至少一如前所述本發明之電流檢測電路。

必須加以強調的是，前述本案所揭示者乃為較佳實施例，舉凡局部之變更或修飾而源於本案之技術思想而為熟習該項技藝之人所易於推知者，俱不脫本案之專利權範疇。

綜上所陳，本案無論目的、手段與功效，皆顯示其迥異於習知技術，且其首先發明合於實用，確實符合發明之專利要件，懇請貴審查委員明察，並早日賜予專利俾嘉惠社會，是為至禱。

1a:電流檢測電路 11a:電流採樣電阻 12a:比較器 2a:電子晶片 1:電流檢測電路 11:第一比較器 12:第一開關單元 121:第二接地電阻 13:第二開關單元 131:第一接地電阻 14:第三開關單元 15:電流源 151:第二比較器 152:第一電流鏡 153:第二電流鏡 16:驅動單元 M1:第一MOSFET元件 M2:第二MOSFET元件 M3:第三MOSFET元件 M4:第四MOSFET元件 M5:第五MOSFET元件 2:電子晶片

圖1為習知的一種電流檢測電路的電路拓樸圖；圖2為本發明之一種電流檢測電路的電路拓樸圖；以及圖3為圖2所示之電流源的電路拓樸圖。

1:電流檢測電路

11:第一比較器

12:第一開關單元

121:第二接地電阻

13:第二開關單元

131:第一接地電阻

14:第三開關單元

15:電流源

16:驅動單元

M1:第一MOSFET元件

M2:第二MOSFET元件

M3:第三MOSFET元件

2:電子晶片

Claims

一種電流檢測電路，包括：一第一比較器，具有一正輸入端、一負輸入端與一輸出端；一第一開關單元，具有一第一端、一第二端與一接地端，其中該第一端耦接一電源，且該第二端耦接該第一比較器的該正輸入端；一第二開關單元，具有一第三端、一第四端與一接地端，其中該第三端耦接該電源，且該第四端耦接該第一比較器的該負輸入端；一第三開關單元，具有一第五端、一第六端與一第七端，其中該第五端耦接該電源，且該第六端耦接該第二開關單元的該第四端以及該第一比較器的該負輸入端；以及一電流源，具有一電流端與一接地端，其中該電流端耦接該第一開關單元的該第二端以及該第一比較器的該正輸入端。
如請求項1所述之電流檢測電路，其中，該第三開關單元包括：一第一MOSFET元件，具有一源極端、一汲極端與一閘極端分別作為該第三開關單元的該第五端、該第六端與該第七端。
如請求項2所述之電流檢測電路，係更包括：一驅動單元，耦接一控制信號，且依據該控制信號產生一驅動信號傳送至該第三開關單元的該第七端。
如請求項2所述之電流檢測電路，其中，該第二開關單元包括：一第二MOSFET元件，具有一源極端、一汲極端與一閘極端，其中該源極端與該汲極端分別作為該第二開關單元的該第三端與該第四端；以及一第一接地電阻，其一端耦接該第二MOSFET元件的該閘極端，且其另一端作為該第二開關單元的該接地端。
如請求項4所述之電流檢測電路，其中，該第一開關單元包括：一第三MOSFET元件，具有一源極端、一汲極端與一閘極端，其中該源極端與該汲極端分別作為該第一開關單元的該第一端與該第二端；以及一第二接地電阻，其一端耦接該第三MOSFET元件的該閘極端，且其另一端作為該第一開關單元的該接地端。
如請求項5所述之電流檢測電路，其中，該第一比較器為一自動歸零第一比較器(auto-zero comparator)，且該第一MOSFET元件、該第二MOSFET元件和該第三MOSFET元件皆為一P型MOSFET元件。
如請求項4所述之電流檢測電路，其中，該電流源包括：一第二比較器，具有一正輸入端、一負輸入端與一輸出端，其中該負輸入端耦接一帶隙電壓；一第四MOSFET元件，具有一源極端、一汲極端與一閘極端，其中該源極端耦接一工作電壓，該汲極端耦接該第二比較器的該正輸入端，且該閘極端耦接該第二比較器的該輸出端；一第五MOSFET元件，具有一源極端、一汲極端與一閘極端，其中該源極端耦接一工作電壓，且該閘極端耦接該第二比較器的該輸出端；一第一電流鏡，耦接該第五MOSFET元件的該汲極端，且具有一電性端作為該電流源的該電流端；一第二電流鏡，與該第一電流鏡疊接，且具有一電性端作為該電流源的該接地端；以及一可變電阻，耦接於該接地端和該第四MOSFET元件的該汲極端之間。
如請求項7所述之電流檢測電路，其中，該第四MOSFET元件與該第五MOSFET元件皆為一P型MOSFET元件。
一種電子晶片檢測裝置，用以對一電子晶片進行功能測試，其特徵在於，包含至少一如請求項1至請求項8之中任一項所述之電流檢測電路。
如請求項9所述之電子晶片檢測裝置，其中，該電子晶片為選自於由觸控晶片、顯示驅動晶片、顯示驅動和觸控整合單晶片、指紋識別晶片、數位處理晶片、FPGA晶片、CPLD晶片、電源管理晶片、基頻晶片、和基板管理晶片所組成群組之中的任一者。