TWI841050B

TWI841050B - 電壓偵測裝置與電壓保護方法

Info

Publication number: TWI841050B
Application number: TW111143303A
Authority: TW
Inventors: 王威評; 鄭偉志; 劉彥苹
Original assignee: 大陸商星宸科技股份有限公司
Priority date: 2022-11-11
Filing date: 2022-11-11
Publication date: 2024-05-01
Also published as: TW202420736A

Abstract

電壓偵測裝置包含分壓電路、比較電路以及切換控制電路。分壓電路基於一切換訊號操作於一第一模式，並對一電源電壓進行分壓以產生一輸入電壓。比較電路比較該輸入電壓與一組參考電壓，以產生一偵測訊號。切換控制電路在該電源電壓開始通電後的一預設期間之後根據該偵測訊號選擇性地調整該切換訊號，以控制該分壓電路由操作於該第一模式切換為操作於一第二模式，其中該第一模式對應於該電源電壓的一第一目標位準，該第二模式對應於該電源電壓的一第二目標位準，且該第一目標位準高於該第二目標位準。

Description

電壓偵測裝置與電壓保護方法

本案是關於電壓偵測裝置，尤其是可在電源電壓在通電過程中提供系統或電路過電壓保護的電壓偵測裝置與電壓保護方法。

在一些應用中，部分電路會使用到不同的電壓位準。例如，輸入輸出介面電路需經由不同位準的電壓進行供電，以相應地產生具有不同位準的訊號。由於實際需求，可能需要使用具有較低耐壓的電晶體來實現可操作於高電壓環境下的電路。以前述的輸入輸出介面電路為例，為了適用於不同的電壓位準，輸入輸出介面電路通常會具有多種電路組態以及過電壓保護機制，以確保該些電晶體不會在操作於高電壓位準的情形下受到損害。在現有技術中，為了設定輸入輸出介面電路的電路組態，通常需要使用多組分壓電路以及多組比較器(其分別對應於不同的電壓位準)來判斷電源電壓是位於高電壓位準或是低電壓位準。如此，將耗費較大的電路面積與成本。

於一些實施態樣中，本案的目的之一在於提供一種電壓偵測裝置與電壓保護方法，其可在通電過程中提供電壓保護並自動偵測電源電壓的目標位準，並可改善先前技術的不足。

於一些實施態樣中，電壓偵測裝置包含分壓電路、比較電路以及切換控制電路。分壓電路基於一切換訊號操作於一第一模式，並對一電源電壓進行分壓以產生一輸入電壓。比較電路比較該輸入電壓與一組參考電壓，以產生一偵測訊號。切換控制電路在該電源電壓開始通電後的一預設期間之後根據該偵測訊號選擇性地調整該切換訊號，以控制該分壓電路由操作於該第一模式切換為操作於一第二模式，其中該第一模式對應於該電源電壓的一第一目標位準，該第二模式對應於該電源電壓的一第二目標位準，且該第一目標位準高於該第二目標位準。

於一些實施態樣中，電壓保護方法包含下列操作：基於一切換訊號控制一分壓電路操作於一第一模式，並經由該分壓電路對一電源電壓進行分壓以產生一輸入電壓；比較該輸入電壓與一組參考電壓，以產生一偵測訊號；以及在該電源電壓開始通電後的一預設期間之後根據該偵測訊號選擇性地調整該切換訊號，以控制該分壓電路由該第一模式切換為操作於一第二模式，其中該第一模式對應於該電源電壓的一第一目標位準，該第二模式對應於該電源電壓的一第二目標位準，且該第一目標位準高於該第二目標位準。

有關本案的特徵、實作與功效，茲配合圖式作較佳實施例詳細說明如下。

100:電壓偵測裝置

100A:輸入輸出介面電路

110:分壓電路

120:比較電路

130:切換控制電路

210:延遲電路

220:反相器

230:邏輯閘

240,250:正反器

310:多工器

320:比較器

600:電壓保護方法

AVDD,V3:電壓

S1,S2:訊號

S610,S620,S630:操作

SD:偵測訊號

SS:切換訊號

ST:觸發訊號

VF:旗標訊號

VFD:延遲訊號

VIH,VIL:電壓

VIN:輸入電壓

VP:電源電壓

VREF:一組參考電壓

t0~t3:時間

〔圖1〕為根據本案一些實施例繪製的一種電壓偵測裝置的示意圖；〔圖2〕為根據本案一些實施例繪製圖1的切換控制電路的示意圖；〔圖3〕為根據本案一些實施例繪製圖1的比較電路的示意圖；〔圖4〕為根據本案一些實施例繪製圖1的電壓偵測裝置中的部分訊號之波形圖；〔圖5〕為根據本案一些實施例繪製圖1的電壓偵測裝置中的部分訊號之波形圖；以及〔圖6〕為根據本案一些實施例繪製的一種電壓保護方法的流程圖。

本文所使用的所有詞彙具有其通常的意涵。上述之詞彙在普遍常用之字典中之定義，在本案的內容中包含任一於此討論的詞彙之使用例子僅為示例，不應限制到本案之範圍與意涵。同樣地，本案亦不僅以於此說明書所示出的各種實施例為限。

關於本文中所使用之『耦接』或『連接』，均可指二或多個元件相互直接作實體或電性接觸，或是相互間接作實體或電性接觸，亦可指二或多個元件相互操作或動作。如本文所用，用語『電路』可為由至少一個電晶體與/或至少一個主被動元件按一定方式連接以處理訊號的裝置。

圖1為根據本案一些實施例繪製一種電壓偵測裝置100的示意圖。於一些實施例中，電壓偵測裝置100可偵測電源電壓VP位於第一目標位準或是第二目標位準(其低於第一目標位準)，以相應地切換系統中的相關電路設定，從而避免系統中的電路受到過電壓的損壞。例如，電源電壓VP可用來驅動，但不限於，輸入輸出介面電路100A。在不同應用中，輸入輸出介面電路100A中的電路組態可設定為高壓模式(對應於第一目標位準)或低壓模式(對應於第二目標位準)。例如，若電源電壓VP具有第一目標位準(例如可為3.3伏特)，輸入輸出介面電路100A可操作於高壓模式，以輸出具有較高位準的訊號。於此條件下，輸入輸出介面電路100A中的過電壓保護機制可啟動以保護具有較低耐壓的電晶體。或者，若電源電壓VP具有第二目標位準(例如可為1.8伏特)，輸入輸出介面電路100A可操作於低壓模式，以輸出具有較低位準的訊號。於此條件下，輸入輸出介面電路100A中的過電壓保護機制可關閉。在一些實施例中，輸入輸出介面電路100A為通用輸入/輸出(general purpose input/output,GPIO)介面電路。

電壓偵測裝置100包含分壓電路110、比較電路120與切換控制電路130。分壓電路110基於切換訊號SS操作於第一模式(其對應於第一目標位準)，並對電源電壓VP進行分壓以產生輸入電壓VIN。如後所述，分壓電路110更基於切換訊號SS切換為操作於第二模式(其對應於第二目標位準)。在不同的第一與第二模式下，分壓電路110具有不同的組態，以對具有不同位準的電源電壓VP進行分壓。舉例而言，分壓電路110可包含串接耦接的多個電阻，且該些電阻中的一或多者可為可變電阻，且其阻值受控於切換訊號SS。若切換訊號SS具有第一邏輯值(例如為邏輯值1)時，該一或多個可變電阻的阻值會相應調整，以對具有第一目標位準的電源電壓VP進行分壓。或者，若切換訊號SS具有第二邏輯值(例如為邏輯值0)時，該一或多個可變電阻的阻值將相應調整，以對具有第二目標位準的電源電壓VP進行分壓。在一些實施例中，當系統通電或是電源電壓VP通電時，分壓電路110預設為操作於第一模式。

比較電路120將輸入電壓VIN與一組參考電壓VREF進行比較，以產生偵測訊號SD。例如，該組參考電壓VREF包含電壓VIH以及電壓VIL，其中電壓VIH高於電壓VIL。若輸入電壓VIN高於電壓VIH，代表電源電壓VP的位準已上升至第一或第二目標位準並趨於穩定。於此條件下，偵測訊號SD具有第一邏輯值(例如為邏輯值1)。或者，若輸入電壓VIN低於電壓VIL，代表電源電壓VP的位準已過低。於此條件下，偵測訊號SD具有第二邏輯值(例如為邏輯值0)。

在一些實施例中，該組參考電壓VREF是來自於一參考電壓產生器(未示出)，且該參考電壓產生器可根據切換訊號SS選擇性地調整該組參考電壓VREF。例如，若切換訊號SS具有邏輯值1，該參考電壓產生器可選擇對應於第一目標位準的電壓VIH與電壓VIL為該組參考電壓VREF。或者，若切換訊號SS具有邏輯值0，該參考電壓產生器可選擇對應於第二目標位準的電壓VIH與電壓VIL為該組參考電壓VREF。

切換控制電路130在電源電壓VP通電後的一預設期間內根據偵測訊號SD選擇性地調整切換訊號SS，以控制分壓電路110由操作於第一模式切換為操作於第二模式。例如，切換控制電路130可根據旗標訊號VF決定是否調整切換訊號SS。旗標訊號VF在該預設期間內具有一邏輯值(例如為邏輯值0)，並在該預設期間之後切換為具有另一邏輯值(例如為邏輯值1)。因此，切換控制電路130可根據旗標訊號VF判斷該預設期間是否到期，以開始根據偵測訊號SD決定是否要調整切換訊號SS。在預設期間內，切換控制電路130不調整切換訊號SS，以使分壓電路110可在預設期間內持續操作在第一模式。在預設期間之後，若偵測訊號SD指示輸入電壓VIN低於該組參考電壓VREF，切換控制電路130調整切換訊號SS，以控制分壓電路110切換為操作在第二模式。相關操作將於後參照圖2或圖5進行說明。

在一些實施例中，旗標訊號VF可由一計數器(未示出)產生。例如，該計數器可在系統通電或是電源電壓VP通電時開始計數，並在計數值等於一預設值(亦即預設期間到期)時切換該旗標訊號VF的邏輯值。例如，在預設期間內，旗標訊號VF具有邏輯值0。在預設期間之後，旗標訊號VF具有邏輯值1。在另一些實施例中，旗標訊號VF可基於系統中的軟體或韌體之控制產生。藉由上述設置方式，在電源電壓VP開始通電時，分壓電路110會持續地操作在第一模式(其對應於具有較高目標位準的電源電壓VP)，並在通電過程開始之後的一段時間根據電源電壓VP所達到的實際位準自動地選擇是否要切換分壓電路110的操作模式。如此，可確保分壓電路110以及輸入輸出介面電路100A在電源電壓VP的通電過程中是以對應於高電壓的電路組態進行運作，以避免電源電壓VP對具有低耐壓的電晶體造成損害。在一些實施例中，可透過量測或模擬來確認電源電壓VP上升到目標位準所需要的時間，以設定預設期間的時間長度。

在一些相關技術中，電壓偵測裝置需使用對應於多個不同目標位準的多組分壓電路與多組比較器，以確認欲使用的電路組態為何。相對於上述的相關技術，在本案的一些實施例中，電壓偵測裝置100可在使用一個比較電路120以及一個分壓電路110的條件下，利用時序控制來判斷電源電壓VP在預設期間後的目標位準，並在通電過程中控制分壓電路110以及輸入輸出介面電路 100A使用對應於高電壓的電路組態進行運作。如此，可在通電過程中提供電壓保護，並在通電完成之後根據實際的電壓位準切換到合適的操作模式。

圖2為根據本案一些實施例繪製圖1的切換控制電路130的示意圖。切換控制電路130包含延遲電路210、反相器220、邏輯閘230、正反器240以及正反器250。延遲電路210根據旗標訊號VF產生延遲訊號VFD。在一些實施例中，延遲電路210可為引入至少一個閘延遲(gate delay)的數位電路，其可延遲旗標訊號VF以產生延遲訊號VFD。切換控制電路130可根據旗標訊號VF以及延遲訊號VFD決定是否調整切換訊號SS。

反相器220根據旗標訊號VF選擇性地通電以產生訊號S1。例如，反相器220可為具有電源閘控的反相器。當旗標訊號VF為邏輯值0時，反相器220不通電並輸出具有邏輯值1的訊號S1。或者，當旗標訊號VF為邏輯值1時，反相器220通電並根據電壓AVDD輸出具有邏輯值0的訊號S1。如前所述，在電源電壓VP開始通電的預設期間內，旗標訊號VF具有邏輯值0。換言之，在該預設期間之內，反相器220可持續輸出具有邏輯值1的訊號S1。另一方面，在該預設期間後，旗標訊號VF切換為具有邏輯值1。如此，在該預設期間之後，反相器220輸出具有邏輯值0的訊號S1。

邏輯閘230根據偵測訊號SD以及訊號S1產生觸發訊號ST。於一些實施例中，邏輯閘230可為反互斥或(XNOR)閘。如前所述，在電源電壓VP開始通電的預設期間之後，反相器220輸出具有邏輯值0的訊號S1。若輸入電壓VIN在該預設期間之後低於該組參考電壓VREF，偵測訊號SD具有邏輯值0。於此條件下，代表電源電壓VP是位於較低的第二目標位準。因此，邏輯閘230可輸出具有邏輯值1的觸發訊號ST，以觸發正反器240進行運作，從而調整切換訊號SS。或者，若偵測訊號SD在該預設期間之後仍高於該組參考電壓VREF，偵測訊號SD具有邏輯值1。於此條件下，代表電源電壓VP是位於較高的第一目標位準。因此，邏輯閘230可持續輸出具有邏輯值0的觸發訊號ST，而不調整切換訊號SS。

正反器240根據觸發訊號ST將電壓AVDD輸出為訊號S2，並根據旗標訊號VF進行重置。正反器250耦接至正反器240，並根據延遲訊號VFD以及訊號S2輸出切換訊號SS，並根據延遲訊號VFD進行重置，其中切換訊號SS的邏輯值相反於訊號S2的邏輯值。舉例而言，正反器240與正反器250中每一者為具有重置端(標示為RN)的D型正反器。正反器240的重置端接收旗標訊號VF，且正反器250的重置端與時脈接收端接收延遲訊號VFD。如此，正反器240與正反器250中每一者在該預設期間內將被重置，使得訊號S2與切換訊號SS具有固定的位準。例如，訊號S2在預設期間內將持續地具有邏輯值0，且切換訊號SS在預設期間內將持續地具有邏輯值1。正反器250的資料輸入端(標示為D)接收訊號S2，且正反器250的反相輸出端(標示為QN)輸出切換訊號SS，使得切換訊號SS的邏輯值相反於訊號S2的邏輯值。

藉由上述設置方式，在電源電壓VP開始通電後的預設期間內，正反器240與正反器250將基於旗標訊號VF進行重置，從而將內部訊號重置到預設位準。如此，可保持切換訊號SS在預設期間內不變(即可使正反器250持續地輸出具有邏輯值1的切換訊號SS)，以保持分壓電路110持續操作在對應於較高的第一目標位準之第一模式。在該預設期間之後，旗標訊號VF切換為具有邏輯值1，使得正反器240與正反器250不再進行重置。於此條件下，若觸發訊號ST有發生轉態(例如從邏輯值0切換到邏輯值1)，正反器240可將電壓AVDD輸出為訊號S2，且正反器250可根據訊號S2與延遲訊號VFD產生具有邏輯值0的切換訊號SS，以控制分壓電路110操作在對應於較低的第二目標位準之第二模式。或者，若觸發訊號ST未發生轉態，正反器250可持續輸出具有邏輯值1的切換訊號SS，以使分壓電路110可持續操作於第一模式。

圖3為根據本案一些實施例繪製圖1中的比較電路120的示意圖。比較電路120包含多工器310以及比較器320。多工器310根據偵測訊號SD選擇性地將電壓VIH或是電壓VIL輸出為電壓V3。例如，多工器310包含第一開關與第二開關。當偵測訊號SD具有低位準(例如為邏輯值0)時，第一開關導通以將電壓VIH輸出為電壓V3。或者，當偵測訊號SD具有高位準(例如為邏輯值1)時，第二開關導通以將電壓VIL輸出為電壓V3。比較器320將輸入電壓VIN與電壓V3進行比較以產生偵測訊號SD。如此一來，當輸入電壓VIN高於電壓VIH時，偵測訊號SD可具有高位準。或者，當輸入電壓VIN低於電壓VIL時，偵測訊號SD可具有低位準。

圖4為根據本案一些實施例繪製圖1的電壓偵測裝置100中的部分訊號之波形圖。在圖4的例子中，電源電壓VP是設置為第一目標位準。亦即，電源電壓VP在通電過程中會上升到較高的位準(例如為，但不限於，3.3伏特)。在時間t0，電源電壓VP開始通電，且分壓電路110根據切換訊號SS操作於對應於第一目標位準的第一模式以對電源電壓VP進行分壓，以產生輸入電壓VIN。在時間t1，電源電壓VP到達第一目標位準，使得偵測訊號SD切換為邏輯值1。在時間t2，預設期間(例如為時間t0與時間t2之間的期間)期滿，使得旗標訊號VF由邏輯值0切換到邏輯值1。在時間t3，延遲訊號VFD亦從邏輯值0切換到邏輯值1。由於電源電壓VP穩定地處於第一目標位準，在預設期間之後的偵測訊號SD仍持續地具有邏輯值1。於此條件下，切換控制電路130可判斷電源電壓VP是位於較高的第一目標位準，故不調整切換訊號SS。如此，可維持分壓電路110以及輸入輸出介面電路100A維持操作在高壓模式。

圖5為根據本案一些實施例繪製圖1的電壓偵測裝置100中的部分訊號之波形圖。在圖5的例子中，電源電壓VP是設置為第二目標位準。亦即，電源電壓VP在通電過程中會上升到較低的位準(例如為，但不限於，1.8伏特)。在時間t0，電源電壓VP開始通電，且分壓電路110根據切換訊號SS操作於對應於較高第一目標位準的第一模式以對電源電壓VP進行分壓，以產生輸入電壓VIN。在時間t1，電源電壓VP到達第二目標位準。然而，由於分壓電路110操作於第一模式，使得偵測訊號SD具有邏輯值0。在時間t2，預設期間(例如為時間t0與時間t2之間的期間)期滿，使得旗標訊號VF由邏輯值0切換到邏輯值1。在時間t3，延遲訊號VFD亦從邏輯值0切換到邏輯值1。由於電源電壓VP是處於較低的第二目標位準，在預設期間之後的偵測訊號SD具有邏輯值0。於此條件下，切換控制電路130可判斷電源電壓VP是位於較低的第二目標位準，故將切換訊號SS由邏輯值1調整為邏輯值0。分壓電路110可基於切換訊號SS切換為操作在對應於第二目標位準的第二模式，以產生較高的輸入電壓VIN。如此一來，比較電路120可產生較高的偵測訊號SD。據此，比較電路120可判斷電源電壓VP已穩定地位於第二目標位準，故可控制輸入輸出介面電路100A改操作在低壓模式。

圖6為根據本案一些實施例繪製的一種電壓保護方法600的流程圖。在操作S610，基於一切換訊號控制一分壓電路操作於一第一模式，並經由該分壓電路對一電源電壓進行分壓以產生一輸入電壓。在操作S620，比較該輸入電壓與一組參考電壓，以產生偵測訊號。在操作S630，在該電源電壓開始通電後的一預設期間之後根據該偵測訊號選擇性地調整該切換訊號，以控制該分壓電路由操作於該第一模式切換為操作於一第二模式，其中該第一模式對應於該電源電壓的一第一目標位準，該第二模式對應於該電源電壓的一第二目標位準，且該第一目標位準高於該第二目標位準。

上述多個操作之說明可參照前述各個實施例，故不再重複贅述。上述電壓保護方法600的多個操作僅為示例，並非限定需依照此示例中的順序執行。在不違背本案的各實施例的操作方式與範圍下，在電壓保護方法600下的各種操作當可適當地增加、替換、省略或以不同順序執行(例如可以是同時執行或是部分同時執行)。

綜上所述，本案一些實施例中的電壓偵測裝置以及電壓保護方法可利用一個比較電路以及一個分壓電路並搭配時序控制，在電源電壓的通電過程中維持電路組態操作在高壓模式，並自動偵測電源電壓的目標位準以在通電完成後自動切換電路組態。如此，可確保電壓偵測裝置以及欲驅動的電路不會在通電過程中受到過電壓的損害，並可在通電完成後自動切換到適合的電路組態。

雖然本案之實施例如上所述，然而該些實施例並非用來限定本案，本技術領域具有通常知識者可依據本案之明示或隱含之內容對本案之技術特徵施以變化，凡此種種變化均可能屬於本案所尋求之專利保護範疇，換言之，本案之專利保護範圍須視本說明書之申請專利範圍所界定者為準。