УСТРОЙСТВО И СХЕМА КАЛИБРОВКИ ИЛИ НАСТРОЙКИ ВСТРОЕННЫХ В МИКРОСХЕМУ РЕГУЛЯТОРОВ БЕЗ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КОНТАКТОВ ВВОДА-ВЫВОДА
DEVICE AND CIRCUIT OF CALIBRATION OR ADJUSTMENT OF REGULATORS BUILT-IN INTO A MICROCHIP WITHOUT USE OF INPUT-OUTPUT CONTACTS

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА
[1] По этой заявке испрашивается приоритет непредварительной заявки на патент США № 14/820,380, поданной 6 августа 2015 и озаглавленной “Apparatus and Scheme for IO-Pin-Less Calibration or Trimming of On-Chip Regulators”, которая включена в настоящее описание путем ссылки, как если бы она была полностью воспроизведена.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
[2] Настоящее изобретение в общем относится к системе и способу калибровки или настройки без контактов ввода-вывода (I/O) регуляторов, встроенных в микросхему, и, в конкретных вариантах осуществления, к системе и способу калибровки или настройки без контактов ввода-вывода (I/O) встроенных в микросхему регуляторов с малым падением напряжения (OCLDO).
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[3] Многие мобильные устройства используют многоядерные или многопроцессорные системы для работы с высокой производительностью и малыми затратами мощности. Эти мобильные устройства имеют множество областей питания на микросхеме, и встроенные в микросхему регуляторы с малым падением напряжения (LDO) широко используются для обеспечения этих областей питания.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[4] В соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения, способ управления напряжением питания включает в себя этапы, на которых обеспечивают первый периодический сигнал путем подачи опорного напряжения на генератор колебаний, обеспечивают второй периодический сигнал путем подачи напряжения (Vout) питания источника напряжения на генератор колебаний, обеспечивают первое значение счетчика путем измерения первых периодов первого периодического сигнала, обеспечивают второе значение счетчика путем измерения вторых периодов второго периодического сигнала и сравнивают первое значение счетчика со вторым значением счетчика.
[5] В соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения, схема включает в себя генератор колебаний, выполненный с возможностью обеспечения первого периодического сигнала из первого входящего сигнала и второго периодического сигнала из второго входящего сигнала, счетчик, выполненный с возможностью подсчета первых периодов первого периодического сигнала и вторых периодов второго периодического сигнала, и блок сравнения, выполненный с возможностью сравнения первого значения счетчика со вторым значением счетчика.
[6] В соответствии с еще одним вариантом осуществления настоящего изобретения, микросхема включает в себя первый блок обработки, первый встроенный в микросхему регулятор с малым падением напряжения (OCLDO), подающий выходное напряжение на первый блок обработки, и схему управления напряжением, электрически соединенную с первым блоком обработки и первым OCLDO, при этом схема управления напряжением выполнена с возможностью управления выходным напряжением OCLDO, и при этом схема управления напряжением не подает сигнал на контакт микросхемы.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[7] Для лучшего понимания настоящего изобретения и его преимуществ теперь дается ссылка на следующее ниже описание, взятое в сочетании с прилагаемыми чертежами, на которых:
[8] фигура 1 показывает схему измерения напряжения в соответствии с одним вариантом осуществления;
[9] фигура 2 показывает кольцевой генератор в соответствии с одним вариантом осуществления;
[10] фигура 3 показывает синхросигнал, обеспечиваемый кольцевым генератором в соответствии с одним вариантом осуществления;
[11] фигура 4 показывает цифровой частотомер в соответствии с одним вариантом осуществления; и
[12] фигура 5 показывает способ измерения сигнала напряжения в соответствии с одним вариантом осуществления.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЛЛЮСТРАТИВНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
[13] Проблема с традиционными встроенными в микросхему LDO (или OCLDO) состоит в том, как тестировать выходные сигналы этих OCLDO без выведения этих сигналов из микросхемы (например, без обеспечения дополнительного контакта). Например, когда отсутствует управление выходным сигналом LDO (таким как IDLE_OCLDO), точность выходного сигнала значительно ухудшается, и, соответственно, ухудшается энергетическая эффективность микросхемы. Обеспечение дополнительного контакта или дополнительных контактов расходует полезную площадь кристалла, которая может быть недоступна при текущих размерах. Альтернативно, доступные контакты могут использоваться для более полезных целей, чем просто обеспечение функций тестирования. Однако без тестирования и калибровки точность регулятора напряжения является неприемлемой из-за его высокого потребления энергии.
[14] Варианты осуществления настоящего изобретения обеспечивают схему измерения, управления и калибровки без контактов для регулятора напряжения. Варианты осуществления настоящего изобретения дополнительно обеспечивают способ измерения, управления и калибровки регулятора напряжения.
[15] Может иметься необходимость управления потреблением энергии (с питанием от аккумулятора) микросхем для обеспечения эффективного управления питанием. Микросхема, как правило, использует регулятор напряжения для обеспечения конкретной области напряжения. Микросхема может работать наиболее эффективно в конкретной рабочей точке или рабочем диапазоне. Эти рабочие точки/диапазоны могут зависеть от напряжения питания и других параметров окружения, таких как температура и нагрузка микросхемы. Для наиболее точной и наиболее эффективной эксплуатации микросхемы может иметься необходимость управления и, при необходимости, корректировки напряжения питания регулятора напряжения, среди прочих параметров.
[16] Современные микросхемы могут включать в себя несколько процессоров, каждый из которых может содержать несколько исполнительных блоков (ядер) или контроллеров и могут нуждаться в нескольких областях напряжения. Регуляторы напряжения могут обеспечивать эти области напряжений, и может иметься необходимость управления, корректировки, калибровки и настройки каждого регулятора напряжения.
[17] В некоторых вариантах осуществления регулятор напряжения является бесконденсаторным встроенным в микросхему LDO (OCLDO), и цепь измерения является схемой измерения или управления без контактов. Соответственно, настройка или калибровка бесконденсаторного OCLDO не нуждается в каком-либо дополнительном контакте. Другими словами, дополнительный контакт не требуется для управления, измерения, калибровки и настройки регулятора напряжения.
[18] Фигура 1 показывает интегральную микросхему (IC) 100, содержащую контроллер 105, регулятор 110 напряжения (например, OCLDO) и схему 115 управления напряжением или измерения. Схема 115 управления напряжением содержит генератор колебаний, такой как кольцевой генератор 120, селектор 130, первый счетчик 140, второй счетчик 150, блок 160 сравнения и дополнительный селектор 170. Контроллер 105 может быть частью калибровочной схемы, которая калибрует напряжение питания (выходное напряжение) регулятора 110 напряжения. Контроллер 105 может калибровать или настраивать регулятор 110 напряжения так, чтобы рабочий диапазон или рабочая точка IC 100 были точно установлены и управлялись несмотря на вариации процесса, температуры, подачи питания и нагрузки.
DDIN
OUT
REF
[19] Регулятор 110 напряжения может иметь три точки подключения. Неотрегулированное входное напряжение V обеспечивается в первой точке подключения, опорное напряжение обеспечивается во второй точке подключения, и отрегулированное выходное напряжение (напряжение питания) V обеспечивается в третьей точке подключения. Генератор 120 колебаний может иметь по меньшей мере две точки подключения. Первая точка подключения, входная точка подключения, может быть соединена с выходной точкой подключения регулятора 110 напряжения через селектор 130 или с опорным напряжением, V, также через селектор 130. Вторая точка подключения, выходная точка подключения, может обеспечивать выходной сигнал, содержащий повторяющийся или периодический сигнал, такой как напряжение, имеющее некоторую частоту.
REF
OUT
REF
[20] Селектор 130 может быть мультиплексором (MUX). Альтернативно, селектор может быть переключателем или комбинацией переключателей. MUX может выборочно соединять выходную точку подключения регулятора 110 напряжения с генератором 120 колебаний или опорное напряжение V с генератором 120 колебаний. Альтернативно, когда переключатель S2 замкнут и переключатель S1 разомкнут, генератор 120 колебаний соединяется с выходной точкой подключения регулятора 110 напряжения и обеспечивается выходным напряжением V, а когда переключатель S2 разомкнут и переключатель S1 замкнут, генератор 120 колебаний соединяется с входом опорного напряжения и обеспечивается опорным напряжением V. Переключатели могут переключаться так, что опорное напряжение подсоединяется к генератору 120 колебаний в течение первого периода времени, а выходное напряжение регулятора 110 напряжения - в течение второго периода времени. Эти периоды времени могут не перекрываться.
[21] Переключатели S1 и S2 могут быть одинаковыми переключателями или разными переключателями. Переключатели S1, S2 могут быть полупроводниковыми переключателями или переключателями других подходящих типов. Однако эти устройства показаны только с иллюстративными целями, и могут использоваться другие устройства переключения.
[22] Выходная точка подключения генератора 120 колебаний соединяется со счетчиками 140, 150. Счетчики 140, 150 могут быть двумя счетчиками или одним интегрированным счетчиком. Выход генератора 120 колебаний может соединяться со счетчиками 140, 150 через дополнительный селектор 170. Селектор 170 может быть демультиплексором (DEMUX). Альтернативно, дополнительный селектор 170 может быть переключателем или комбинацией переключателей. Аналогично входному селектору 130 выходной селектор 170 может содержать первый переключатель и второй переключатель. Переключатели могут быть одинаковыми переключателями или разными переключателями. Переключатели могут быть полупроводниковыми переключателями или переключателями других подходящих типов. Однако эти устройства показаны только с иллюстративными целями, и могут использоваться другие устройства переключения.
REF
OUT
[23] Генератор 120 колебаний обеспечивает аналоговый выходной сигнал, имеющий повторяющийся или периодический сигнал, такой как напряжение с некоторой частотой. Частота может зависеть от напряжения, приложенного к входной точке(ам) подключения генератора 120 колебаний. Чем выше входное напряжение, тем выше частота на выходе генератора 120 колебаний, и чем ниже входное напряжение, тем ниже частота выходного напряжения генератора 120 колебаний. Селектор (например, DEMUX) 170 может соединять выходную точку подключения генератора 120 колебаний с входной точкой подключения первого счетчика 140, когда селектор 130 (например, переключатель S1 замкнут) соединяет опорную точку (V) подключения с генератором 120 колебаний, и может соединять выходную точку подключения генератора 120 колебаний со вторым счетчиком 150, когда селектор (например, второй переключатель S2 замкнут) соединяет выходное напряжение (V) регулятора 110 напряжения с генератором 120 колебаний.
DDIN
DDIN
DDIN
OUT
REF
[24] Счетчики 140, 150 могут быть цифровыми счетчиками, которые подсчитывают частоту аналоговых выходных сигналов генератора 120 колебаний и обеспечивают цифровые выходные сигналы, такие как n-битовые дискретные числа. Дискретные числа сравниваются в блоке 160 сравнения. Если числа совпадают, например, равны предварительно определенному значению, записывается соответствующее входное напряжение V. Блок 160 сравнения может обеспечивать выходной сигнал на основании анализа «прошел/не прошел». Выходной сигнал блока 160 сравнения может быть предоставлен контроллеру 105. Контроллер 105 может управлять входным сигналом на регулятор 110 напряжения (V). Если сравниваемые числа не совпадают, входное напряжение V корректируется, например, понижается, и выходная частота генератора 120 колебаний, основанная на выходном напряжении (V) регулятора 110 напряжения, снова измеряется с помощью счетчика 150 и сравнивается с опорным напряжением Vв блоке 160 сравнения. Этот процесс повторяется до тех пор, пока выходные числа счетчиков 140, 150 не совпадут.
OUT
REF
OUT
[25] Совпадение может включать в себя диапазон. Фактически генератор 120 колебаний и счетчики 140, 150 делают своего рода аналого-цифровое преобразование (ADC). Частью ADC является дискретизация, поскольку непрерывный диапазон X отображается на меньший набор чисел в диапазоне Y, и ошибка дискретизации (разрешение), как правило в битах, зависит от конструкции и ее характеристик. Например, 8-разрядная конструкция может обеспечивать разрешение в 100 мВ, тогда как 16-разрядная конструкция может обеспечивать разрешение в 10 мВ. Так как вход блока 160 сравнения является цифровым, он сравнивает n-битовые числа. Другими словами, «совпадение» блока 160 сравнения может зависеть от разрешения генератора 120 колебаний и счетчиков 140, 150. Соответственно, совпадение (и поэтому прохождение) может означать, что измеренное V находится в пределах диапазона 200 мВ или диапазона 500 мВ опорного напряжения V. Альтернативно, совпадение может означать, что измеренное V находится в пределах диапазона 20 мВ или диапазона 50 мВ этого опорного напряжения.
[26] Различные элементы (регулятор 110 напряжения, генератор 120 колебаний, счетчики 140, 150 и т.д.) схемы 100 могут соединяться через проводящие линии или систему шин. В некоторых вариантах осуществления элементы могут непосредственно соединяться друг с другом без каких-либо промежуточных элементов.
[27] Регулятор 110 напряжения может быть линейным регулятором с малым падением напряжения (LDO) или стандартным линейным регулятором. В другом варианте осуществления регулятор 110 напряжения содержит другие регуляторы. LDO может регулировать выходное напряжение, которое подается от входа с более высоким напряжением. LDO может требовать минимального напряжения на регуляторе для поддержания регулировки.
DD
REF
OUT
[28] Генератор 120 колебаний может быть кольцевым генератором. В других вариантах осуществления генератор колебаний содержит RC-генератор или LC-генератор. Вариант осуществления кольцевого 120 генератора показан на фигуре 2. Кольцевой 120 генератор может быть многокаскадным кольцевым генератором. Кольцевой 120 генератор содержит нечетное число инверторов, соединенных последовательно, для формирования замкнутого цикла с положительной обратной связью. В некоторых вариантах осуществления кольцевой 120 генератор может содержать три каскада, в том числе первый инвертор 202, второй инвертор 204 и третий инвертор 206. На все инверторы 202-206 подается напряжение V питанияили, как вариант, Vили V. Выходная точка подключения первого инвертора 202 соединяется с входной точкой подключения второго инвертора 204, а выходная точка подключения второго инвертора 204 соединяется с входной точкой подключения третьего инвертора 206. Выходной сигнал последнего инвертора 206 подается обратно в первый инвертор 202.
DD
[29] Когда на кольцевой 120 генератор подается питание, выходная точка подключения третьего инвертора 206 обеспечивает частотный сигнал, такой как синхросигнал CLK. Частота колебаний сигнала CLK зависит от напряжения V питания. Фигура 3 показывает иллюстративный синхросигнал CLK, обеспеченный в выходной точке подключения генератора 120 колебаний. Синхросигнал может содержать любой другой периодический или повторяющийся сигнал, такой как синусоидальный сигнал. В некоторых вариантах осуществления кольцевой генератор 120 содержит элементы НЕ-И (NAND) или элементы НЕ-ИЛИ (NOR).
[30] Счетчики 140, 150 могут быть цифровыми частотомерами. В других вариантах осуществления счетчики 140, 150 могут быть аналоговыми счетчиками, таймерами или другими устройствами, которые считают повторяющиеся части сигнала. Фигура 4 показывает вариант осуществления цифрового частотомера. Цифровой частотомер 140, 150 подсчитывает выходную частоту генератора колебаний. Значение счетчика непосредственно соответствует частоте выхода генератора колебаний.
[31] Цифровой частотомер может быть основан на принципе подсчета переходов через ноль (непрерывного) сигнала. В альтернативных вариантах осуществления могут использоваться другие принципы для подсчета для непрерывного или периодического сигнала (например, частоты). Цифровой частотомер может содержать микшер, частоту локального генератора, обеспечиваемую внутренне или извне, один или несколько умножителей и цифровой счетчик. Счетчик на фигуре 4 содержит три входных точки подключения и выходную точку подключения. Одна из входных точек подключения принимает выходной сигнал генератора колебаний, такого как генератор 120 колебаний. Другие входные точки подключения могут использоваться для сброса и запуска/остановки. Выходная точка подключения может обеспечивать дискретное число, такое как n-битовое число.
DDIN
[32] Блок 160 сравнения может быть n-битовым блоком сравнения. Например, n-битовый блок сравнения может сравнивать выходы цифрового частотомера, и если два значения выхода счетчика являются одинаковыми, выводить «1», а если два значения не являются одинаковыми, выводить «0». Выходной сигнал блока сравнения (логический сигнал) может направляться контроллеру 105. Контроллер 105 может хранить соответствующие напряжения (входные напряжения (V) регулятора 110 напряжения) во встроенном в микросхему регистре или памяти. В некоторых вариантах осуществления соответствующие напряжения могут направляться из микросхемы (IC) через любой мультиплексированный контакт цифрового сигнала для наблюдения с помощью прибора для проверки.
[33] В некоторых вариантах осуществления схема 115 управления может динамически соединяться с несколькими регуляторами напряжения (например, LDO) на микросхеме (IC) 100. Соответственно, схема 115 управления может управлять несколькими LDO. Например, первый LDO, подающий первое напряжение на область первого напряжения, соединяется со схемой 115 управления в течение первого периода времени (например, с помощью переключателя), при этом схема 115 управления измеряет и сравнивает выходное напряжение первого LDO. После этого второй LDO, подающий второе напряжение на область второго напряжения, соединяется, например, с помощью второго переключателя со схемой 115 управления в течение второго периода времени для измерения и управления выходным напряжением второго LDO и так далее. В некоторых вариантах осуществления схема 115 управления может быть реализована в программном обеспечении, аппаратном обеспечении или частично в программном обеспечении и аппаратном обеспечении.
[34] Схема 115 управления может не содержать контакт ввода-вывода (I/O). Напряжение может проверяться или управляться в пределах микросхемы (IC) 100 без направления тестового сигнала (через контакт ввода-вывода (I/O)) из микросхемы.
[35] В других вариантах осуществления схема 115 может использоваться для тестирования аналоговых сигналов в микросхеме. Например, схема 115 может быть модифицирована путем замены встроенного в микросхему LDO 110 на встроенный в микросхему регулятор напряжения (IVR) или встроенный в микросхему импульсный источник питания (SMPS). Схема 115 может использоваться для измерения или проверки любого опорного напряжения, такого как опорное напряжение, определяемое шириной запрещенной зоны, или любые области напряжения. Такая архитектура имеет то преимущество, что уменьшаются затраты на тесты, и что система упрощается.
[36] Схема 100 может быть интегрирована с другим устройством или элементом и размещена как модуль или компонент в смартфоне, мобильном устройстве, мобильном устройстве c питанием от аккумулятора, носимом устройстве c питанием от аккумулятора, портативных устройствах или беспроводном устройстве, и это перечислены лишь некоторые примеры.
OUT
REF
REF
[37] Фигура 5 показывает способ 500 для калибровки и настройки выходного напряжения регулятора напряжения, такого как регулятор с малым падением напряжения (LDO) или встроенный в микросхему LDO (OCLDO). Процесс начинается с первого этапа 502 с соединения генератора колебаний, такого как кольцевой генератор, с выходным напряжением (V) регулятора напряжения через селектор (например, мультиплексор, переключатели и т.д.). Например, переключатель S2 отключает генератор колебаний от выходной точки подключения регулятора напряжения, а переключатель S1 соединяет генератор колебаний с опорной точкой подключения, предоставляющей опорное напряжение (V). Генератор колебаний вырабатывает выходную частоту на основании опорного напряжения (V). На следующем этапе 504 выходная частота генератора колебаний измеряется первым счетчиком, таким как первый цифровой счетчик. Первый счетчик предоставляет первое значение счетчика (например, n-битовое дискретное число) для выходной частоты генератора колебаний блоку сравнения.
OUT
[38] На следующем этапе 506 генератор колебаний переключается так, что опорное напряжение отключается от точки подключения опорного напряжения и соединяется с точкой подключения выходного напряжения регулятора напряжения. Например, генератор колебаний отключается от точки подключения опорного напряжения с помощью переключателя S1 и соединяется с точкой подключения выходного напряжения регулятора напряжения с помощью переключателя S2. Затем генератор колебаний работает на основании входного напряжения регулятора (V) напряжения и обеспечивает вторую выходную частоту. Чем выше входное напряжение, подаваемое на генератор колебаний (выходное напряжение регулятора напряжения), тем выше выходная частота генератора колебаний, и чем ниже входное напряжение, тем ниже выходная частота генератора колебаний. Снова измеряется вторая выходная частота, на сей раз вторым счетчиком, например, вторым цифровым счетчиком. Это показано на этапе 508 процесса. Измеренное второе значение счетчика (например, другое n-битовое дискретное число) для второй выходной частоты предоставляется блоку сравнения.
DDIN
DDIN
DDIN
DDIN
REF
OUT
DDIN
[39] Затем блок сравнения сравнивает два значения счетчиков в блоке 510 ветвления. Когда первое значение счетчика является таким же, как второе значение счетчика, на этапе 512 записывается входное напряжение V, подаваемое на регулятор напряжения. Когда первое значение счетчика не является таким же, как второе значение счетчика, входное напряжение V корректируется (например, уменьшается или увеличивается) на этапе 514. Когда входное напряжение V корректируется (например, уменьшается), вторым счетчиком снова измеряется частота генератора колебаний для входного напряжения V, и второе значение счетчика пересылается блоку сравнения, который снова сравнивает первое значение счетчика (основанное на опорном напряжении V) со вторым значением счетчика (основанным на выходном напряжении V регулятора напряжения). Когда первое значение счетчика и второе значение счетчика совпадают, входное напряжение V записывается, а когда значения счетчиков не совпадают, процесс снова итеративно повторяется через этапы обработки/принятия решения 508/510, пока значения не совпадут.
[40] Хотя это изобретение было описано со ссылкой на иллюстративные варианты осуществления, это описание не должно толковаться в ограничительном смысле. Различные модификации и комбинации иллюстративных вариантов осуществления, а также других вариантов осуществления изобретения, будут очевидны для специалистов в области техники после ссылки на описание. Поэтому предполагается, что прилагаемая формула изобретения охватывает любые такие модификации или варианты осуществления.