一種具有系統(tǒng)及電池電量仲裁的低功率實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路的制作方法
【專利摘要】一種具有系統(tǒng)及電池電量仲裁的低功率實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路，提供一種功率仲裁，低電池電壓檢測(cè)電路，及電池支持電路的操作，在該系統(tǒng)中，系統(tǒng)的電源電壓范圍與一個(gè)電池源的范圍重疊。調(diào)壓器被用來(lái)調(diào)節(jié)電池電壓，這樣，電池源的電壓范圍就低于系統(tǒng)供給的范圍。
【專利說(shuō)明】—種具有系統(tǒng)及電池電量仲裁的低功率實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路
【技術(shù)領(lǐng)域】:
[0001]本發(fā)明涉及到工作在低功率水平并使用電池作為備份電源的系統(tǒng)，更具體地，有關(guān)一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路，該電路包括功率仲裁電路，用于在系統(tǒng)電源和電池電源之間轉(zhuǎn)換，在系統(tǒng)電源的電壓范圍與電池的電壓范圍重疊的情況下。
【背景技術(shù)】:
[0002]便攜式和連續(xù)工作的電子系統(tǒng)，通常包括工作在低功率水平的電路。通常包含電池作為備份電源，來(lái)補(bǔ)充系統(tǒng)電源。這些系統(tǒng)還包括在兩個(gè)電源之間仲裁的電路，選擇激勵(lì)由系統(tǒng)電源提供還是由電池提供，并提供一個(gè)開關(guān)裝置用于選擇合適的電源。
[0003]這些系統(tǒng)通常還包括一個(gè)監(jiān)測(cè)電池電壓的電路，如果電池電壓降低于臨界水平它將會(huì)發(fā)出警報(bào)，還包括一個(gè)低功率，低電壓振蕩器，允許低功率狀態(tài)機(jī)操作使用電池作為電源。系統(tǒng)電源典型的電壓范圍是5V (±10%)，電池的典型電壓范圍為3V(±20%)。
[0004]圖1 (a)到(C)是框圖，顯示了先前技術(shù)中便攜式或連續(xù)工作的系統(tǒng)的(Ia)功率仲裁，(Ib)電池電壓檢測(cè)，(Ic)低功率振蕩器電路。如圖1 (a)所示，功率仲裁電路20輸入為系統(tǒng)電源(Vsys) 22和電池電源電壓(VBatt)24。電源22和24輸入到比較器26，比較器26產(chǎn)生一個(gè)輸出信號(hào),表明哪個(gè)輸入更高。比較器26的輸出信號(hào)提供到反相器28,并作為一個(gè)控制信號(hào)提供到晶體管32的柵極。反相器32的輸出作為一個(gè)控制信號(hào)提供給晶體管30的柵極。仲裁電路20功能為選擇Vsys和乂_24中更高的作為系統(tǒng)內(nèi)部電源總線(VPP)34的電源電壓。當(dāng)系統(tǒng)被驅(qū)動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)電源22被選擇，當(dāng)系統(tǒng)處于斷電狀態(tài)時(shí)，電池電源24被選擇。內(nèi)部總線34連接到更高的電源，在另一個(gè)電源低于更高的電壓幾毫伏。以這種方式，內(nèi)部總線上保持恒定的功率。
[0005]當(dāng)電池電壓VBatt24低于一個(gè)預(yù)定的水平VMf40時(shí)，圖1 (b)低電池電壓檢測(cè)電路36提供一個(gè)警報(bào)信號(hào)38。在圖1 (b)的例子中，V&40被設(shè)置約等于比較器42中包含的MOS晶體管導(dǎo)通電壓Vt的兩倍。如圖所示，VBatt24和VMf作為比較器42的輸入，當(dāng)VBatt24低于Vtef時(shí),輸出低電池電壓檢測(cè)報(bào)警信號(hào)38。
[0006]圖1 (c)的低功率振蕩電路44功能為提供一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘信號(hào)，以振蕩器46的形式，對(duì)于狀態(tài)機(jī)或計(jì)數(shù)器48這些裝置的操作。這種情況下，內(nèi)部總線VPP34上的電壓(該電壓等于系統(tǒng)電壓或電池電壓中的)充當(dāng)振蕩器46及其他電池支持電路的電源。
[0007]圖1 (a)的功率仲裁電路提供一個(gè)可靠的電源，當(dāng)系統(tǒng)電源電壓不與電池電源電壓重疊時(shí)。這是因?yàn)橹俨秒娐房梢悦鞔_識(shí)別較高的電源電壓。但是，當(dāng)系統(tǒng)電源電壓范圍和電池電源電壓范圍重疊時(shí)，這“較高的電源”是不可靠的，例如，一個(gè)系統(tǒng)的系統(tǒng)電壓為
3.3V± 10 %，電池電壓為3V± 20 %，這種情況就可能發(fā)生。這樣類型的較低電壓系統(tǒng)變得越來(lái)越普通，電壓仲裁和低電量檢測(cè)的其他方法必須被開發(fā)。
[0008]電路圖1 (a) — (C)的另一個(gè)方面，對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用，電路圖必須與高速邏輯裝置結(jié)合，電路的部件被限制于高速數(shù)字處理可得到的部件。這對(duì)可用的結(jié)構(gòu)和方法是一個(gè)約束，這些結(jié)構(gòu)和方法可被用來(lái)形成電路圖，并影響電路的設(shè)計(jì)。[0009]所需的是功率仲裁，低電池電量檢測(cè)電路，系統(tǒng)的電池支持電路的操作，這個(gè)系統(tǒng)中系統(tǒng)電源電壓范圍與電池電源重疊。對(duì)于那些在該領(lǐng)域熟悉的人，只要閱讀了本發(fā)明的詳細(xì)說(shuō)明以及附圖，本發(fā)明的這些及其他優(yōu)點(diǎn)將會(huì)是顯而易見的。

【發(fā)明內(nèi)容】
:
[0010]本發(fā)明針對(duì)功率仲裁，低電池電壓檢測(cè)電路，及電池支持電路的操作，系統(tǒng)電源電壓范圍與電池電源電壓范圍重疊。本發(fā)明根據(jù)實(shí)時(shí)時(shí)鐘的應(yīng)用描述，但它的原理也可應(yīng)用到其他工作在低功率的系統(tǒng)，包括一個(gè)備份電池電源。
[0011]本發(fā)明的技術(shù)解決方案:
[0012]本發(fā)明使用一個(gè)調(diào)壓器，用來(lái)調(diào)節(jié)電池電壓，所以電池電源的電壓范圍低于系統(tǒng)電源的電壓范圍。該調(diào)壓器基于硅帶隙參考方法，且消耗很少的電流量，所以電池壽命不會(huì)被明顯地影響。該調(diào)壓器輸出電壓比電池有更小的變化。溫度及電源電壓補(bǔ)償電壓，由閾下電流源，寄生的雙極裝置及電壓緩沖的組合產(chǎn)生，被用來(lái)提供電壓源給系統(tǒng)的電池支持電路。調(diào)節(jié)后的電壓，被設(shè)置為一個(gè)低于系統(tǒng)電源的值，并充當(dāng)功率仲裁電路的電池電源輸入。調(diào)節(jié)過的電壓，使本發(fā)明的內(nèi)部功率仲裁方案，等同于現(xiàn)有仲裁電路，即使電池和系統(tǒng)電源電壓范圍重疊。
[0013]對(duì)比專利文獻(xiàn):CN201262720Y實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路 200820153394.4，CN202748694U—種實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路201220284661.8
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】:
[0014]通過以下詳細(xì)描述和附圖，本發(fā)明進(jìn)一步地目的和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得明顯。
[0015]圖1 (a) —(C)是顯示了先前技術(shù)中的便攜式或連續(xù)工作系統(tǒng)的框圖，(Ia)功率仲裁電路，(Ib)低電池電壓檢測(cè)電路，(Ic)低功率振蕩器電路。
[0016]圖2 (a) —(d)是本發(fā)明低功率實(shí)時(shí)時(shí)鐘形式體現(xiàn)的框圖，(2a)功率仲裁電路，(2b)低電池電壓檢測(cè)，(2c)低功率振蕩器，(2d)電源監(jiān)控電路。
[0017]圖3的框圖顯示了本發(fā)明實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路的主要成分。
[0018]圖4是本發(fā)明實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路調(diào)壓器的原理圖。
[0019]圖5是圖4調(diào)壓器包含的啟動(dòng)電路的原理圖。
[0020]圖6是本發(fā)明實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路功率比較器模塊的原理圖。
[0021]圖7是圖6功率開關(guān)電路的原理圖。
[0022]圖8是本發(fā)明實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路閾下電流源的原理圖。
[0023]圖9是圖8電流源中包含的啟動(dòng)電路的原理圖。
[0024]圖10是本發(fā)明實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路低功率振蕩器的原理圖。
[0025]圖11是本發(fā)明實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路低電量檢測(cè)電路的原理圖。
[0026]圖12是本發(fā)明實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路的有效RAM和時(shí)間(VRT)控制電路的原理圖。
【具體實(shí)施方式】:
[0027]雖然本發(fā)明將會(huì)在低功率實(shí)時(shí)時(shí)鐘的背景下描述，但是，本發(fā)明的原理和方法可被應(yīng)用到其他類型的系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)和電池電壓范圍重疊時(shí)，這些系統(tǒng)需要一個(gè)區(qū)別系統(tǒng)電源和電池電源的裝置。
[0028]本發(fā)明的實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路被設(shè)計(jì)工作在系統(tǒng)電源和電池電源的電壓范圍重疊的環(huán)境下。這種情況下，平常的“較高電源”仲裁方法不能適當(dāng)?shù)毓ぷ鳌＿@潛在的問題通過調(diào)節(jié)電池電壓來(lái)克服，所以電池電源的電壓范圍低于系統(tǒng)電源的電壓范圍。標(biāo)準(zhǔn)調(diào)節(jié)器率耗散電流，速率比本發(fā)明應(yīng)用所需的速率快的多，因此它不合適。這是因?yàn)槭褂脴?biāo)準(zhǔn)調(diào)節(jié)器對(duì)減小電池壽命有很大的影響，不符合本發(fā)明的目的?？朔@個(gè)問題需要設(shè)計(jì)一個(gè)調(diào)壓器，它以正常速率的小部分(約1/1000)耗散電流。另外，調(diào)壓器需要能夠與高速數(shù)字電路結(jié)合在一個(gè)基片上，以一種兼容核心CMOS工藝的方式，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了該需求。
[0029]本發(fā)明重要?jiǎng)?chuàng)造力方面有關(guān)它的可制造性。本發(fā)明解決的一個(gè)約束，是將具有高性能的低功率實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路與高功率數(shù)字電路整合在一個(gè)基片上，以一種不需要額外處理步驟的方式整合，除了在核心高速數(shù)字CMOS工藝中發(fā)現(xiàn)的方式。該方面是非凡的，因?yàn)榇蠖鄶?shù)高性能數(shù)字處理被設(shè)計(jì)來(lái)適應(yīng)裝置，這些裝置單元跨導(dǎo)很大，具有非常低的電阻材料以及只有寄生的，優(yōu)化的雙極設(shè)備。這種處理優(yōu)先考慮速度而不是功耗。
[0030]相反，為了起作用的，本發(fā)明的低功率實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路需要并使用了減小功耗的技術(shù)，通過四個(gè)或五個(gè)數(shù)量級(jí)與根據(jù)高性能數(shù)字處理方法的等效電路相比。該設(shè)計(jì)技術(shù)完成這個(gè)目標(biāo)，體現(xiàn)在描述了低功率實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路的圖中，包括:布局匹配單元裝置(即圖4中的電阻RGB)，圖8中的電阻網(wǎng)絡(luò)，圖8的P溝道電流分布網(wǎng)絡(luò)。該設(shè)計(jì)方法產(chǎn)生低偏壓電路，它以一種更可預(yù)測(cè)的方式工作。本發(fā)明使用的另一個(gè)設(shè)計(jì)技術(shù)是匹配晶體管的技術(shù)(即圖9中的P溝道電路)。這通過更好的控制寄生電阻來(lái)協(xié)助擴(kuò)展高性能操作的范圍。
[0031]圖2 (a) — Cd)的框圖顯示了本發(fā)明作為低實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路的一個(gè)體現(xiàn)，(2a)功率仲裁，(2b)低電池電壓檢測(cè)，(2c)低功率振蕩器，(2d)電源監(jiān)控電路。如圖(2a)所示，功率仲裁電路100輸入為系統(tǒng)電源電壓VSys22和參考電壓(VKef)104，VKrf是電壓調(diào)節(jié)器102的輸出。調(diào)節(jié)器102被構(gòu)造，這樣VKef低于系統(tǒng)電源電壓范圍的下限。調(diào)節(jié)器102的輸入是電池電源電壓VBatt24。電壓22和104輸入到比較器26,產(chǎn)生一個(gè)表明哪個(gè)輸入更高的輸出信號(hào)。該輸出信號(hào)提供到反相器28，并作為一個(gè)控制信號(hào)提供到晶體管32的柵極。反相器30的輸出作為控制信號(hào)提供給晶體管30的柵極。仲裁電路100功能為，在Vsys和VKef之間選擇一個(gè)更高的作為系統(tǒng)內(nèi)部總線VPP34的電源電壓。
[0032]圖2 (b)低電池電壓檢測(cè)電路110，當(dāng)電源電壓112低于參考電壓Vltef時(shí)，提供一個(gè)報(bào)警信號(hào)38。電源電壓VPOTel112代表電池電壓VBatt24或系統(tǒng)電源電壓VSys22中的一個(gè)，圖2 (b)所示類型的電路110執(zhí)行每一個(gè)Vpotot輸入。如圖所示，VpototI 12和VKef104作為比較器42的輸入，當(dāng)Vpotot低于VKef時(shí),輸出低電量檢測(cè)報(bào)警信號(hào)38。電壓源114提供Vtjffset,通過在VP。.輸入上產(chǎn)生一個(gè)電壓降來(lái)提供下降電源的早期檢測(cè)。
[0033]圖2 (C)低功率振蕩器電路120功能為提供一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘信號(hào)，以振蕩器46的形式，為了狀態(tài)機(jī)或計(jì)數(shù)器48的操作。這種情況下內(nèi)部總線VPP34上的電壓(等于系統(tǒng)電壓或參考電壓中的一個(gè))充當(dāng)振蕩器46及其他電池支持電路的電源。
[0034]圖2 (d)的連續(xù)恒定電源監(jiān)控電路130，在一個(gè)恒定電源故障檢測(cè)方案中使用圖2(b)的低電量檢測(cè)電路。存儲(chǔ)元件132監(jiān)控低電池和低系統(tǒng)電源檢測(cè)電路的輸出。升高復(fù)位電路記錄了系統(tǒng)電源和電池電源的總損耗，在這種情況下產(chǎn)生信號(hào)134。這提供對(duì)電源系統(tǒng)的連續(xù)監(jiān)控，與大多數(shù)先前技術(shù)中的系統(tǒng)形成對(duì)比，那些系統(tǒng)只是在系統(tǒng)工作期間采樣電池電源的狀態(tài)。對(duì)恒定電源連續(xù)的監(jiān)控，在系統(tǒng)或電池工作期間確保了數(shù)據(jù)的完整性，并在總功率損耗期間警告使用者數(shù)據(jù)損壞的可能性。該類型電路的可能應(yīng)用包括便攜式安全裝置，它的數(shù)據(jù)完整性是要緊的。
[0035]在圖2(d)的電源監(jiān)控電路130，恒定升高復(fù)位信號(hào)134提供一個(gè)輸入給或門136?；蜷T136的第二輸入由與門138的輸出提供，與門138的輸入為低電池電壓檢測(cè)信號(hào)140和低系統(tǒng)電壓檢測(cè)信號(hào)142。信號(hào)140和142作為圖2 (b)所示低電池電壓檢測(cè)和低系統(tǒng)電源檢測(cè)電路110的輸出。當(dāng)或門136輸出為高，這表明低電池和低系統(tǒng)電源電壓或系統(tǒng)和電池電源的總損失兩種情況之一。這造成存儲(chǔ)元件132被重置。存儲(chǔ)元件132的一般輸出是個(gè)狀態(tài)信號(hào)，表明了有效RAM和時(shí)間條件。
[0036]圖3的框圖顯示了本發(fā)明實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路的主要部分。如圖所示，功率比較器模塊152有兩個(gè)主輸入，系統(tǒng)電源電壓22 (圖中標(biāo)志為“SYSVDD”，輸入到比較器152的結(jié)點(diǎn)“RTCVDD”)和一個(gè)參考電壓104 (圖中標(biāo)志“RTCVREF”，并輸入到比較器152的結(jié)點(diǎn)“VBATT”)。參考電壓104產(chǎn)生在電壓調(diào)節(jié)器150的輸出，它的輸入電壓VBATINT，那個(gè)信號(hào)來(lái)自調(diào)節(jié)電池電源電壓24，借助于電阻162 (圖中標(biāo)志為“RBAT”)。RBAT162提供電池電源24和電路其他部分之間的限制。調(diào)壓器150有另一個(gè)輸入電流，由閾下電流源154提供，該電流源提供一個(gè)正比于絕對(duì)溫度的電流。該電流與調(diào)壓器150的部件相互作用，產(chǎn)生一個(gè)溫度和電源電壓補(bǔ)償電壓，該電壓隨后被緩沖，來(lái)提供足夠的功率給系統(tǒng)的電池支持電路。
[0037]調(diào)壓器150的使用提供一個(gè)方便的方式來(lái)報(bào)警系統(tǒng)到達(dá)低電池電壓狀況。低電池電壓檢測(cè)由低電池電壓檢測(cè)電路158完成。電路158的輸入是參考電壓104，由調(diào)壓器150產(chǎn)生(圖中標(biāo)志為“RTCVREF”并輸入到低電池電壓檢測(cè)電路158的結(jié)點(diǎn)“VREFIN”)，及條件電池電壓24 (圖中標(biāo)志為“VBATINT”并輸入到結(jié)點(diǎn)“VBATT”)。當(dāng)電池電壓低于參考電壓時(shí)，低電池電壓檢測(cè)電路158檢測(cè)，并輸出一個(gè)報(bào)警信號(hào)(圖中標(biāo)志為“LBD”)。
[0038]低功率振蕩器156—個(gè)輸入為振蕩器電壓信號(hào)，由閾下電流源154提供(圖中標(biāo)志為“V0SC”，輸入到振蕩器156的結(jié)點(diǎn)“VDDLP0”)。振蕩器156的輸出是一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘信號(hào)(標(biāo)志為“RTCCLK”)，該信號(hào)被用來(lái)控制其他電路的操作，比如狀態(tài)機(jī)或計(jì)數(shù)器。
[0039]有效RAM和時(shí)間(VRT)控制電路160被用于檢測(cè)，當(dāng)系統(tǒng)電源電壓降到規(guī)定參考電壓的預(yù)定值內(nèi)。低電池電壓檢測(cè)信號(hào)(來(lái)自電路158)和低系統(tǒng)電源電壓的組合，造成VRT控制電路160的存儲(chǔ)元件指示可靠電池電源的減少。來(lái)自閾下電流源154的信號(hào)(標(biāo)志為“ RUNNING”)作為存儲(chǔ)元件的上電初始化。
[0040]圖4是本發(fā)明實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路的電壓調(diào)節(jié)器150的原理圖。調(diào)壓器150包括一個(gè)階段，該階段有一個(gè)輸入(在標(biāo)志為“IBIASBG”的結(jié)點(diǎn)上)，一個(gè)正比于絕對(duì)溫度，由圖3的閾下電流源154產(chǎn)生。調(diào)壓器150的這個(gè)階段產(chǎn)生兩個(gè)電壓成分:(1)第一電壓成分，具有正溫度系數(shù)；(2)第二電壓成分，具有負(fù)溫度系數(shù)。如果這兩個(gè)電壓成分以適當(dāng)?shù)谋壤蠛?，它們各自的溫度變化可以近似地抵消。由于電流源?duì)電源電壓不敏感，結(jié)點(diǎn)IBIASBG上產(chǎn)生的電壓基本上不依賴系統(tǒng)和溫度。
[0041]調(diào)壓器150還包括一個(gè)電壓跟隨器階段，它將這兩個(gè)電壓成分的總和，緩沖擴(kuò)展到一個(gè)所需的工作范圍，并防止輸入到調(diào)壓器的電壓被電路裝載。調(diào)壓器150使用硅帶隙參考技術(shù)來(lái)調(diào)節(jié)電池電壓，使它低于系統(tǒng)電源電壓范圍。調(diào)壓器150消耗很少的電流量(通常小于I毫安)，所以電池壽命沒有被明顯地影響。參考電壓104中的變化小于電池自身的變化，參考電壓104由調(diào)壓器150產(chǎn)生。由閾下電流源154 (圖5中顯示更詳細(xì))產(chǎn)生的電流(圖中標(biāo)志為“ IBIASBG"),與電阻RBG200和橫向PNP晶體管204相互作用，提供溫度和電源電壓補(bǔ)償電壓。相應(yīng)的電壓隨后被一個(gè)電阻分壓器緩沖和擴(kuò)展，以提供足夠的功率給電池支持電路。
[0042]如上所述，調(diào)壓器根據(jù)硅帶隙參考技術(shù)。該帶隙調(diào)節(jié)電池電壓變化到一個(gè)電壓范圍，該電壓范圍比未調(diào)節(jié)的電池中存在的電壓范圍窄的多。這還用來(lái)把電池電壓轉(zhuǎn)化為一個(gè)范圍，使電池電源區(qū)別于系統(tǒng)電源(例子中的3.3V± 10%)。輸出參考電壓104通常為
2.3V。
[0043]包含在調(diào)壓器150中的帶隙提供一個(gè)電壓，該電壓包括一個(gè)具有正溫度系數(shù)的成分和具有負(fù)溫度系數(shù)的成分。這些成分以適當(dāng)?shù)谋壤釉谝黄?，獲得一個(gè)幾乎不依賴于溫度的電壓。
[0044]在調(diào)壓器150中，寄生橫向PNP晶體管204的基極發(fā)射極電壓，提供負(fù)溫度系數(shù)成分。之前討論的閾下電流源，在結(jié)點(diǎn)IBIASBG提供一個(gè)正比于絕對(duì)溫度(PTAT)的電流給晶體管204和帶隙電阻200。閾下電流源電阻和帶隙電阻200之比，在某種程度上以適當(dāng)?shù)谋壤砑觾蓚€(gè)電壓成分，來(lái)最小化溫度變化對(duì)參考電壓的影響。由閾下電流源，電阻200和晶體管204的工作而產(chǎn)生的電壓，決定了參考電壓104的值，它大約是結(jié)點(diǎn)IBIASBG上1.1一
1.2V電壓的兩倍。
[0045]調(diào)壓器150中包含的電壓跟隨器階段，作用為緩沖和擴(kuò)展結(jié)點(diǎn)IBIASBG上的電壓。該電壓跟隨器階段是一個(gè)限流運(yùn)算放大器，它輸出一個(gè)驅(qū)動(dòng)電壓，該電壓約是結(jié)點(diǎn)IBIASBG上輸入?yún)⒖茧妷旱膬杀?產(chǎn)生于這個(gè)例子中，大約2.3V作為參考電壓104)。兩倍電壓增加通過一組匹配的P溝道晶體管實(shí)現(xiàn)，每一對(duì)晶體管的Vbs等于O。這使得電壓感測(cè)不具有典型電阻材料的電流負(fù)載。
[0046]電壓跟隨器階段采用的擴(kuò)展方法，使用圖4顯示的RDIV裝置206。在高性能核心CMOS工藝中，非常大的電阻(阻值超過IOMeg)難以以一種經(jīng)濟(jì)或可靠的方式制造。為了擴(kuò)展參考電壓，電阻需要感測(cè)輸出電壓并提供一個(gè)反饋控制機(jī)構(gòu)，來(lái)穩(wěn)定輸出電壓。對(duì)于電池參考，需要非常大的電阻來(lái)防止禁止性功耗，并延長(zhǎng)電池壽命。在圖4的電路，電壓擴(kuò)展由一組匹配的P溝道晶體管來(lái)執(zhí)行，每一對(duì)晶體管的Vdg=O而Vbs=0。由于該裝置串聯(lián)連接，流過它們的電流相同。匹配的布局使用交叉耦合匹配單元裝置，每一對(duì)都有一個(gè)相配的電壓降。這提供一個(gè)方便的二分電壓功能。圖4所示的概念當(dāng)然可以延伸到η分電壓功能(其中η是一個(gè)整數(shù))。
[0047]調(diào)壓器150還包括啟動(dòng)電路210，它被用來(lái)防止零伏輸出，零安培輸入的引導(dǎo)條件，這可能在缺少系統(tǒng)電源時(shí)發(fā)生。這樣做是因?yàn)殚撓码娏髟措娫丛谀承顩r下可以是帶隙的輸出。
[0048]圖5是調(diào)壓器150包含的啟動(dòng)電路210的原理圖。如果閾下電流源啟動(dòng)，則啟動(dòng)電路210感測(cè)。這是重要的，因?yàn)槿绻麕稕]有初始化，那么該電流源可能沒有啟動(dòng)。如果啟動(dòng)電路210檢測(cè)到電流源沒有啟動(dòng)，則帶隙輸出被直接驅(qū)動(dòng)到電池電壓水平。當(dāng)電流源初始化，帶隙輸出為調(diào)整過的信號(hào)。
[0049]圖6是本發(fā)明實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路的功率比較器模塊152的原理圖。功率比較器152在系統(tǒng)電源電壓(標(biāo)志為“RTCVDD，，)和調(diào)節(jié)過的電池電源電壓(標(biāo)志為“VBATT，，)之間仲裁，調(diào)節(jié)過的電池電源電壓由調(diào)壓器150產(chǎn)生作為參考電壓104。
[0050]功率比較器152使用限流比較器，來(lái)把內(nèi)部電源軌道(標(biāo)志為“VPP”)連接到系統(tǒng)電源電壓或調(diào)節(jié)過的電池電壓。當(dāng)RTCVDD=VBATT時(shí)，該比較器把VPP連接到RTCVDD和VBATT中更高的電壓。一個(gè)額外的比較器使用一個(gè)電阻分壓器來(lái)提供下降電源的早期檢測(cè)(標(biāo)志為“CE”代表芯片啟動(dòng))。當(dāng)RTCVDD大約為調(diào)節(jié)后的電池電壓的1.2倍時(shí)，這個(gè)CE信號(hào)轉(zhuǎn)換為低。功率比較器152包括功率開關(guān)電路220, —旦收到一個(gè)控制信號(hào)(標(biāo)志為“RHBL”)，該電路把VPP連接到系統(tǒng)電源或調(diào)節(jié)后的電池電源，控制信號(hào)來(lái)自功率比較器152的比較器階段。
[0051]圖7是圖6功率開關(guān)電路220的原理圖。
[0052]圖8是本發(fā)明實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路的閾下電流源154的原理圖。正如先前討論的，電流源154產(chǎn)生一個(gè)正比于絕對(duì)溫度(PTAT)的電流(標(biāo)志為“10DTBG”)。電流源154還提供一個(gè)控制良好，低幅值的偏置電流(標(biāo)志為“10DT”)，該電流被分配給實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路的許多模擬部分。這促進(jìn)了低功率電路模塊的設(shè)計(jì)。
[0053]在圖8所示的電路中，輸出電流(Irat)流過結(jié)點(diǎn)“RDT”，該電流可被描述為:10Ut=kT/q*ln ((100/4)/ (25/4))/1.1Meg，其中，k=玻爾茲曼常數(shù)；q=電子電荷；T=絕對(duì)溫度。
[0054]在室溫下，1ut約等于36毫安。出現(xiàn)1.1Meg除數(shù)術(shù)語(yǔ)，是因?yàn)閳D8的電阻網(wǎng)絡(luò)具有與那個(gè)值接近的值。電流源154還包含電流鏡和旁路電容器，旁路電容器被用來(lái)適應(yīng)和分配輸出電流。電流產(chǎn)生階段的N溝道裝置(標(biāo)志為元件232和234)工作在亞閾值區(qū)。電流鏡中其余的P溝道裝置，將產(chǎn)生的電流以各種比例分配給電路的剩余部分。P溝道裝置沒有工作在亞閾值區(qū)。這被用來(lái)更精確地?cái)U(kuò)展及匹配產(chǎn)生的參考電流。電流源154還包括啟動(dòng)電路230，該電路可以在自舉電路中找到。閾下電流源電路154被仲裁電源(圖3中標(biāo)志為“VPP”)激勵(lì)，且不依賴于VPP值的變化。
[0055]圖9是圖8電流源包含的啟動(dòng)電路的原理圖。該電路與圖5中描述的啟動(dòng)電路的工作類似，也產(chǎn)生一個(gè)數(shù)字信號(hào)(標(biāo)志為“RUNNING”)。
[0056]圖10是本發(fā)明實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路的低功率振蕩器電路156的原理圖。振蕩器156被應(yīng)用作為一個(gè)限流，三級(jí)振蕩器。該電路被并聯(lián)電容器240補(bǔ)充，方法類似于美國(guó)專利N0.5528201，題為“具有可靠集成電路啟動(dòng)的皮爾斯晶體振蕩器”中描述的，那篇文章的內(nèi)容再次引入作為參考。
[0057]由于振蕩器156的低功率方面，限制了振蕩器放大器帶寬(目前體現(xiàn)中約為32KHZ)，數(shù)據(jù)選擇器250提供一條平行的路徑用于測(cè)試目的。檢測(cè)器可被用來(lái)驅(qū)動(dòng)更快的外部時(shí)鐘通過結(jié)點(diǎn)Xl (約為5MHZ)，來(lái)切換振蕩器時(shí)鐘信號(hào)輸出(標(biāo)志為“RTCCLK”)，并證明實(shí)時(shí)時(shí)鐘計(jì)數(shù)器的功能性。
[0058]圖11是本發(fā)明實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路的低電池電壓檢測(cè)電路158的原理圖。眾所周知地，電池電壓水平監(jiān)控是個(gè)電池支持系統(tǒng)的重要特性。低電池電壓檢測(cè)電路158包含兩個(gè)比較器。當(dāng)電池電壓(標(biāo)志為“VBATT”)低于調(diào)節(jié)后的電池電壓(標(biāo)志為“VREFIN”)大約100毫伏時(shí)，第一比較器檢測(cè)。在正常工作期間，這被用來(lái)通知使用者低電池狀態(tài)，使用系統(tǒng)電源作為電壓源。當(dāng)系統(tǒng)電壓(標(biāo)志為“VSYSS”)低于調(diào)節(jié)后的電池電壓(VREFIN)大約100毫伏時(shí)，第二比較器檢測(cè)。當(dāng)比較器檢測(cè)低電池和系統(tǒng)電壓，有效RAM和時(shí)間(VRT)控制電路(如圖12所示)中的存儲(chǔ)元件，反應(yīng)該狀態(tài)，隨著可靠電池支持電路電源的損耗。
[0059]圖12是本發(fā)明實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路的有效RAM和時(shí)間(VRT)控制電路160的原理圖。當(dāng)圖11的比較器檢測(cè)到低電池電壓和低系統(tǒng)電壓時(shí)，VRT控制電路160的存儲(chǔ)元件260反應(yīng)該狀態(tài)。來(lái)自圖8中電流源154的信號(hào)(標(biāo)志為“RUNNING”)，作為存儲(chǔ)元件260的上電初始化。
[0060]本發(fā)明的低功率實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路被設(shè)計(jì)工作條件為，系統(tǒng)電源和電池電源具有重疊的電壓范圍。這通過調(diào)節(jié)電池電壓到一個(gè)低于系統(tǒng)電源電壓范圍的水平來(lái)實(shí)現(xiàn)，使用一個(gè)特別設(shè)計(jì)的電壓調(diào)節(jié)器，它以一種大大減小的速率消耗電流，相比于使用了高速高功率CMOS設(shè)計(jì)方法的標(biāo)準(zhǔn)調(diào)壓器。低功耗和兼容標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝的組合，使本發(fā)明適合在低功率電池支持裝置中使用，這些裝置包括高性能數(shù)字電路。
[0061]這里采用的條款和表達(dá)式，被用作描述性的術(shù)語(yǔ)，而不是限制性的，并沒有意圖使用這些不包含等價(jià)物或它的一部分的條款和表達(dá)式，這些等價(jià)物具有顯示和描述的特性，公認(rèn)的是，在本發(fā)明聲稱的范圍內(nèi)，可以有各種各樣的修改。
【權(quán)利要求】
1.一種具有系統(tǒng)及電池電量仲裁的低功率實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路，其特征是:功率仲裁電路，用于決定第一和第二電壓源中的哪個(gè)作為輸出電壓源提供，其中第一和第二電壓源分別產(chǎn)生第一和第二電壓信號(hào)，電壓范圍重疊，功率仲裁電路包括:一個(gè)電流源，提供一個(gè)大小正比于溫度的電流，該電流源進(jìn)一步包括:電流發(fā)生階段，包含一個(gè)晶體管，它工作在晶體管的亞閾值區(qū)；一個(gè)調(diào)壓器，用于接收第一電壓信號(hào)作為輸入，產(chǎn)生一個(gè)參考電壓信號(hào)作為輸出，其中參考電壓信號(hào)與第二電壓信號(hào)電壓范圍不重疊，該調(diào)壓器進(jìn)一步包括:第一電壓降元件，電流源產(chǎn)生的電流作為輸入，并產(chǎn)生一個(gè)具有正溫度系數(shù)的電壓作為輸出；第二電壓降元件，輸入為電流源產(chǎn)生的電流，并產(chǎn)生一個(gè)具有負(fù)溫度系數(shù)的電壓作為輸出；一個(gè)比較器，輸入為調(diào)壓器輸出的參考電壓信號(hào)和第二電壓信號(hào)，并產(chǎn)生一個(gè)輸出作為控制信號(hào)，該控制信號(hào)指出兩個(gè)輸入中較大的一個(gè)；開關(guān)，把控制信號(hào)作為輸入，該開關(guān)通過把比較器指示的一個(gè)輸入作為輸出電壓源，來(lái)響應(yīng)控制信號(hào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有系統(tǒng)及電池電量仲裁的低功率實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路，其特征是:第一電壓信號(hào)由電池提供；調(diào)壓器進(jìn)一步包括:啟動(dòng)電路，它提供第一電壓信號(hào)作為調(diào)壓器的輸出，這種情況下，電流源沒有輸出。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有系統(tǒng)及電池電量仲裁的低功率實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路，其特征是:第一電壓降元件有第一大小，第二電壓降元件有第二大小，第一大小和第二大小被選擇，所以第一和第二電壓降元件輸出的總和近似的不依賴于溫度；參考電壓信號(hào)低于第二電壓信號(hào)的范圍。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有系統(tǒng)及電池電量仲裁的低功率實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路，其特征是:低功率時(shí)鐘電路，包括:一個(gè)功率仲裁電路，用于決定第一電壓源和第二電壓源中的哪一個(gè)作為輸出電壓源提供，其中，第一和第二電壓源分別提供第一和第二電壓信號(hào)，電壓范圍重疊，功率仲裁電路提供一個(gè)大于第二電壓信號(hào)的輸出，以及一個(gè)來(lái)源于第一電壓信號(hào)的參考電壓信號(hào)，進(jìn)一步地，參考電壓信號(hào)不在第二電壓信號(hào)的范圍內(nèi)；一個(gè)振蕩器，把功率仲裁電路的輸出作為輸入，并產(chǎn)生一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)作為輸出；一個(gè)電源檢測(cè)電路，參考電壓信號(hào)和第一電壓信號(hào)作為輸入，并在第一電壓信號(hào)小于參考電壓信號(hào)時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)低電源檢測(cè)信號(hào)作為輸出。`
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有系統(tǒng)及電池電量仲裁的低功率實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路，其特征是:低功率時(shí)鐘電路，包括:一個(gè)功率仲裁電路，用于決定第一電壓源和第二電壓源中的哪一個(gè)作為輸出電壓源提供，其中，第一和第二電壓源分別提供第一和第二電壓信號(hào)，電壓范圍重疊，功率仲裁電路提供一個(gè)大于第二電壓信號(hào)的輸出，以及一個(gè)來(lái)源于第一電壓信號(hào)的參考電壓信號(hào)，進(jìn)一步地，參考電壓信號(hào)不在第二電壓信號(hào)的范圍內(nèi)；一個(gè)振蕩器，把功率仲裁電路的輸出作為輸入，并產(chǎn)生一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)作為輸出；一個(gè)電源檢測(cè)電路，參考電壓信號(hào)和第二電壓信號(hào)作為輸入，并在第二電壓信號(hào)小于參考電壓信號(hào)時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)低電源檢測(cè)信號(hào)作為輸出。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有系統(tǒng)及電池電量仲裁的低功率實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路，其特征是:低功率時(shí)鐘電路，包括:一個(gè)功率仲裁電路，用于決定第一電壓源和第二電壓源中的哪一個(gè)作為輸出電壓源提供，其中，第一和第二電壓源分別提供第一和第二電壓信號(hào)，電壓范圍重疊，功率仲裁電路提供一個(gè)大于第二電壓信號(hào)的輸出，以及一個(gè)來(lái)源于第一電壓信號(hào)的參考電壓信號(hào)，進(jìn)一步地，參考電壓信號(hào)不在第二電壓信號(hào)的范圍內(nèi)；一個(gè)振蕩器，把功率仲裁電路的輸出作為輸入，并產(chǎn)生一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)作為輸出；一個(gè)調(diào)壓器，用于接收第一電壓信號(hào)作為輸入，并產(chǎn)生參考電壓信號(hào)作為輸出；一個(gè)比較器，輸入為調(diào)壓器輸出的參考電壓信號(hào)和第二電壓信號(hào)，并產(chǎn)生一個(gè)輸出作為控制信號(hào)，指出兩個(gè)輸入中較大的一個(gè)；開關(guān)，把控制信號(hào)作為輸入，該開關(guān)通過把比較器指示的一個(gè)輸入作為輸出電壓源，來(lái)響應(yīng)控制信號(hào)；其中功率仲裁電路進(jìn)一步包括一個(gè)電流源，它產(chǎn)生一個(gè)大小正比于溫度的電流，該電流源進(jìn)一步包括一個(gè)電流調(diào)節(jié)階段，包含一個(gè)工作在亞閾值區(qū)的晶體管。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種具有系統(tǒng)及電池電量仲裁的低功率實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路，其特征是:調(diào)壓器進(jìn)一步包括:第一電壓降元件，電流源產(chǎn)生的電流作為輸入，并產(chǎn)生一個(gè)具有正溫度系數(shù)的電壓作為輸出；第二電壓降兀件，輸入為電流源產(chǎn)生的電流，并產(chǎn)生一個(gè)具有負(fù)溫度系數(shù)的電壓作為輸出；調(diào)壓器進(jìn)一步包括:一個(gè)啟動(dòng)電路，它把第一電壓信號(hào)作為調(diào)壓器的輸出，這種情況下，電流源沒有輸出。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種具有系統(tǒng)及電池電量仲裁的低功率實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路，其特征是:第一電壓降元件有第一大小而第二電壓降元件有第二大小，第一大小和第二大小被選擇，所以第一和第二 電壓降元件輸出的總和近似的不依賴于溫度。
【文檔編號(hào)】H02J7/00GK103631319SQ201310617693
【公開日】2014年3月12日 申請(qǐng)日期:2013年11月28日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月28日
【發(fā)明者】不公告發(fā)明人 申請(qǐng)人:蘇州貝克微電子有限公司