用于低压CMOS工艺的低功率电压检测器制造技术

电压检测器具有二极管阶梯，其中一个或多个二极管串联在电池电压输入和上测量节点之间。测量二极管连接在上测量节点和下测量节点之间。电阻器和断电开关串联在下测量节点和地之间。模数转换器(ADC)的模拟输入通过开关连接到上测量节点，以生成上数字值。然后开关将模拟输入连接到下测量节点，以生成下数字值。上、下数字值之间的差值是测量二极管上的二极管电压降，其乘以二极管阶梯中的二极管数量，再与上数字值相加，以产生电池电压测量值。以产生电池电压测量值。以产生电池电压测量值。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于低压CMOS工艺的低功率电压检测器


[0001]本专利技术涉及电压检测器，特别涉及测量二极管端电压的电池电压检测器。

技术介绍

[0002]电池供电设备可能包括含有晶体管等半导体器件的集成电路(IC)。更先进的半导体工艺生产的晶体管可能会被较高的施加电压损坏。较小的电池可以为先进的低功率IC供电，这些IC具有较低的电源电压，晶体管也可能被低至电池电压的电压损坏。因此，电池电压必须降低，或施加到串联的几个晶体管上，以降低施加到任何单个晶体管的电压。
[0003]图1显示一个电阻分压器。电池20在其正极端相对于其接地端产生电池电压VBAT。在VBAT和地之间，电阻器22、24彼此串联，并与开关26串联。当开关26闭合时，来自电池20的电流I通过电阻器22、24，在电阻器22、24中的每个电阻器上引起V＝IR电压降，该电压降与每个电阻器的电阻R成正比。当电阻器22、24具有相同的电阻R时，电阻器22、24之间的节点，电压VIN，是电池电压的一半，或VIN＝VBAT/2。
[0004]当开关26闭合且VBAT被电阻器22、24分压时，VIN可以安全地应用于晶体管或其他精密半导体器件。例如，VIN可用于间接测量电池电压。然而，通过电阻器22、24的电流I可能导致电池20不必要的功率消耗。当不测量电池电压时，可以断开开关26以中断电流流动，并降低功率。
[0005]然而，当开关26断开时，来自电池20的电流会瞬间流过电阻器22并对VIN充电，直到VIN达到VBAT。当开关26断开时，任何连接到VIN的晶体管都具有较高的VBAT电压。当开关26断开时，这些晶体管可能会损坏，因为VIN可能等于或接近VBAT。
[0006]例如，VBAT可能为1.5至4.2伏，当开关26闭合且使用相等的电阻R时，会使VIN处于0.75至2.1伏的安全范围内，但当开关26断开时VIN处于1.5至4.2伏的范围。一些晶体管或其他器件可能会被3或4伏的电压损坏。因此，带有断电开关的电阻分压器可能会损坏敏感晶体管或其他器件。
[0007]图2显示一个二极管分压器。一系列二极管30、32、36、36彼此串联，并与开关38串联。当开关38闭合时，流过每个二极管30、32、34、36的电流导致每个二极管的pn结电压降Vpn约为0.5
‑
0.7伏。
[0008]在图2中，VIN位于二极管32、34之间，在VBAT和VIN之间有由二极管30、32引起的二极管压降，因此VIN＝VBAT
–
2*Vpn，或低于VBAT约1至1.4伏。
[0009]当开关38断开以省电时，当二极管30的下端上升到高于VBAT
–
Vpn时，任何瞬间流过二极管30的电流都会停止。同样，当二极管32两端的电压小于Vpn时，通过二极管32的电流就会停止。因此，当开关38断开时，VIN不能上升到VBAT
–
2*Vpn以上。
[0010]VIN可以连接到敏感器件，如晶体管，因为二极管30、32防止VIN上升到VBAT
–
2*Vpn以上。当VIN没有被采样或以其他方式使用时，开关38可以被断开以减少电流和功率。
[0011]然而，与具有精确电阻值R的电阻器22、24不同，通过二极管30、32的电压降Vpn可以随着工艺、电源电压和温度(PVT)条件而变化。此外，相当大的电流可能流过二极管30、
32、34、36，增加了功耗。
[0012]靠电池供电运行的低功耗器件可以长时间处于待机模式，以延长电池寿命。能够关闭电压检测器以防止电池耗尽非常重要。先进的半导体工艺可能对损害非常敏感，以至于电池电压都可能会造成损坏。例如，4.2伏的电池超过了一些先进CMOS工艺的3.3伏限制。
[0013]需要有一种可以断电的电压检测器。需要有一种电压检测器来保护敏感器件(如低功率晶体管)在断电模式下免受损坏。需要有一种能够读取电池电压，同时保护低电源电压的半导体工艺晶体管的电压检测器。
附图说明
[0014]图1显示一个电阻分压器。
[0015]图2显示一个二极管分压器。
[0016]图3是一个简化的电池电压检测器的框图，该电池电压检测器测量二极管阶梯中两点的电压。
[0017]图4是使用图3的电池电压检测器的电池电压检测例程的流程图。
[0018]图5是一个缓冲电池电压检测器的框图，该缓冲电池电压检测器测量二极管阶梯中两点的电压。
[0019]图6是一个晶体管开关电池电压检测器的框图，该晶体管开关电池电压检测器测量二极管阶梯中两点的电压。
具体实施方式
[0020]本专利技术涉及一种电池电压检测器的改进。下面的描述是为了使本领域普通技术人员能够在特定应用及其要求的背景下制造和使用本专利技术。对于本领域的技术人员来说，对优选实施例的各种修改是显而易见的，本文定义的一般原则也可应用于其它实施例。因此，本专利技术并不打算局限于所示和所述的特定实施例，而是要给予符合本文所公开的原则和新颖特征的最广泛的范围。
[0021]专利技术人已经意识到，二极管阶梯(diode ladder)可以为敏感电路提供保护，确保较高的电池电压在施加到敏感电路之前被降压。即使当二极管阶梯断电时，也能提供保护。
[0022]专利技术人还意识到，二极管电压降对工艺和其他PVT变化很敏感，因此单一电压测量可能无法准确测量电池电压。但是，二极管阶梯中的所有二极管应相互跟踪，并具有相同的二极管电压降。专利技术人测量二极管阶梯中的一个二极管两端的电压，然后将该测量的二极管电压降乘以二极管阶梯中的二极管数量，来估计二极管阶梯顶部的电池电压。
[0023]图3是一个简化的电池电压检测器的框图，该电池电压检测器测量二极管阶梯中两点的电压。电池20产生的电池电压VBAT施加到由二极管30、32、34、36组成的二极管树的顶部，二极管30、32、34、36与电阻器40和开关42串联。电阻器40限制了导通电流，而开关42断开，给电池检测器断电。
[0024]二极管36有上端VD1和下端VD0。不是测量单个电压，而是测量两个电压，即VD1和VD0。模数转换器(ADC)60在开关54闭合时测量电压VD1，但在开关56闭合时测量电压VD0。ADC 60可能包含精密的半导体元件，如精密电容器或电阻器和晶体管开关，如果电池电压VBAT直接施加到ADC 60的输入VIN上，它们可能会损坏。二极管30、32、34三个二极管电压降
将VBAT降低，为ADC 60提供一个更低的、更安全的VIN。
[0025]ADC 60将模拟输入电压VIN转换为数字值D[7:0]。在任何特定时间，只有开关52、54、56中的一个闭合。开关54闭合以将VIN连接到VD1，而开关56闭合以将VIN连接到VD2。开关52闭合以驱动VDD到VIN，以在测量之间空闲、复位、自动归零或偏移校准ADC 60。
[0026]通过测量VD1和VD0电压，二极管36上的电压可本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种电压检测器，包括：二极管阶梯，其具有一个或多个二极管，所述一个或多个二极管串联连接在电压输入和上测量节点之间；测量二极管，其连接在所述上测量节点和下测量节点之间；电阻器和断电开关，其串联在所述下测量节点和地之间；模数转换器(ADC)，其具有模拟输入和数字输出，所述数字输出的数字值代表所述模拟输入的电压；第一开关，其将所述上测量节点连接到所述ADC，所述ADC产生的上数字值代表所述上测量节点的电压；第二开关，其将所述下测量节点连接到所述ADC，所述ADC产生的下数字值代表所述下测量节点的电压；以及控制器，其通过计算所述上数字值和所述下数字值的差值，并将所述差值乘以所述二极管阶梯中的二极管数量，以生成一个乘积，并将所述乘积与所述上数字值相加，从而产生一个计算的电压测量值，从而测量所述测量二极管上的电压，并用于计算所述计算的电压测量值。2.根据权利要求1所述的电压检测器，其中所述二极管阶梯包括串联的一个上二极管和一个下二极管；其中所述控制器将所述差值乘以2以生成所述乘积。3.根据权利要求1所述的电压检测器，其中所述二极管阶梯包括串联的一个上二极管和一个中二极管以及一个下二极管；其中所述控制器将所述差值乘以3以生成所述乘积。4.根据权利要求3所述的电压检测器，其中，所述二极管阶梯中的一个或多个二极管和所述测量二极管各自包括一个pn结二极管，其中所述二极管阶梯中的一个或多个二极管和所述测量二极管一起形成在一个半导体衬底中。5.根据权利要求4所述的电压检测器，其中，所述二极管阶梯中的一个或多个二极管和所述测量二极管在设计期间被匹配为具有相同的尺寸和几何形状。6.根据权利要求5所述的电压检测器，其中，所述二极管阶梯中的一个或多个二极管和所述测量二极管被所述电压输入和地正向偏压。7.一种电压测量电路，包括：电压输入；多个N个二极管，其中N为串联在所述电压输入与第一节点之间的二极管的数量；测量二极管，其连接在所述第一节点和第二节点之间；电阻器，其连接在所述第二节点和第三节点之间；断电开关，其连接在所述第三节点和地之间，当不进行电压测量时，所述断电开关断开，以使所述电压测量电路断电；模数转换器(ADC)，其将模拟输入节点的电压转换为表示所述模拟输入节点电压的数字值；第一开关，当所述ADC生成的数字值是表示所述第一节点的电压的第一数字值时，所述第一开关将所述第一节点连接到合并节点；
第二开关，当所述ADC生成的数字值是表示所述第二节点的电压的第二数字值时，所述第二开关将第所述二节点连接到所述合并节点；以及处理器，其接收来自所述ADC的所述第一数字值和所述第二数字值，并生成所述电压输入的电压数字估计值，所述处理器从所述第一数字值减去所述第二数字值以生成数字差值，将所述数字差值乘以N以产生乘积，并将所述第一数字值与所述乘积相加，以产生所述电压输入的电压数字估计值，从而，所述测量二极管上的电压差值乘以所述多个N个二极管中的二极管的数量，并与所述第一数字值相加，以生成所述电压输入的电压数字估计值。8.根据权利要求7所述的电压测量电路，其中所述合并节点直接连接到所述ADC的所述模拟输入节点。9.根据权利要求7所述的电压测量电路，还包括：模拟缓冲器，其以所述合并节点作为输入，且所述ADC的所述模拟输入节点作为所述模拟缓冲器的输出。10.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄伟波，郭慧民，黎日东，
申请(专利权)人：香港应用科技研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：