用于低压CMOS工艺的低功率电压检测器的制作方法

测量装置的制造及其应用技术用于低压cmos工艺的低功率电压检测器技术领域1.本发明涉及电压检测器，特别涉及测量二极管端电压的电池电压检测器。背景技术：2.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。3.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。4.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。5.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。6.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。7.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。8.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。9.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。10.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。11.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。12.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。13.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14.图1显示一个电阻分压器。15.图2显示一个二极管分压器。16.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。17.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。18.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。19.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20.本发明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发明。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，本发明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。21.发明人已经意识到，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。22.发明人还意识到，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。发明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。23.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。24.二极管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。25.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上的电压可以由vd1-vd0的差值确定。这个电压差vd1-vd0就是二极管电压降。该二极管电压降随工艺、温度和电压而变化，但对于特定器件上的所有二极管来说应该是相同的，这些二极管是一起制造的，并具有差不多的尺寸、几何形状和方向。因此，当二极管30、32、34、36被设计为具有相同的尺寸、几何形状和方向时，当电流流过串联的它们时，它们应该具有相同的电压降。[0027]上部的二极管30、32、34上的总电压降是所测得的二极管36电压降的三倍，即3x(vd1-vd0)。由于vd1是二极管34和二极管36之间的电压，而电池电压vbat是二极管30的顶部电压，因此vbat可以计算为：[0028]vbat＝3x(vd1-vd0)+vd1[0029]一般来说，当vbat和vd1之间有n个二极管，[0030]vbat＝n x(vd1-vd0)+vd1[0031]因此，电池电压可以从两个电压测量值vd1和vd0确定。电池电压是通过测量的二极管36上的电压降乘以二极管36和电池20之间的二极管数量而得到的。[0032]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。在步骤202，当电压检测器被指示上电并进行测量时，开关42通过上电信号pup走高而闭合。信号mxh为高电平时，闭合开关52，以驱动vdd到adc 60以对其进行预设，而信号mh1和mx0为低电平，以保持开关54、56断开。[0033]在上电延迟pup结束后(步骤204)，然后由信号mxh、mx1、mx0分别控制的开关52、54、56变为，开关52、56断开且开关54闭合，以将vd1连接到vin和adc 60(步骤212)。在步骤212，mx1为高，mxh、mx0为低。[0034]adc 60测量vin＝vd1，并将该模拟电压转换为数字值d[7:0](步骤214)，该数字值被存储为数字电压dv1。[0035]然后mx0被驱动至高电平，mx0和mxh被驱动至低电平(步骤222)，以闭合开关56并断开开关52、54。adc 60测量vin＝vd0，并将该模拟电压转换为数字值d[7:0](步骤224)，其存储为数字电压dv0。[0036]然后，算术逻辑单元(alu)或其他微处理器或编程逻辑将测量的电池电压vbat计算为数字值dvbat(步骤230)。差值dv1-dv0乘以vd1和vbat之间的二极管数量n，然后加到dv1，或[0037]dvbat＝n x(dv1-dv0)+dv1[0038]对于图3的逻辑电路，其中n是3：[0039]dvbat＝n x(dv1-dv0)+dv1[0040]然后可以存储从二极管36上的2个电压测量值计算出的电池电压的数字值dvbat(步骤232)。该值dvbat可以与目标进行比较，如电压限制，当dvbat用于低于下限时，用于发出断电信号，或当dvbat高于上限时，用于发出过压报警。[0041]然后可以通过驱动pup至低电平(未显示)以断开开关42，使电池电压检测器断电，或者保持开启状态以重复测量。[0042]图5是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两点的电压。在该替代方案中，adc 60的模拟输入由运算放大器70缓冲。运算放大器70在其非反相(+)输入端接收vin，并使其输出vina反馈到其反相(-)输入端。运算放大器70可以是单位增益缓冲器。[0043]运算放大器70对vin进行缓冲，由于开关52、54、56切换时的电荷共享，vin可能会发生电压变化。adc 60的输入可能有小的敏感电容。adc 60的输入vina受到运算放大器70的保护，免受vin上的电荷共享和开关噪声的影响。[0044]图6是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。在该替代方案中，开关42由晶体管78实现。晶体管78可以是n沟道mos晶体管，其栅极由上电信号pup驱动，并在电阻器40和地之间有一个沟道。n沟道mos晶体管有非常低的漏电流，在开关闭合时提供了良好的隔离。[0045]开关52、54、56也由n沟道晶体管实现。晶体管72的栅极由控制信号mxh驱动，晶体管72的沟道将vdd连接到vin。晶体管74的栅极由控制信号mx1驱动，其沟道将vd1连接到vin。晶体管76的栅极由控制信号mx0驱动，其沟道将vd0连接到vin。控制信号mxh、mx1、mx2可以由控制器90产生，或者甚至可以是软件控制的，例如通过软件将1或0写入驱动mxh、mx1、mx0的i/o寄存器。[0046]同样在这个替代方案中，二极管32已被删除，因此只有2个二极管30、34位于测量二极管36和vbat之间。在该变体中，n＝2，vbat可以由控制器90或由处理器或其他组件计算为：[0047]vbat＝2x(vd1-vd0)+vd1替代实施例[0048]发明人补充了若干其他实施例。例如，可以插入额外的二极管或与二极管连接的晶体管，例如串联在二极管36和电阻器40之间。串联元件的顺序可以调整，例如让电阻器40接地，开关42连接在电阻器的上端和二极管36之间。[0049]虽然已经显示了单极晶体管开关，但可以使用多极开关、多路复用器或开关网络将vd0、vd1或vdd连接到adc。这些更复杂的开关本身可能由多个简单的开关和各种逻辑或控制组成。因此，单个多极开关实际上可能等同于多个单极开关。每个开关都可以实施为n沟道晶体管，或者可以是传输门，每个都具有并联的n沟道和p沟道晶体管。虽然已经描述了n沟道晶体管，但也可以使用p沟道晶体管，与反相栅极信号一起使用。[0050]在测量二极管36和vbat之间可以有不同数量的二极管，例如图3和图5中所示的三个二极管30、32、34，或如图6所示只有2个二极管30、34。上二极管阶梯可以在vbat和vd1之间串联n个二极管，其中n是至少为1的整数。[0051]虽然已经描述了电池电压检测器，但该电压检测器可以测量不是由电池产生的其他电压。电池电压可以由一个电池中的多个电池单元或由多个电池产生。电压检测器可以测量由电源产生的电源电压，该电源可以从电池切换到变压器或其他电源转换器。[0052]二极管30、32、34、36可以是pn半导体二极管，其中上端连接到p型掺杂区域，该区域与同一半导体衬底中的n型掺杂区域相邻，例如在集成电路中(ic)芯片中。在同一半导体衬底中形成的二极管，当其设计和几何形状相匹配时，应具有相同的pn结掺杂分布，从而具有密切匹配的器件特性，如正向偏压二极管电压降。正向偏压下的二极管通常遵循理想的二极管方程，即正向电流在二极管导通电压附近随着电压的升高而呈指数增长。这个指数电流可以近似为一个具有pn结开启电压压降的通断开关。开启时的这个pn结电压可以在图表中看作是电流-电压曲线急剧向上弯曲的拐点电压。[0053]虽然已经描述了互补金属氧化物半导体(cmos)工艺，但也可以使用其他工艺和材料。不同的半导体材料会有不同的pn结开启电压。例如，硅的pn结电压为0.5-0.7伏，但砷化镓的pn结电压较低，约为0.3伏。由于所有二极管30、32、34、36均由相同的半导体衬底制成，所以它们都会有相同的pn结开启电压，并且具有相同的二极管压降。[0054]虽然已经描述了pn结二极管，但也可以使用其他二极管技术，如肖特基二极管、金属欧姆接触等。ic半导体制造工艺的许多变化都是可能的。[0055]诸如上面、下面、在…上、在…下、水平、垂直、内、外等术语是相对的，取决于视角，并不意味着将本发明限制在特定的视角。器件可以旋转，使垂直的就是水平的，水平的就是垂直的，所以这些术语是取决于观察者的。只要这两个方向基本上相互垂直，一条线或方向被认为是垂直的，而另一条线或方向就被认为是水平的。[0056]虽然已经描述了将模拟电压转换为数字值的adc，但模拟电流也可以转换为数字值。模拟电流可以通过一个电阻器来产生模拟电压，输入到adc。或者，adc可以转换模拟电流作为其输入。电压控制的电流源可以将模拟电压输入转换为这种adc的模拟电流输入。许多种类和变化的adc都是可能的。[0057]图4的过程可以由在计算机或处理器上执行的程序(如软件程序)，或由固件例程，或由硬连线逻辑(如定序器或状态机)，或由各种组合来执行。例如，步骤230中的计算可以由更高级别的微处理器执行，而开关52、54、56的硬件控制和adc 60的激活可以由硬件处理。[0058]图4的过程中的一些步骤可以与其他步骤并行执行，或者以不同的顺序或次序执行。例如，可以在vd1之前测量vd0。具有独立开关的第二个adc可以同时测量vd0和vd1。[0059]虽然显示了使用adc测量一个二极管上的电压降，但可以进行更多的测量并将结果平均，或者删除异常结果。例如，如果另一个开关将vin连接到该节点，adc 60也可以测量二极管32、34之间的电压。测量的二极管34和二极管36的电压降可以一起被平均，然后在进一步计算中用作为二极管电压降。[0060]虽然开关52已显示为将vin连接到电源电压vdd，但开关52可以替代地将vin连接到地，或连接到vdd/2的共模电压vcm，或连接到一些其他电压。一些实施例可以取消开关52，或者adc 60可以包含内部开关来预充电或初始化其内部模拟输入。adc 60可以是开关电容adc、闪存adc或其他种类的adc。adc 60输出中的数字比特数已被描述为8，但也可以用其他比特宽度或分辨率，例如6比特、10比特等来代替。电池电压可以有各种不同值，并且诸如电源电容器、二极管、电源开关、显示器或电源滤波器的额外组件可以连接到电池20。[0061]本发明的背景部分可以包含关于本发明问题或环境的背景资料，而不是描述他人的现有技术。因此，在背景技术部分中包含的材料并不是申请人对现有技术的承认。[0062]本文描述的任何方法或过程都是机器实施的或计算机实施的，旨在由机器、计算机或其他设备来执行，而不打算在没有机器辅助的情况下仅由人类执行。产生的有形结果可以包括报告或其他机器生成的显示在诸如计算机显示器、投影设备、音频生成设备和相关媒体设备的显示设备上，可以包括也是机器生成的硬拷贝打印输出。其他机器的计算机控制是另一个有形的结果。[0063]所述的任何优点和好处不一定适用于本发明的所有实施例。当“装置”一词意在该权利要求元素落入35usc第112节第6款的规定。通常，在“装置”一词之前有一个或多个词的标签。在“装置”一词前面的一个或多个词是一个标签，目的是为了便于权利要求元素的引用，而不是为了表达结构上的限制。这种装置加功能的权利要求不仅要涵盖本文所述的用于执行该功能的结构及其结构等同物，而且要涵盖等效结构。例如，虽然钉子和螺钉具有不同的构造，但它们是等效结构，因为它们都执行紧固功能。未使用“装置”一词的权利要求不落入35usc第112节第6款的规定。信号通常是电子信号，但也可以是光信号，例如可以通过光纤线路传输。[0064]对本发明实施例的上述描述是为了说明和描述的目的而提出的。它并不打算是详尽的，也不打算将本发明限制在所公开的精确形式中。根据上述教学，许多修改和变化是可能的。其目的是本发明的范围不受本详细说明的限制，而是受附于权利要求书的限制。









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