DE10211912A1

DE10211912A1 - Integrierter Schaltkreis und Verfahren zum Steuern einer Stromversorgung desselben

Info

Publication number: DE10211912A1
Application number: DE2002111912
Authority: DE
Inventors: Martin Brox
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Polaris Innovations Ltd
Priority date: 2002-03-18
Filing date: 2002-03-18
Publication date: 2003-10-16
Anticipated expiration: 2022-03-19
Also published as: US6956304B2; DE10211912B4; US20030218452A1

Abstract

Integrierter Schaltkreis (1), der durch eine Versorgungsspannung (VDD) von außen versorgt wird, mit wenigstens einer Nutzschaltung (2) und einer Stromversorgung für die wenigstens eine Nutzschaltung, die mehrere Stromversorgungseinheiten (3; 17a, 17b) umfasst, wobei die Stromversorgung eine Steuereinheit (18) umfasst zum Vergleichen der Versorgungsspannung (VDD) mit einem vorgegebenen Sollwert und zum Ein- oder Ausschalten einer oder mehrerer der schaltbaren Stromversorgungseinheiten (17b) in Abhängigkeit von dem Vergleichsergebnis.

Description

Die Erfindung betrifft einen integrierten Schaltkreis nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie ein Verfahren zum Steuern einer Stromversorgung für einen derartigen integrierten Schaltkreis nach dem Oberbegriff von Anspruch 5.
Bei heutigen mikroelektronischen Schaltungen werden Spannungsgeneratoren auf den Chip eingesetzt, um eine stabile, definierte Spannung aus der externen Versorgungsspannung zu erzeugen. Die externe Versorgungsspannung ist zwar vorgegeben, kann aber innerhalb der Spezifikationsgrenzen schwanken.
Ein typisches Beispiel ist die Erzeugung einer internen Spann nung von 2,0 V aus einer externen Versorgungsspannung von 2,5 ± 0,2 V. Hierfür sind mehrere Spannungsgeneratoren über den Chip verteilt. Dabei besteht jeder der mehreren Spannungsgeneratoren üblicherweise aus einem pFET- oder nFET- Transistor (pull-up-Transistor) und einem Komparator. Der Komparator ist über einen Eingang mit einer stabilen Referenzspannung verbunden, die in der Regel durch eine Bandlückenreferenzschaltung erzeugt wird.
Besonders bei kleinen Unterschieden zwischen der Versorgungsspannung und der internen Spannung stellt sich jedoch das Problem, dass die Anzahl der verwendeten Spannungsgeneratoren auf dem Chip sehr groß werden muss. Da diese Spannungsgeneratoren selbst einen nicht kleinen Betriebsstrom benötigen, kann es so zu einer deutlichen Erhöhung des Gesamtbetriebsstromes kommen. Gegenwärtig wird die Zahl der Spannungsgeneratoren so gewählt, dass die interne Spannung auch noch bei der niedrigsten zulässigen Versorgungsspannung erzeugt werden kann. Und zur Sicherheit werden auch darüber hinaus weitere Generatoren eingeplant.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Anzahl der Generatoren, die tatsächlich im Einsatz sind, in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen zu optimieren.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen integrierten Schaltkreis nach Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 5. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die erfindungsgemäße Lösung der obigen Aufgabe besteht darin, die Stromversorgungseinheiten in Abhängigkeit von der externen Spannung zu- bzw. abzuschalten. Innerhalb des durch die Spezifikation vorgegebenen Rahmens wird geprüft, ob die externe Versorgungsspannung über einem vorgegebenen Sollwert liegt oder nicht. Wenn die externe Versorgungsspannung über dem Sollwert liegt, wird die minimale Anzahl der Stromversorgungseinheiten aktiviert, die ausreicht, um aus der höheren Versorgungsspannung die interne Spannung zu erzeugen. Anderenfalls werden zusätzliche Generatoren aktiviert.

Erfindungsgemäß ist der integrierte Schaltkreis, der durch eine Versorgungsspannung von außen versorgt wird, mit wenigstens einer Nutzschaltung und einer Stromversorgung für die wenigstens eine Nutzschaltung, die mehrere Stromversorgungseinheiten umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromversorgung eine Steuereinheit umfasst zum Vergleichen der Versorgungsspannung mit einem vorgegebenen Sollwert und zum Ein- oder Ausschalten einer oder mehrerer der schaltbaren Stromversorgungseinheiten in Abhängigkeit von dem Vergleichsergebnis.

Vorzugsweise umfasst die Steuereinheit einen Niedrigstromkomparator zum Vergleichen der Versorgungsspannung mit dem vorgegebenen Sollwert. Insbesondere umfasst der Niedrigstromkomparator einen Spannungsteiler zwischen einer Betriebsspannung und Masse, um den Sollwert zu erzeugen.

Vorzugsweise wird die Referenzspannung durch eine Bandlückenreferenzschaltung erzeugt.

Erfindungsgemäß ist das Verfahren zum Steuern einer Stromversorgung für einen derartigen integrierten Schaltkreis gekennzeichnet durch die Schritte Vergleichen der Versorgungsspannung mit einem vorgegebenen Sollwert und Ein- oder Ausschalten einer oder mehrerer der schaltbaren Stromversorgungseinheiten in Abhängigkeit von dem Vergleichsergebnis durch eine Steuereinheit.

Vorzugsweise erfolgt das Vergleichen der Versorgungsspannung. stufenweise mit mehreren vorgegebenen Sollwerten, so dass das Zuschalten der schaltbaren Stromversorgungseinheiten gestaffelt durchgeführt wird.

Insbesondere erfolgt das Ein- und Ausschalten der schaltbaren Stromversorgungseinheiten mit einer Hysterese, so dass Schwingungen verhindert werden.

Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist es, dass die Steuereinheit relativ einfach im Aufbau ist und daher wenig Platz auf dem Chip beansprucht.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen, bei der Bezug genommen wird auf die beigefügten Zeichnungen.
Fig. 1 zeigt einen klassischen integrierten Schaltkreis mit einer Nutzschaltung und mehreren Stromversorgungseinheiten.
Fig. 2 zeigt einen typischen Aufbau einer Stromversorgungseinheit.
Fig. 3 zeigt den Aufbau des Komparators in der Stromversorgungseinheit nach Fig. 2.
Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Steuereinheit.
In Fig. 1 ist ein integrierter Schaltkreis 1 auf einem Chip dargestellt, der eine Nutzschaltung 2 aufweist. Die Nutzschaltung 2 wird durch eine auf dem Chip integrierte Stromversorgung versorgt. Die Stromversorgung setzt sich aus mehreren Stromversorgungseinheiten 3 zusammen. Diese sind auf dem Chip des integrierten Schaltkreises um die Nutzschaltung 2 verteilt, so dass die Leitungen 4, über die sie mit den wesentlichen Verbrauchern der Nutzschaltung 2 verbunden sind, möglichst kurz sind.
Die Stromversorgungseinheiten 3 sind ihrerseits mit externen Versorgungsleitungen 5 und 6 verbunden, von denen beispielsweise eine auf dem Versorgungspotential VDD und die andere auf Masse liegt.
In Fig. 2 ist eine typische Stromversorgungseinheit 3 dargestellt. Sie umfasst eine eigentliche Generatorschaltung 7, die wiederum im wesentlichen eine Treiberstufe 8 aufweist, welche durch einen Komparator 9 angesteuert wird. Die Treiberstufe 8, die hier als pFET-Transistor dargestellt ist, ist zwischen die (externe) Versorgungsspannung VDD und Masse geschaltet. Die Source des Treibertransistors 8 ist mit VDD verbunden, sein Gate ist mit dem Ausgang OUT des Komparators 9 verbunden. Die interne Versorgungsspannung VINT wird an seinem Drain abgegriffen, der über einen Spannungsteiler 10a, 10b auf Masse liegt.
Der erste Eingang des Komparators 9 (sein nicht-invertierender Eingang) ist mit dem Mittelabgriff des Spannungsteilers 10a, 10b verbunden. An dem zweiten (invertierenden) Eingang des Komparators 9 liegt eine Referenzspannung, die in der dargestellten Schaltung durch eine Bandlückenreferenzschaltung 11 hergestellt wird. Die Bandlückenreferenzschaltung 11 ist idR nicht Teil der eigentlichen Generatorschaltung 7, sie ist nur einmal auf dem Chip vorhanden und dient mehreren verschiedenen Schaltungen als Referenzspannungsquelle.
Die Stromversorgungseinheit 7 kann über einen oder mehrere Schaltelemente 12a und 12b aktiviert oder in einen Ruhezustand gebracht werden.
Fig. 3 zeigt den Aufbau des Komparators 9 in Fig. 2. Er ist ein Differenzverstärker mit einem ersten nFET-Eingangstransistor 13a am nicht-invertierenden Eingang und einem zweiten nFET-Eingangstransistor 13b am invertierenden Eingang. Am ersten Transistor 13a liegt beispielsweise die Spannung an, die über dem zweiten Widerstand 10b des Spannungsteilers in Fig. 2 abfällt. An dem zweiten Transistor 13b liegt in diesem Fall die Spannung an, die von der Bandlückenreferenzschaltung 11 geliefert wird.
Die Source des ersten Eingangstransistors 13a liegt über einen als Diode geschalteten ersten pFET-Transistor 14a auf VDD. Desgleichen liegt die Source des zweiten Eingangstransistors 13b über einen pFET-Transistor 14b auf VDD. Das Signal OUT zur Ansteuerung des Treibertransistors 8 wird an der Source des zweiten Transistors 13b abgegriffen. Der Drain der beiden Transistoren 13a und 13b ist mit einer Stromquelle verbunden. Die Stromquelle im Drain-Kreis der beiden Eingangstransistoren 13a und 13b ist hier als nFET-Transistor 15 dargestellt. Die Verbindung des Drains der beiden Transistoren 13a und 13b mit der Stromquelle 15 kann durch ein Schaltelement 16 unterbrochen werden, an dessen Eingang ein ENABLE-Signal anliegt.
Erfindungsgemäß werden die ENABLE-Eingänge der oben beschriebenen Schaltungen verwendet, um die Schaltungen durch eine zentrale Steuerung selektiv zu aktivieren oder in einen Ruhezustand zu versetzen. Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform der Stromversorgung eines integrierten Schaltkreises mit einer (nicht dargestellten) Nutzschaltung und mehreren Stromversorgungseinheiten, von denen zwei dargestellt sind, nämlich 17a und 17b. Beide Stromversorgungseinheiten 17a und 17b beziehen sich auf eine Bandlückenreferenzschaltung 11. Sie haben jeweils einen ENABLE-Eingang, über den sie wie oben in Zusammenhang mit Fig. 2 und Fig. 3 beschrieben aktiviert werden können.
In der Darstellung in Fig. 4 ist der ENABLE-Eingang der Stromversorgungseinheit 17a nicht verbunden, so dass sie permanent aktiv ist. (Selbstverständlich kann jedoch der ENABLE- Eingang der Stromversorgung 17a auch nach draußen geführt werden, so dass die Stromversorgung 17a in Abhängigkeit von hier nicht weiter betrachteten Bedingungen ein- oder ausgeschaltet werden kann.) Dagegen wird die Stromversorgung 17b über ihren ENABLE-Eingang von einer Steuereinheit 18 angesteuert. Die Steuereinheit 18 umfasst einen Niedrigstromkomparator 19, der die Bandlückenreferenzspannung mit der tatsächlichen extern anliegenden Versorgungsspannung VDD vergleicht. In der Praxis vergleicht der Niedrigstromkomparator 19 die Bandlückenreferenzspannung mit einem vorgegebenen Bruchteil der externen Versorgungsspannung VDD, der sehr genau mittels Spannungsteiler 20a, 20b eingestellt werden kann. Wenn dieser Bruchteil der externen Versorgungsspannung VDD unter die Bandlückenreferenzspannung der Schaltung 11, d. h. unter den Sollwert sinkt, wird ein Signal an den ENABLE-Eingang der zweiten Stromversorgungseinheit 17b ausgegeben, so dass diese aktiviert wird. Sinkt dagegen die Bandlückenreferenzspannung der Schaltung 11 unter den Bruchteil der externen Versorgungsspannung VDD, wird entsprechend ein Signal an den ENABLE-Eingang der zweiten Stromversorgungseinheit 17b ausgegeben, durch das die zweite Stromversorgungseinheit 17b abgeschaltet wird.
Somit ist sichergestellt, dass in Abhängigkeit von der Höhe der externen Versorgungsspannung nur so viele Stromversorgungseinheiten 17b eingeschaltet sind, wie notwendig sind für den störungsfreien Betrieb der Nutzschaltung 2.
Die Erfindung ist nicht auf die obigen Ausführungsbeispiele beschränkt. So kann die Versorgungsspannung VDD stufenweise mit mehreren vorgegebenen Sollwerten verglichen werden. Bei jedem Überschreiten eines der vorgegebenen Sollwerte (dem ein eigener Spannungsteiler 20a, 20b entspricht) wird gestaffelt eine der mehreren schaltbaren Stromversorgungseinheiten 17b aktiviert bzw. in den Ruhezustand gebracht.
Um zu häufiges, schnelles Zu- und Abschalten von Stromversorgungseinheiten 17b zu vermeiden, wenn sich die Versorgungsspannung VDD in der Nähe des (bzw. eines) Sollwertes befindet, weist bei einer (nicht dargestellten) bevorzugten Ausführungsform der Niedrigstromkomparator 19 eine Hysterese auf, so dass es zu keinen Schwingungen kommen kann. Diese . Technik ist dem Fachmann allgemein bekannt und wird daher hier nicht weiter erläutert.
In Fig. 4 ist der einfachste Fall gezeigt, bei dem bei Überschreiten des Sollwertes lediglich eine Stromversorgungseinheit 17b aktiviert wird. So ist folglich nur eine permanent aktive Stromversorgungseinheit 17a und eine zu- bzw. abschaltbare Stromversorgungseinheit 17b dargestellt. Dies ist jedoch nur ein Beispiel. Allgemeiner werden M von N vorhandenen Stromversorgungseinheiten 17b aktiviert, so dass die Regel gilt, dass im schlechtesten Fall N Stromversorgungseinheiten 17b aktiv sind, während es bei günstigeren Bedingungen lediglich M Stromversorgungseinheiten 17b sind. Insbesondere können dabei mehrere Stromversorgungseinheiten 17b unterhalb des Sollwertes vorgesehen sein, während wenigstens eine Stromversorgungseinheit 17b oberhalb des Sollwertes betrieben wird. Bezugszeichenliste 1 integrierter Schaltkreis
2 Nutzschaltung des integrierten Schaltkreises
3 Stromversorgungseinheit
4 Zuleitung zu Nutzschaltung
5 erste externe Versorgungsleitung
6 zweite externe Versorgungsleitung
7 Generatorschaltung nach dem Stand der Technik
8 Treibertransistor
9 Komparator
10 Spannungsteiler, 10a erster Widerstand, 10b zweiter Widerstand
11 Bandlückenreferenzschaltung
12 ENABLE-Transistoren, 12a erster pFET- ENABLE-Transistor, 12b zweiter nFET-ENABLE-Transistor
13 nFET-Eingangstransistor, 13a erster nFET- Eingangstransistor, 13b zweiter nFET-Eingangstransistor
14 Kollektorwiderstände (pFET-Transistoren), 14a erster Kollektorwiderstand, 14b zweiter Kollektorwiderstand
15 Stromquelle (nFET-Transistor)
16 nFET-ENABLE-Transistor
17 modifizierte Stromversorgungseinheiten, 17a permanente Stromversorgungseinheit, 17b schaltbare Stromversorgungseinheit
18 Steuereinheit
19 Niedrigstromkomparator
20 Spannungsteiler, 20a erster Widerstand, 20b zweiter Widerstand

Claims

1. Integrierter Schaltkreis (1), der durch eine Versorgungsspannung (VDD) von außen versorgt wird, mit wenigstens einer Nutzschaltung (2) und einer Stromversorgung für die wenigstens eine Nutzschaltung, die mehrere Stromversorgungseinheiten (3; 17a, 17b) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromversorgung eine Steuereinheit (18) umfasst zum Vergleichen der Versorgungsspannung (VDD) mit einem vorgegebenen Sollwert und zum Ein- oder Ausschalten einer oder mehrerer der schaltbaren Stromversorgungseinheiten (17b) in Abhängigkeit von dem Vergleichsergebnis.

2. Integrierter Schaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (18) einen Niedrigstromkomparator (19) zum Vergleichen der Versorgungsspannung mit dem vorgegebenen Sollwert umfasst.

3. Integrierter Schaltkreis nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Niedrigstromkomparator (19) einen Spannungsteiler (20a, 20b) zwischen der Versorgungsspannung (VDD) und Masse umfasst.

4. Integrierter Schaltkreis nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzspannung (REF) durch eine Bandlückenreferenzschaltung (11) erzeugt wird.

5. Verfahren zum Steuern einer Stromversorgung für einen integrierten Schaltkreis, der durch eine Versorgungsspannung (VDD) von außen versorgt wird, mit wenigstens einer Nutzschaltung (2), wobei die Stromversorgung mehrere Stromversorgungseinheiten (3; 17a, 17b) umfasst, gekennzeichnet durch die Schritte:
Vergleichen der Versorgungsspannung (VDD) mit einem vorgegebenen Sollwert und
Ein- oder Ausschalten einer oder mehrerer der schaltbaren Stromversorgungseinheiten (17b) in Abhängigkeit von dem Vergleichsergebnis durch eine Steuereinheit (18).

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Vergleichen der Versorgungsspannung (VDD) stufenweise mit mehreren vorgegebenen Sollwerten durchgeführt wird, so dass das Zuschalten der schaltbaren Stromversorgungseinheiten (17b) gestaffelt erfolgt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Ein- und Ausschalten der schaltbaren Stromversorgungseinheiten (17b) mit einer Hysterese erfolgt, so dass Schwingungen verhindert werden.