CN103675421A - 一种电源毛刺信号检测电路及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电源毛刺信号检测电路及检测方法。其中检测电路包括：电源正极、电源负极、比较器、第一电容、第二电容、第一电阻、第二电阻和第三电阻，比较器的第一输入端口通过第一电容与电源正极连接，比较器的第二输入端口通过第二电容与电源负极连接；第一电阻、第二电阻和第三电阻串联；电流从第一电阻输入，第三电阻接地；第一电容通过第一电阻与第二电阻的连接点与比较器的第一输入端口连接；第二电容通过第二电阻与第三电阻的连接点与比较器的第二输入端口连接。

Description

一种电源毛刺信号检测电路及检测方法

技术领域

本发明涉及嵌入式***技术领域，尤其涉及一种电源毛刺信号检测电路及检测方法。

背景技术

电源毛刺（power glitch）攻击是通过快速改变输入到芯片的电源电压或者地电压，使得芯片里的某些电路单元受到影响，引起一个或者多个电路单元进入错误状态，从而导致芯片处理器跳过或者根据错误的状态实施错误的操作，进而使芯片内隐藏的安全信息逐渐的暴露出来的一种攻击手段。现阶段，随着智能卡的广泛应用，在信息安全领域中的信息卡成为了黑客们的重点攻击对象。

在现有的技术中，电源毛刺检测电路一般包括毛刺采集、运算、比较和锁存4个环节。比较和锁存两个环节主要通过比较器和锁存器来实现，而毛刺的采集和运算主要通过电阻串来实现。通过电阻串将电源电压分压之后和固定的基准电压进行比较来实现检测电源上毛刺信号的目的，当电源电压出现毛刺并且使其瞬态值高于或者低于我们所设定的基准电压时，比较器产生中断报警信号。在实际的应用和芯片设计中，电源毛刺检测电路的电压域和被攻击的电压域是完全不同的。在通过电阻串采集被攻击电压的同时，要考虑到后面电路能否对采集后的攻击信号进行处理，此时不可避免的就需要考虑到后面电路的实际信号输入范围等问题。

通过对以上现有技术的研究和实际电路应用环境的考虑，很容易发现现有技术存在以下缺点：

（1）电阻串采集电源电压时存在直流功耗。

（2）电阻串只能采集电源上的低频信号，对于电源上的高频信号无法实现同比例采集。

（3）当被检测的电源直流电压范围很大而不存在毛刺攻击，例如，电池供电情况下，电源电压从5.5v缓慢变化到2.7v时，会增大后面比较环节的设计难度。

发明内容

为了解决现有技术中电源毛刺检测电路功耗大且检测电路本身受被检测电源直流电压变化的影响的技术问题，本发明提出一种电源毛刺信号检测电路及检测方法。

本发明的一个方面，提供一种电源毛刺信号检测电路包括：电源正极、电源负极、比较器、第一电容、第二电容、第一电阻、第二电阻和第三电阻，

比较器的第一输入端口通过第一电容与电源正极连接，比较器的第二输入端口通过第二电容与电源负极连接；第一电阻、第二电阻和第三电阻串联；电流从第一电阻输入，第三电阻接地；第一电容通过第一电阻与第二电阻的连接点与比较器的第一输入端口连接；第二电容通过第二电阻与第三电阻的连接点与比较器的第二输入端口连接。

该检测电路还包括第三电容，第一电容和第二电容通过第三电容串联。

第一输入端口处的毛刺信号电压为：

其中，

为第一输入端口处的毛刺信号电压；

电源毛刺信号电压；C₁为第一电容的电容值，C₃为第三电容的电容值。

该检测电路还包括整形器和锁存器，比较器通过整形器与锁存器连接。

本发明的另一个方面，提供一种电源毛刺信号检测方法包括：

第一电容和第二电容分别采集电源正极和电源负极的毛刺信号；电流依次通过第一电阻、第二电阻和第三电阻，在第一电阻与第二电阻的连接点处、第二电阻与第三电阻的连接点处产生为比较器提供的直流偏置电压；比较器通过比较第一输入端口和第二输入端口的电压差获得毛刺信号电压。

该方法还包括：比较器还进一步比较毛刺信号电压与报警阈值，将比较结果发送到整形器；整形器将比较结果转换为数字信号；锁存器将数字信号进行锁存，当比较结果为毛刺信号电压大于报警阈值时，锁存器生成中断告警信号。

本发明的电源毛刺信号检测电路及检测方法，通过电容来采集电源上的毛刺信号，能够隔离直流电压，因此不存在直流功耗；并且，通过隔离直流电压，使得被攻击电源的直流电压值发生变化对本提案的电路不会产生影响，该检测电路使用灵活，可移植性强。

附图说明

图1是本发明电源毛刺信号检测电路实施例的结构示意图；

图2是本发明电源毛刺信号为负向毛刺信号的示意图；

图3是本发明电源毛刺信号为正向毛刺信号的示意图；

图4是本发明电源毛刺信号检测电路另一实施例的结构示意图；

图5是本发明电源毛刺信号检测电路再一实施例的结构示意图；

图6是本发明电源毛刺信号检测电路又一实施例的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行详细说明。

实施例一

如图1所示，本发明的电源毛刺信号检测电路实施例包括：电源正极VCC、电源负极VSS、比较器COMP、第一电容C1和第二电容C2、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3。

COMP的第一输入端口A通过C1与VCC连接，COMP的第二输入端口B通过C2与VSS连接。

R1、R2和R3串联。电流Ibias从R1输入，R3接地。C1通过R1与R2的连接点与端口A连接；C2通过R2与R3的连接点与端口B连接。

电流流过电阻串在端口A、B分别产生电压V_A和V_B。电压V_A和V_B为后面的比较器提供直流偏置，由于电阻R2的存在，使得A、B两点存在一定的电压差V_TH，而该电压差V_TH正好是需要检测的电源毛刺信号的电压幅度。

当电源电压VCC上面出现毛刺攻击信号时，电容C1和C2将该毛刺信号采集到端口A、B的同时，将电源电压的直流信号与端口A、B隔离。所以VCC直流电压的变换不会对后面电路产生任何影响。

本实施例中的检测电路还包括整形器和锁存器。比较器通过整形器与锁存器连接。

比较器还进一步比较毛刺信号电压与报警阈值，将比较结果发送到整形器。整形器将比较结果转换为数字信号。锁存器将数字信号进行锁存，当比较结果为毛刺信号电压大于报警阈值时，锁存器生成中断告警信号。之后，可以采用处理器根据中断报警信号对各电路单元作实时的保护处理，防止信息被窃取。

具体地，针对图1进行举例说明。如果将VCC输出的电压作为输入信号，端口A作为输出端，若R₂+R₃＞＞R₁,R₁、R₂、R₃分别为电阻R1、R2、R3的电阻值，那么电容C1和电阻R1组成信号的高通滤波电路，其时间常数为T₁＝R₁*C₁，C₁为电容C1的电容值。同理，若R₁+R₂＞＞R₃，那么R3和C2组成高通滤波电路，其时间常数为T₂＝R₃*C₂，C₂为电容C2的电容值。当电源正极VCC和电源负极VSS上的交流信号频率高于高通滤波器的带宽 $f_1=\frac{1}{2\mathrm{\π}*T_1}=\frac{1}{2\mathrm{\π}*R_1*C_1}$ 和 $f_2=\frac{1}{2\mathrm{\π}*T_2}=\frac{1}{2\mathrm{\π}*R_3*C_2}$ 时，电源正极和负极上的交流电压分量分别传递到A、B两点。如果比较器能够比较输入信号的最大频率是f_top，当毛刺电路出现在VCC上时，那么该检测电路能够检测的VCC毛刺信号的频率范围是f₁≤f_VCC≤f_top；同理，当检测电路出现在VSS上时，该检测电路能够检测的VSS毛刺信号频率范围是f₂≤f_VSS≤f_top。

在本实施例中，R₁＝R₃＝1MΩ，R₂＝10MΩ，C₁＝C₂＝1pf，此时，

比较器能够检测的交流输入信号的最高频率是1GHz，该电路能够检测的毛刺信号的频率范围是

电源VCC的直流电压是5.5V，VDD的电压是1.8V。若Ibias＝0.1μA，R₂＝10MΩ，该检测电路能够检测的毛刺信号电压的幅度阈值是V_m＝Ibias*R₂＝1V。

在实际应用环境中，如图2所示，电源毛刺信号有可能是负向毛刺信号，采用如图1所示的检测电路就可以进行检测。如图3所示，电源毛刺信号也有可能是正向毛刺攻击信号，采用如图4所示的检测电路就可以进行检测。图1和图4的检测电路工作原理相同，只是检测的毛刺信号极性相反。如图4所示的检测电路，电源正极通过电容C2与比较器的端口B连接，电源负极通过电容C1与比较器的端口A连接。

本实施例中的检测电路，通过电容来采集电源上的毛刺信号，能够隔离直流电压，因此不存在直流功耗；并且，通过隔离直流电压，使得被攻击电源的直流电压值发生变化对本提案的电路不会产生影响，该检测电路使用灵活，可移植性强。

另外，通过微调电路结构可以实现检测正、负电压毛刺信号的目的。

实施例二

在实际的电路实现过程中，毛刺信号的电压和检测电路的工作电压是必须要考虑的问题。当检测电路的工作电压VDD远小于毛刺信号的电压幅度时，检测电路无法正常检测该毛刺信号。

为了解决以上问题，如图5和图6所示，本实施例电源毛刺信号检测电路在上述实施例一的基础上，增加了第三电容C3。C1、C2通过C3串联。即通过电容C3对电源处的毛刺信号电压进行分压，以降低输入端口A处的毛刺信号电压。

在图5中，COMP的A端口处的毛刺信号电压为：其中，为输入端口A处的毛刺信号电压；

为VCC处的毛刺信号电压；C1为电容C1的电容值，C₃为电容C3的电容值。

在图6中，COMP的A端口处的毛刺信号电压为：

图6和图5中的检测电路工作原理相同，只是检测的毛刺电压信号极性相反。

具体地，针对图5进行举例说明。

如果将VCC作为输入信号，端口A作为输出端，若R₂+R₃＞＞R₁,R₁、R₂、R₃分别为电阻R1、R2、R3的电阻值，那么电容C1、C3和电阻R1组成信号的高通滤波电路，其时间常数为T₁＝R₁*(C₁+C₃)，C₁、C₃为电容C1、C3的电容值。同理，若R₁+R₂＞＞R₃，那么R3和C2组成高通滤波电路，5其时间常数为T₂＝R₃*C₂，C₂为电容C2的电容值。当电源正极VCC和电源负极VSS上的交流信号频率高于高通滤波器的带宽 $f_1=\frac{1}{2\mathrm{\π}*T_1}=\frac{1}{2\mathrm{\π}*R_1*(C_1+C_3)}$ 和 $f_2=\frac{1}{2\mathrm{\π}*T_2}=\frac{1}{2\mathrm{\π}*R_3*C_2}$ 时，电源正极和负极上的交流电压分量分别传递到A、B两点。如果比较器能够比较输入信号的最大频率是f_top，当毛刺电路出现在VCC上时，那么该检测电路能够检测的VCC毛刺信号的频率范围是f₁≤f_VCC≤f_top；同理，当检测电路出现在VSS上时，该检测电路能够检测的VSS毛刺信号频率范围是f₂≤f_VSS≤f_top。

在本实施例中，R₁＝R₃＝1MΩ，R₂＝10MΩ，C₁＝C₂＝1pf，此时，

比较器能够检测的交流输入信号的最高频率是1GHz，该电路能够检测的VCC毛刺信号的频率范围是能够检测的VSS毛刺信号的频率范围是

电源VCC的直流电压是5.5V，VDD的电压是1.8V。若Ibias＝0.1μA，R₂＝10MΩ，由于电容C1和C3对交流信号存在分压，该检测电路能够检测的毛刺信号电压的幅度阈值是V_m＝2*Ibias*R₂＝2V。由此可以看出，适当的选取电容电压比例，可以使被检测的毛刺电压阈值（2V）大于电路的工作电压（1.8V）。

本实施例中，通过调整电容C1和C3的电容值的大小，可以方便的调整输入端口A出的毛刺信号的电压幅度范围，使得检测电路能够正常检测到电压幅度较大的毛刺信号。

基于上述检测电路，本发明还提供一种电源毛刺信号检测方法，包括：第一电容和第二电容分别采集电源正极和电源负极的毛刺信号；电流依次通过第一电阻、第二电阻和第三电阻，在第一电阻与第二电阻的连接点处、第二电阻与第三电阻的连接点处产生为比较器提供的直流偏置电压；比较器通过比较第一输入端口和第二输入端口的电压差获得毛刺信号电压。

优选地，该方法还包括：第一基准电压和第二基准电压分别通过第一电阻和第二电阻为比较器提供直流偏置电压。

更优地，该方法还包括：比较器还进一步比较毛刺信号电压与报警阈值，将比较结果发送到整形器；整形器将比较结果转换为数字信号；锁存器将数字信号进行锁存，当比较结果为毛刺信号电压大于报警阈值时，锁存器生成中断告警信号。

应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明而非限制，本发明也并不仅限于上述举例，一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。

Claims (6)

1.一种电源毛刺信号检测电路，其特征在于，包括：电源正极、电源负极、比较器、第一电容、第二电容、第一电阻、第二电阻和第三电阻，

所述比较器的第一输入端口通过第一电容与电源正极连接，所述比较器的第二输入端口通过第二电容与电源负极连接；

第一电阻、第二电阻和第三电阻串联；电流从所述第一电阻输入，所述第三电阻接地；

所述第一电容通过所述第一电阻与第二电阻的连接点与所述比较器的第一输入端口连接；所述第二电容通过所述第二电阻与第三电阻的连接点与所述比较器的第二输入端口连接。

2.根据权利要求1所述的检测电路，其特征在于，还包括第三电容，

所述第一电容和所述第二电容通过所述第三电容串联。

3.根据权利要求2所述的检测电路，其特征在于，所述第一输入端口处的毛刺信号电压为：

其中，

为第一输入端口处的毛刺信号电压；

电源毛刺信号电压；C₁为第一电容的电容值，C₃为第三电容的电容值。

4.根据权利要求1-3所述的检测电路，其特征在于，还包括整形器和锁存器，

所述比较器通过所述整形器与所述锁存器连接。

5.一种电源毛刺信号检测方法，其特征在于，比较器的第一输入端口通过第一电容与电源正极连接，所述比较器的第二输入端口通过第二电容与电源负极连接；第一电阻、第二电阻和第三电阻串联；电流从所述第一电阻输入，所述第三电阻接地；所述第一电容通过所述第一电阻与第二电阻的连接点与所述比较器的第一输入端口连接；所述第二电容通过所述第二电阻与第三电阻的连接点与所述比较器的第二输入端口连接；该方法包括：

第一电容和第二电容分别采集电源正极和电源负极的毛刺信号；

电流依次通过第一电阻、第二电阻和第三电阻，在第一电阻与第二电阻的连接点处、第二电阻与第三电阻的连接点处产生为比较器提供的直流偏置电压；

所述比较器通过比较第一输入端口和第二输入端口的电压差获得毛刺信号电压。

6.根据权利要求5所述的检测方法，其特征在于，所述比较器通过所述整形器与所述锁存器连接，该方法还包括：

所述比较器还进一步比较所述毛刺信号电压与报警阈值，将比较结果发送到所述整形器；

所述整形器将所述比较结果转换为数字信号；

所述锁存器将所述数字信号进行锁存，当所述比较结果为所述毛刺信号电压大于所述报警阈值时，所述锁存器生成中断告警信号。

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