CN104714193A - 一种高精度低功耗电源毛刺检测电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高精度低功耗电源毛刺检测电路。该检测电路由采样模块、温度工艺角补偿模块、正毛刺检测模块、负毛刺检测模块、反相器构成；本发明可以快速检测电源上的向上和向下毛刺攻击。特殊设计的采样模块可以根据需求调节被检测毛刺的深度，通过特别设计的温度、工艺角补偿模块可以大大提高检测点的精度。
Description
技术领域
本发明为特殊结构的电源毛刺检测电路，在智能卡安全***中用来检测针对电源的毛刺攻击，属于模拟电路设计领域。
背景技术
电源毛刺检测电路(Glitch-Detector)简称GD，用来检测电源电压上的毛刺。此模块中的Glitch指代电源毛刺(Power Glitch)，而非时钟或数据的毛刺。GD模块针对电源上的毛刺信号进行检测，在检测到毛刺信号产生的情况下，产生复位信号，使***进行对应的复位操作。之所以设计专门针对电源毛刺进行检测的模块，是由于逻辑***在电源存在毛刺的情况下，容易产生错误的时序或翻转，使***进入异常工作状态，造成内部数据错误、操作错误，或存储器内容的异常读出错误。
例如，在针对智能卡的安全攻击中，基于电源毛刺(Power Glitch)的故障注入式(FaultInjection)攻击已经被普遍应用。在这种攻击中，攻击者向卡片内部电源加入毛刺干扰，向***中引入故障，从而达到获取***加密算法、加密信息的目的。又如，在某些恶劣的电源环境中，某型号卡片有较小的几率产生异常的数据读出，影响到卡片的正常使用和安全性。
因此，GD模块的加入可以增强智能卡***对电源毛刺的防护，从而增加***的健壮性和安全性。
近年来，已经有了一些较为成熟的毛刺检测电路(如CN101943728A和CN101943729A)，这些电路，反应速度快，结构简单，功耗很低，但其检测点精度不高，并且其检测点会随着温度和工艺角的变化而变化。
发明内容
随着电源安全模块的发展，人们对于电源毛刺检测的要求越来越高。有些应用需要安全模块和电源***相配合，只对特定深度的毛刺进行报警，其余毛刺不产生报警；有些应用需要电源毛刺检测的精度较高。因此本人发明了一种可以根据需要调节毛刺检测深度的采样电路和一种温度、工艺角补偿电路来提高毛刺检测的精度。
如图1所示，所述采样模块由电阻R1、R2、R3与温度工艺角补偿电路PM4、PM5串联，C1与R1、R2、PM4、PM5并联，C2与R2、R3并联组成，电容C1的一端为GND，另一端为R2、R3的公共节点VDDIN1，电容C2的一端为VDD另一端为R1、R2的公共节点VDDIN2；
所述温度工艺角补偿模块由PM4、PM5组成，PM4的栅端和漏端共同接地、源端与PM5的栅端和漏端向接，PM5的源端接电阻R1的一端，PM4和PM5形成两个二极管接法。
所述负毛刺检测模块由PMOS管PM1、NM1、NM3、PM3构成；PM1源端接VDDIN1、栅端接VDD、漏端接B，NM1栅端和漏端接B、源端接GND，NM3栅端接B，与NM1形成电流镜接法，源端接GND，NM3漏端与PM3漏端共同接公共节点A，PM3源接VDD，栅接VDDIN2。负毛刺检测模块实现对电源上出现的负毛刺进行实时检测。
所述正毛刺检测模块由PMOS管PM2、NM1、NM3、PM3构成；PM2源端接VDDIN2、栅端接VDDIN1、漏端接B，NM1栅端和漏端接B、源端接GND，NM3栅端接B，与NM1形成电流镜接法，源端接GND，NM3漏端与PM3漏端共同接公共节点A，PM3源接VDD，栅接VDDIN2。正毛刺检测模块实现对电源上出现的负毛刺进行实时检测。
其工作原理如下：
当VDD产生如图2所示的负向毛刺时，由于C1的存在，VDDIN1会保持一段时间，此时PM1管的源端接VDDIN1，栅端接VDD，如图2所示毛刺最低电压为Vneg，如果VDDIN1-Vneg＞VthPM1则PM1将导通，此时NM1会产生电流，从而抬高节点C，由于电流镜的接法NM3也会导通，从而将节点A拉为GND，VOUT产生低电平报警信号；当VDD从Vneg恢复为正常电压电压后，NM3断开，PM3导通，A点电压由PM3慢慢拉回VDD，报警信号结束。
当VDD产生正向毛刺时，由于C2的存在，VDDIN2会随着VDD的变化迅速变化，由于C1的存在，VDDIN1会保持一段时间，此时如果Vpos-VDDIN1＞VthPM2，则PM2将导通，此时NM1会产生电流，从而抬高节点C，由于电流镜的接法NM3也会导通，从而将节点A拉为GND，VOUT产生低电平报警信号；当VDD从Vneg恢复为正常电压电压后，NM3断开，PM3导通，A点电压由PM3慢慢拉回VDD，报警信号结束。
此电路可以调节VDDIN1和VDDIN2的直流分压值来调节检测点Vneg和Vpos的检测深度，根据公式VDDIN1-Vneg＞VthPM1，如果VDDIN1的直流电压较高，则Vneg也会变大，反之如果VDDIN1较低，则需要更低的Vneg满足不等式。
其中温度工艺角补偿模块的原理如下，当温度和工艺角发生变化时，PM1管和PM2管的阈值电压VthPM1和VthPM2会发生变化，此时如果想保证检测点Vneg和Vpos不变，则需要构造一个随温度和工艺角变化的VDDIN1。图1中，温度和工艺角补偿模块PM4和PM5就很好的完成了这种构想。当VthPM1变大时，PM4和PM5的Vth也会变大，经过电阻分压VDDIN1的电压也会变大，此时调节R1、R2、R3的值则可以使不等式VDDIN1-Vneg＞VthPM1成立。从而实现了检测点Vneg基本不随温度和工艺角的变化而变化，大大提高了检测精度。
本电路的静态电流仅有电源电压在电阻串上产生的电流，其余电路在静态时没有功耗。
(1)性能仿真
如图3所示，在不同温度和工艺角情况下，VDDIN1有不同的直流电压值，这样就能补偿图1中PM1和PM2的阈值Vth随温度和工艺角变化而变化所产生的误差。
图4、5、6给出了在tt27°、ss-40°、ff105°条件下的检测点仿真结果，其向下毛刺检测点分别为1.34V，1.39V，1.3V误差小于50mV。
附图说明
图1GD核心电路结构，其中VDD是电源输入端，GND是地输入端，VOUT是检测电路输出端
图2VDD毛刺示意图，其中VDD是电源电压，Vneg和Vpos分别代表向下毛刺最低电压和向上毛刺最高电压，tr和tf为VDD变为Vneg和Vneg变为VDD所需要的时间，tpwl为Vneg和Vpos持续的时间
图3随温度和工艺角变化的VDDIN1，图中分别为ss-40°、tt27°、ff105°三种条件下的VDDIN1的静态电压
图4为在tt27°条件下的检测点扫描结果，可以看出在不同Vneg向下毛刺时，VOUT是否能产生报警信号“低”。
图5为在ss-40°条件下的检测点点扫描结果，可以看出在不同Vneg向下毛刺时，VOUT是否能产生报警信号“低”。
图6为在ff105°条件下的检测点点扫描结果，可以看出在不同Vneg向下毛刺时，VOUT是否能产生报警信号“低”。
具体实施方式
如图1所示，所述采样模块由电阻R1、R2、R3与温度工艺角补偿电路PM4、PM5串联，C1与R1、R2、PM4、PM5并联，C2与R2、R3并联组成，电容C1的一端为GND，另一端为R2、R3的公共节点VDDIN1，电容C2的一端为VDD另一端为R1、R2的公共节点VDDIN2；
所述温度工艺角补偿模块由PM4、PM5组成，PM4的栅端和漏端共同接地、源端与PM5的栅端和漏端向接，PM5的源端接电阻R1的一端，PM4和PM5形成两个二极管接法。
所述负毛刺检测模块由PMOS管PM1、NM1、NM3、PM3构成；PM1源端接VDDIN1、栅端接VDD、漏端接B，NM1栅端和漏端接B、源端接GND，NM3栅端接B，与NM1形成电流镜接法，源端接GND，NM3漏端与PM3漏端共同接公共节点A，PM3源接VDD，栅接VDDIN2。负毛刺检测模块实现对电源上出现的负毛刺进行实时检测。
所述正毛刺检测模块由PMOS管PM2、NM1、NM3、PM3构成；PM2源端接VDDIN2、栅端接VDDIN1、漏端接B，NM1栅端和漏端接B、源端接GND，NM3栅端接B，与NM1形成电流镜接法，源端接GND，NM3漏端与PM3漏端共同接公共节点A，PM3源接VDD，栅接VDDIN2。正毛刺检测模块实现对电源上出现的负毛刺进行实时检测。
其工作原理如下：
当VDD产生如图2所示的负向毛刺时，由于C1的存在，VDDIN1会保持一段时间，此时PM1管的源端接VDDIN1，栅端接VDD，如图2所示毛刺最低电压为Vneg，如果VDDIN1-Vneg＞VthPM1则PM1将导通，此时NM1会产生电流，从而抬高节点C，由于电流镜的接法NM3也会导通，从而将节点A拉为GND，VOUT产生低电平报警信号；当VDD从Vneg恢复为正常电压电压后，NM3断开，PM3导通，A点电压由PM3慢慢拉回VDD，报警信号结束。
当VDD产生正向毛刺时，由于C2的存在，VDDIN2会随着VDD的变化迅速变化，由于C1的存在，VDDIN1会保持一段时间，此时如果Vpos-VDDIN1＞VthPM2，则PM2将导通，此时NM1会产生电流，从而抬高节点C，由于电流镜的接法NM3也会导通，从而将节点A拉为GND，VOUT产生低电平报警信号；当VDD从Vneg恢复为正常电压电压后，NM3断开，PM3导通，A点电压由PM3慢慢拉回VDD，报警信号结束。
此电路可以调节VDDIN1和VDDIN2的直流分压值来调节检测点Vneg和Vpos的检测深度，根据公式VDDIN1-Vneg＞VthPM1，如果VDDIN1的直流电压较高，则Vneg也会变大，反之如果VDDIN1较低，则需要更低的Vneg满足不等式。
其中温度工艺角补偿模块的原理如下，当温度和工艺角发生变化时，PM1管和PM2管的阈值电压VthPM1和VthPM2会发生变化，此时如果想保证检测点Vneg和Vpos不变，则需要构造一个随温度和工艺角变化的VDDIN1。图1中，温度和工艺角补偿模块PM4和PM5就很好的完成了这种构想。当VthPM1变大时，PM4和PM5的Vth也会变大，经过电阻分压VDDIN1的电压也会变大，此时调节R1、R2、R3的值则可以使不等式VDDIN1-Vneg＞VthPM1成立。从而实现了检测点Vneg基本不随温度和工艺角的变化而变化，大大提高了检测精度。
首先，根据***要求确定采样模块中电阻串所需要的电流，然后根据工作电压和PM4，PM5的电压确定电阻串总电阻大小。
其次，确定需要检测的上下毛刺深度Vpos和Vneg，然后根据公式Vpos-VDDIN1＞VthPM2和VDDIN1-Vneg＞VthPM1调节电阻分压值。
最后，根据图1所示电路进行电路仿真，确定各MOS管宽长比。
综上，本发明通过以上技术方案，可以对电源上出现的毛刺攻击信号进行实时检测，并可以针对***要求调节可以检测毛刺的深度，同时具有高精度，低功耗，面积小，可移植性强的特点。
Claims (4)
1.一种高精度低功耗电源毛刺检测电路，其特征在于：该电路包括采样模块、温度工艺角补偿模块、正毛刺检测模块、负毛刺检测模块、反相器；其中：
所述采样模块由电阻R1、R2、R3与温度工艺角补偿模块中的PM4、PM5串联，电容C1与R1、R2、PM4、PM5并联，电容C2与R2、R3并联组成，C1的一端为GND，另一端为R2、R3的公共节点VDDIN1，电容C2的一端为VDD另一端为R1、R2的公共节点VDDIN2；
所述温度工艺角补偿模块由PM4、PM5组成，PM4的栅端和漏端共同接地、源端与PM5的栅端和漏端向接，PM5的源端接电阻R1的一端，PM4和PM5形成两个二极管接法；
所述负毛刺检测模块由PM1、NM1、NM3、PM3构成；PM1源端接VDDIN1、栅端接VDD、漏端接B，NM1栅端和漏端接B、源端接GND，NM3栅端接B，与NM1形成电流镜接法，源端接GND，NM3漏端与PM3漏端共同接公共节点A，PM3源接VDD，栅接VDDIN2，负毛刺检测模块实现对电源上出现的负毛刺进行实时检测；
所述正毛刺检测模块由PMOS管PM2、NM1、NM3、PM3构成；PM2源端接VDDIN2、栅端接VDDIN1、漏端接B，NM1栅端和漏端接B、源端接GND，NM3栅端接B，与NM1形成电流镜接法，源端接GND，NM3漏端与PM3漏端共同接公共节点A，PM3源接VDD，栅接VDDIN2；正毛刺检测模块实现对电源上出现的负毛刺进行实时检测；
反相器由PM6、NM6、PM7、NM7构成；PM6栅端与NM6栅端共同接公共节点A、PM6漏端和NM6漏端共同与PM7栅端和NM7栅端相接，PM6源端接VDD，NM6源端接GND，PM7漏端和NM7漏端共同接VOUT，PM7源端接VDD，NM7源端接GND。
2.如权利要求1所述的电路，其特征在于所述采样模块可以通过调节R1、R2、R3的值来灵活设定VDDIN1和VDDIN2的值，以此来实现检测毛刺深度可调的能力。
3.如权利要求1所述的电路，其特征在于所述温度工艺角补偿模块利用PM4和PM5在电阻串中形成两个Vth的电压，以此构建了随温度和工艺角变化的VDDIN1。
4.如权利要求1所述的电路，其特征在于所述正负毛刺检测模块中NM3的宽长比大于NM1的宽长比，PM3的长小于宽，PM3的栅也可以接地电阻串中的其他位置。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: 102209 Beijing, Beiqijia, the future of science and technology in the south area of China electronic network security and information technology industry base C building, Applicant after: Beijing CEC Huada Electronic Design Co., Ltd. Address before: 100102 Beijing City, Chaoyang District Lize two Road No. 2, Wangjing science and Technology Park A block five layer Applicant before: Beijing CEC Huada Electronic Design Co., Ltd. |
|
| COR | Change of bibliographic data | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20150617 |