CN108427028A - 一种用于监控反向电压的半导体器件 - Google Patents

一种用于监控反向电压的半导体器件 Download PDF

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Abstract

提供了一种用于监控反向电压的半导体器件。半导体器件包括具有输入节点和输出节点的知识产权；连接在输出节点和电位之间的无源组件；连接到输入节点和输出节点并由驱动电源供电的监控电路，监控电路监控在输入节点处的输入电平与在输出节点处的输出电平之间的差，以检测知识产权上的反向电压。驱动电源由输出节点提供。

Description

一种用于监控反向电压的半导体器件
相关申请的交叉引用
本申请要求于2017年2月13日向韩国专利局提交的韩国专利申请号为No.10-2017-0019567的优先权，该专利申请的公开内容通过整体引用并入本说明书中。
技术领域
与本公开一致的装置、器件、和物品涉及用于监控反向电压和反向电压监控电路的半导体器件，并且更具体地，涉及包括用于降低功率消耗的反向电压监控电路的半导体器件。
背景技术
作为电子设备的示例，诸如智能电话、平板电脑(PC)、或可穿戴设备的移动设备可以包括用于执行无线充电或执行与外部设备的无线通信的各种无线模块。由于电子设备的重量减轻和小型化，各种无线模块可能会相互干扰。例如，由干扰生成的反向电压(或反向电流)可能导致电子设备的性能恶化或可能导致产品损坏。
为了防止这种反向电压或反向电流损坏，可以在电子设备中采用反向电压监控电路。然而，在这种情况下，存在由于反向电压监控电路的添加而导致的功率消耗增加或者反向电压监控电路在特定模式下可能不会正常工作的缺点。
发明内容
一方面提供了能够在正常维持反向电压监控功能且降低功率消耗的同时监控反向电压的半导体器件。
根据示例性实施例的一个方面，提供包括具有输入节点和输出节点的知识产权的半导体器件；连接在输出节点和电位之间的无源组件；连接到输入节点和输出节点并由驱动电源供电的监控电路，该监控电路被配置为监控输入节点处的输入电平与输出节点的输出电平之间的差，以检测跨越知识产权的反向电压，其中驱动电源由输出节点提供。
根据示例性实施例的另一方面，提供了半导体器件，其包括：调节电源电压以在调节器的输出处生成调节电压的调节器；连接在电位和调节器的输出之间的无源组件；以及由驱动电源驱动的比较器，所述比较器执行电源电压与调节电压的比较，并且基于比较生成控制信号，其中，驱动电源由调节电压提供，并且控制信号控制调节器。
根据示例性实施例的另一方面，提供了在正常模式和断电模式下操作的半导体器件，所述半导体器件包括：调节器；连接在电位和调节器的输出处之间的无源组件；以及由调节器的输出供应的驱动电源驱动的比较器，其执行电源电压与调节器的输出的比较，并且基于比较生成控制调节器的控制信号，其中，在正常模式下，调节器调节电源电压以在调节器的输出处输出调节电压，并且在断电模式下，调节器由比第一电压更低的第二电压操作。
根据示例性实施例的另一方面，提供了在正常模式和断电模式下操作的半导体器件，所述半导体器件包括：具有输入节点和输出节点的知识产权；连接在输出节点和电位之间的无源组件；连接到输入节点和输出节点并由输出节点提供的驱动电源供电的监控电路，所述监控电路被配置为监控输入节点处的输入电平与输出节点处的输出电平之间的差，并生成控制知识产权的控制信号，其中，在正常模式下，知识产权由第一电压操作，并且在断电模式下，知识产权由比第一电压更低的第二电压操作。
根据示例性实施例的另一方面，提供了反向电压监控电路，其包括：驱动电源端；接收第一电压的第一输入端；接收低于第一电压的第二电压的第二输入端；以及输出端，所述输出端基于第一输入电压和第二输入电压的比较来输出输出信号，该比较使用通过驱动电源端供应的驱动电源来执行，其中，第二输入端连接到驱动电源端，并且无源组件连接在第二输入端和电位之间。
根据示例性实施例的另一方面，提供了反向电压监控电路，其包括：第一晶体管，所述第一晶体管具有栅极、源极和漏极；第二晶体管，所述晶体管具有栅极、源极、和连接到第一晶体管的漏极的漏极；第三晶体管，所述第三晶体管具有栅极、连接到栅极的漏极、和连接到第一晶体管的栅极的源极；第四晶体管，所述第四晶体管具有连接到第三晶体管的栅极的栅极、连接到第三晶体管的源极的源极、以及连接到第二晶体管的源极并通过无源组件连接到电位的漏极，其中，第一电压供应给第一晶体管的栅极，第二电压供应给第二晶体管的栅极。
附图说明
从以下结合附图的详细描述中将更清楚地理解示例性实施例，其中：
图1是根据示例性实施例的半导体器件的框图；
图2是根据修改的示例性实施例的半导体器件的框图；
图3是根据另一修改的示例性实施例的半导体器件的框图；
图4和图5是示出在各种类型的用户终端中采用根据示例性实施例的半导体器件的示例的框图；
图6至图10是示出实施反向电压监控电路的各种示例的电路图；
图11A和图11B是分别显示根据相关技术将供电电压作为驱动电源电压施加到反向电压监控电路时的操作示例、以及根据各种示例性实施例将调节电压作为驱动电源电压施加到反向电压监控电路时的操作示例的表格；
图12和图13是示出根据示例性实施例的操作反向电压监控电路的方法的流程图；
图14是示出根据示例性实施例的反向电压监控电路被施加到各种知识产权的示例的框图；
图15至图19是示出根据各种示例性实施例的实施反向电压监控电路的其它示例的电路图；
图20是根据修改的示例性实施例的反向电压监控电路的电路图；以及
图21是根据示例性实施例的包括反向电压监控电路的物联网(Internet ofThings，IoT)设备的框图。
具体实施方式
在下文中，将参照附图详细描述示例性实施例。
图1是根据示例性实施例的半导体器件100的框图。
图1所示的半导体器件100可以是包括半导体电路并执行特定功能的器件。根据一些示例性实施例，半导体器件100可以是安装在移动设备上的半导体芯片。或者，半导体器件100可以安装在移动设备上，作为其中封装有一个或多个半导体芯片的半导体封装。
根据一些示例性实施例，半导体器件100可以是执行诸如接收从外部供应的电源电压VBAT、处理电源电压VBAT以生成供电电压、以及提供供电电压到外部设备的电压管理的半导体芯片或封装。作为示例，生成的供电电压可以是调节电压VREG。或者，作为可用于各种目的的半导体芯片或封装的半导体器件100可以生成供电电压并将供电电压提供给内部电路120。供电电压可以是调节电压VREG。在本发明构思的示例性实施例的描述中，假设半导体器件100是向内部电路120提供调节电压VREG的半导体芯片。然而，如上所述，半导体器件100可以应用于各种类型的半导体芯片或半导体封装。
半导体器件100可以包括调节器110、内部电路120、和反向电压监控电路130。半导体器件100可以经由一个或多个终端耦合到外部电源电压VBAT。半导体器件100可以通过电源管理集成电路(PMIC，power management integrated circuit)直接接收从外部电池提供的电源作为电源电压VBAT或接收从外部电池供应的电源作为电源电压VBAT。
调节器110可以将从外部提供的不稳定的电源电压VBAT转换成稳定的供电电压(例如，调节电压VREG)，或者可以基于不稳定的电源电压VBAT生成稳定的供电电压(例如，调节电压VREG)，并且可以将生成的调节电压VREG提供给内部电路120。根据一些示例性实施例，调节电压VREG的电平可能低于电源电压VBAT。调节器110可以包括输入端和输出端，输入端可以连接到施加了电源电压VBAT的第一节点a，并且输出端可以连接到调节电压VREG输出到的第二节点b。
由于在半导体器件100内部或外部发生的因素，调节器110的输入端和输出端之间可能会发生反向电压，因此反向电流可能从第二节点b流到第一节点a。例如，假设内部电路120包括能够生成相互感应的配置，相互感应可以发生在半导体器件100外部的设备(例如，执行无线充电或无线通信的设备)与半导体器件100中的内部电路120之间，因此，由于相互感应，第二节点b的电压电平可能升高。在这种情况下，当第二节点b的调节电压VREG的电平变得高于电源电压VBAT的电平时，可能发生上述反向电压(或反向电流)现象。当反向电压现象发生时，反向电流可能通过第一节点a流入外部设备，并且诸如电池的外部设备可能被反向电流损坏。
反向电压监控电路130可以连接到调节器110的输入端和输出端，并且根据比较调节器的输入端和输出端的电压的结果生成用于控制调节器110的操作的控制信号Ctrl_ON/OFF。作为示例，反向电压监控电路130可以包括比较器(图1中未示出)，并且比较器可以接收施加到第一节点a的电源电压VBAT和施加到第二节点b的调节电压VREG，作为输入信号。反向电压监控电路130可以接收驱动电源电压以执行比较功能，并且用于比较操作的驱动能力可以根据驱动电源电压的电平而增加或降低。
根据一些示例性实施例，当电源电压VBAT的电平大于调节电压VREG的电平时，反向电压监控电路130可以输出用于正常操作调节器110的第一控制信号Ctrl_ON。另一方面，当电源电压VBAT的电平小于调节电压VREG的电平时，反向电压监控电路130可以中断调节器110的操作并输出用于防止反向电流到调节器110的第一节点a的转移的第二控制信号Ctrl_OFF。也就是说，当调节器110上发生反向电压时(即，当VREG大于VBAT时)，调节器110变为开路，这是“切断”状态的示例。该切断状态可能是暂时的，或者调节器110可以保持处于切断状态直到完全复位。
在一些情况下，反向电压监控电路130可以使用具有变化电平的电压作为驱动电源电压，而不是具有固定电平的供电电压。根据一些示例性实施例，反向电压监控电路130可以使用具有在某些模式下变化的电平的电压作为驱动电源电压。例如，某些模式可以是断电模式或待机模式。在下面的描述中，假设某些模式为断电模式。作为示例，反向电压监控电路130可以将作为调节器110的输出电压的调节电压VREG用作驱动电源电压。也就是说，除了接收调节电压VREG作为用于比较操作的一个输入信号之外，反向电压监控电路130可以接收调节电压VREG作为用于驱动比较器的驱动电源电压。
半导体器件100或采用半导体器件100的***可以在断电模式下操作。在断电模式中，半导体器件100或***需要在正常保持如正常模式中的由反向电压监控电路130执行的监控操作的同时，使功率消耗(或电流消耗)最小化。根据本发明构思的各种示例性实施例，反向电压监控电路130可以在断电模式中正常执行反向电压监控操作，并且通过使用具有变化的电平的电压作为驱动电源电压来最小化断电模式中消耗的功率。
例如，在断电模式中，从调节器110输出的调节电压VREG具有非常小的值(例如，该值可以基本为0V，但额定电压Vth取决于***)。在正向电压，其中反向电压情形不发生的正常状态下，反向电压监控电路130可以保持第一控制信号Ctrl_ON的输出，以维持调节器110的操作状态。例如，在一些实施方式中，在正向电压，正常的状态下，VBAT可以是大约5V，并且VREG可以是大约3.5V。并且，在断电模式下，反向电压监控电路130可以接收具有非常小的值的调节电压VREG作为驱动电源电压，使得反向电压监控电路130的功率消耗可以被最小化。
当在断电模式下由于在半导体器件100的内部或外部生成的因素而发生反向电压情形时，由于反向电压情形，调节电压VREG的电平可能增加。因此，反向电压监控电路130可以由具有相对高电平的驱动电源电压驱动，并且可以输出第二控制信号Ctrl_OFF作为检测反向电压情形的结果。调节器110可以响应于第二控制信号Ctrl_OFF停止调节操作，从而防止反向电流流入外部设备。
在上述操作示例中，当在断电模式下不发生反向电压情形时，反向电压监控电路130可以由具有非常小的电压电平的驱动电源电压来驱动，因此比较器的驱动能力可能会降低，且控制信号Ctrl_ON的输出可能不稳定。根据本发明构思的一些示例性实施例，反向电压监控电路130还可以包括用于将比较器的输出端的电平维持在特定电压电平的配置。例如，反向电压监控电路130可以包括用于上拉或下拉比较器的输出端的电平的配置。下面将详细描述该配置。
根据按照示例性实施例的半导体器件100，不使用用于驱动反向电压监控电路130的单独的供电电压。并且，即使从采用半导体器件100的***中移除电池，反向电压监控电路130也可以监控反向电压情形。此外，即使在仅需要最小功率/电流消耗的模式(诸如断电模式或待机模式)中，也可以监控反向电压情形。
尽管图1示出了反向电压监控电路130监控调节器110的输入和输出端的示例，但本发明构思不限于此。例如，半导体器件100可以包括各种类型的知识产权(intellectualproperty，IP)，并且IP中的至少一些可以具有不同电平的输入端电压和输出端电压。也就是说，反向电压监控电路130可以对半导体器件100中的各种其它类型的IP执行监控，其中反向电压监控对于所述IP是可用。例如，反向电压监控电路130也可以通过使用内部电路120中提供的IP的输入和输出端的电压执行反向电压监控操作。
半导体器件100可以对应于与无线操作有关的各种模块。例如，半导体器件100可以对应于近场通信(near field communication，NFC)模块或无线充电模块。假设半导体器件100是NFC模块，则半导体器件100可以耦合到NFC线圈，并且内部电路120可以包括与NFC通信有关的各种配置，例如用于处理来自NFC线圈的电压以生成数据的配置、用于处理所生成的数据的配置等等。作为示例，第二节点b的电压的电平可能由于电磁波能量流入NFC线圈而升高。
图2是根据修改的示例性实施例的半导体器件100的框图。与图1所示的组件相同的图2所示的组件的操作与图1所示的组件的操作基本相同，因此，为了简洁起见，将不再详细描述具有基本上相同操作的组件。
参考图2，半导体器件100可以包括调节器110、内部电路120、和反向电压监控电路130，并且还可以包括驱动电源生成器140。反向电压监控电路130可以将调节器110的输入端的电压电平与调节器110的输出端的电压电平进行比较。例如，反向电压监控电路130中的比较器(图2中未示出)可以接收施加到第一节点a的电源电压VBAT和施加到第二节点b的调节电压VREG，作为两个输入信号。
此外，类似于图1的上述示例性实施例，反向电压监控电路130可以接收其电平根据操作模式变化的驱动电源电压VOPE。作为示例，驱动电源生成器140可以通过对调节电压VREG的电压调节操作来接收调节电压VREG并生成具有适于驱动反向电压监控电路130的电平的驱动电源电压VOPE。驱动电源生成器140可以基于调节电压VREG生成驱动电源电压VOPE，因此，当调节电压VREG的电平降低时，驱动电源电压VOPE的电平可能降低，而当调节电压VREG的电平增加时，驱动电源电压VOPE的电平可能增加。
根据一些示例性实施例，驱动电源电压VOPE的电平可以根据半导体器件100的操作模式以各种方式变化。例如，在正常模式下，反向电压监控电路130的功率消耗可以被允许，因此，驱动电源生成器140可以在正常模式下放大调节电压VREG的电平以生成驱动电源电压VOPE，并且可以将生成的驱动电源电压VOPE提供给反向电压监控电路130。反向电压监控电路130可以根据具有足够电压电平的驱动电源电压VOPE在正常模式下工作。
另一方面，在不允许功率消耗或仅允许极低功率消耗的断电模式下，驱动电源生成器140可以在不放大调节电压VREG的情况下或者通过以低放大率放大调节电压VREG来生成驱动电源电压VOPE，并且将生成的驱动电源电压VOPE提供给反向电压监控电路130。因此，可以最小化断电模式中的反向电压监控电路130所消耗的功率。
图3是根据另一修改的示例性实施例的半导体器件100的框图。与图1或图2所示的组件相同的图3所示的组件的操作与图1或图2所示的组件的操作基本相同，因此，为了简洁起见，将不再详细描述具有基本上相同操作的组件。
参考图3，半导体器件100可以包括调节器110、内部电路120、和反向电压监控电路130，并且还可以包括驱动电源选择器150。反向电压监控电路130可以接收施加到第一节点a的电源电压VBAT和施加到第二节点b的调节电压VREG，作为两个输入信号。
类似于图2所示的上述示例性实施例，反向电压监控电路130可以接收其电平根据操作模式变化的驱动电源电压VOPE。作为示例，驱动电源选择器150可以接收具有恒定电平的供电电压VDD和根据调节器110的操作而在电平上变化的调节电压VREG，并且可以选择性地向反向电压监控电路130提供供电电压VDD或调节电压VREG作为驱动电源电压VOPE。在一些示例性实施例中，VDD可以是从半导体器件100的外部供应的另一调节电压。根据一些示例性实施例，驱动电源选择器150可以响应于模式控制信号Ctrl_Mode来选择供电电压VDD或调节电压VREG。模式控制信号Ctrl_Mode可以在半导体器件100的外部生成并被提供给驱动电源选择器150，或者可以由采用半导体器件100的***生成，并且被传递到半导体器件100并被提供给驱动电源选择器150。
在正常模式下，驱动电源选择器150可以选择供电电压VDD，并将供电电压VDD提供给反向电压监控电路130作为驱动电源电压VOPE。反向电压监控电路130可以由在正常模式下具有足够电压电平的供电电压VDD驱动。在断电模式下，驱动电源选择器150可以选择调节电压VREG，并将调节电压VREG作为驱动电源VOPE提供给反向电压监控电路130。在断电模式下，当反向电压监控电路130由具有降低的电平的调节电压VREG驱动时，反向电压监控电路130可以将功率消耗最小化。此外，当在断电模式下发生反向电压情形时，在反向电压监控电路130由如上述示例性实施例中那样的具有增加的电平的调节电压VREG驱动时，反向电压监控电路130可以根据反向电压监控结果输出控制信号Ctrl_ON/OFF。
图4和图5是示出各种类型的用户终端采用根据本发明构思的示例性实施例的半导体器件的示例的框图。图4和图5显示了用户终端对应于移动设备200的示例。此外，图4和图5显示了在用户终端中采用执行无线通信功能的***和执行无线充电功能的***的示例。然而，本发明构思不限于此，并且根据本发明构思的示例性实施例的半导体器件可以应用于需要反向电压监控功能或反向电流监控功能的各种***。
移动设备200可以是采用充电线圈和近场通信(NFC)线圈的任何设备。例如，移动设备200可以是智能电话、蜂窝电话、平板电脑、膝上型计算机、个人数字助理(personaldigital assistant，PDA)、便携式多媒体播放器(portable multimedia player，PMP)、数字照相机、音乐播放器、便携式游戏机、导航仪等。移动设备200还可以是诸如智能手表、智能带或智能手环等的任何可穿戴设备。
参考图4和图5，移动设备200执行无线充电功能，以及诸如近场通信(NFC)功能的无线通信功能。例如，移动设备200可以包括NFC***210和无线充电***220，并且移动设备200还可以包括用于向移动设备200中的各种功能块提供电源电压VBAT的电池230、以及用于对来自电池230的电源电压VBAT执行电源管理并生成在移动设备200中的***中使用的供电电压的电源管理集成电路(PMIC)240。尽管图4显示了NFC***210从电池230直接接收电源电压VBAT的示例，但本发明构思的示例性实施例不限于此，并且NFC***210可以经由PMIC 240接收电源电压VBAT。在图4中，省略了NFC***210和无线充电***220的详细配置。然而，可以在NFC***210中提供用于NFC功能的一个或多个IP，并且可以在无线充电***220中提供用于无线充电功能的一个或多个IP。
随着移动设备200的性能演变并且嵌入各种功能，而移动设备200的尺寸减小，移动设备200中的***之间的干扰的可能性增加。作为示例，干扰可能发生在NFC***210中的无线通信线圈213与无线充电***220中的无线充电线圈223之间。特别地，如图5所示，无线通信线圈213和无线充电线圈223可以彼此重叠。例如，这种重叠可能由于移动设备200中的布局约束而发生。在这种情况下，两个线圈之间的干扰可能频繁地发生。
作为示例，当在移动设备200外部的***和移动设备200的无线充电***220之间执行无线电力发送/接收时，高电磁波能量可以被递送到无线充电***220的无线充电线圈223，并且通过无线通信线圈213在NFC***210中可以感应出一些电磁波能量。在这种情况下，由于在NFC***210中感应出的电磁波能量，反向电压情况可能发生，并且当反向电流被递送到NFC***210的外部时，移动设备200的其它组件(例如，电池230或PMIC 240)可能被损坏。
参考图4和图5，NFC***210可以包括调节器211，用于从电池230接收电源电压VBAT并处理电源电压VBAT以生成调节电压VREG，以及功率放大器(TX PA)212，用于放大调节电压VREG的功率。此外，如在以上示例性实施例中描述的反向电压监控电路214可以连接到调节器211的输入端和输出端。反向电压监控电路214也可以接收电源电压VBAT和调节电压VREG作为输入信号，并且可以接收调节电压VREG作为驱动电源电压。
上述示例性实施例中的半导体器件可以包括各种组件。例如，NFC***210可以包括根据本发明构思的示例性实施例的半导体器件。半导体器件可以被定义为包括调节器211、功率放大器212、和对应于IP的反向电压监控电路214。在这种情况下，半导体器件可以对应于NFC模块，并且NFC模块可以通过一个或多个终端连接到无线通信线圈213，并且由无线通信线圈213上的相互感应引起的电压可以被发送到NFC模块。或者，基于NFC模块的控制，无线通信线圈213可以将根据相互感应的电压提供给外部设备。
或者，根据修改的示例性实施例，半导体器件可以被定义为包括无线通信线圈213以及包括调节器211、功率放大器212、和反向电压监控电路214的NFC模块。
如上述示例性实施例中，当移动设备200进入断电模式时，被提供作为反向电压监控电路214的驱动电源电压的调节电压VREG可以具有非常小的电平，因此功率消耗可以大大降低，并且可能接近零，而不会发生反向电压情况。此外，当反向电压情形发生时，其电平对应于该情形而升高的调节电压VREG可以作为驱动电源电压提供给反向电压监控电路214，因此反向电压监控电路214可以监控具有足够驱动能力的反向电压情形，并根据监控结果输出控制信号。
尽管反向电压监控电路214连接到调节器211的输入端和输出端的示例在图4和图5中显示，本发明构思不限于此。例如，可以通过功率放大器212和调节器211将由NFC***210的无线通信线圈213引起的反向电流引入电池230中，并且可以实施通过反向电压监控的反向电流阻断。根据示例性实施例，反向电压监控电路214可以连接到功率放大器212的输入端和输出端，并且通过将功率放大器212的输入端的电压电平与功率放大器212的输出端的电压电平比较来执行反向电压监控。在这种情况下，可以防止反向电流从功率放大器212发送到调节器211。
尽管在图4和图5中显示了将根据本发明构思的示例性实施例的反向电压监控电路应用于NFC***210的示例，但本发明构思不限于此。例如，根据本发明构思的示例性实施例的反向电压监控电路可以应用于无线充电***220中的各种IP。无线充电***220可以包括无线充电模块221和无线充电线圈223，并且无线充电模块221可以包括一个或多个IP(未示出)。例如，无线充电模块221可以包括连接到无线充电线圈223并且执行与线圈的匹配功能的IP、或者执行对提供给无线充电线圈223或从无线充电线圈223提供的电压的电平的控制的IP，并且根据本发明构思的示例性实施例的反向电压监控电路可以应用于无线充电模块221中的至少一个IP。
或者，根据本发明构思的示例性实施例的反向电压监控电路可以应用于PMIC240，因此，连接到PMIC 240的输入端和输出端的反向电压监控电路可以进一步在移动设备200中被提供。换句话说，反向电压监控电路214可以连接到任何IP的输入端和输出端，对于所述IP，防止发生反向电压情形是有利的。
图6至图10是示出根据各种示例性实施例的实施反向电压监控电路的各种示例的电路图。根据各种示例性实施例，图6至图10中示出了基于电压比较器的反向电压监控电路。
参考图6，反向电压监控电路310可以包括比较器311、逻辑元件312、和无源元件313。作为模拟核心的比较器311可以接收电源电压VBAT和调节电压VREG作为输入信号并生成输出信号VOUT作为比较结果。此外，比较器311可以接收作为驱动电源电压的信号。作为示例，比较器311可以接收调节电压VREG作为驱动电源电压。
逻辑元件312可以从比较器311接收输出信号VOUT并对输出信号VOUT执行逻辑运算，以生成用于控制诸如调节器的功能块(或IP)的控制信号Ctrl。作为示例，图6中示出了反相器作为逻辑元件312，并且反相器可以通过使输出信号VOUT反相来生成具有逻辑电平的控制信号Ctrl。
无源元件313的一个端可以连接到比较器311的输出端。作为示例，图6示出了作为无源元件313的电阻器，并且无源元件313的另一端可以连接到接地电压。无源元件313可以调节输出信号VOUT的电平。例如，无源元件313可以将输出信号VOUT的电平下拉到接地电压电平。
在断电模式中，比较器311可以具有低驱动能力，因为比较器311使用具有非常低电平的调节电压VREG作为驱动电源电压，因此，输出信号VOUT的电平可以浮动，或相反，即使当反向电压情形不发生时(例如，当电源电压VBAT的电平大于调节电压VREG的电平时)，输出信号VOUT的电平是未知的。例如，当没有发生反向电压情形时，比较器311生成对应于低电平的输出信号VOUT，但由于低驱动能力，输出信号VOUT的电平可能不稳定，因此控制信号Ctrl可以在指示反向电压情形已经发生的状态下被错误地输出。为了防止这种情形，无源元件313将输出信号VOUT的电平下拉到接地电压电平。因此，可以防止控制信号Ctrl的逻辑电平错误地改变为指示反向电压情形发生的状态的故障。
图7显示了图6的比较器311的实施例。参照图7，比较器311可以包括多个MOS晶体管。作为示例，比较器311可以包括通过栅极接收调节电压VREG的第一MOS晶体管M1和通过栅极接收电源电压VBAT的第二MOS晶体管M2，并且可以接收调节电压VREG作为驱动电源电压。比较器311还可以包括分别连接在驱动电源电压与第一MOS晶体管M1和第二MOS晶体管M2之间的第三MOS晶体管M3和第四MOS晶体管M4。比较器311还可以包括连接在接地电压与第一MOS晶体管M1和第二MOS晶体管M2之间的电流源Iref。
可以根据施加到第一MOS晶体管M1的栅极的调节电压VREG与施加到第二MOS晶体管M2的栅极的电源电压VBAT之间的电平差来调整(develop)比较器311的输出节点c的电压，并且来自输出节点c的输出信号VOUT可以被提供给与逻辑元件312相对应的反相器的输入端。如上所述，即使输出节点c的电压的调整性能(development performance)由于在断电模式下的低电平驱动电源电压而被削弱，输出信号VOUT也可以通过无源元件313下拉到接地电压电平，因此，指示没有发生反向电压情形的控制信号Ctrl可以由逻辑元件312生成。
图8至图10显示了根据各种示例性实施例的上述比较器311的各种修改。
参考图8，比较器311可以包括接收调节电压VREG的第一MOS晶体管M1、接收电源电压VBAT的第二MOS晶体管M2、以及电流源Iref。此外，电阻段(resistance stage)RoutStage可以代替在上述实施例中的第三MOS晶体管M3和第四MOS晶体管M4，被安排在布置第三MOS晶体管M3和第四MOS晶体管M4的位置处。电阻段Rout Stage可以包括用于改善比较器311的比较性能的各种电路。
参考图9(a)，电阻段Rout Stage可以包括一个或多个电阻元件R1和R2。当图9(a)所示的电阻段Rout Stage被应用到图8的比较器311时，第一电阻元件R1可以连接在作为驱动电源电压的调节电压VREG和第一MOS晶体管M1的一个电极之间，并且第二电阻元件R2可以连接在调节电压VREG和第二MOS晶体管M2的一个电极之间。
参考图9(b)，电阻段Rout Stage可以作为选择地包括一个或多个MOS晶体管M11和M12。当图9(b)所示的电阻段Rout Stage被应用到图8的比较器311时，电阻段Rout Stage的MOS晶体管M11可以连接到作为驱动电源电压的调节电压VREG和第一MOS晶体管M1的一个电极，并且MOS晶体管M11的栅极和漏极可以彼此连接。电阻段的MOS晶体管M12可以连接在调节电压VREG和第二MOS晶体管M2的一个电极之间，并且MOS晶体管M12的栅极和漏极可以彼此连接。
参考图9(c)，电阻段Rout Stage可以作为选择地包括一个或多个MOS晶体管M21至M24。作为示例，MOS晶体管M21至M24可以被实施为镜像的两对，并且电阻段的一对MOS晶体管M21和M22的栅极可以彼此电连接，并且电阻段的另一对MOS晶体管M23和M24的栅极可以彼此电连接。
图10所示的比较器311是其中通过两个段执行比较功能的比较器。参考图10，比较器311的第一段311_1可以包括接收调节电压VREG的第一MOS晶体管M1、接收电源电压VBAT的第二MOS晶体管M2、电流源Iref、和电阻段Rout Stage，类似于图8所示的配置。第一段311_1的输出可以被提供为比较器311的第二段311_2的输入。比较器311的第二段311_2可以包括通过它的栅极接收第一段的输出的MOS晶体管M33和M34、和连接在MOS晶体管M33和M34与接地电压之间的MOS晶体管M31和M32。图10所示的比较器311的比较性能可以通过执行两个段的比较操作来改善。
图11A和图11B是分别显示如相关技术中的当供电电压VDD作为驱动电源电压施加到的反向电压监控电路时的操作示例、以及根据示例性实施例的当调节电压VREG作为驱动电源电压施加到反向电压监控电路时的操作示例的表格。
参考图11A，如相关技术中的，可以使用具有恒定电平的供电电压VDD作为反向电压监控电路的驱动电压。因此，在正常模式下，可以向反向电压监控电路提供具有相对高电平(例如，“电平H”)的供电电压VDD。而且，可以向反向电压监控电路提供与正常模式或断电模式无关的具有恒定电平的供电电压VDD。这种情形在图11A中被指示为，对于断电模式驱动电源电压的电平为“电平H”。即使在断电模式下，当反向电压监控电路被给予优先权并接收供电电压VDD时，也会发生这种情形，导致反向电压监控电路的电力使用增加。而且，可以降低在断电模式下提供给反向电压监控电路的驱动电源电压，使得在断电模式下，具有非常低电平(例如，图11A中的“电平L”)的供电电压VDD可以被提供给反向电压监控电路。例如，当在断电模式下VDD低于***范围时，这种情形可能会发生。在某些情况下，可能会阻止向反向电压监控电路供应供电电压VDD。
如图11A所示，在正常模式下反向电压监控电路可以正常操作。另一方面，在断电模式下，当高电平驱动电源电压(即，图11A中的“电平H”)被施加到反向电压监控电路时，反向电压监控电路可以正常操作，但是它的功率消耗极大降低。另一方面，在断电模式下，当非常低的电平的驱动电源电压(即，图11A中的“电平L”)被应用于反向电压监控电路或当驱动电源电压的供应被阻断时，反向电压监控电路异常操作，从而不会防止反向电压且如上所述的电池和其它组件的损失可能会发生。
相反，如图11B所示，当如本发明构思的各种示例性实施例中那样，使用调节电压VREG作为反向电压监控电路的驱动电源电压时，反向电压监控电路可以由电平变化的驱动电源电压来驱动。图11B显示当调节电压VREG被提供为驱动电源电压，在断电模式下的反向电压监控电路的操作的示例。作为示例，当在断电模式下不发生反向电压情形时，反向电压监控电路可以由具有非常小的电平(即，电平L)的调节电压VREG驱动，因此其功率消耗可以被极大地减少。此外，如上述示例性实施例中那样，通过将无源元件放置在比较器的输出端处，比较器的输出可以保持在恒定电平(例如，接地电压电平)，而反向电压情形不发生，因此即使在断电模式下，反向电压监控电路也可以正常执行反向电压监控操作。当在断电模式下发生反向电压情形时，反向电压监控电路可以由电平已经升高(即，电平H)的调节电压VREG驱动，从而适当地生成指示反向电压情形的控制信号。
图12和图13是示出根据本发明构思的示例性实施例的操作反向电压监控电路的方法的流程图。
参考图12，反向电压监控电路连接到IP的输入端和输出端，接收输入端的第一电压和输出端的第二电压作为输入信号(操作S11)，并且在反向电压监控电路中提供的比较器对两个接收到的输入信号执行比较操作。尽管IP对应于如上述示例性实施例中的各种类型的电路，但是本发明构思不限于特定类型的IP。
并且，反向电压监控电路可以接收输出端的第二电压作为驱动电源电压(操作S12)。可以将由于反向电压引起的电压施加到IP的第二端，因此，反向电压监控电路可以基于其电平在特定模式或反向电压情形下变化的驱动电源电压来操作。作为示例，输出端的第二电压在正常模式下可能具有相对大的电平，而第二电压在断电模式下可能具有相对小的电平。此外，在断电模式下，当反向电压情况发生时，输出端的第二电压可能增加，并且当反向电压情形不发生时，输出端的第二电压可以维持在相对小的电平。
当反向电压监控电路在正常模式下工作时，反向电压监控电路可以通过使用具有相对高电平的第二电压作为驱动电源电压来执行反向电压监控(操作S13)。另一方面，当反向电压监控电路进入断电模式时，反向电压监控电路可以通过使用具有相对低电平的第二电压作为驱动电源电压来执行反向电压监控(操作S14)。
图13显示了与图12所示的操作有关的、在断电模式下的反向电压监控电路的具体操作的示例。
参考13，反向电压监控电路进入断电模式，检测到当没有发生反向电压情形时第一电压的电平高于第二电压的电平，并输出第一比较结果(操作S14_1)。由于用作驱动电源电压的第二电压的电平具有接近零的非常小的值，所以作为比较器的输出的第一比较结果可能具有未知状态。在这种情况下，反向电压监控电路中提供的组件(例如，无源元件)可以将第一比较结果下拉到接地电压电平(操作S14_2)。此外，通过对下拉的第一比较结果的逻辑处理，可以从反向电压监控电路输出具有第一逻辑状态的控制信号(操作S14_3)。
另一方面，当反向电压情形发生时，反向电压监控电路感测到第二电压的电平高于第一电压的电平，因此反向电压监控电路可以输出第二比较结果(操作S14_4)。在这种情况下，因为用作驱动电源电压的第二电压的电平由于反向电压情形而升高，所以比较器可以正常地输出第二比较结果。例如，第二比较结果的电压电平可以对应于其电平已经升高的第二电压。此外，通过对第二比较结果的逻辑处理，可以从反向电压监控电路输出具有第二逻辑状态的控制信号(操作S14_5)。这里，第二逻辑状态与第一逻辑状态不同。
图14是示出将根据本发明构思的示例性实施例的反向电压监控电路应用于各种IP的示例的框图。图14示出了移动设备包括NFC***、无线充电***、和有线充电***的示例。
根据本发明构思的示例性实施例的反向电压监控电路可以应用于NFC，无线充电、和有线充电***中的每一个，并且如上所述，可以通过NFC、无线充电、和有线充电***中的每一个中的一个或多个IP的输入和输出端的电压电平的比较来监控反相电压。在图14的示例中，在NFC***中应用低压差(LDO，low-dropout)调节器，反向电压监控电路接收LDO调节器的输入和输出端的电压作为输入信号。
有线充电***可以包括充电器作为支持为电池有线充电的IP，并且可以根据充电器的功能给电池充电或者从电池中放电。根据本发明构思的示例性实施例的反向电压监控电路可以接收充电器的输入和输出端的电压作为输入信号。与上述示例性实施例类似，无线充电***可以包括无线充电器作为通过无线充电线圈向电池充电的IP，并且反向电压监控电路可以接收无线充电器的输入和输出端的电压作为输入信号。
并且，应用于各种***的反向电压监控电路可以接收***的输出电压作为驱动电源电压。例如，反向电压监控电路可以接收***的输出端的电压作为驱动电源电压。
图15至图19是示出根据各种示例性实施例的实施反向电压监控电路的其它示例的电路图。根据各种示例性实施例，图15至图19中示出了基于电流比较器的反向电压监控电路。
参考图15和图16，反向电压监控电路410可以包括比较器411和逻辑元件412。比较器411可以接收电源电压VBAT和调节电压VREG作为输入信号，并且生成输出信号VOUT作为比较的结果。另外，比较器411可以连接到接地电压。
如图16所示，比较器411可以通过将电源电压VBAT造成的电流电平与调节电压VREG造成的电流电平进行比较来生成输出信号VOUT。作为示例，比较器411可以包括与由于电源电压VBAT引起的电流路径的形成有关的MOS晶体管M1，M2和M5以及与由于调节电压VREG引起的电流路径的形成有关的MOS晶体管M3，M4和M6。MOS晶体管M1和M2的栅极可以通过第一节点a电连接到彼此，并且第一节点a可以连接到电流源Iref。MOS晶体管M3和M4的栅极可以通过第二节点b电连接到彼此，并且第二节点b可以连接到电流源Iref。通过与MOS晶体管M6的一个电极(例如，漏电极)相对应的输出节点c输出的输出信号VOUT可以被提供作为逻辑元件412(即，反相器)的输入，并且逻辑元件412的输出可以作为控制信号Ctrl提供给调节器。
类似于上述电压比较方法，当前比较类型的比较器411也可以进行各种修改。参考图17，比较器411可以包括用于接收电源电压VBAT的MOS晶体管M1和M2、用于接收调节电压VREG的MOS晶体管M3和M4、以及电流源Iref。此外，电阻段Rout Stage可以代替在上述实施例中的MOS晶体管M5和M6，被安排在布置MOS晶体管M5和M6的位置处。电阻段RoutStage可以包括用于改善比较器411的比较性能的各种电路。
参考图18，电阻段Rout Stage可以包括一个或多个电阻元件，也就是说第一电阻元件R1和第二电阻元件R2。当图18(a)所示的电阻段Rout Stage被应用到图17的比较器411时，第一电阻元件R1可以被布置在由于电源电压VBAT引起的电流流过的路径中，具体地，在MOS晶体管M1的一个电极和接地电压之间的路径中。第二电阻元件R2可以被布置在由于调节电压VREG引起的电流流过的路径中，具体地，在MOS晶体管M4的一个电极和接地电压之间的路径中。
参考图18(b)，电阻段Rout Stage可以包括一个或多个MOS晶体管M11和M12。参考图18(c)，电阻段Rout Stage可以包括一个或多个MOS晶体管M21至M24。作为示例，MOS晶体管M21至M24可以被实施为镜像的两对，并且在这种情况下，电阻段Rout Stage的一对MOS晶体管M21和M22的栅极可以电连接到彼此，并且电阻段Rout Stage的另一对MOS晶体管M23和M24的栅极可以电连接到彼此。图18所示的各种电路的特征与上述实施例中的特征基本相同，因此将省略对其的详细描述。
图19所示的比较器411对应于由如上述示例性实施例中的两个级来执行比较功能的示例。参考图19，比较器411可以包括第一级411_1，并且还可以包括第二级411_2，其接收由电源电压VBAT引起的电流和由调节电压VREG引起的电流作为输入，并且通过对电流电平的比较操作生成输出信号VOUT。第二级411_2可以包括多个MOS晶体管M31至M34。
图20是根据本发明构思的修改的示例性实施例的反向电压监控电路510的电路图。
参考图20，反向电压监控电路510可以包括比较器511、逻辑元件512、和无源元件513。根据一些示例性实施例，无源元件513可以包括可变电阻器，并且反向电压监控电路510还可以包括用于控制可变电阻器的电阻值的电阻器控制器514。根据一些示例性实施例，电阻器控制器514可以响应于工作模式信号Op_Mode输出电阻器控制信号Ctrl_R，并且可以通过电阻器控制信号Ctrl_R来调整可变电阻器的电阻值。
比较器511可以基于电压比较操作生成比较结果作为输出信号VOUT，并且可以接收调节电压VREG和电源电压VBAT作为输入信号并执行比较操作。此外，如上述示例性实施例中，比较器511可以接收调节电压VREG作为驱动电源电压。包括可变电阻器的无源元件513可以将输出信号VOUT上拉或下拉到特定电压电平。例如，当无源元件513连接到接地电压时，无源元件513可以将输出信号VOUT下拉到接地电压电平。
电阻器控制器514可以根据反向电压监控电路510的操作模式来调整可变电阻器的电阻值。作为示例，在正常模式下，电阻器控制器514可以将可变电阻器的电阻值调整为相对较小。另一方面，在断电模式下，电阻器控制器514可以将可变电阻器的电阻值调整为相对较大。也就是说，由于在断电模式下反向电压监控电路510的驱动电源电压的电平低，所以可以将可变电阻器的电阻值调整为大，以使通过具有低驱动能力的反向电压监控电路510上的可变电阻器连接的接地电压的影响最小化。另一方面，在正常模式中，由于反向电压监控电路510的驱动能力高，所以可变电阻器的电阻值可以设定得相对较小。
图21是物联网(IoT)设备600的框图，其包括根据本发明构思的示例性实施例的反向电压监控电路。
参考图21，IOT设备600可以对应于附接到用户身体的一部分的可穿戴设备以执行计算操作。例如，IoT设备600可以是可穿戴在用户袖口上的可穿戴设备。然而，根据本发明构思的示例性实施例的IoT设备600不限于此，并且可以是可以接触或附接到具有期望信息的对象(诸如人)的各种类型的设备。作为示例，假设图21所示的IoT设备600是可穿戴设备。
IoT设备600可以包括可穿戴在用户身体的一部分上的可穿戴外壳610。可穿戴外壳610可以包括具有柔性特性的基底并且可以以以下形式来实施：可以直接附接到具有期望信息的对象表面或靠近对象的位置，或者直接从具有期望信息的对象表面或靠近物体的位置分离，或可植入身体中。实施为可穿戴设备的IoT设备600可以用于各种领域，诸如健身和健康领域、保健和医疗领域、信息娱乐领域、以及工业和军事领域。
IoT设备600可以包括用于连续收集和传达包括用户身体的周围环境中的改变的电子组件。IoT设备600还可以包括应用处理器620、存储器630、安全模块640、显示器650、传感器660、无线模块670、功率模块680等。
应用处理器620可以被实施为片上***，并且可以控制IoT设备600的所有操作。应用处理器可以被实施为一个或多个微处理器。存储器630可以在IoT设备600中存储易失性和/或非易失性数据，并且显示器650可以提供用户界面。传感器660可以执行与IoT设备600的功能有关的各种感测操作。例如，传感器660可以包括各种类型的传感器，诸如感测外部环境的温度传感器、加速度传感器、重力传感器、以及与身体有关的脉搏传感器。电源模块680可以向IoT设备600中包括的各种模块提供电源电压，或者可以向各种模块提供使用电源生成的供电电压。
根据本发明构思的示例性实施例，反向电压监控电路可以应用于IoT设备600中的各种模块。例如，图21显示了反向电压监控电路(Rev.Mon)641和反向电压监控电路(Rev.Mon)671分别应用于安全模块640和无线模块670的示例。根据上述实施例，安全模块640和无线模块670中的每一个可以执行与外部***的无线通信，并且由于各种因素(例如，线圈之间的相互感应、由物联网设备600的佩戴者生成的静电放电(electrostaticdischarge，ESD)等)引起反向电流流动。在这种情况下，反向电压监控电路(Rev.Mon)641和反向电压监控电路(Rev.Mon)671可以防止由反向电流引起的各种模块的损坏。此外，在反向电压监控电路(Rev Mon)641和反向电压监控电路(Rev Mon)671中提供的比较器(未示出)可以使用信号(例如，调节电压)，输入到比较器，作为驱动电源电压，而不从功率模块680接收驱动电源电压。
虽然已经参考本发明构思的各种示例性实施例具体显示和描述了本发明构思，但是应当理解，在不脱离所附权利要求的精神和范围的情况下，可以在形式和细节上进行各种改变。

Claims (25)

1.一种半导体器件，包括：
知识产权，具有输入节点和输出节点；
无源组件，连接在所述输出节点和电位之间；
反向电压监控电路，连接到所述输入节点和所述输出节点并由驱动电源供电，所述监控电路被配置为监控在所述输入节点处的输入电平与在所述输出节点处的输出电平之间的差，以检测所述知识产权上的反向电压，
其中所述驱动电源由所述输出节点提供。
2.根据权利要求1所述的半导体器件，其中所述反向电压监控电路包括接收所述驱动电源的驱动电源输入。
3.根据权利要求2所述的半导体器件，其中所述驱动电源输入连接到所述输出节点。
4.根据权利要求1所述的半导体器件，其中所述知识产权是电压调节器、电流调节器、有线充电电路、无线充电电路、或低压差调节器。
5.根据权利要求1所述的半导体器件，其中所述反向电压监控电路包括比较器。
6.根据权利要求5所述的半导体器件，其中所述比较器包括两级比较器。
7.根据权利要求1所述的半导体器件，还包括连接到所述输出节点的逻辑元件。
8.根据权利要求1所述的半导体器件，其中所述输入节点接收电源电压。
9.根据权利要求2所述的半导体器件，还包括驱动电源生成器，所述驱动电源生成器连接到所述驱动电源输入和所述输出节点，所述驱动电源生成器根据所述器件的模式来调节所述输出节点上的电压，并输出被调节到所述驱动电源输入的电压。
10.根据权利要求2所述的半导体器件，还包括连接到所述驱动电源输入、所述输出节点和外部电源的驱动电源选择器，
其中，所述驱动电源选择器接收控制信号、根据所述控制信号选择所述输出节点或所述外部电源中的一个、并且将所选择的输出节点或所述外部电源连接到所述驱动电源输入。
11.根据权利要求1所述的半导体器件，其中所述无源组件包括电阻器或可变电阻器。
12.根据权利要求11所述的半导体器件，其中所述无源组件是所述可变电阻器，并且所述器件还包括电阻器控制器，所述电阻器控制器接收指示所述器件的操作模式的操作模式信号，并且根据所述操作模式信号控制所述可变电阻器的电阻。
13.根据权利要求1所述的半导体器件，其中所述电位为接地电压或正电压。
14.一种半导体器件，包括：
调节器，其调节电源电压以在调节器的输出处生成调节电压；
无源组件，连接在电位和调节器的输出之间；以及
比较器，由驱动电源驱动，其执行所述电源电压与所述调节电压的比较，并且基于所述比较生成控制信号，
其中所述驱动电源由所述调节电压提供，并且
所述控制信号控制所述调节器。
15.根据权利要求14所述的半导体器件，其中所述电位为接地电压或正电压。
16.根据权利要求14所述的半导体器件，还包括电耦合到所述调节器的输出的内部电路。
17.根据权利要求16所述的半导体器件，其中所述内部电路是近场通信电路、无线充电电路、或有线充电电路。
18.根据权利要求16所述的半导体器件，其中所述内部电路是由所述调节电压供电的电路。
19.根据权利要求14所述的半导体器件，其中：
当所述调节电压大于所述电源电压时，所述控制信号控制所述调节器以防止所述调节器上的反向电压，并且
当所述电源电压大于或等于所述调节电压时，所述控制信号控制所述调节器调节所述电源电压。
20.一种在正常模式和断电模式下工作的半导体器件，所述半导体器件包括：
调节器；
无源组件，其连接在电位和调节器的输出之间；以及
比较器，其由调节器的输出所供应的驱动电源驱动，其执行电源电压与所述调节器的输出的比较，并且其基于所述比较生成控制所述调节器的控制信号，
其中
在所述正常模式下，所述调节器调节所述电源电压，以在所述调节器的输出处输出调节电压，并且
在所述断电模式下，所述调节器由低于所述第一电压的第二电压操作。
21.根据权利要求20所述的半导体器件，其中所述电位为接地电压或正电压。
22.根据权利要求20所述的半导体器件，还包括电耦合到所述调节器的输出的内部电路。
23.根据权利要求22所述的半导体器件，其中所述内部电路是近场通信电路、无线充电电路、或有线充电电路。
24.根据权利要求22所述的半导体器件，其中所述内部电路是由所述调节电压供电的电路。
25.根据权利要求20所述的半导体器件，其中：
当所述调节器的输出大于所述电源电压时，所述控制信号控制所述调节器以防止所述调节器上的反向电压，以及
当所述电源电压大于或等于所述调节器的输出时，所述控制信号控制所述调节器调节所述电源电压。
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