CN114138094A - 一种高可靠性片内电源切换电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高可靠性片内电源切换电路，包括电源检测电路、低功耗控制模块、主电控制模块、低功耗电源切换开关、主电电源切换开关、低功耗区域负载以及主电区域负载；其中，电源检测电路输入端分别连接市电电源和电池电源，并对所述两种电源进行检测；电源检测电路一路输出连接低功耗控制模块的输入端，低功耗控制模块的输出连接低功耗电源切换开关的输入端，低功耗电源切换开关的输出连接低功耗区域负载；另一路输出连接主电控制模块的输入端，主电控制模块的输出连接主电电源切换开关的输入端，主电电源切换开关的输出连接主电区域负载。

Description

一种高可靠性片内电源切换电路
技术领域
本发明涉及一种电源切换电路，特别是一种高可靠性片内电源切换电路。
背景技术
主控芯片电源架构上划分为两块，一块主电源域，CPU、存储、外设等大部分功能模块都放在这个区域；另一块RTC电源域，主要放晶振时钟、RTC模块等需要常开的电路。除了进入RTC-Only模式，主电源域一直保持有电，由市电时由市电供电，没有市电时则切换到电池供电，通常这个切换是在芯片外部完成。参见图3，为了防止倒灌，市电(一般经过整流桥后再由LDO转换后进行供电)和电池各自串接一个二极管再供给芯片电源输入VDD。一般，市电高于电池电压，所以正常情况下都会由市电进行供电，但是这个结构除了二极管的BOM成本，还有一个无法消除的弊端，即二极管的导通压降，这将显著降低电池的耐用度。
为了节约BOM成本，现在有方案将电源切换放到芯片内部实现，如图4所示，通过内部两个开关直接实现电源的切换，既能解决BOM成本增加的问题，也能解决二极管导通压降的问题。
但是这个设计可靠性很难保证，当电池电源控制信号VBAT_SEL和市电电源控制信号VDD_SEL做成交叠时序，会出现VDDRTC电压下降导致***复位；如果VBAT_SEL和VDD_SEL做成非交叠时许，会存在SW0和SW1同时导通的可能性，因为SW0和SW1流过的电流比较大，通常10mA以上，这样要求SW0和SW1的导通阻抗做的比较小，而VDD和BATRTC电压差存在非常大的情况，这样会导致VDD的电源有一个非常大的倒灌到电池中，导致电池的损伤，影响电池寿命。
发明内容
发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种高可靠性片内电源切换电路。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种高可靠性片内电源切换电路，包括电源检测电路、低功耗控制模块、主电控制模块、低功耗电源切换开关、主电电源切换开关、低功耗区域负载以及主电区域负载；
其中，电源检测电路输入端分别连接市电电源VDD和电池电源BATRTC，并对所述两种电源进行检测；
电源检测电路有两路输出，其中一路输出连接低功耗控制模块的输入端，低功耗控制模块的输出连接低功耗电源切换开关的输入端，低功耗电源切换开关的输出连接低功耗区域负载；
电源检测电路的另一路输出连接主电控制模块的输入端，主电控制模块的输出连接主电电源切换开关的输入端，主电电源切换开关的输出连接主电区域负载。
本发明所述电源检测电路包括第一电阻R0、第二电阻R1和比较器COMP；
其中，第一电阻R0的正端连接市电电源VDD，负端连接比较器COMP的正向输入端；
第二电阻R1的正端连接电池电源BATRTC，负端连接比较器COMP的负向输入端。
本发明所述低功耗控制模块包括第一反相器INV，产生非交叠控制信号；
其中，第一反相器INV的输入端连接比较器COMP的输出端，第一反相器INV的输出端连接低功耗电源切换开关。
本发明所述主电控制模块包括两相非交叠时序产生器S1和第二反相器INV1和第三反相器INV2；
其中，两相非交叠时序产生器S1的输入端连接比较器的输出端LP_SEL，两相非交叠时序产生器S1的输出连接第二反相器INV1和第三反相器INV2的输入端；
第二反相器输出端连接第三开关SW2；
第三反相器输出端连接第四开关SW3。
本发明所述低功耗电源切换开关包括第一开关SW0和第二开关SW1；
其中，第一开关SW0的栅端连接比较器COMP的输出端，第一开关SW0的源端连接电池电源BATRTC，第一开关SW0的衬底和漏端连接低功耗区域负载和第二开关SW1的漏端和衬底；
第二开关SW1的栅端连接第一反相器INV的输出端，第二开关SW1的源端连接市电电源VDD。
本发明所述主电电源切换开关包括第三开关SW2和第四开关SW3；
其中第三开关SW2的栅端连接主电控制模块的输出端，第三开关SW2的源端连接电池电源BATRTC，第三开关SW2的衬底和漏端连接主电区域负载和SW3的漏端和衬底；
第四开关SW3的栅端连主电控制模块，第四开关SW3的源端接市电电源VDD。
本发明所述低功耗区域负载包括最小***工作参考电压产生电路BGR、低功耗参考电路LPVERF、时钟产生模块CLK_GEN和上电复位POR模块；
所述主电区域负载包括主稳压源MainLDO、输入输出IO、模数转换器ADC和锁相环PLL模块。
本发明所述第一开关SW0和第二开关SW1为MOS开关；
第一开关SW0和第二开关SW1的尺寸根据电流设置，使低功耗区域负载正常工作时所述开关的导通阻抗最大。
本发明所述第一开关SW0和第二开关SW1的控制信号为非交叠信号，由低功耗控制模块产生。
本发明所述电路中第一电阻R0和第二电阻R1是静电防护ESD电阻，防止比较器COMP的栅端被损伤。
有益效果：
1、本发明提出的高可靠性片内电源切换电路，不需要外部增加电源切换的二极管，电源切换电路在芯片内完成，降低BOM成本；
2、本发明提出的高可靠性片内电源切换电路，没有外部二极管，不会出现因为二极管的压降降低电池的耐用度；
3、本发明提出的高可靠性片内电源切换电路，内部大电流开关采用非交叠控制时序保证大电流开关不会同时导通，避免了VDD对电池的大电流倒灌，从而避免降低电池寿命，而内部需要常开等保证最小***部分采用非此即彼的设计，保证内部导通的可靠。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。
图1为本发明电路模块示意图。
图2为本发明电路示意图。
图3为传统电源切换电路示意图。
图4为现有片内电源切换电路示意图。
图5为主电控制模块电路示意图。
具体实施方式
本发明将***电源分成两个电压域，低功耗和高功耗区域。将电源切换模块以及保证最小***工作参考电压产生电路(Bandgap Reference-BGR)、上电复位(Power OnReset-POR)、电阻电容振荡器(RCOSC)等模块放在低功耗区域(low power domain)，而把那些大功率、电源不敏感主稳压源(Main low dropout regulator-MAIN LDO)、输入输出PAD(Input/Output-IO)、锁相环(Phase Locked Loop-PLL)等模块放在Main Power Domain。
低功耗区域通过将主电源输入VDD，电池输入BATRTC通过MOS开关SW1和SW0来产生低功耗供电电源VDDLP。设计中，根据电流大小设计开关SW0和开关SW1的尺寸，主要原则是保证Low Power Domain各模块正常工作同时开关的导通阻抗最大。例如当low powerdomain所有模块电流在10uA时候，所有模块最低供电电压1.8V，要求电池或主电源2V***正常，则设计SW0和SW1的导通阻抗(2-1.8)/10u＝20k。为了保证VDDLP电源常开,不会因为电源切换导致切换逻辑没电导致VDDLP掉电或者电压下降太多，设计SW0和SW1的控制信号LP_SEL和LP_SELN非交叠，使得不管比较器COMP输出结果什么，都有一路电源被选择。上述电路中R0、R1是ESD保护电阻，防止比较器COMP的栅端(GATE)被损伤。两相非交叠控制信号LP_SEL和LP_SELN直接通过一个反相器INV产生，上述产生电路只是其中一种实现方式，可以别的实现方式产生非交叠控制逻辑。当VDD>BATRTC时候，比较器输出LP_SEL为高电平LPSELN为低电平，SW1导通，SW0关闭，通过VDD给Low Power部分供电；当VDD<BATRTC时，比较器输出低，SW0导通，SW1关闭，通过BATRTC给Low Power部分供电，因为LP_SEL和LP_SELN两相非交叠，所以存在控制逻辑发生变化时LP_SEL和LP_SELN同时为低，SW0和SW1同时导通，保证控制逻辑的可靠性，由于开关SW0和SW1的导通阻抗比较大，主电源对电池倒灌的电流比较小，对电池的损失比较小。因为Mian区域的电流比较大，所以设计要求SW2和SW3的导通电阻尽量小，如果SW2和SW3同时导通，将会产生非常大的倒灌电流。Control Logic作用是实现两相交叠时钟，使得SW2和SW3不会同时导通，避免VDD对BATRTC的大电流倒灌。同理，当VDD>BATRTC时候，比较器输出高，SW3导通，SW2关闭，通过VDD给Main Power部分供电；当VDD<BATRTC时，比较器输出低，SW2导通，SW3关闭，通过BATRTC给Main Power部分供电。
如图1所示，一种高可靠性片内电源切换电路，包括电源检测电路、低功耗控制模块、主电控制模块、低功耗电源切换开关、主电电源切换开关、低功耗区域负载以及主电区域负载；其中，电源检测电路输入端分别连接市电电源VDD和电池电源BATRTC，并对所述两种电源进行检测；电源检测电路有两路输出，其中一路输出连接低功耗控制模块的输入端，低功耗控制模块的输出连接低功耗电源切换开关的输入端，低功耗电源切换开关的输出连接低功耗区域负载；电源检测电路的另一路输出连接主电控制模块的输入端，主电控制模块的输出连接主电电源切换开关的输入端，主电电源切换开关的输出连接主电区域负载。
如图2所示，所述电源检测电路包括第一电阻R0、第二电阻R1和比较器COMP；其中，第一电阻R0的正端连接市电电源VDD，负端连接比较器COMP的正向输入端；第二电阻R1的正端连接电池电源BATRTC，负端连接比较器COMP的负向输入端。所述低功耗控制模块包括第一反相器INV，产生非交叠控制信号；其中，第一反相器INV的输入端连接比较器COMP的输出端，第一反相器INV的输出端连接低功耗电源切换开关。
如图5所示，所述主电控制模块包括两相非交叠时序产生器S1和第二反相器INV1和第三反相器INV2；其中，两相非交叠时序产生器S1的输入端连接比较器的输出端LP_SEL，两相非交叠时序产生器S1的输出SELN连接第二反相器INV1的输入端,S1的另一个输出SEL连接第三反相器INV2的输入端；第二反相器输出端MAIN-SEL连接第三开关SW2；第三反相器输出端MAIN-SELN连接第四开关SW3。
所述低功耗电源切换开关包括第一开关SW0和第二开关SW1；其中，第一开关SW0的栅端连接比较器COMP的输出端，第一开关SW0的源端连接电池电源BATRTC，第一开关SW0的衬底和漏端连接低功耗区域负载和第二开关SW1的漏端和衬底；第二开关SW1的栅端连接第一反相器INV的输出端LP_SELN，第二开关SW1的源端连接市电电源VDD。
所述主电电源切换开关包括第三开关SW2和第四开关SW3；其中第三开关SW2的栅端连接主电控制模块的输出端，第三开关SW2的源端连接电池电源BATRTC，第三开关SW2的衬底和漏端连接主电区域负载和SW3的漏端和衬底；第四开关SW3的栅端连主电控制模块，第四开关SW3的源端接市电电源VDD。
所述低功耗区域负载包括最小***工作参考电压产生电路BGR、低功耗参考电路LPVERF、时钟产生模块CLK_GEN和上电复位POR模块；所述主电区域负载包括主稳压源MainLDO、输入输出IO、模数转换器ADC和锁相环PLL模块。所述第一开关SW0和第二开关SW1为MOS开关；第一开关SW0和第二开关SW1的尺寸根据电流设置，使低功耗区域负载正常工作时所述开关的导通阻抗最大。所述第一开关SW0和第二开关SW1的控制信号为非交叠信号，由低功耗控制模块产生。所述电路中第一电阻R0和第二电阻R1是静电防护ESD电阻，防止比较器COMP的栅端被损伤。
本发明提供了一种高可靠性片内电源切换电路的思路及方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (10)

1.一种高可靠性片内电源切换电路，其特征在于，包括电源检测电路、低功耗控制模块、主电控制模块、低功耗电源切换开关、主电电源切换开关、低功耗区域负载以及主电区域负载；
其中，电源检测电路输入端分别连接市电电源VDD和电池电源BATRTC，并对所述两种电源进行检测；
电源检测电路有两路输出，其中一路输出连接低功耗控制模块的输入端，低功耗控制模块的输出连接低功耗电源切换开关的输入端，低功耗电源切换开关的输出连接低功耗区域负载；
电源检测电路的另一路输出连接主电控制模块的输入端，主电控制模块的输出连接主电电源切换开关的输入端，主电电源切换开关的输出连接主电区域负载。
2.根据权利要求1所述的一种高可靠性片内电源切换电路，其特征在于，所述电源检测电路包括第一电阻R0、第二电阻R1和比较器COMP；
其中，第一电阻R0的正端连接市电电源VDD，负端连接比较器COMP的正向输入端；
第二电阻R1的正端连接电池电源BATRTC，负端连接比较器COMP的负向输入端。
3.根据权利要求2所述的一种高可靠性片内电源切换电路，其特征在于，所述低功耗控制模块包括第一反相器INV，产生非交叠控制信号；
其中，第一反相器INV的输入端连接比较器COMP的输出端，第一反相器INV的输出端连接低功耗电源切换开关。
4.根据权利要求3所述的一种高可靠性片内电源切换电路，其特征在于，所述主电控制模块包括两相非交叠时序产生器S1和第二反相器INV1和第三反相器INV2；
其中，两相非交叠时序产生器S1的输入端连接比较器的输出端LP_SEL，两相非交叠时序产生器S1的输出连接第二反相器INV1和第三反相器INV2的输入端；
第二反相器输出端连接第三开关SW2；
第三反相器输出端连接第四开关SW3。
5.根据权利要求4所述的一种高可靠性片内电源切换电路，其特征在于，所述低功耗电源切换开关包括第一开关SW0和第二开关SW1；
其中，第一开关SW0的栅端连接比较器COMP的输出端，第一开关SW0的源端连接电池电源BATRTC，第一开关SW0的衬底和漏端连接低功耗区域负载和第二开关SW1的漏端和衬底；
第二开关SW1的栅端连接第一反相器INV的输出端，第二开关SW1的源端连接市电电源VDD。
6.根据权利要求5所述的一种高可靠性片内电源切换电路，其特征在于，所述主电电源切换开关包括第三开关SW2和第四开关SW3；
其中第三开关SW2的栅端连接主电控制模块的输出端，第三开关SW2的源端连接电池电源BATRTC，第三开关SW2的衬底和漏端连接主电区域负载和SW3的漏端和衬底；
第四开关SW3的栅端连主电控制模块，第四开关SW3的源端接市电电源VDD。
7.根据权利要求6所述的一种高可靠性片内电源切换电路，其特征在于，所述低功耗区域负载包括最小***工作参考电压产生电路BGR、低功耗参考电路LPVERF、时钟产生模块CLK_GEN和上电复位POR模块；
所述主电区域负载包括主稳压源MainLDO、输入输出IO、模数转换器ADC和锁相环PLL模块。
8.根据权利要求7所述的一种高可靠性片内电源切换电路，其特征在于，所述第一开关SW0和第二开关SW1为MOS开关；
第一开关SW0和第二开关SW1的尺寸根据电流设置，使低功耗区域负载正常工作时所述开关的导通阻抗最大。
9.根据权利要求8所述的一种高可靠性片内电源切换电路，其特征在于，所述第一开关SW0和第二开关SW1的控制信号为非交叠信号，由低功耗控制模块产生。
10.根据权利要求9所述的一种高可靠性片内电源切换电路，其特征在于，所述电路中第一电阻R0和第二电阻R1是静电防护ESD电阻，防止比较器COMP的栅端被损伤。
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GR01 Patent grant
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