TWI645673B - 可變電壓位準轉換器 - Google Patents

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TWI645673B TW103108228A TW103108228A TWI645673B TW I645673 B TWI645673 B TW I645673B TW 103108228 A TW103108228 A TW 103108228A TW 103108228 A TW103108228 A TW 103108228A TW I645673 B TWI645673 B TW I645673B
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尙恩 史迪曼
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微晶片科技公司
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Abstract

本發明揭示一種積體電路，其包含：一處理器，其經組態而以施加在複數個外部接腳中之一者處之一供應電壓為動力來操作；及內部輸入/輸出電路，其經組態以在該供應電壓與施加在該複數個外部接腳中之另一者處之至少一個其他供應電壓之間選擇。

Description

可變電壓位準轉換器 相關申請案之交叉參考
本申請案主張2013年3月8日提出申請之第61/775,368號美國臨時專利申請案之權益，該美國臨時專利申請案據此出於所有目的完全陳述於本文中一般以其全文引用方式併入。
本發明係關於一種可變電壓位準轉換器，特定而言一種包括此一可變電壓位準轉換器之微控制器。
諸多電路組態需要模組在不同電壓域中(即，以不同供應電壓)操作。在此等情形中，需要位準移位電路將信號自一個域轉變至另一域。
舉例而言，圖1中展示包含一3.3至5V電源供應器101、一微處理器單元(MPU)102及一周邊控制器104之一系統100。MPU 102在由線性調節器108提供之1.8V下操作。周邊控制器104使用3.3至5V之供應電壓操作。可(例如)在一備用模式中使用此一周邊控制器以針對一電容觸控感測器(未展示)執行電池監測或ADC(類比轉數位轉換器)掃描。在此一電路中，MPU 102用作主要應用控制器。為了轉變來自周邊控制器104之信號以可由MPU 102讀取(且反之亦然)，需要位準移位電路106。
在諸多情形中，此位準移位電路之開發係耗費時間的且複雜的 且可導致開發微控制器產品之困難。
根據實施例之一積體電路(IC)裝置包含具有包括複數個輸入/輸出埠之一輸入/輸出I/O電路之一微控制器，該IC裝置包括與該微控制器耦合之複數個外部接腳；其中該微控制器包括可選擇至少兩個不同I/O供應電壓之一I/O電壓供應器。
在某些實施例中，該I/O電壓供應器與和一電源供應接腳分開之一外部接腳耦合，其中該外部接腳與具有不同於可在該電源供應接腳處獲得之一電源供應電壓之一電壓的一電壓源耦合以允許該I/O電路以不同電壓位準之操作。在某些實施例中，該I/O電壓供應器包括可操作以耦合該I/O電壓供應器與複數個供應電壓中之一者之一切換單元。該切換單元可係可操作以耦合該I/O電壓供應器與以下各項中之一者：由該電源供應接腳或一內部電壓調節器提供之一內部供應電壓及由該外部接腳提供之一外部I/O電壓。該切換單元可進一步允許選擇由一數位轉類比轉換器產生之一內部電壓。在某些實施例中，該I/O電壓供應器包含一緩衝放大器。
一種操作包括具有包括複數個輸入/輸出埠之一輸入/輸出I/O電路之一微控制器之一IC裝置的方法，該IC裝置包括與該微控制器耦合之複數個外部接腳；其中該微控制器包括可選擇至少兩個不同I/O供應電壓之一I/O電壓供應器，其中一I/O接腳經組態為一多位準串列傳輸器輸出，其中傳輸具有包含一電源供應電壓位準、接地位準及一I/O供應電壓位準之至少三個電壓位準的一串列信號。
根據實施例之一微處理器包含輸入/輸出(I/O)電路，該輸入/輸出電路包含一整合式位準移位器以用於在複數個供應電壓之間選擇。在某些實施例中，該I/O電路經組態以感測並施加該複數個供應電壓。
在某些實施例中，提供包含用於切換該複數個供應電壓之複數 個切換器之感測電路。在某些實施例中，該感測電路包含用於切換該複數個供應電壓之一多工器。在某些實施例中，提供一緩衝放大器。 在某些實施例中，該複數個電壓包括一裝置供應電壓及一外部源電壓。在某些實施例中，該複數個電壓包括一數位轉類比轉換器之一輸出。
一種包含複數個外部接腳之積體電路根據實施例包含：一處理器，其經組態而以施加在該複數個外部接腳中之一者處之一供應電壓為動力來操作；及內部輸入/輸出電路，其經組態以在該供應電壓與在該複數個外部接腳中之另一者處施加之至少一個其他供應電壓之間選擇。
在某些實施例中，該內部輸入/輸出電路包含在該等接腳中之每一者與該輸入/輸出電路之相關聯墊電路之間的切換器。在某些實施例中，一多工器插置於該等接腳與該輸入/輸出電路之相關聯墊電路之間。在某些實施例中，一緩衝器提供於該多工器與該相關聯墊電路之間。在某些實施例中，該輸入/輸出電路進一步經組態以選擇一內部數位轉類比轉換器電壓。
當結合以下說明及附圖考量時，將更佳地瞭解及理解本發明之此等及其他態樣。然而應理解，儘管指示本發明之各種實施例及其眾多特定細節，但以下說明係以圖解說明方式而非限制方式給出。可在不背離本發明之精神之情況下在本發明之範疇內做出諸多替代、修改、添加及/或重新配置，且本發明包含所有此等替代、修改、添加及/或重新配置。
100‧‧‧系統
101‧‧‧電源供應器
102‧‧‧微處理器單元
104‧‧‧周邊控制器
106‧‧‧位準移位電路
108‧‧‧線性調節器
200‧‧‧系統
201‧‧‧電源供應器
202‧‧‧微處理器單元
204‧‧‧周邊控制器
206‧‧‧電路
208‧‧‧線性調節器
300‧‧‧輸入組態/墊電路/電路
302‧‧‧位準移位器
304‧‧‧三態控制器
305‧‧‧ESD保護
308‧‧‧接腳
309a‧‧‧切換器
309b‧‧‧切換器
400‧‧‧輸入組態電路
500‧‧‧輸入/輸出結構
502‧‧‧放大器
504‧‧‧多工器
506‧‧‧內部數位轉類比轉換器電壓
602‧‧‧控制器
603‧‧‧匯流排/通信匯流排
604a至604n‧‧‧感測器/從屬模組
VDD‧‧‧供應電壓/裝置供應電壓/電壓源
VDDEXT‧‧‧外部源/外部電壓/外部電壓源/電壓源
RX[y]‧‧‧接腳
V2‧‧‧電壓位準
包含隨附且形成本說明書之部分之圖式以繪示本發明之特定態樣。應注意，圖式中所圖解說明之特徵未必按比例繪製。可藉由參考結合附圖進行之以下說明獲取對本發明及其優點之一更完整理解，在 附圖中相似參考編號指示相似特徵且其中： 圖1係根據先前技術之一位準移位電路組態之一圖式。
圖2係根據實施例之一位準移位電路組態之一圖式。
圖3係一輸入埠之一圖式。
圖4係根據實施例之一輸入埠之一圖式。
圖5係根據實施例之一輸入埠之一圖式。
圖6係可經組態以供與實施例一起使用之一例示性匯流排佈局。
參考在附圖中圖解說明且在以下說明中詳述之例示性(且因此非限制性)實施例更全面地闡釋本發明及其各種特徵及有利細節。然而應理解，儘管指示較佳實施例，但詳細說明及特定實例僅以圖解說明方式而非以限制方式給出。可省略已知程式化技術、電腦軟體、硬體、操作平臺及協定之說明以便不會不必要地在細節上使本發明模糊不清。熟習此項技術者將自本發明明瞭在基本發明概念之精神及/或範疇內之各種替代、修改、添加及/或重新配置。
根據各種實施例，可提供一類比埠介面以允許一個電壓域上之一微控制器介接至另一域上之一外部電路。藉由將此位準移位要求能力整合至微控制器自身中，消費者在其設計及開發中節省了成本及複雜度兩者，從而使開發微控制器產品更容易。
根據各種實施例，可藉由至少兩個不同電壓(諸如微控制器之一第一「正常」供應電壓及一第二供應電壓，舉例而言由系統透過一外部接腳提供或在內部產生之一較低電壓)操作整個I/O電路。I/O電路包括各別位準移位器以允許控制每一埠接腳之各別驅動電晶體。因此，藉由可係正常供應電壓或在外部供應或在內部產生之另一電壓的一供應電壓控制一I/O埠接腳之整個電路。內部電壓位準移位器允許在微控制器內之I/O組件之正確操作。根據其他實施例，僅允許特定I/O接 腳經程式化而以不同供應電壓操作。某些實施例可允許使用者程式化I/O接腳中之每一者或某些I/O接腳之一電壓選擇。
根據一實施例，一積體電路(IC)裝置可包括具有包括複數個輸入/輸出埠之一輸入/輸出I/O電路之一微控制器。該IC裝置亦可包括與該微控制器耦合之複數個外部接腳；其中該微控制器包括與和一電源供應接腳分離之一外部接腳耦合以允許該I/O電路以不同電壓位準之操作之一內部I/O電壓供應器。另一選擇係，該裝置可不包括一外部接腳且在內部產生(舉例而言)一較低I/O電壓。可提供切換器以選擇裝置之正常操作電壓或較低電壓，該較低電壓可(舉例而言)藉由用於該I/O電路之一主要供應電壓之一調節器或一數位轉類比轉換器在內部產生。
根據又一實施例，該I/O電壓供應器可包括可操作以耦合該I/O電壓供應器與複數個供應電壓中之一者之一切換單元。根據又一實施例，該切換單元可係可操作以耦合該I/O電壓供應器與以下各項中之一者：由該電源供應接腳或一內部電壓調節器提供之一內部供應電壓及由該外部接腳提供之一外部I/O電壓。根據又一實施例，該切換單元進一步允許選擇由一數位轉類比轉換器或任何其他內部電壓調節器產生之一內部電壓或電壓參考。根據又一實施例，該I/O電壓供應器可包括一緩衝放大器。
根據另一實施例，一I/O接腳經組態為一多位準串列傳輸器輸出，可包括傳輸具有包含一電源供應電壓位準、接地位準及一I/O供應電壓位準之至少三個電壓位準的一串列信號。
現在轉向圖2，係包含一3.3至5V電源供應器201、一微處理器單元(MPU)202及一周邊控制器204之一系統200。MPU 202在由線性調節器208提供之1.8V下操作。周邊控制器204使用3.3至5V之供應電壓操作。可(例如)在一備用模式中使用此一周邊控制器以針對一電容觸 控感測器(未展示)執行電池監測或ADC(數位轉類比轉換器)掃描。在此一電路中，MPU 202用作主要應用控制器。包含電路206之實施例藉由將相對簡單之移位能力整合至MPU 202中而能夠消除對圖1之位準移位電路106之需要。
圖3中展示用於一積體電路之一輸入組態或墊電路300。輸入組態300介接至一接腳RX[y]308且包含位準移位器302、ESD保護305及三態控制器304。如圖3中所展示，墊電路300之供應電壓連接至裝置之供應電壓Vdd。藉由埠介面邏輯(未展示)提供PMOS驅動及NMOS驅動。
根據各種實施例，一輸入/輸出電路之供應電壓匹配至一外部電路之電壓供應。舉例而言，為允許墊在一較低電壓下操作，感測外部電壓且將其施加至墊電路。
圖4中展示根據一實施例之一系統。如所展示，輸入組態電路400大體類似於圖3之輸入組態電路。然而，圖4之電路進一步包含用於將電路400耦合至Vdd及Vddext(即，兩個不同電壓源)之切換器309a、309b。
在圖4之實施例中，切換器309a、309b允許使外部源(Vddext)之電壓供應進入微控制器。此允許整個I/O結構趕走外部電壓(Vddext)或裝置供應電壓Vdd。
在其他實施例中，如圖5中所展示，可使外部電壓源(Vddext)進入一放大器502，諸如一緩衝放大器，該放大器又驅動用於I/O結構500之供應電壓。在此情形中，可提供一多工器504以用於選擇將該等供應電壓中之哪一者提供至放大器502之輸入。另外，在某些實施例中，切換至該電路中之該等電壓中之一者係一內部數位轉類比轉換器電壓506。在此實施例中，可在不必容納如圖4之實施例中之切換器阻抗之情況下匹配該外部電壓。圖5之有效方法亦將允許一IO墊上之有 效位準轉變(飛速改變設定)。
亦可使用此切換能力來支援需要如(舉例而言)圖6中所展示之兩個以上電壓位準之協定。更特定而言，圖6圖解說明一PSI 5匯流排佈局。該匯流排佈局包含一控制器(ECU)602、一匯流排603及各種感測器604a、604b、……604n。
在PSI 5協定中，使用0V及V1完成經由通信匯流排603之資料傳輸及接收。然而，為了同步資料傳輸，一電壓位準V2必須施加至通信匯流排以允許所有從屬模組S1...Sn(604a至604n)同步。因此，實施例可用於選擇匯流排位準之操作電壓。
可在一低接腳計數開發及整合中有益地實施上文所提及之實施例。總之，圍繞一微控制器之組件計數可減少以用於由消費者改良之使用。
雖然本發明已關於其特定實施例經闡述，但此等實施例僅係說明性的，且不限制本發明。本文中對本發明之所圖解說明之實施例之說明(包含發明摘要及發明內容中之說明)不意欲為詳盡的或將本發明限於本文中所揭示之精確形式(且特定而言，發明摘要或發明內容內之任何特定實施例、特徵或功能之包含不意欲將本發明之範疇限於此類實施例、特徵或功能)。而是，該說明意欲闡述說明性實施例、特徵及功能以便給熟習此項技術者提供上下文以在不將本發明限於任何特別闡述之實施例、特徵或功能(包含發明摘要或發明內容中所闡述之任何此類實施例、特徵或功能)之情況下理解本發明。
雖然僅出於說明性目的而在本文中闡述本發明之特定實施例及實例，但如熟習相關技術者將認識到且瞭解，各種等效修改在本發明之精神及範疇內係可能的。如所指示，可鑒於對本發明之所圖解說明實施例之前述說明而對本發明做出此等修改且此等修改將包含在本發明之精神及範疇內。因此，儘管本文中已參考本發明之特定實施例而 闡述本發明，但前述揭示內容中意欲涵蓋大量修改、各種改變及替代，且將瞭解，在某些例項中，在不背離如所陳述之本發明之範疇及精神之情況下，將採用本發明之實施例之某些特徵而不具有其他特徵之一對應使用。因此，可做出諸多修改以使一特定情況或材料適應於本發明之基本範疇及精神。
在本說明書通篇中對「一項實施例」、「一實施例」、或「一特定實施例」或類似術語之參考意指連同實施例一起所闡述之一特定特徵、結構或特性包含於至少一項實施例中且可未必呈現在所有實施例中。因此，片語「在一項實施例中」、「在一實施例中」或「在一特定實施例中」或類似術語在本說明書通篇中之各處之各別出現未必係指同一實施例。此外，可以任何適合方式來組合任何特定實施例之該等特定特徵、結構或特性與一或多個其他實施例。應理解，本文中所闡述及圖解說明之實施例之其他變化及修改鑒於本文中之教示而係可能的且將被視為本發明之精神及範疇之部分。
在本文中之說明中，提供眾多特定細節(諸如組件及/或方法之實例)以提供對本發明之實施例之一透徹理解。然而熟習相關技術者將認識到，可能夠在不具有特定細節中之一或多者之情況下或藉助其他設備、系統、總成、方法、組件、材料、部件及/或諸如此類來實踐一實施例。在其他例項中，未具體展示或闡述眾所周知之結構、組件、系統、材料或操作以避免模糊本發明之實施例之態樣。儘管本發明可藉由使用一特定實施例來圖解說明，但此並非且不將本發明限於任何特定實施例且熟習此項技術者將認識到額外實施例係可容易理解的且係本發明之一部分。
如本文中所使用，術語「包括(comprises、comprising)」、「包含(includes、including)」、「具有(has、having)」或其任何其他變化意欲涵蓋一非排他性包含。舉例而言，包括一系列要素之一程序、產品、 物件或設備未必僅限於彼等要素，而是可包含未明確列出或此程序、產品、物件或設備所固有之其他要素。
此外，如本文中所使用之術語「或」通常意欲意指「及/或」，除非另外指示。舉例而言，一條件A或B可藉由以下各項中之任何者來滿足：A係真(或存在)且B係假(或不存在)、A係假(或不存在)且B係真(或存在)，以及A與B兩者皆係真(或存在)。如包含以下申請專利範圍之本文中所使用，前面為「一(a或an)」(及當前置基礎係「一(a或an)」時之「該」)之一術語包含此術語之單數及複數兩者，除非在申請專利範圍內另外明確指示(即，提及「一(a或an)」明確指示僅單數或僅複數)。同樣，如本文中之說明及以下整個申請專利範圍中所使用，「在……中」之意義包含「在……中」及「在……上」，除非上下文另外明確指出。
將瞭解，圖式/圖中所繪示之元件中之一或多者亦可以一較分離或整合方式實施或者甚至在某些情形下移除或使成為不可操作的，如根據一特定應用可用。另外，圖式/圖中之任何信號箭頭應僅被視為例示性的且並非限制性，除非另外具體說明。

Claims (19)

  1. 一種積體電路裝置，其包括：具有包括複數個輸入/輸出埠之一輸入/輸出I/O電路之一微控制器，及與該微控制器耦合之複數個外部接腳；其中該微控制器包括一I/O電壓供應器，該I/O電壓供應器包括經由該微控制器為可程式化之切換電路，該等輸入/輸出埠之至少一者係經由該切換電路所控制之可切換連接而選擇性地連接至至少兩個不同I/O供應電壓，及其中該微控制器係經組態以控制該切換電路以動態地及選擇性地控制在該至少一輸入/輸出埠及該至少兩個不同I/O供應電壓之間的該可切換連接，及其中經由該等外部接腳中之一者提供該至少兩個不同I/O供應電壓之至少一者，且該至少兩個不同I/O供應電壓之另一者係該微控制器之一內部供應電壓。
  2. 如請求項1之積體電路裝置，其中該I/O電壓供應器經由一多工器與和一電源供應接腳分離之一外部接腳耦合，其中該多工器係可控制以經由該外部接腳選擇不同於可在該電源供應接腳處獲得之一電源供應電壓之一外部I/O電壓，或選擇該內部供應電壓以允許該I/O電路以不同電壓位準之操作。
  3. 如請求項1之積體電路裝置，其中藉由與該電源供應接腳耦合之一內部電壓調節器產生該內部供應電壓。
  4. 如請求項3之積體電路裝置，其中該多工器可操作以可程式化地耦合該I/O電壓供應器與以下各項中之至少一者：該內部供應電壓以外的一內部電壓及由該外部接腳提供之該外部I/O電壓。
  5. 如請求項2之積體電路裝置，其中由該微控制器之一數位轉類比轉換器產生該內部電壓。
  6. 如請求項1至5中任一項之積體電路裝置，其中該I/O電壓供應器進一步包括接收一經選擇之I/O供應電壓之一緩衝放大器，其中該緩衝放大器之一輸出將一供應電壓提供至該等輸入/輸出埠之至少一些。
  7. 一種操作包括具有包括複數個輸入/輸出埠之一輸入/輸出I/O電路之一微控制器之一積體電路裝置的方法，該積體電路裝置包括複數個外部接腳，該複數個外部接腳包含與該複數個輸入/輸出埠之一者耦合之至少一I/O接腳；其中該微控制器包括包含一多工器之一I/O電壓供應器，其係可程式化以選擇經饋入至該多工器之至少兩個不同I/O供應電壓，其中一經選擇之I/O供應電壓係經饋入至該等輸入/輸出埠之該者，及其中該至少一I/O接腳經組態為一多位準串列傳輸器輸出，其中傳輸具有包含一電源供應電壓位準、接地位準及一I/O供應電壓位準之至少三個電壓位準之一串列信號。
  8. 一種積體電路，其包括：一微控制器，其具有複數個外部接腳及複數個輸入/輸出埠且可操作以在用於該等輸入/輸出埠之複數個供應電壓之間作選擇，其中該微控制器之該複數個外部接腳之一第一接腳係與該複數個供應電壓之一第一電壓源連接，且該微控制器之該複數個外部接腳之一第二接腳係與該複數個供應電壓之一第二電壓源連接，該第二電壓源產生不同於該第一電壓源之一電壓，其中該微控制器包括一多工器，該多工器具有至少一第一輸入、一第二輸入及一輸出， 其中該多工器之該第一輸入係與該微控制器之該複數個外部接腳之該第二接腳連接，且該多工器之該第二輸入係與該微控制器之一內部供應電壓連接，及其中該多工器之該輸出提供一I/O電源供應以用於該微控制器之該複數個輸入/輸出埠之至少一些。
  9. 如請求項8之積體電路，該多工器進一步自一數位轉類比轉換器接收一輸出電壓，及其中該微控制器係經組態以自該數位轉類比轉換器選擇該輸出電壓作為用於該複數個輸入/輸出埠之該至少一些之一供應電壓。
  10. 如請求項8之積體電路，其中一輸入/輸出埠包括耦合於該I/O電源供應與接地之間的一PMOS電晶體及一NMOS電晶體，且其中在該PMOS電晶體與該NMOS電晶體間的一節點係與該微控制器之一外部接腳連接。
  11. 如請求項9之積體電路，其中一輸入/輸出埠包括耦合於該I/O電源供應與接地之間的一PMOS電晶體及一NMOS電晶體，且其中在該PMOS電晶體與該NMOS電晶體間的一節點係與該微控制器之一外部接腳連接。
  12. 如請求項11之積體電路，其中該微控制器進一步包括耦合至該多工器之一輸出之一緩衝放大器。
  13. 如請求項8之積體電路，其中該微控制器包括與第一外部接腳耦合之一內部電壓調節器且該微控制器其經組態以從由該第一電壓源所提供之該電壓產生該內部供應電壓。
  14. 如請求項8之積體電路，其中該微控制器包括以該內部供應電壓操作且與該複數個輸入/輸出埠之該至少一些耦合之一微控制器核心。
  15. 一種積體電路，其包括： 複數個外部接腳，其包含連接至一第一供應電壓之一第一外部接腳及連接至一不同於該第一供應電壓之第二供應電壓之一第二外部接腳；一處理器；及內部輸入/輸出電路，其經組態以選擇性地切換於一第一連接與一第二連接之間，該第一連接在該處理器與該第一外部接腳之間，使得該第一供應電壓係被施加至該處理器，該第二連接在該處理器與該第二外部接腳之間，使得該第二供應電壓係被施加至該處理器，其中該內部輸入/輸出電路之一外部埠之一輸出驅動器係經組態以經由一輸出電晶體而輸出該經選擇之第一或第二供應電壓。
  16. 如請求項15之積體電路，該內部輸入/輸出電路包括在該等接腳中之每一者與該輸入/輸出電路之相關聯墊電路之間的切換器。
  17. 如請求項15之積體電路，其進一步包括插置於該等接腳與該輸入/輸出電路之相關聯墊電路之間的一多工器。
  18. 如請求項17之積體電路，其進一步包括在該多工器與該相關聯墊電路之間的一緩衝器。
  19. 如請求項15之積體電路，其中該輸入/輸出電路進一步經組態以選擇一內部數位轉類比轉換器電壓。
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