一种多路IP复用PAD的控制系统的制作方法

本发明涉及电子电路技术领域，尤其涉及一种多路ip复用pad的控制系统。

背景技术：

随着芯片生产工艺的发展以及集成度的提高，芯片内部使用的电压越来越低，芯片集成功能越来越多，导致芯片输入输出接口也越来越多；同时芯片的面积越来越小，使得芯片面积成本受限于输入输出pad的数目，被称为padlimit。pad为芯片的裸片的输入输出。

为了降低生产成本，有效减少接口数目的同时不降低芯片集成度和应用场景，由此产生了多个ip模块(也称为ip核，intellectualpropertycore，中文为知识产权核，是指某一方提供的、形式为逻辑单元、芯片设计的可重用模块)共用部分pad完成输入输出功能的电路结构，如现有的lcd和lvds共用输出pad等结构，通过复用输出，使得能够满足两种场景下的输出pad数目减少一半。

现阶段，随着芯片集成度的极大提高，已经不满足于只有两个ip复用的输入输出结构，而是需要更多的ip复用输入输出，达到最大程度节省pad数目目的。

多个ip的输入输出电气标准不同，带来了低压器件驱动的耐压问题，如不解决好会严重影响芯片的使用寿命；另外有些ip的输入输出信号幅度和共模电压较高，接近甚至超过芯片内部使用的器件电源电压，如何驱动宽摆幅的输出，也是复用设计的难题；还有就是多个ip的直接复用，各ip采用三态输出的方式来线与的，这种方法不能隔离ip负载，直接导致了对单个场景应用时输出负载的增加，影响单个ip的驱动输出速率，如何在复用ip过程中最大程度优化单个ip输出速率，也是需要综合考虑的问题。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提出了一种多路ip复用pad的控制系统，电压选择模块依据各ip的工作状态，调整对应的开关控制端的电压幅度，解决了由于多个ip的输入输出的电气标准不同，系统无法实现宽摆幅输出和耐压的问题。(2)通过电压选择模块来实现外部ip引入的偏置电压和本ip的电源电压输入的自动隔离和切换，解决了系统内部开关因超出耐压能力而降低使用寿命的问题。(3)通过升压模块对电压选择模块输出电压的调整，来控制宽摆幅输出开关的控制电压，解决了系统无法传输宽摆幅高共模信号的问题。(4)通过状态选择单元来控制电压多选一单元得到不同电压值的电压输出，并通过该电压控制开关的导通状态，解决了系统内部开关无法因ip模块应用状态的变化而保证信号的正常传输的问题。

为了实现上述目的，本发明技术方案如下：

一种多路ip复用pad的控制系统，包括若干个开关，以及与每个开关一一对应的若干电压选择模块。开关用于控制ip模块与pad之间的导通或截止。电压选择模块依据其对应的开关所连接的ip模块的工作状态，为该开关的控制端提供相应的控制电压。

进一步地，在ip模块传输的信号的共模幅度未超过限定值的状态下，电压选择模块为对应的开关的控制端提供电源电压vdd。在ip模块传输的信号共模幅度高于所述限定值的状态下，电压选择模块为对应的开关的控制端提供大于电源电压vdd的上拉电压vcm。在ip模块无信号传输且其对应的开关无耐压风险的状态下，电压选择模块为对应的开关的控制端提供地电压gnd。在ip模块的电源电压vdd未上电的状态下，电压选择模块为对应的开关的控制端提供偏置电压vbias。

进一步地，电压选择模块包含状态选择单元、电压多选一单元。状态选择单元与电压多选一单元相连接。电压多选一单元与开关相连接。状态选择单元依据ip模块的工作状态控制电压多选一单元为对应的开关的控制端提供相应的控制电压。

进一步地，在ip模块传输的信号的共模幅度未超过限定值的状态下，状态选择单元控制电压选择模块为对应的开关的控制端提供电源电压vdd。在ip模块无信号传输且其对应的开关无耐压风险的状态下，状态选择单元控制电压选择模块为对应的开关的控制端提供地电压gnd。在ip模块的电源电压vdd未上电的状态下，状态选择单元控制电压选择模块为对应的开关的控制端提供偏置电压vbias。

进一步地，还包括升压模块。升压模块与电压多选一单元相连接相连接。状态选择单元的第一输出端与升压模块的控制端相连接。升压模块作为电压多选一单元的输入源之一。在ip模块传输的信号共模幅度高于所述限定值的状态下，状态选择单元启动升压模块，升压模块产生高于电源电压vdd的电平，该电平作用在电压多选一单元上，使得电压多选一单元输出的电压上拉。

进一步地，电压多选一单元包含电压切换及隔离部、地电压输出隔离开关、地电压切换部。电压切换及隔离部的第一输入端与电源电压vdd相连接，电压切换及隔离部的第二输入端与偏置电压vbias相连接。电压切换及隔离部的输出端通过地电压输出隔离开关与开关的控制端相连接。地电压切换部与开关的控制端相连接。状态选择单元的第二输出端与地电压输出隔离开关的控制端相连接。状态选择单元的第三输出端与地电压切换部的控制端相连接。

进一步地，在ip模块传输的信号共模幅度未超过限定值的状态下，状态选择单元控制地电压切换部断开与地的连接，并且，状态选择单元控制地电压输出隔离开关导通，电压切换及隔离部为对应的开关的控制端提供电源电压vdd，电压切换及隔离部同时隔离偏置电压vbias。

在ip模块传输的信号共模幅度高于所述限定值的状态下，状态选择单元控制地电压切换部断开与地的连接、控制地电压输出隔离开关导通、控制升压模块启动；升压模块将电压切换及隔离部输出的电源电压vdd上拉，产生大于电源电压vdd的上拉电压vcm，电压切换及隔离部同时隔离偏置电压vbias。

在ip模块无信号传输且其对应的开关无耐压风险的状态下，状态选择单元控制(1222)截止，并控制地电压切换部为对应的开关的控制端提供地电压gnd。

在ip模块的电源电压vdd未上电的状态下，状态选择单元控制地电压切换部断开与地的连接，并且，状态选择单元控制地电压输出隔离开关导通，电压切换及隔离部为对应的开关的控制端提供偏置电压vbias，电压切换及隔离部同时隔离电源电压vdd。

进一步地，状态选择单元包含与门、或门、非门、缓存器。第一状态信号en_state_0、第二状态信号en_state_1一一传输至或门的第一输入端、第二输入端。第二状态信号en_state_1传输至缓存器的输入端。第一状态信号en_state_0传输至与门的第一输入端；第二状态信号en_state_1通过非门传输至与门的第二输入端。与门的输出端向升压模块输出第一控制信号en0。或门的输出端向电压多选一单元输出第二控制信号en1。非门的输出端向电压多选一单元输出第三控制信号en2。

进一步地，电压多选一单元包含pmos管pm0、pm1、pm2、nmos管nm0、nm1、nm2、电阻r0、r1。nmos管nm0的源极通过电阻r1与电源电压vdd相连接；nmos管nm0的漏极与pmos管pm2的漏极相连接；nmos管nm0的栅极依次通过电阻r0、r1与电源电压vdd相连接。升压模块的输入端接收状态选择单元的第一控制信号en0；升压模块的输出端与nmos管nm0的栅极相连接。pmos管pm0的源极与偏置电压vbias相连接；pmos管pm0的漏极与pmos管pm1的源极相连接；pmos管pm1的漏极与pmos管pm2的漏极相连接；pmos管pm0的栅极与电源电压相连接；pmos管pm1的栅极依次通过电阻r0、r1与电源电压vdd相连接。pmos管pm2的源极与开关的控制端相连接；pmos管pm2的栅极接收状态选择单元的第二控制信号en1。pmos管pm2的源极还与nmos管nm1的漏极相连接；nmos管nm1的源极与nmos管nm2的漏极相连接；nmos管nm2的源极与地gnd相连接；nmos管nm1的栅极与电源电压vdd相连接；nmos管nm2的栅极接收状态选择单元的第三控制信号en2。

进一步地，在ip模块无信号传输且其对应的开关无耐压风险的状态下，第一状态信号en_state_0=0、第二状态信号en_state_1=1。在ip模块传输的信号共模幅度未超过所述限定值的状态下，第一状态信号en_state_0=0、第二状态信号en_state_1=0。在ip模块传输的信号共模幅度高于所述限定值的状态下，第一状态信号en_state_0=1、第二状态信号en_state_1=0。

本发明的有益效果：

(1)电压选择模块依据各ip模块的工作状态，调整对应的开关控制端的电压幅度，从而实现开关的宽摆幅输出控制和ip模块掉电的耐压控制。

(2)通过电压选择模块来实现外部ip引入的偏置电压和本ip的电源电压输入的自动隔离和切换，达到在本ip掉电条件下的耐压功能，而在本ip正常供电条件下，隔离掉外部偏置的影响。

(3)通过升压模块对电压选择模块输出电压的调整，来控制宽摆幅输出开关的控制电压，从而实现通过普通的开关输出宽摆幅高共模信号。

(4)通过状态选择单元来控制电压多选一单元得到不同电压值的电压输出，并通过该电压控制开关的导通状态，获得ip不同应用状态的下的状态输出，保证信号的正常传输。

附图说明

图1为本发明的电路框图。

图2为本发明的应用实施例的示意图。

图3为图1中电压选择模块12的电路原理图。

其中，图1至图3的附图标记为：控制系统1、ip模块2、pad3；开关11、电压选择模块12、升压模块13；状态选择单元121、电压多选一单元122；电压切换及隔离部1221、地电压输出隔离开关1222、地电压切换部1223。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，进一步阐述本发明。

如图1-2所示，一种多路ip复用pad的控制系统1，包括升压模块13(chargepump)、若干个开关11，以及与每个开关11一一对应的若干电压选择模块12。

每个开关11的第一信号传输端分别与若干个ip模块2一一连接；每个开关11的第二信号传输端用于共同连接至pad3。开关11用于控制ip模块2与pad3之间的导通或截止。每个电压选择模块12与每个开关11的控制端一一连接。

各ip模块2之间的电源电压vdd相互独立；并且，各ip模块2与其相应的电压选择模块12共用同一电源电压vdd。

本发明的主要应用场景为图1所示，通过一定的控制手段,达到多个不同输入输出电气标准的ip模块复用i/opad进行信号的输入/输出情形，满足多个ip模块在同一时刻不同时工作的时分复用要求，或者满足芯片多个应用场景下，通过同一组i/opad配置输入输出需求。ip模块传输的可以为单端信号也可以为差分信号。本发明在lcd、lvds、mipi-dphy三个ip复用一组pad输出时，被证明可行。

电压选择模块12依据其对应的开关11所连接的ip模块2的工作状态，为该开关11的控制端提供相应的控制电压：

在ip模块2传输的信号的共模幅度未超过限定值的状态下，电压选择模块12为对应的开关11的控制端提供电源电压vdd。该限定值=vdd-vth，vdd为前述的电源电压，vth为开关11的阈值电压。

在ip模块2传输的信号共模幅度高于限定值的状态下，升压模块13将电压选择模块12输出的电压上拉，使得电压选择模块12为对应的开关11的控制端提供大于电源电压vdd的上拉电压vcm。

在ip模块2无信号传输且其对应的开关11无耐压风险的状态下，电压选择模块12为对应的开关11的控制端提供地电压gnd。耐压风险是指较长时间的过压导致的器件损坏或者寿命降低的风险。

在ip模块2的电源电压vdd未上电的状态下，电压选择模块12为对应的开关11的控制端提供偏置电压vbias。偏置电压vbias由其它ip模块2提供。vm-1.2*vdd<vbias<1.2vdd。

开关11多采用nmos管(或者pmos管)实现，在选择特定工艺进行生产实现时，工艺上对nmos管(或pmos管)有耐压的要求，如选择特定工艺下电源电压为1.8v的器件，则工艺上一般要求mos管的任意两端电压(vgs,vds,vgd)不超过1.2倍的电源电压(即1.8*1.2=2.16v),如果两端电压超过限定值，则有可能造成器件被烧毁。nmos需要vgs为正电压导通，pmos需要vgs为负电压导通。另外，开关11的导通需要满足一定的阈值电压vth要求，即mos管的栅极电压决定的vgs和vgd一般要求大于vth(例如nmos为0.7v，pmos为-0.7v)，才能保证开关11的有效导通，否则会导致switch管不能有效开启，信号不能通过开关11正常输出。

各电压选择模块12可以共用一个升压模块13，也可以为相同需求的电压选择模块12分别分配一个升压模块13，这取决于复用ip的电压需求。

具体地，电压选择模块12包含状态选择单元121(statecontrol)、电压多选一单元122(voltagemux)。

状态选择单元121与电压多选一单元122相连接。电压多选一单元122与开关11相连接。

状态选择单元121根据ip模块2的工作状态产生相应的控制信号，控制信号控制电压多选一单元122为开关11提供相应的控制电压vswitch。

在ip模块2传输的信号共模幅度未超过限定值的状态下，电压多选一单元122输出电源电压vdd，控制开关11正常导通即可。此时，开关11保证了所对应的ip模块2与pad3之间的信号的正常传输。

在ip模块2传输的信号共模幅度高于限定值的状态下，ip模块2传输的该信号接近电源电压vdd，此时，电源电压vdd并不能保证开关11的正常导通，需要电压多选一单元122输出大于电源电压vdd的上拉电压vcm，从而保证ip模块2与pad3之间的信号的正常传输。

在ip模块2无信号传输且其对应的开关11无耐压风险的状态下，电压多选一单元122输出地电压gnd，控制开关11截止。此时，开关11隔离了ip模块2的负载对输出的影响，不会加重其他ip输出的负载状况。

在ip模块2的电源电压vdd未上电的状态下，开关11的控制电压被电压多选一单元122上拉到其他ip模块2提供的偏置电压vbias。如果此时其他ip模块2的信号输出最高电压超过电源电压vdd，偏置电压vbias能够给开关11提供耐压保护，保护该开关11的任意两端电压(vgs,vds,vgd)均不超过1.2倍的电源电压vdd的耐压需求。

具体地，开关11为nmos管。开关11的源极与pad3相连接；开关11的漏极与ip模块2相连接；电压多选一单元122的输出端与开关11的栅极相连接。

更具体地，如图3所示，状态选择单元121包含与门、或门、非门、缓存器。状态选择单元121接收两路控制信号：第一状态信号en_state_0、第二状态信号en_state_1。第一状态信号en_state_0、第二状态信号en_state_1一一传输至或门的第一输入端、第二输入端。第二状态信号en_state_1传输至缓存器的输入端。第一状态信号en_state_0传输至与门的第一输入端；第二状态信号en_state_1通过非门传输至与门的第二输入端。

与门的输出端为状态选择单元121的第一输出端，向升压模块13输出第一控制信号en0。或门的输出端为状态选择单元121的第二输出端，向电压多选一单元122输出第二控制信号en1。非门的输出端为状态选择单元121的第三输出端，向电压多选一单元122输出第三控制信号en2。

状态选择单元121接收的两路第一状态信号en_state_0、第二状态信号en_state_1，通过逻辑操作后，产生第一控制信号en0、第二控制信号en1、第三控制信号en2。通过这个3路控制信号分别对电压多选一单元122中的相关开关11进行控制，使得电压多选一单元122输出的控制电压vswitch产生4种电压。

具体地，电压多选一单元122包含电压切换及隔离部1221、地电压输出隔离开关1222、地电压切换部1223。

升压模块13与电压切换及隔离部1221相连接。电压切换及隔离部1221的第一输入端与电源电压vdd相连接，第二输入端与偏置电压vbias相连接。电压切换及隔离部1221的输出端通过地电压输出隔离开关1222与开关11的控制端相连接。地电压切换部1223与开关11的控制端相连接。状态选择单元121的第一输出端与升压模块13的控制端相连接。状态选择单元121的第二输出端与地电压输出隔离开关1222的控制端相连接。状态选择单元121的第三输出端与地电压切换部1223的控制端相连接。升压模块13用于产生高于本地电源电压vdd的电平，作为电压切换及隔离部1221的输入源之一，使电压切换及隔离部1221能够输出高于电源电压vdd的电平。

在ip模块2传输的信号共模幅度未超过限定值的状态下，状态选择单元121的第三控制信号en2控制地电压切换部1223断开与地的连接，并且，状态选择单元121的第二控制信号en1控制地电压输出隔离开关1222导通，电压切换及隔离部1221为对应的开关11的控制端提供电源电压vdd，电压切换及隔离部1221同时隔离偏置电压vbias。

在ip模块2传输的信号共模幅度高于限定值的状态下，ip模块2传输的该信号接近电源电压vdd，状态选择单元121的第三控制信号en2控制地电压切换部1223断开与地的连接、第二控制信号en1控制地电压输出隔离开关1222导通、第一控制信号en0控制升压模块13启动；升压模块13将电压切换及隔离部1221输出的电源电压vdd上拉，产生大于电源电压vdd的电压vcm，电压切换及隔离部1221同时隔离偏置电压vbias。

在ip模块2无信号传输且其对应的开关11无耐压风险的状态下，状态选择单元121的第二控制信号en1控制地电压输出隔离开关1222截止，状态选择单元121的第三控制信号en2控制地电压切换部1223为对应的开关11的控制端提供地电压gnd。

在ip模块2的电源电压vdd未上电的状态下，状态选择单元121的第三控制信号en2控制地电压切换部1223断开与地的连接，并且，状态选择单元121第二控制信号en1控制地电压输出隔离开关1222导通，电压切换及隔离部1221为对应的开关11的控制端提供偏置电压vbias，电压切换及隔离部1221同时隔离电源电压vdd。

更具体地，如图3所示，电压切换及隔离部1221包含pmos管pm0、pm1、nmos管nm0、电阻r0、r1；地电压输出隔离开关1222包含pmos管pm2；地电压切换部1223包含nmos管nm1、nm2。

nmos管nm0的源极通过电阻r1与电源电压vdd相连接；nmos管nm0的漏极与pmos管pm2的漏极相连接；nmos管nm0的栅极依次通过电阻r0、r1与电源电压vdd相连接。升压模块13的输入端接收状态选择单元121的第一控制信号en0；升压模块13的输出端与nmos管nm0的栅极相连接。pmos管pm0的源极与偏置电压vbias相连接；pmos管pm0的漏极与pmos管pm1的源极相连接；pmos管pm1的漏极与pmos管pm2的漏极相连接；pmos管pm0的栅极与电源电压相连接；pmos管pm1的栅极依次通过电阻r0、r1与电源电压vdd相连接。pmos管pm2的源极与开关11的控制端相连接；pmos管pm2的栅极接收状态选择单元121的第二控制信号en1。pmos管pm2的源极还与nmos管nm1的漏极相连接；nmos管nm1的源极与nmos管nm2的漏极相连接；nmos管nm2的源极与地gnd相连接；nmos管nm1的栅极与电源电压vdd相连接；nmos管nm2的栅极接收状态选择单元121的第三控制信号en2。

工作原理：

控制电压vswitch的4种输出状态对应了ip模块2的四种工作场景。

在ip模块2传输的信号共模幅度未超过限定值的状态下，该ip模块2被配置到状态2。此时，en_state_0=0、第二状态信号en_state_1=0，所以第一控制信号en0=gnd，第二控制信号en1=gnd，第三控制信号en2=gnd。则通过电阻r1和r0的上拉作用，使得vc=vm=vdd，nmos管nm0开启，pmos管pm1关闭；pmos管pm2的源极也被上拉到vdd；且en1=gnd导致pmos管pm2开启；en2=gnd导致nmos管nm2关闭，使得输出电压vswitch被拉到电源电压vdd输出，开关11被正常开启，保证信号的正常传输。

在ip模块2传输的信号共模幅度高于限定值的状态下，该ip模块2被配置到状态3。此时，en_state_0=1、第二状态信号en_state_1=0，所以第一控制信号en0=vdd，第二控制信号en1=vdd，第三控制信号en2=gnd。升压模块13被开启，升压模块13输出电压vc=2*vdd，vm=vdd+（r1/(r0+r1)）*vdd>vdd,此时nmos管nm0开启；pmos管pm1关闭；pmos管pm2的gate端电压虽然为vdd，但源端电压为vm大于vdd，所以pmos管pm2仍然能够开启；且nmos管nm2为关闭状态，导致控制电压vswitch为大于电源电压vdd的电压vm。此时，由于nmos管nm1的阻挡作用，导致nmos管nm2的任意两端电压都不会超过vdd，nmos管nm2不会产生耐压风险。

在ip模块2无信号传输且其对应的开关11无耐压风险的状态下，该ip模块2被配置到状态1。此时，en_state_0=0、第二状态信号en_state_1=1，所以第一控制信号en0=gnd，第二控制信号en1=vdd，第三控制信号en2=vdd。则通过电阻r1和r0的上拉作用，使得vc=vm=vdd，此时pmos管pm1和pm2被关闭，nmos管nm1、nm2开启，导致输出电压vswitch被下拉到gnd，开关11隔离了ip模块2的负载对输出的影响，不会加重其他ip模块2输出的负载状况。需要理解的是，这种状态下，ip模块2的电源电压vdd是上电的。

在ip模块2的电源电压vdd未上电的状态下，该ip模块2被配置到状态4。此时，en_state_0、第二状态信号en_state_1无论什么状态，第一控制信号en0=gnd，第二控制信号en1=gnd，第三控制信号en2=gnd。电源电压vdd被拉到0时，vdd=vc=vm=gnd，此时pmos管pm0开启，pmos管pm1开启，nmos管nm1关闭，pmos管pm2开启，nmos管nm2关闭，vbias电压通过pmos管pmo，pmos管pm1和pmos管pm2的通路输出，使控制电压vswitch被拉到偏置电压vbias。vbias电压能够给开关11提供耐压保护，保护开关11的任意两端电压(vgs,vds,vgd)均不超过1.2倍电源电压的耐压需求。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的基本构思的前提下直接导出或联想到的其它改进和变化均应认为包含在本发明的保护范围之内。