一种模拟量监控单元及其芯片的制作方法

1.本实用新型属于集成电路设计领域，尤其涉及一种需要对多个模拟量进行监控的mcu芯片。


背景技术：

2.很多mcu(微控制器、单片机)芯片需要实现对模拟信号的监控，例如其中一类针对电源管理细分应用的数模混合型mcu芯片，其需要输出可控电源，并监控负载电流是否过大、供电电压是否过高、大电流工作下芯片是否温度过高等，以针对过流、过温、超温等实现保护措施。以常见的双口电源适配器为例，其中通常有一个双usb type c端口pd协议供电管理mcu，该mcu供电输入通常是5v～20v，具体电压可以由mcu反馈调节，mcu内置两路dc-dc转换器或者控制外部两路dc-dc转换器，可以根据pd协议向两个type c端口输出两组独立电源，例如第一路是12v电压1a电流，第二路是9v电压2a电流。
3.传统的模拟量监控方案如图1所示，需要第一组差分运放对第一路电流采样后的毫伏级电压进行放大，并与第一dac的值进行模拟比较，以确认第一路电流是否过流；需要第二组差分运放对第二路电流采样后的毫伏级电压进行放大，并与第二dac的值进行模拟比较，以确认第二路电流是否过流；需要将供电电压分压后再与第三dac的值进行模拟比较，以确认供电电压是否过高；需要将温度传感器的值与第四dac的值进行模拟比较，以确认芯片温度是否过高。这种传统方案，随着监控的模拟量的数量增多，其芯片成本成将同比例增加，且在芯片设计完成后，后期无法增加监控通道，灵活性不够。


技术实现要素：

4.发明目的：为了解决现有技术中，支持多通道模拟量监控的芯片电路复杂、成本高、灵活性差等问题，本实用新型提供一种模拟量监控单元及其芯片。
5.技术方案：一种模拟量监控单元，包括：
6.至少两个模拟开关；
7.至少两个监控参考值存储器；
8.至少两个监控结果存储器；
9.模数转换器，输入端连接各模拟开关；
10.至少一个数字比较器，第一输入端连接模数转换器的输出端，第二输入端连接监控参考值存储器的输出端，输出端连接监控结果存储器；
11.状态控制器，包括开关控制输出端与存储控制输出端，开关控制输出端连接各模拟开关的控制端，存储控制输出端连接各监控结果存储器的控制端。
12.进一步地，还包括数字选择器，所述监控参考值存储器通过数字选择器与数字比较器连接；数字选择器的输入端分别连接各监控参考值存储器，输出端连接数字比较器的第二输入端，控制端连接状态控制器。
13.进一步地，设监控参考值存储器与监控结果存储器的个数均为n，所述数字比较器
也有n个，各数字比较器的第二输入端分别连接n个监控参考值存储器，各数字比较器的输出端分别连接对应的n个监控结果存储器。
14.进一步地，还包括运算放大器，所述运算放大器的输出端通过模拟开关连接模数转换器的输入端。
15.进一步地，所述运算放大器的输入端连接模拟开关，所述模拟开关的控制端连接状态控制器的开关控制输出端。
16.进一步地，所述状态控制器包括状态机及优先队列存储器，所述优先队列存储器的输入端输入通用模数转换请求信号，优先队列存储器与状态机连接。
17.进一步地，还包括历史数据暂存模块和数据处理模块，数据处理模块的输入端连接历史数据暂存模块及模数转换器输出端，数据处理模块的输出端连接监控结果存储器。
18.进一步地，所述数据处理模块为数字滤波模块。
19.一种芯片，包括上述的模拟量监控单元、微处理器内核及io引脚，所述微处理器内核连接模拟量监控单元中的状态控制器，io引脚内接模拟量监控单元中的模拟开关。
20.一种芯片，包括上述的模拟量监控单元、微处理器内核及模拟采样模块，所述微处理器内核连接模拟量监控单元中的状态控制器及模拟采样模块，模拟采样模块的输出端连接模拟量监控单元中的模拟开关。
21.本实用新型提供一种模拟量监控单元及其芯片，相比较现有技术，存在以下有益效果：
22.(1)电路简单，结构新颖。通过增加状态控制器等数字模块及模拟开关，充分复用了所有数模混合型mcu芯片和大多数通用mcu芯片所必然自带的 adc模拟模块，以数字化控制和数模混合结构代替传统的纯模拟结构，仅用状态控制器和一套模拟电路即可实现多通道模拟量监控，且通过状态控制器保障了 adc操作习惯仍然兼容普通mcu芯片adc的操作习惯。
23.(2)通过数字化减小芯片面积、降低成本。相比传统方案，本实用新型中的adc是对普通mcu芯片自带adc的分时复用，仅增加了状态控制器和模拟开关，但节省了多个dac模拟模块和多个模拟比较器。而每一个dac和模拟比较器的面积都比较大。通常，每个dac中的数十个精密匹配电阻所占面积较大，以sar型adc为例，其相当于一个dac加一个模拟比较器，换算下来，一个dac的面积相当于一个adc面积的7成到8成，故节省几个dac就相当可观。
24.(3)更好的适应新工艺趋势。数字模块随着工艺提升可以大幅降低面积和成本，例如28nm下数字mos管的l值仅为30nm左右。而模拟电路需要考虑离散性和匹配性、需要支持2.5v甚至5v等模拟电源电压，所以模拟mos管通常采用io器件，其l值的规则极限在250nm左右(5v电压对应500nm)，如考虑匹配性通常选500nm以上(5v电压对应800nm以上)。而且，io器件和模拟器件的尺寸受制于电压和微电子应力，基本上不随工艺提升。所以，越是工艺提升，本方案越能大幅降低成本。
25.(4)降低了功耗。每个dac都存在静态电流，从数百ua到数十ua不等，每个运放和模拟比较器也存在静态电流，从数百ua到数ua不等，本方案用数字化技术减少了模拟电路的使用，有助于降低整体的静态功耗。
26.(5)增加了mcu应用的灵活性。通过状态控制器设置不同的参数，对监控哪些模拟量可以动态调整，不会像传统方案针对不同应用可能存在模拟比较器和dac等资源不足或
者浪费的多种情况。另外，便于对监控结果作后续进一步的数据分析，例如分析趋势，或者增加数字滤波以避免偶尔的毛刺和干扰造成误操作。
附图说明
27.图1为现有的带有多路模拟量监控的mcu结构示意图；
28.图2为实施例一模拟量监控单元的结构示意图；
29.图3为实施例二模拟量监控单元的结构示意图；
30.图4为实施例三模拟量监控单元的结构示意图；
31.图5为实施例四包含模拟量监控单元的mcu的结构示意图。
具体实施方式
32.下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步解释说明。
33.实施例一：
34.一种芯片，包括下述的模拟量监控单元、微处理器内核及io引脚，所述微处理器内核连接模拟量监控单元中的状态控制器，模拟开关连接io引脚或者芯片内部的模拟采样模块。
35.一种模拟量监控单元，如图2所示，包括：至少两个模拟开关，至少两个监控参考值存储器，至少两个监控结果存储器。例如本实施例中模拟开关有m个，监控参考值存储器和监控结果存储器均有n个。还包括模数转换器adc、数字比较器、状态控制器及数字选择器。模数转换器的输入端连接各模拟开关；数字比较器的第一输入端连接模数转换器的输出端，其第二输入端通过数字选择器连接各监控参考值存储器的输出端，其输出端连接监控结果存储器。状态控制器的开关控制输出端连接各模拟开关的控制端，其存储控制输出端连接各监控结果存储器的控制端。数字选择器的输入端分别连接各监控参考值存储器，输出端连接数字比较器的第二输入端，控制端连接状态控制器。
36.各模拟开关一端连接adc，另一端可以直接连接输入信号，也可以通过运算放大器连接。所述运算放大器的输出端通过模拟开关连接模数转换器的输入端。所述运算放大器的输入端可以直接连接输入信号，也可以通过模拟开关连接，该模拟开关的控制端也连接状态控制器的开关控制输出端，同样受状态控制器的控制。
37.本实施例仅采用一个数字比较器，增加了一个数字选择器，数字选择器根据状态控制器的控制信号选择相应通道的监控参考值存储器及相应的监控结果存储器。
38.状态控制器包括状态机及优先队列存储器，优先队列存储器用于暂存微处理器内核发起的通用模数转换请求信号。状态机输出控制信号，所述控制信号包括开关控制信号和存储控制信号，开关控制信号用于控制各路通道上的模拟开关的导通或关断，存储控制信号用于选择监控参考值存储器将其内的参考值传至数字比较器，并且选择对应的监控结果存储器，将各通道的模拟监控结果存储在相应的监控结果存储器中。
39.状态机可通过计数器或环形多位移位寄存器实现。以状态机为例，若需要监控4个预设通道的模拟量，就用计数器实现4个状态，从0#到3#，分别对应4 个通道，每个通道都有对应的预置信息，预置信息通常包含通道和模拟开关状态及运放增益等控制信号，只要处于某一状态，状态控制器就产生固定启用某通道、固定开启模拟开关等控制信号。上述预置
信息可以是芯片设计阶段就固定下来的硬件逻辑，例如固定监控哪几个通道，每个通道固定对应打开和关闭某些开关；也可以是由寄存器控制、允许使用者运行软件时在寄存器中预置不同的参数。
40.优先队列存储器用于暂存微处理器内核发起的通用模数转换请求信号，包括 adc通道及其它可选参数，用于兼容adc原操作习惯。当优先队列存储器中没有新请求时，计数器从0#到3#不停循环计数，状态控制器根据预置信息分别产生4个通道各自对应的控制信号，用于控制模拟开关、adc及数字比较器循环监控4个预设通道的模拟量，并将adc结果与对应的监控参考值存储器的数值比较后的结果更新到对应的监控结果存储器中。当优先队列存储器中有新请求时，状态机暂停，计数器暂停，优先完成优先队列存储器中暂存的请求，等请求完成后，状态机接着运行循环监控，该部分由硬件电路实现。这样从mcu使用者角度看，adc操作习惯仍然与普通mcu芯片的adc操作习惯兼容，可以复用mcu芯片本身就有的adc。
41.当mcu软件发起新的adc请求、向原adc控制寄存器写入请求信息后，该请求首先被暂存在优先队列存储器中，待当前adc完成，插入该请求，用优先队列存储器中的参数控制进行adc，并向mcu软件返回结果。在这期间，状态机暂停，计数器暂停，等上述mcu软件adc请求完成后，状态机接着运行循环监控。这样从mcu使用者角度看，adc操作习惯仍然与普通mcu芯片的adc操作习惯兼容。另外，在最差情况下，adc请求会在优先队列中等待1 个adc周期，加上自身adc共两个周期，即最差情况下mcu使用者需2个 adc周期才能得到结果。故，可以对adc模拟电路适当优化，使adc采样转换率提高一倍，可以抵消上述mcu软件发起adc先暂存再执行的延误时间，从而在速度上兼容普通mcu芯片的adc，普通mcu的adc采样转换率通常在1m左右，以当下制造工艺来看，提高一倍非常容易且几乎不增加成本。
42.作为一种简化方式，也可以仅采用状态机，固定设置状态机不停循环计数来监控模拟数据，开启后只是不停地记录监控数据，无需优先队列存储器，无需微处理器内核提供请求。
43.本实施例的方案与传统方案相比，由于是通过数字化技术分时复用了adc，看起来存在模拟量监控不连续、不够及时的缺点，但是对于电源管理芯片来说，所用到的dc-dc或ac-dc本身都是pwm等非线性、间隙式的数字技术，其电源能量转换也是非连续的、一个周期再一个周期进行传送的，其反馈机制和反应时间通常在数微秒到近百微秒，且负载端并联有较大的滤波电容以平滑电压和电流，所以，本实用新型模拟量监控虽然可能会跨域几个adc周期，长达数微秒，但依然能够满足电源管理应用中的过流(数百微秒级)、过压(数十微秒级)、超温(毫秒级)等监控需求。
44.实施例二：
45.与实施例一相比，实施例二的区别在于数字比较器有n个，不需要数字选择器，如图3，直接将n个监控参考值存储器分别连接n个数字比较器的第二输入端，n个数字比较器的输出端分别连接n个监控结果存储器。当需要监控某通道上的模拟量时，使用相应通道的监控参考值存储器、数字比较器，并将模拟监控结果存储在相应的监控结果存储器中。
46.对于数字比较器的比较结果，可以引出，若发现过温则直接执行保护措施，例如强制触发关闭功率开关或者复位整个芯片，无需先存储结果，以便处理更及时。
47.实施例三：
48.实施例三与实施例一或实施例二相比，还包括历史数据暂存模块和数据处理模块，如图4，数据处理模块的输入端连接历史数据暂存模块及模数转换器输出端，数据处理模块的输出端连接监控结果存储器。该数据处理模块采用历史数据暂存模块暂存对应通道的最近几次的adc输出结果，数据处理模块根据对应通道本次adc结果和历史数据暂存模块中存储的历史数据产生比较结果，送至对应的监控结果存储器，该方案可以代替数字比较器实现比较功能。该数据处理模块采用数字滤波模块实现。
49.实施例四：
50.实施例四与实施例一至实施例三相比，对含有模拟量监控单元的芯片作进一步说明。如图5所示，该芯片包括模拟量监控单元、微处理器内核、io引脚及芯片内部的模拟采样模块，所述微处理器内核连接模拟量监控单元中的状态控制器。所述微处理器内核连接模拟量监控单元中的状态控制器及模拟采样模块，模拟采样模块的输出端连接模拟量监控单元中的模拟开关。换个角度看，是在现有带adc的普通mcu芯片上，增加了模拟量监控单元的的状态控制器和模拟开关，复用了原adc模块的资源，以较小的资源增加实现模拟量监控功能。
51.模拟开关一端均连接模数转换器的输入端，对于另一端，有的直接连接芯片 io引脚，相当于在保持了mcu芯片adc原模拟开关和连接关系的基础上，增加了新的开关和连接，如k2连接电源分压电阻的抽头，如k3用于采集电池电压；有的连接运放，如k1，并且运放输入端也通过模拟开关连接至芯片io引脚，见图5中kn、ko、kp、kq，运放两个输入端所连接的芯片io引脚直接或者通过电阻r2分别连接到电流采样电阻r1和r3的两端，这对io引脚之间通常还有电容c2，电阻r2和电容c2构成低通滤波器，rc低通滤波器是可选的。电阻r1和r3一般为数毫欧到数十毫欧，流经电流后采样到毫伏级电压信号，经运算放大器放大预定倍数后，由adc采样，其adc结果再与对应的监控参考值存储器中的数值比较，比较结果不断更新到监控结果存储器中，供后续硬件或者软件根据是否过流的结果执行后续操作；还有的模拟开关连接芯片内部模拟采样模块，如km连接芯片内部模拟采样模块，内部模拟采样模块如温度传感器模块，用于检测芯片温度。
52.如图5，以监控两路电流是否过流的应用为例，芯片外部设置有两个电流采样电阻r1和r3分别采样两路电流，假定其阻值为10mω，r1流过2a电流产生20mv电压，r3流过1a电流产生10mv电压。运算放大器为差分放大器，设置其增益为100倍，运算放大器的一对差分输入端连接有两对模拟开关。当状态控制器进入监控第一路r1电流的状态时，状态控制器打开kn和kp，使运算放大器的差分输入端通过一对模拟开关切换到r1两端，同时打开模拟开关k1， 20mv放大100倍后送到adc。当状态控制器进入监控第二路r3电流的状态时，状态控制器打开ko和kq，使运算放大器的差分输入端通过一对模拟开关切换到r3两端，同时打开模拟开关k1，10mv放大100倍后送到adc。
53.本实施例列出了多种模拟信号的监控情况，可以根据实际需要组合使用不同的通道，不需要包含全部，也可以包含其他模拟信号的监控通道，监控方案相同。