一种用于物联网安全芯片中非挥发性存储器的低功耗编程电压产生电路及工作方法与流程

1.本发明涉及一种用于物联网安全芯片中非挥发性存储器的低功耗编程电压产生电路及工作方法，属于物联网安全芯片设计的技术领域。


背景技术：

2.随着我国物联网应用的发展，物联网安全收到越来越多的重视。物联网安全芯片作为在物联网应用中保护信息采集、存储和传输安全的重要组成部分，也得到了快速的发展和应用。物联网安全芯片一种重要的应用领域就是射频识别(下称rfid)系统，该系统通过无线射频方式进行非接触双向数据通信，利用无线射频方式对记录媒体(射频标签或射频卡等)进行读写，从而达到识别目标和数据交换的目的。低功耗设计和存储数据用的非挥发性存储器设计是物联网安全芯片的重要设计环节。
3.完整的rfid系统如图1所示，是由rfid读卡器与rfid芯片及后台软件系统三个部分所组成。其工作原理是后台软件系统控制rfid读卡器发射一定频率的无线电信号给rfid芯片，用以将电子标签内存储的数据读出。rfid芯片在收到rfid读卡器发来的信号后，读出自身储存数据，然后通过发生相同频率的无线电信号将数据返回给rfid读卡器。rfid读卡器在得到返回的数据后将数据放入后台软件系统处理，来识别标签的正确性。
4.射频识别标签结构如图2所示：
5.1.耦合线圈(01)的功能为接收rfid读卡器发来的无线电信号或者向rfid读卡器发送无线电信号。
6.2.rf电路(02)的功能为将耦合线圈接收的无线电信号转化为中央处理器可以识别的数字信号或者将中央处理器发出的数字信号变为无线电信号并发给耦合线圈进行发送。
7.3.整流电路(03)的功能为将接收的无线电信号通过整流转换为rfid芯片使用的电源并给整个标签供电。
8.4.加密模块(04)的功能为提供数据的加密和解密，保证所处理信息的安全，供中央处理器cpu(08)调用。
9.5.随机存储器ram(05)为系统内存，供中央处理器cpu(08)使用。
10.6.只读存储器rom(06)中放置的是标签在出厂前根据客户要求写入的固定的数据，只能被中央处理器cpu(08)读取，数据内容不可更改。
11.7.非挥发性存储器(07)中存放的数据是根据用户需求自行写入或者修改的数据，其中的数据可以根据指令擦除或者写入，中央处理器cpu(08)可以读取或者修改其中存储的数据。
12.8.中央处理器cpu(08)负责调度rfid芯片中各个模块的使用和运算，是整个rfid芯片的大脑。
13.在rfid芯片中使用的非挥发性存储器是一种可以用电信号修改的可编程存储器，
主要包括：电可编程型可编程只读存储器eeprom和快闪型存储器flash，它可以在掉电后保持数据不丢失，具有编程速度快，可靠性强，寿命长等特点。
14.在rfid芯片中使用的非挥发性存储器，通过将电子存储在mos管的浮栅里，在芯片掉电以后，mos管里浮栅上的电子会保持，来实现数据的存储和保存。而将电子吸引到mos管的浮栅里或者将mos管的浮栅里的电子排除掉，需要一个高电压来实现(eeprom需要15.5v电压，而flash需要10v电压)。但是rfid的标签为了实现低功耗，一般只有1.8v电压甚至是1.2v或者1v，因此这个编程所需高电压需要用一个具有升压功能的编程电压产生电路来实现。
15.电荷泵升压单元的基本原理如图3所示：包括充放电电容c，开关s1，s2，s3和s4。当φ1为高电平φ2为低电平时，充放电电容两端电压为vdd，即v+＝vdd，v-＝0v；当φ2为高电平φ1为低电平时，v-被连接到vdd端，v+连接到输出端vout，此时电压v-＝vdd，由于电容两端的电荷不能突变，v+与v-的电压之差仍未vdd，因此此时v+的电压为2倍的vdd，由此即实现了电压的升压。使用多个如图3所示的电荷泵升压单元级联，便可以实现电压的继续升高。
16.在物联网安全芯片中使用的非挥发性存储器产生编程电压的编程电压产生电路如图4所示：包括振荡器10(osc)，非交叠时钟产生电路20(non overlap)，升压电荷泵30(charge pump)，稳压二极管40(zener diode)和稳压电容50，其基本原理为：振荡器10输出一定频率的时钟信号clk，非交叠时钟产生电路20将输入的clk信号变换为两路非交叠时钟信号clka和clkb，升压电荷泵30在非交叠时钟信号clka和clkb的控制下，将电源电压vdd升高至高于非挥发性存储器的编程高电压vpp，通过稳压二极管40将编程高电压vpp限制在对非挥发性存储器进行编程所需要的电压范围内(15.5v或者10v)，稳压电容50用于保持编程过程中编程电压的稳定。其中稳压二极管的特性是一种直到临界反向击穿电压前都具有很高电阻的半导体器件，当加在稳压二极管两端电压高于其导通电压后，稳压二极管导通，多余的电荷会通过稳压二极管放掉，从而使得稳压二极管两端电压保持在某个电压下。
17.产生升压电荷泵30所需非交叠时钟的电路称为非交叠时钟产生电路20，改电路输入为振荡器10产生的时钟信号clk，输出为两路非交叠时钟clka和clkb，其中包含延时单元100(dly)、反相器200和与非门300。非交叠时钟产生器20将输入的由振荡器10产生的时钟信号clk变换为两路非交叠时钟信号clka和clkb，非交叠时钟即为两路时钟信号clka和clkb不会同时为高电平。非交叠时钟产生电路20的输入输出信号如图6所示，输入clk为占空比为50％的时钟信号，即高电平时间th和低电平时钟tl各占一个时钟周期的一半，时钟clk的一个周期tper为th和tl时间之和，通常情况下th和tl各占tper的50％；输出clka和clkb信号的上升沿和下降沿之间会有一个延时td，即clka和clkb不会同时为高电平，由于clka和clkb的时钟周期tper没变，而高电平占一个时钟周期tper的比例小于50％，记clka的占空比为duty_clka，clkb的占空比为duty_clkb，延时td主要是由图5中非交叠时钟产生电路的延时单元100的延时实现。
18.图4所示的物联网安全芯片中使用的非挥发性存储器编程电压产生产生编程电压的工作波形图如图5所示，编程电压产生开始工作之后，升压电荷泵30在非交叠时钟clka和clkb的控制下，将vpp端电压逐渐抬高，在编程电压产生过程中，为了升压电荷泵30实现快速升压，虽然clka和clkb的占空比低于50％，但占空比较高，即duty_clka和duty_clkb小于
但接近50％，保证升压电荷泵30将vpp端电压尽快提升到编程所需电压。
19.经过升压时间t1之后，升压电荷泵30在vpp端电压达到非挥发性存储器进行编程所需要的电压，此时vpp端电压被稳压二极管40稳压电容50所稳压，vpp端多余的电荷通过稳压二极管40泄放掉，vpp端电压稳定在非挥发性存储器进行编程所需要的电压(15.5v或者10v)，保持编程所需时间t2，非挥发性存储器编程结束之后，编程电压产生电路关闭，vpp端编程电压被泄放掉。通常编程所需时间t2会远长于升压时间t1和vpp编程电压的泄放时间，是非挥发性存储器编程功耗的主要产生时间，该时间内消耗的功耗也是编程电压产生电路的主要功耗占比。
20.由于物联网安全芯片的应用环境以便携和小型化为主，通常使用电池供电或者远距离无线耦合供电，属于低功耗应用环境，因此物联网安全芯片的低功耗设计是其中最重要的环节之一。而物联网安全芯片的非挥发性存储器在进行编程时，由于需要通过升压电路产生编程所需的高电压，会产生较大的功耗，这部分功耗包括振荡器10产生时钟的动态功耗、非交叠时钟电路20的动态功耗、升压电荷泵30的动态功耗等。其中，升压电荷泵30使用多级电荷泵升压单元逐级充电来提高vpp端电压，而当升压电荷泵30在vpp端产生的电压超过非挥发性存储器进行编程所需要的电压(15.5v或者10v)时，多余的电荷会通过稳压二极管40泄放掉，因此，非挥发性存储器编程过程的主要功耗来自于升压电荷泵30的动态功耗，还包括由稳压二极管40泄放掉的由升压电荷泵30产生生的多余电荷。
21.升压电荷泵30动态功耗约为cfv2*(duty_clka+duty_clkb)，其中c为升压电荷泵30中每一级的电容之和，f是升压电荷泵30工作的时钟频率，v是电荷泵30的供电电压vdd，duty_clka+duty_clkb为升压电荷泵30的工作时间占比，duty_clka和duty_clkb均为(th-td)/tper，而clka和clkb同时为低电平情况下，升压电荷泵30为保持状态，不产生功耗。
22.由上所述，编程电压产生电路的动态功耗占了非挥发性存储器编程功耗的主要部分，因此，实现非挥发性存储器的低功耗设计，主要是优化非挥发性存储器中编程电压产生电路中编程电压产生电路的升压电荷泵30工作时的动态功耗。


技术实现要素：

23.为了解决上述技术问题，本发明公开一种用于物联网安全芯片中非挥发性存储器的低功耗编程电压产生电路。
24.本发明还公开上述电路的工作方法。
25.本发明详细的技术方案如下：
26.一种用于物联网安全芯片中非挥发性存储器的低功耗编程电压产生电路，包括：振荡器、升压电荷泵、稳压二极管和稳压电容，其特征在于，还包括在所述振荡器和升压电荷泵之间设置的可编程非交叠时钟产生电路；还包括在所述升压电荷泵的输出端并联设置电压检测电路；
27.所述电压检测电路用于：电压检测电路用于检测编程电压产生电路产生编程电压即vpp端电压达到非挥发性存储器进行编程所需要的电压(15.5v或者10v)：
28.当vpp端电压低于非挥发性存储器进行编程所需要的电压时，则输出端vdet为逻辑0；
29.当vpp端电压高于等于非挥发性存储器进行编程所需要的电压时，则输出端vdet
为逻辑1。
30.根据本发明优选的，所述可编程非交叠时钟产生电路，包括：输入端为振荡器、输出信号clk、电压检测电路输出控制信号vdet；其输出端为非交叠时钟信号clka和clkb；还包括多级延时单元、反相器、与非门和多路选择器；所述多路选择器输入端为输入信号vi1和vi2，输入控制端vt，输出信号端vo；输入信号vi2连接至第一级延时单元的输出，输入信号vi1连接至第n级延时单元的输出，其中n为与非门的输出端与输入信号vi1之间延时单元的个数，n的值可以根据电路需要进行修改；当输入控制端vt为逻辑0时，输入信号vi2连通至输出信号端vo；当输入控制端vt为逻辑1时，输入信号vi1连通至输出信号端vo。
31.如上述低功耗编程电压产生电路的工作方法，其特征在于，包括：
32.在编程电压产生电路产生编程电压时，vpp端电压逐渐升高，未达到非挥发性存储器进行编程所需要的电压时，电压检测电路的输出vdet为逻辑0，可编程非交叠时钟产生器产生两路非交叠时钟信号clka和clkb的延时为td，clka和clkb的占空比较高(接近50％)，使得升压电荷泵在每个时钟周期大部分时钟内(tper-2*td)工作，使得vpp端电压快速升高；
33.当vpp端电压达到非挥发性存储器进行编程所需要的电压(15.5v或者10v)之后，电压检测电路输出vdet变为逻辑1，可编程非交叠时钟产生器产生两路非交叠时钟信号clka和clkb的延时为n*td，clka和clkb的占空比降低，升压电荷泵仅在每个时钟周期的一小部分时间内工作，保证vpp端电压不低于非挥发性存储器进行编程所需要的电压。
34.根据本发明优选的，当vpp端电压达到非挥发性存储器进行编程所需要的电压(15.5v或者10v)之后，由于升压电荷泵的输入非交叠时钟clka和clkb的非交叠延时增大为n*td；升压电荷泵仅会在clka和clkb为高电平的时候工作，即tper-2*n*td时间内升压工作，以防止升压电荷泵在vpp端继续产生多余的电荷通过稳压二极管泄放掉来实现vpp的稳压。
35.根据本发明优选的，可编程非交叠时钟产生器的工作方法为：
36.当vpp端电压升压过程中，vdet信号为逻辑0，多路选择器的vi2端连接至输出vo，产生两路非交叠时钟信号clka和clkb的延时td与非交叠时钟产生电路20产生的延时相同，使得升压电荷泵在vpp端产生的编程电压快速升压；
37.当vpp端电压高于等于非挥发性存储器进行编程所需要的电压时，vdet信号变为逻辑1，多路选择器的vi1端连接至输出vo，由于串联了n级的延时单元，产生两路非交叠时钟信号clka和clkb的延时变为原有的n倍，即n*td，以降低clka和clkb的占空比。
38.根据本发明优选的，通过设置可编程非交叠时钟产生器内延时单元的个数，即n的值，使得vpp端电压达到非挥发性存储器进行编程所需要的电压后，升压电荷泵的工作时间变短为tper-2*n*td，vpp端电压在稳压电容50的作用下，保持在非挥发性存储器进行编程所需要的电压上；
39.而当非挥发性存储器完成编程工作，在vpp编程电压泄放的过程中，电压检测电路输出的控制信号vdet会重新变为0，由于此时振荡器10被编程控制信号关闭，不再输出时钟，电压检测电路60和可编程非交叠时钟产生器21不会影响vpp端电压的泄放过程。
40.本发明的技术优点在于：
41.本发明在传统的如图4所示的物联网安全芯片中使用的非挥发性存储器编程电压
产生电路中加入了电压检测电路60(voltage detector)，将非交叠时钟产生电路20替换为可编程非交叠时钟产生电路21(programmable non overlap)，以使得物联网安全芯片中使用的非挥发性存储器中编程电压产生电路在生成编程所需电压(15.5v或者10v)之后，使得升压电荷泵在每个时钟周期内的工作时间从tper-2*td降低为tper-2*n*td；由于占非挥发性存储器中编程电压产生电路主要功耗的升压电荷泵30的动态功耗为cfv2*
42.(duty_clka+duty_clkb)，duty_clka和duty_clkb由(th-td)/tper降低为(th-n*td)/tper，由此可实现在vpp端编程电压达到设定值后，升压电荷泵的动态功耗降低为原来的(th-n*td)/(th-td)。
附图说明
43.图1是现有rfid系统的示意图；
44.图2是无源rfid芯片内部电路结构示意图；
45.在图2中，01、耦合线圈；02、rf电路；03、供电电路；04、加密模块；05、随机存储器ram；06、只读存储器rom；07、电可编程可编程只读存储器eeprom；08、中央处理器cpu；
46.图3是电荷泵升压单元电路原理示意图；
47.图4是在物联网安全芯片中使用的非挥发性存储器编程电压产生电路示意图；
48.在图4中，10、振荡器(osc)；20、非交叠时钟产生电路(non overlap)；30、升压电荷泵(charge pump)；40、稳压二极管(zener diode)；50、稳压电容；
49.图5是非交叠时钟产生电路结构示意图；
50.在图5中，100、延时单元100(dly)；200、反相器；300、与非门；
51.图6是图5所示非交叠时钟产生电路的输入输出信号波形示意图；
52.图7是本发明所提出的物联网安全芯片中使用的非挥发性存储器的低功耗编程电压产生电路结构示意图；
53.在图7中，振荡器；21、可编程非交叠时钟产生电路；30、升压电荷泵；40、稳压二极管；50、稳压电容；60、电压检测电路；
54.图8是图7所示电路中可编程非交叠时钟产生电路结构示意图；
55.在图8中，100、多级延时单元100(dly)；200、反相器；300、与非门；400、多路选择器；
56.图9是图4所示电路在物联网安全芯片中使用的非挥发性存储器在编程过程中vpp端电压的波形图。
具体实施方式
57.下面结合实施例和说明书附图对本发明做详细的说明，但是不限于此。
58.实施例1、
59.如图7所示。
60.一种用于物联网安全芯片中非挥发性存储器的低功耗编程电压产生电路，包括：振荡器10、升压电荷泵30、稳压二极管40和稳压电容50，还包括在所述振荡器10和升压电荷泵30之间设置的可编程非交叠时钟产生电路21；还包括在所述升压电荷泵30的输出端并联设置电压检测电路60；
2*n*td，vpp端电压在稳压电容50的作用下，保持在非挥发性存储器进行编程所需要的电压上；
76.而当非挥发性存储器完成编程工作，在vpp编程电压泄放的过程中，电压检测电路输出的控制信号vdet会重新变为0，由于此时振荡器10被编程控制信号关闭，不再输出时钟，电压检测电路60和可编程非交叠时钟产生器21不会影响vpp端电压的泄放过程。