聊聊芯片中的上电检测（por）

**1. **por的必要性

①有些简单的异步SRAM芯片为了与CPU配合使用可能只需要一个3.3V的电源，但为了减小面积（或者说提高容量）芯片内部存储阵列可能会选用coredevice，core device的电源（如0.8V）要远低于IO电源（3.3V），这就需要内置一个3.3V转0.8V的LDO，SRAM阵列检测到0.8V电源trigger到一定阈值（如0.6V）再进行后续的读写操作，按顺序完成整个上电过程，否则会出现读写错误。

②对于规模比较大的FPGA芯片，往往需要3、4个甚至更多电源。FPGA正常工作之前要经过上电检测、数字模块的复位清零、内部SRAM输出使能、阻抗校正、全局写使能等一系列操作。

因此，上电检测是芯片正常工作的第一道保障，其重要性不言而喻。

2. por****举例

假设芯片包含vdd09、vdd1p2、vdd1p8和vddio，其中vdd09为芯片内部coredevice供电；vdd1p2为输入输出buffer供电；vdd1p8为内部模拟电路（如bandgap，ldo等）供电；vddio为IO电源，IO电源需要兼容1.8V、2.5V和3.3V。

当4路电源达到trigger阈值后，por电路产生por_b信号，指示上电完成，可以进行后续操作。下面介绍一下4路电源的por电路如何实现。

2.1 vdd09 por****电路

vdd09por电路如图1所示，图中所有管子均为0.9V的低压管，Mp2Mp4和Mn3Mn5构成Schmitt触发器 ^[1-3]^ ，Schmitt触发器有两个重要的特性：①对于一个变化很慢的输入波形，在输出端有一个快速翻转响应；②对正向和负向变化的输入信号有不同的开关阈值。Schmitt触发器的一个主要用途是把一个含噪声或缓慢变化的输入信号转变成一个“干净”的数字信号。

Fig1. vdd09的por电路

我们把vdd09的上电过程分三步进行解析：

①当vdd09A = vdd09，porb_vdd09 = 0；

②当vdd09上升到Vth,n附近时，M1和M2开始导通，此时V A = vdd09 - IR1，porb_vdd09= 0，I为流过R1的电流，由于I很小，随着vdd09的抬高VA继续增大，但此时VA变化的斜率逐渐变缓；

③当vdd09继续升高到大于Vth,n时，I急剧增大，此时随着vdd09的变高VA将快速变小，当VA减小到Schmitt触发器的翻转阈值时，porb_vdd09由低变高输出vdd09。

整个上下电过程中A点和B点电压和Schmitt触发器的翻转阈值变化如图2所示，两条曲线的交点即为上下电时的trigger电压（V H ，V L ），图中A1、A2、A3区域对应①、②、③步。下电过程与上电过程类似，这里不再赘述。

Fig2. vdd09上下电过程各点波形

2.2 vdd1p2 por****电路

vdd1p2 por电路如图3所示，图中除Mp5和Mn8为0.9V的低压管，其余均为1.2V device。

Fig3. vdd1p2的por电路

对比图1和图3结构，可以看出vdd1p2的por电路与vdd09的por电路结构基本一致，只是增加了1.2V的device。

2.3 vdd1p8 por****电路

vdd1p8 por电路如图4所示，图中除Mp6和Mn8为0.9V的低压管，其余均为1.8V device。

Fig4. vdd1p8的por电路

对比图1和图4结构，可以看出vdd1p8的por电路与vdd09的por电路类似，唯一不同的是Mn1和Mn2栅极的连接方式，由于0.9V低压管和1.8V高压管阈值电压差别不大，但设计时vdd1p8的trigger电压要比vdd09的trigger电压高，若Mn1和Mn2仍接到vdd1p8，此时vdd1p8的por电路trigger电压很难做高，将Mn1和Mn2的栅极与B点相连，可以抬高vdd1p8的trigger电压。

2.4 vddio por****电路

vddio por电路如图5所示，图中除Mp7和Mn8为0.9V的低压管，其余均为1.8V device。

Fig5. vdd1p8的por电路

vddio por电路是设计难点，因为PDK里没有高于1.8V的device且vddio要兼容1.8V/2.5V/3.3V电平标准，要考虑器件耐压问题。假设vddio开始上电时vdd1p8已经完成上电，此时Schmitt触发器翻转阈值保持不变，A点电压为：

随着vddio的抬高，A点电压上升到Schmitt触发器的翻转阈值，此时的vddio电压即为上电时刻的trigger电压。

在实际电路设计时要注意以下两点：

①为了保证电路的可靠性，应确保VA不高于1.8V，取R2+R3+R4≈R1从而保证了VA最高为1.65V左右。

②当温度升高时，Schmitt触发器的翻转阈值会减小，若VA由纯电阻分压得到，在温度变化时VA将基本保持不变，从而使得trigger电压发生较大的偏移。为了补偿温度对trigger电压的影响，电路引入了Mn1管，这样A点电压将随着温度的升高而降低，从而补偿了施密特触发器翻转阈值随温度的变化。

**3. **总结

2.1~2.4节完成了vdd09/vdd1p2/vdd1p8/vddio的上电检测，检测完成后经过与逻辑后，产生整体的por_b信号，指示后续电路完成4路电源的上电检测。