一种用于物联网安全芯片中非挥发性存储器的低功耗电荷泵电路及工作方法
阅读说明：本技术 一种用于物联网安全芯片中非挥发性存储器的低功耗电荷泵电路及工作方法 (Low-power-consumption charge pump circuit for non-volatile memory in Internet of things security chip and working method ) 是由 高彬 王丹 李向宏 徐灿 李自强 朱兰 尚方建 于 2021-09-28 设计创作，主要内容包括：一种用于物联网安全芯片中非挥发性存储器的低功耗电荷泵电路,通过加入电压检测电路,可以使得物联网安全芯片中使用的非挥发性存储器电荷泵电路在生成编程所需电压之后,通过改变控制信号Vdet的逻辑,使得升压电荷泵Charge Pump的输入时钟频率从振荡器OSC输出clk的频率,降低为原来的1/N；由于占非挥发性存储器电荷泵电路主要功耗的升压电荷泵Charge Pump的动态功耗正比于CfV～(2),降低频率f即可以实现降低非挥发性存储器电荷泵电路的动态功耗,由此可实现在VPP端编程电压达到设定值后,升压电荷泵Charge Pump的动态功耗降低为原来的1/N。(A low-power-consumption Charge Pump circuit for a nonvolatile memory in an Internet of things security chip is characterized in that a voltage detection circuit is added, so that after the nonvolatile memory Charge Pump circuit used in the Internet of things security chip generates a voltage required by programming, the logic of a control signal Vset is changed, the frequency of an input clock of a boost Charge Pump is reduced to 1/N of the original frequency of clk output from an oscillator OSC; the dynamic power consumption of the boosted Charge Pump Charge Pump, which dominates the power consumption of the non-volatile memory Charge Pump Circuit, is proportional to CfV 2 And the dynamic power consumption of the Charge Pump circuit of the nonvolatile memory can be reduced by reducing the frequency f, so that the dynamic power consumption of the Charge Pump can be reduced to 1/N after the VPP end programming voltage reaches a set value.)
技术领域
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电荷泵电路及工作方法，属于物联网安全芯片的技术领域。
背景技术
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。
完整的RFID系统如附图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。
射频识别标签结构如附图2所示，主要包括耦合线圈01、RF电路02、整流电路03、加密模块04、随机存储器RAM05、只读存储器ROM06、电可编程可编程只读存储器EEPROM07和中央处理器CPU08。其中：
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。
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。
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。
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CPU08调用。
随机存储器RAM05为系统内存，供中央处理器CPU08使用。
只读存储器ROM06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CPU08读取，数据内容不可更改。
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CPU08可以读取或者修改其中存储的数据。
中央处理器CPU08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。
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。
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，即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，因此这个高电压的实现，需要用一个升压电荷泵电路Chargepump来实现。
升压电荷泵电路的基本原理如附图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所示的升压电荷泵电路串联，便可以实现电压的继续升高。
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电荷泵电路如附图4所示：包括振荡器10(OSC)，非交叠时钟产生器20(Non Overlap)，升压电荷泵30(ChargePump)，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，非交叠时钟产生器20将输入的clk信号变换为两路非交叠时钟信号clka和clkb，升压电荷泵电路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。
附图4所示的物联网安全芯片中使用的非挥发性存储器电荷泵电路产生编程电压的工作波形图如附图5所示，电荷泵电路开始工作之后，升压电荷泵30在非交叠时钟的控制下，将VPP端电压逐渐抬高，经过升压时间T1之后，电荷泵电路所在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，电荷泵电路关闭，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。
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、升压电荷泵的动态功耗等。
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，怎样优化非挥发性存储器中升压电荷泵工作时的动态功耗，是降低非挥发性存储器的低功耗所亟待解决的技术问题。
发明内容
针对现有技术的不足，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电荷泵电路。
本发明还公开上述低功耗电荷泵电路的工作方法。
发明概述：
由于升压电路会通过逐级充电来提高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，包括由稳压二极管40泄放掉的由升压电荷泵30差生的多余电荷。升压电荷泵30动态功耗约为CfV2，其中C为升压电荷泵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是电荷泵电路30的供电电压。
本发明详细的技术方案如下：
一种用于物联网安全芯片中非挥发性存储器的低功耗电荷泵电路，包括：振荡器OSC、非交叠时钟产生器Non Overlap、升压电荷泵Charge Pump，稳压二极管Zener Diode和稳压电容，其特征在于，所述低功耗电荷泵电路还包括：在所述升压电荷泵Charge Pump的输出端并联设置电压检测电路Voltage Detector，并在振荡器OSC和非交叠时钟产生器NonOverlap之间增设分频电路DIV；
所述电压检测电路Voltage Detector用于：检测电荷泵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：
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，则电压检测电路Voltage Detector的输出端Vdet为逻辑0至分频电路DIV；
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，则电压检测电路Voltage Detector的输出端Vdet为逻辑1至分频电路DIV；
所述分频电路DIV用于：对输入时钟clk的整数分频，分频后输出clk_div信号，分频电路DIV受电压检测电路Voltage Detector的输出信号Vdet控制。
根据本发明优选的，所述分频电路DIV对输入时钟clk的整数分频，默认状态下分频比为1，即不进行分频，输出clk_div时钟信号频率与输入clk时钟信号频率相同；2分频则输出clk_div时钟信号频率为输入clk时钟信号频率的一半；N分频则输出clk_div时钟信号频率为输入clk时钟信号频率的1/N。分频电路DIV的分频比受到电压检测电路VoltageDetector输出信号Vdet控制：
当Vdet为逻辑0时，分频电路DIV的分频比为1，即输出clk_div时钟信号频率与输入clk时钟信号频率相同；
当Vdet为逻辑1时，分频电路DIV的分频比为N，所述N的取值根据电路具体情况设置为大于1的整数，即输出clk_div时钟信号频率为输入clk时钟信号频率的1/N。
上述低功耗电荷泵电路的工作方法，其特征在于：物联网安全芯片中非挥发性存储器编程过程中，在电荷泵电路产生编程电压过程中，
当VPP端电压在爬升过程中，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Voltage Detector的输出Vdet为逻辑0，分频电路DIV的分频比为1，即输出clk_div时钟信号频率与输入clk时钟信号频率相同；
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Voltage Detector输出Vdet变为逻辑1，分频电路DIV受到Vdet信号控制，分频电路DIV输出的clk_div时钟信号降低为振荡器输出clk时钟信号的1/N。
本发明由于升压电荷泵Charge Pump的输入时钟频率降低为原先的1/N；升压电荷泵Charge Pump的充电频率变慢，可以防止升压电荷泵Charge Pump在VPP端继续产生多余的电荷通过稳压二极管Zener Diode泄放掉来实现VPP的稳压，使得VPP端电压在稳压电容的作用下，保持在非挥发性存储器进行编程所需要的电压上。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Voltage Detector输出的控制信号Vdet会重新变为0，由于此时振荡器OSC被编程控制信号关闭，不再输出时钟，电压检测电路Voltage Detector和分频电路DIV不会影响VPP端电压的泄放过程。
本发明的技术优势在于：
本发明通过加入电压检测电路，可以使得物联网安全芯片中使用的非挥发性存储器电荷泵电路在生成编程所需电压(15.5V或者10V)之后，通过改变控制信号Vdet的逻辑，使得升压电荷泵Charge Pump的输入时钟频率从振荡器OSC输出clk的频率，降低为原来的1/N；由于占非挥发性存储器电荷泵电路主要功耗的升压电荷泵Charge Pump的动态功耗正比于CfV2，降低频率f即可以实现降低非挥发性存储器电荷泵电路的动态功耗，由此可实现在VPP端编程电压达到设定值后，升压电荷泵Charge Pump的动态功耗降低为原来的1/N。
附图说明
图1是现有技术RFID系统的电路原理示意图；
图2是现有技术无源RFID芯片内部电路结构示意图；
图3是电荷泵电路原理示意图；
图4是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电荷泵电路示意图；
图5是本发明所述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低功耗电荷泵电路结构示意图；
在图4、5中，10、振荡器OSC；20、非交叠时钟产生器Non Overlap；30、升压电荷泵Charge Pump；40、稳压二极管Zener Diode；50、稳压电容；60、电压检测电路VoltageDetector；70、分频电路DIV；
图6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中电荷泵电路工作产生编程电压的波形图；
图7是本发明所提出的在物联网安全芯片中使用的非挥发性存储器中低功耗电荷泵电路工作产生编程电压的波形图。
具体实施方式
下面结合实施例和说明书附图对本发明做详细的说明，但不限于此。
实施例1、
如图5所示，一种用于物联网安全芯片中非挥发性存储器的低功耗电荷泵电路，包括：振荡器OSC 10、非交叠时钟产生器Non Overlap 20、升压电荷泵Charge Pump 30，稳压二极管Zener Diode 40和稳压电容50，所述低功耗电荷泵电路还包括：在所述升压电荷泵Charge Pump 30的输出端并联设置电压检测电路Voltage Detector 60，并在振荡器OSC10和非交叠时钟产生器Non Overlap 20之间增设分频电路DIV 70；
所述电压检测电路Voltage Detector 60用于：检测电荷泵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：
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，则电压检测电路Voltage Detector的输出端Vdet为逻辑0至分频电路DIV；
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，则电压检测电路Voltage Detector的输出端Vdet为逻辑1至分频电路DIV；
所述分频电路DIV 70用于：对输入时钟clk的整数分频，分频后输出clk_div信号，分频电路DIV 70受电压检测电路Voltage Detector 60的输出信号Vdet控制。
所述分频电路DIV 70对输入时钟clk的整数分频，默认状态下分频比为1，即不进行分频，输出clk_div时钟信号频率与输入clk时钟信号频率相同；2分频则输出clk_div时钟信号频率为输入clk时钟信号频率的一半；N分频则输出clk_div时钟信号频率为输入clk时钟信号频率的1/N。
实施例2、
如实施例1所述低功耗电荷泵电路的工作方法，物联网安全芯片中非挥发性存储器编程过程中，在电荷泵电路产生编程电压过程中，
当VPP端电压在爬升过程中，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Voltage Detector 60的输出Vdet为逻辑0，分频电路DIV 70的分频比为1，即输出clk_div时钟信号频率与输入clk时钟信号频率相同；
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Voltage Detector 60输出Vdet变为逻辑1，分频电路DIV70受到Vdet信号控制，分频电路DIV 70输出的clk_div时钟信号降低为振荡器OSC输出clk时钟信号的1/N。
图5所示的一种用于物联网安全芯片中非挥发性存储器的低功耗电荷泵电路产生编程电压的工作波形图如图7所示，电荷泵电路开始工作之后，升压电荷泵Charge Pump 30在非交叠时钟的控制下，将VPP端电压逐渐抬高，经过升压时间T1之后，电荷泵电路所在VPP端产生的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Zener Diode 40和稳压电容50所稳压，电压检测电路Voltage Detector 60检测到编程电压符合要求，输出控制信号Vdet使得分频电路DIV 70的分频比发生变化，分频电路DIV 70输出clk_div时钟频率降低为振荡器OSC 10输出clk频率的1/N，因为编程过程中编程电压没有功耗，VPP端电压会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)。由于编程过程所需时间T2较长，因此使用本发明所提出的一种用于物联网安全芯片中非挥发性存储器的低功耗电荷泵电路可以降低物联网安全芯片中非挥发性存储器的低功耗电荷泵电路工作(产生编程电压)时的功耗，尤其是VPP端电压稳定在非挥发性存储器进行编程所需要的电压时期(T2时间内)内的功耗。
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