[發(fā)明專利]一種適用于5V應(yīng)用環(huán)境的單片機(jī)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310457585.5
• 申請日: 2013-09-30
• 公開（公告）號: CN103488113A
• 公開（公告）日: 2014-01-01
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王春華
• 申請（專利權(quán)）人: 江蘇沁恒股份有限公司
• 主分類號: G05B19/042
• 分類號: G05B19/042
• 代理公司: 南京眾聯(lián)專利代理有限公司 32206
• 代理人: 顧進(jìn)

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技術(shù)領(lǐng)域：

本發(fā)明涉及集成電路設(shè)計領(lǐng)域，特別是涉及一種適用于5V應(yīng)用環(huán)境的單片機(jī)。

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背景技術(shù)：

單片機(jī)的運行程序存儲在只讀存儲器內(nèi)，只讀存儲器是一種非易失性存儲器。為了實現(xiàn)全集成化，單片機(jī)芯片通常采用非易失性存儲工藝進(jìn)行設(shè)計制造，例如Embedded?Flash工藝、OTP工藝、MTP工藝、E²PROM工藝等。非易失性存儲工藝提供三種半導(dǎo)體器件：內(nèi)核器件、I/O器件、高壓器件。內(nèi)核器件的特征尺寸相對最小，工作電壓相對最低，用于設(shè)計芯片的主要功能電路；I/O器件的特征尺寸相對較大，工作電壓相對較高，用于設(shè)計芯片的I/O及其他對外接口電路；高壓器件的特征尺寸相對最大，工作電壓相對最高，通常僅僅用于設(shè)計與只讀存儲器相關(guān)的高壓電路。例如，工藝廠家（Foundry）提供的IP核、I/O庫等都不采用高壓器件，而采用內(nèi)核器件和I/O器件。隨著半導(dǎo)體工藝的革新，半導(dǎo)體器件的特征尺寸不斷縮小，同時器件的工作電壓下降，單片機(jī)芯片中內(nèi)核（Core）的工作電壓由原來的5V、3.3V降為1.8V、1.2V甚至更低，I/O及其他對外接口電路的工作電壓則降為3.3V、2.5V等，對外接口電路的信號電壓范圍也相應(yīng)下降。在5V應(yīng)用環(huán)境中，裝置或設(shè)備的電源電壓為5V，信號電壓為0~5V。新工藝下的單片機(jī)如何適用于5V應(yīng)用環(huán)境是需要解決的問題。

現(xiàn)有技術(shù)方案一如圖1所示，單片機(jī)芯片的內(nèi)核、I/O及其他對外接口電路采用舊工藝設(shè)計制造。在舊工藝中，由于內(nèi)核器件和I/O器件的特征尺寸較大，內(nèi)核、I/O及其他對外接口電路可以工作在5V電壓下，使得對外接口能夠直接與5V外部設(shè)備交互。該方案的缺點是，單片機(jī)芯片不能夠適應(yīng)半導(dǎo)體工藝的進(jìn)步，芯片面積較大，單片機(jī)成本較高。

現(xiàn)有技術(shù)方案二如圖2所示，單片機(jī)芯片的內(nèi)核、I/O及其他對外接口電路采用新工藝設(shè)計制造。在新工藝中，內(nèi)核器件和I/O器件的特征尺寸較小，內(nèi)核的工作電壓為V_Core，I/O及其他對外接口電路的工作電壓為V_IO，且V_Core≤V_IO＜5V。I/O及其他對外接口內(nèi)具有電平轉(zhuǎn)換電路，對內(nèi)輸入或者輸出0~V_Core信號，對外輸出或者輸入0~V_IO信號。其中，傳統(tǒng)的低電壓到高電壓的電平轉(zhuǎn)換電路如圖3所示，反相器I1采用內(nèi)核器件，NMOS管N1和N2以及PMOS管P1和P2均為I/O器件，反相器I2采用I/O器件。該方案的缺點是，單片機(jī)與5V外部設(shè)備通信時需要外部附加邏輯，例如外部電平轉(zhuǎn)換設(shè)備，這導(dǎo)致PCB板布局布線的復(fù)雜度增大，總體成本增加。

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發(fā)明內(nèi)容：

本發(fā)明的目的是針對上述存在的問題，提供一種適用于5V應(yīng)用環(huán)境的單片機(jī)。該方法充分利用非易失性存儲工藝的特點，使單片機(jī)芯片適應(yīng)半導(dǎo)體工藝的發(fā)展，減小芯片面積，同時單片機(jī)能夠與5V外部設(shè)備直接交互，減小PCB板的面積和布局布線復(fù)雜度，降低成本。

實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案是：一種適用于5V應(yīng)用環(huán)境的單片機(jī)，所述單片機(jī)至少包括全內(nèi)置降壓電源系統(tǒng)、內(nèi)核、對外接口電路；所述全內(nèi)置降壓電源系統(tǒng)采用非易失性存儲工藝中的高壓器件和/或非易失性存儲工藝中的I/O器件，所述全內(nèi)置降壓電源系統(tǒng)提供內(nèi)核電源電壓V_Core，且內(nèi)核電源電壓V_Core＜5V；所述內(nèi)核采用非易失性存儲工藝中的內(nèi)核器件；所述對外接口電路包括I/O電路，所述對外接口電路采用非易失性存儲工藝中的內(nèi)核器件和非易失性存儲工藝中的高壓器件，所述對外接口電路具有電平轉(zhuǎn)換電路，所述電平轉(zhuǎn)換電路包括0~V_Core信號到0~5V信號的電平轉(zhuǎn)換電路，以及0~5V信號到0~V_Core信號的電平轉(zhuǎn)換電路。

傳統(tǒng)的低電壓到高電壓的電平轉(zhuǎn)換電路，僅僅將其I/O器件替換為高壓器件，是無法直接應(yīng)用在5V環(huán)境中的。高壓器件的閾值電壓相對要高得多，用0~V_Core信號直接控制高壓器件時會導(dǎo)致高壓器件開關(guān)不完全，造成電平轉(zhuǎn)換電路工作異常。因此，所述0~V_Core信號到0~5V信號的電平轉(zhuǎn)換電路需要對傳統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整改進(jìn)。