專利名稱：具有與負(fù)載無關(guān)的電流需量的片上電源接口的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種將一集成電路的電源引腳與其某些內(nèi)部電路相連接的接口電路，本發(fā)明尤其涉及一種特別適于降低在電源引腳上的電源電流變化以用于該些要求不受差分功率分析攻擊的影響的保密集成電路的接口電路。
背景技術(shù)：
大多數(shù)集成電路根據(jù)工作狀況自其電源汲取變量的電流，例如，施加于一嵌入式閃存存儲(chǔ)器的編程模式字線驅(qū)動(dòng)器的組合模塊的電流在任何時(shí)候都將隨著可編程字?jǐn)?shù)的數(shù)目而改變。在大多數(shù)集成電路中，這將是有益的，因?yàn)檫@是根據(jù)需要從電源僅僅汲取所需量的電流，從而使功耗最小化。
然而，當(dāng)一芯片上的數(shù)據(jù)必須保密時(shí)，電源電流的變化就將成為問題。保密產(chǎn)品包含機(jī)密和加密的內(nèi)部數(shù)據(jù)，包括密鑰，其不能泄露給未經(jīng)許可的一方，差分功率分析(Differential power analysis DPA)是一種通過在外部監(jiān)控一芯片的電源電流以找出其與數(shù)據(jù)相關(guān)的變化以間接地揭示該芯片的內(nèi)部數(shù)據(jù)的技術(shù)。為了提供一可抵御DPA攻擊的高度免疫力，就希望在所述電源引腳的電流變化大體獨(dú)立于芯片內(nèi)的與數(shù)據(jù)相關(guān)的電流需量或電流負(fù)載?？赡艿脑?，這應(yīng)該在不會(huì)增加多于所必需的功耗下完成。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為一種接口電路，其設(shè)置在一設(shè)在接口輸入的電源引腳和一與接口輸出耦合的保密數(shù)據(jù)電路之間，所述接口電路的操作方法為提供一可控的補(bǔ)充負(fù)載或電流吸收器以致于盡管負(fù)載通過該保密數(shù)據(jù)電路發(fā)生與數(shù)據(jù)相關(guān)的變化，在電源引腳所見的總電流需量仍大體不變。
該接口電路包括一基準(zhǔn)電流級(jí)、一電壓檢測(cè)器級(jí)以及一由電壓檢測(cè)器級(jí)控制的補(bǔ)充負(fù)載級(jí)。該基準(zhǔn)電流級(jí)產(chǎn)生一用于該電壓檢測(cè)器級(jí)的工作電流基準(zhǔn)。該電壓檢測(cè)器級(jí)包括兩個(gè)分支，各自具有一電阻器、一檢測(cè)晶體管和一在所述接口電路的輸入和接地之間耦合的電流鏡器件。在每一支路中的電流鏡器件的柵極皆與該基準(zhǔn)電流級(jí)中的一匹配器件相耦合，以使通過每一分支的電流反映該基準(zhǔn)電流。在兩個(gè)分支中的檢測(cè)晶體管和電阻器構(gòu)成一差分放大器，將在接口輸出處的電流負(fù)載中的任何變化轉(zhuǎn)換成一控制一補(bǔ)充負(fù)載晶體管的檢測(cè)電壓。大體上，內(nèi)部電路的電流負(fù)載可作為一跨越該第二支路中的電阻器的輸出阻抗的電壓降來檢測(cè)，其可參照為一恒定基準(zhǔn)電流的跨越該第一分支中的比例電阻器的對(duì)應(yīng)的電壓降。
該補(bǔ)充負(fù)載晶體管的柵極耦合成接收自該電壓檢測(cè)級(jí)的控制電壓，并于不飽和下在其線性區(qū)域內(nèi)工作以吸收內(nèi)部電路所不需要的額外電流，使得內(nèi)部電路及補(bǔ)充負(fù)載晶體管所需的總電流大體恒定在一由補(bǔ)充負(fù)載晶體管于飽和下作最大導(dǎo)通時(shí)限定的極限值上。


圖1所示為一具有一根據(jù)本發(fā)明的接口電路的集成電路的方框圖。
圖2所示為本發(fā)明的一示范性且其輸入與一電流引腳耦合而其輸出則與其所結(jié)合的片上電路的其余部分耦合的電源接口電路的電路示意圖。
具體實(shí)施例方式
參照?qǐng)D1，所示為一使用一根據(jù)本發(fā)明的接口電路7的集成電路3。該接口電路7設(shè)置在該集成電路的一電源(PS)引腳5和一內(nèi)部電路9之間。該內(nèi)部電路9的典型特征為具有一取決于工作狀況的可變電流負(fù)載，諸如該內(nèi)部電路9正作用于內(nèi)部數(shù)據(jù)。該內(nèi)部電路9可以包括例如內(nèi)嵌存儲(chǔ)器。于是，電流負(fù)載中的與數(shù)據(jù)相關(guān)的變化可來自該些對(duì)該存儲(chǔ)器進(jìn)行存取以作讀出或編程的操作，在保密的裝置中，負(fù)載變化不應(yīng)在電源引腳5處顯而易見。本發(fā)明的接口電路7確保集成電路通過電源引腳5汲取的電流大體不變，而不管內(nèi)部電路9的任何負(fù)載變化。
參照?qǐng)D2，所示為一根據(jù)本發(fā)明的接口電路的示范性實(shí)施例。該接口電路的一輸入線11與一在一輸入電壓VIN的電源線耦合并且汲取一限定為大體恒定的電源電流ISUPPLY，其一般不超過大約1mA。該接口電路在一與片上電路的其余部分耦合的輸出線13上提供一電源電壓VOUT，該片上電路可以為一具有打算維持保密的嵌入式內(nèi)部數(shù)據(jù)的保密數(shù)據(jù)電路。根據(jù)工作狀況，該片上電路可以從線13汲取變量的電流ILOAD。如果該可變的電流負(fù)載ILOAD無論怎樣都會(huì)與數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)，那么很重要的是，該負(fù)載的變化不可在該電源引腳處顯現(xiàn)，，因其可被分析來揭示與該內(nèi)部機(jī)密數(shù)據(jù)有關(guān)的信息。該接口電路具有三個(gè)主要部分或級(jí)100，200和300。
一基準(zhǔn)電流級(jí)100包括一提供一工作電流基準(zhǔn)IREF的恒定電流源20以及一對(duì)用于接收該基準(zhǔn)電流IREF的電流鏡器件M1和M2。這里可使用任何已知及用于集成電路的恒定電流源20。其可與一相同的或不同的電源引腳耦合并從之汲取恒定的電流，通常約為10uA左右。電流鏡器件M1和M2的導(dǎo)電路徑在電流源20和接地之間串聯(lián)，而器件M1和M2的柵極皆與電流源20和器件M1的漏極耦合。
一電壓檢測(cè)器級(jí)200包括一具有一第一電阻器R1和晶體管M3，M4及M5的左分支，它們?cè)诮涌陔娐返妮斎刖€11和接地之間串聯(lián)耦合并且傳送一第一電流I1。該電壓檢測(cè)器級(jí)200還包括一具有一第二電阻器R2和晶體管M6，M7及M8的右分支，它們?cè)诮涌陔娐返妮斎刖€11和接地之間串聯(lián)耦合，并在M6和接地之間傳送一第二電流I2。電阻器R1和R2的典型阻抗比R1/R2可在10及約100之間。低的輸出阻抗R2預(yù)定為使接口電路的輸入線11和輸出線13之間的電壓降最小化。檢測(cè)晶體管M3和M6都是P溝道器件，它們的柵極與第一分支中的晶體管M3的漏極在器件M3和M4之間耦合。N溝道晶體管M1，M2，M4，M5，M7及M8的柵極都連在一起。晶體管M1，M4，M7的閾值電壓比相應(yīng)的晶體管M2，M5及M8的低。(晶體管M1，M4及M7并非強(qiáng)制使用，但其可使結(jié)果作二級(jí)改進(jìn)。)流過晶體管M4，M5，M7及M8的電流I1和I2反映了該基準(zhǔn)電流IREF。該電壓檢測(cè)器級(jí)200在其第二分支的電阻器R2和晶體管M6之間與接口電路的輸出線13耦合。該電壓檢測(cè)器級(jí)200在一設(shè)置于晶體管M6及M7之間的級(jí)輸出線15處產(chǎn)生一檢測(cè)電壓VSENSE。正如將在下面詳述那樣，當(dāng)該內(nèi)部電路所汲取的負(fù)載電流比較小時(shí)，由級(jí)200產(chǎn)生的檢測(cè)電壓VSENSE將處于一相對(duì)較高的電位，而當(dāng)負(fù)載電流較大時(shí)，則該檢測(cè)電壓將處于一相對(duì)較低的電位。
該接口電路的第三級(jí)300為一由電壓檢測(cè)器級(jí)200控制的補(bǔ)充負(fù)載。該第三級(jí)300包括一在接口電路的輸出線13和接地之間的n溝道晶體管M9，其柵極與第二級(jí)200的輸出線15耦合以接收該檢測(cè)電壓VSENSE。晶體管M9使一可變的電流IXS傳導(dǎo)。該可變的電流IXS取決于該檢測(cè)電壓VSENSE。該補(bǔ)充的電流IXS可平衡該負(fù)載電流ILOAD，以致于該兩個(gè)電流的和可保持恒定。
接口電流的操作可通過一分析來理解，此分析顯示該內(nèi)部電路通過輸出線13汲取的負(fù)載電流ILOAD是怎樣在大體上對(duì)在輸入線11處的流經(jīng)該電源引腳的電源電流ISUPPLY全無影響。為便于分析，可假定P溝道晶體管M3及M6，n溝道晶體管M2，M5，M8，以及(可選用的)低閾值晶體管M1，M4及M7皆完全匹配。制造時(shí)產(chǎn)生的輕微失配是容許的。還可假定晶體管M1至晶體管M8都是飽和的。然而，為了獲得最佳的結(jié)果，晶體管M9應(yīng)該在其線性區(qū)域工作并且不應(yīng)該飽和，除非ILOAD等于或接近于該工作中的通過接口電路汲取功率的內(nèi)部電路的最低的有效電流需量。在電阻器R1及P溝道晶體管M3之間的左分支中的電位指定為VOUTREF，在電阻器R2及P溝道晶體管M6之間的右分支中的相應(yīng)電位為在接口電路的輸出線13上的電位VOUT。接口電路的電源輸入線11上的電位指定為VIN。晶體管M1，M2，M4，M5，M7及M8的柵極上的電位指定為VDC1，并把晶體管M3及M6的柵極上的電位指定為VDC2。
接口電路的輸入線11上提供的電源電流ISUPPLY可分成I1，I2，IXS以及ILOAD(還有IREF，假如電流源20是自同一電源引腳汲取功率)以作為電流路徑分支。然而，I1和I2(以及IREF)都是恒定的，所以，電源電流ISUPPLY中的任何變動(dòng)都取決于IXS和ILOAD。匹配晶體管M1，M2，M4，M5，M7及M8的共柵聯(lián)接處于電位VDC1意味著通過電壓檢測(cè)器級(jí)200的左和右分支的電流I1和I2可反映由基準(zhǔn)電流級(jí)100產(chǎn)生的基準(zhǔn)電流IREF，即I1＝I2＝IREF。
因?yàn)镻溝道晶體管M3和M6是匹配的，并且其柵極連接一共同電位VDC2上以及因?yàn)樵趦煞种е蠭1＝I2，所以電路中的負(fù)反饋可確保VOUT≈VOUTREF。如果VOUT上升到VOUTREF以上，則晶體管M6的源-柵極電壓將超過晶體管M3的源-柵極電壓。于是VSENSE將相對(duì)于VDC2上升，這會(huì)增加流經(jīng)晶體管M9的IXS，其反過來會(huì)降低VOUT，從而維持其大體相等于VOUTREF。同樣，如果VOUT下跌到VOUTREF之下，則晶體管M3的源-柵極電壓將超過晶體管M6的源-柵極電壓。于是，VSENSE相對(duì)于VDC2下降，這將減小IXS，其反過來會(huì)提高VOUT直到其再次大體相等于VOUTREF為止。
電源電流ISUPPLY分成電壓檢測(cè)器級(jí)的左和右分支ISUPPLY＝I1+(VIN-VOUT)/R2，其中R2是接口電路的由電阻器R2提供的輸出阻抗。由于VOUT≈VOUTREF，ISUPPLY≈I1+(VIN-VOUTREF)/R2，將基爾霍夫電壓定律應(yīng)用于電壓檢測(cè)器級(jí)的左分支VOUREF＝VIN-(I1×R1)，因此，ISUPPLY≈I1+(I1×R1)/R2，≈I1×(1+R1/R2)由于I1＝IREF，結(jié)果ISUPPLY≈IREF×(1+R1/R2)。
因此，忽略溝道長(zhǎng)度調(diào)制及其它的可由低閾值晶體管M1，M4及M7補(bǔ)償?shù)亩?jí)效應(yīng)，電源電流ISUPPLY與負(fù)載電流ILOAD無關(guān)。這是準(zhǔn)確的，只要(a)選擇基準(zhǔn)電流IREF和電阻器R1及R2之比以使該等式的右半邊等于或超過該內(nèi)部電路通過所述接口電路汲取的最大負(fù)載電流ILOAD；以及(b)使用一較大的補(bǔ)充負(fù)載晶體管M9，其大得足以吸收所必需的電流IXS而不致飽和。
例如，如果選擇IREF＝8μA，阻抗比R1/R2＝49，則ISUPPLY＝400μA，其中，16μA將用于該電壓探測(cè)器級(jí)中的I1和I2，其余的電流將會(huì)供該內(nèi)部電路使用，任何不使用的電源電流將通過補(bǔ)充負(fù)載晶體管M9流入接地?；蛘?，如果需要一1mA的電源電流，可使用一為50μA的基準(zhǔn)電流與一為R1/R2＝19的阻抗比。又或者，可使用一較小的20μA的基準(zhǔn)電流與一較大的阻抗比R1/R2＝49，以讓較多的電源電流可供該內(nèi)部電路使用。1mA電源電流的例子假定一集成的晶體管M9可以吸收未使用的電流而不致飽和。然而，即使該補(bǔ)充負(fù)載晶體管M9僅僅只吸收部分未使用的電流，并從而使芯片的電源引腳偶爾出現(xiàn)電流變化時(shí)，其仍可以去除一足夠大部分的數(shù)據(jù)相關(guān)性以阻撓對(duì)機(jī)密的內(nèi)部數(shù)據(jù)的功率分析攻擊。
本發(fā)明的接口電路只使用了一相對(duì)較少數(shù)量的電路元件，因此其片上的物理尺寸較小以及整合的成本不高。由于檢測(cè)依賴于大體與輸入電壓無關(guān)的反映的電流，所述接口電路的性能不會(huì)因可在接口電路的輸入端看到的電源電壓變化而降低。所述接口電路可以通過恰當(dāng)?shù)剡x擇一基準(zhǔn)電流及阻抗比R1/R2來設(shè)計(jì)以便只耗用最小量的額外電源來補(bǔ)償內(nèi)部負(fù)載中的變化。同樣，在產(chǎn)生的電源電流中的小片電路與小片的加工偏差可控制在一可接受的范圍之內(nèi)，并且其一般只會(huì)影響總電流的使用，而不會(huì)影響接口電路提供的內(nèi)部負(fù)載隔離功能。所述接口電路對(duì)負(fù)載的變化反應(yīng)極快，因?yàn)樗鼋涌陔娐芬砸恢恢苯由婕暗絻蓚€(gè)晶體管M4及M9的反饋結(jié)構(gòu)在接口電路的輸出端來檢測(cè)電流需量和補(bǔ)償其變化。電阻器R2的低輸出阻抗意味著該在接口電路的輸入線11處的電源引腳至到接口電路的通向所述內(nèi)部電路的輸出線13之間的電壓降會(huì)相對(duì)較小。
權(quán)利要求
1.一種適用于一電源引腳和一具有可變負(fù)載的內(nèi)部電路之間的接口電路，所述接口電路在所述電源引腳提供一大體與負(fù)載無關(guān)的電流需量，所述接口電路包括檢測(cè)部件，其分別以一接口輸入和一接口輸出與所述電源引腳和所述內(nèi)部電路耦合，以檢測(cè)所述內(nèi)部電路的一電流負(fù)載及產(chǎn)生一與所述電流負(fù)載對(duì)應(yīng)的控制電壓；以及電流吸收部件，其響應(yīng)于所述控制電壓，以吸收與所述內(nèi)部電路的所述電流負(fù)載成反比關(guān)系的額外的電流，以致于所述內(nèi)部電路及所述電流吸收部件的總的電流需量至少大體不變直到所述電流吸收部件飽和。
2.如權(quán)利要求1所述的接口電路，其特征在于進(jìn)一步包括基準(zhǔn)電流部件以產(chǎn)生一用于所述檢測(cè)部件的恒定的基準(zhǔn)電流。
3.如權(quán)利要求2所述的接口電路，其特征在于，所述基準(zhǔn)電流部件和所述檢測(cè)部件都具有電流鏡器件，所述電流鏡器件的柵極耦合在一起，以致于一與所述基準(zhǔn)電流對(duì)應(yīng)的恒定電流在所述檢測(cè)部件中的一電流路徑內(nèi)產(chǎn)生。
4.如權(quán)利要求1所述的接口電路，其特征在于，所述檢測(cè)部件包括在所述接口輸入和接地之間并聯(lián)的第一分支和第二分支，每一分支具有一電阻器，一檢測(cè)晶體管和一電流鏡器件，在所述第一分支和第二分支中的所述電流鏡器件在所述第一分支和第二分支中產(chǎn)生流經(jīng)所述電流鏡器件的相應(yīng)的電流，在所述第一分支和第二分支中的所述檢測(cè)器晶體管具有一在所述第一分支的所述檢測(cè)晶體管和所述電流鏡器件之間的共柵聯(lián)接，所述第一分支的所述電阻器提供的電阻比所述第二分支的所述電阻器的大得多，所述接口輸出在所述第二分支的所述電阻器和所述檢測(cè)晶體管之間耦合以致于流經(jīng)所述第二分支的所述電阻器的電流提供所述內(nèi)部電路的所述電流負(fù)載的一呈一電壓降的形式的測(cè)量，所述電壓降限定為一在所述第二分支的所述檢測(cè)晶體管和所述電流鏡器件之間輸出的控制電壓。
5.如權(quán)利要求1所述的接口電路，其特征在于，用于吸收額外的電流的所述電流吸收部件包括一連接在所述接口輸出和地之間的晶體管，所述晶體管具有一耦合成接收自所述檢測(cè)部件的所述控制電壓的柵極，所述晶體管于不飽和下在晶體管的一工作特性曲線中的一大體線性區(qū)域內(nèi)工作。
6.一種在盡管一集成電路的一內(nèi)部電路具有一可變的負(fù)載下仍可在所述集成電路的一電源引腳上提供一與所述負(fù)載大體無關(guān)的電流需量的方法，所述方法包括以下步驟通過一設(shè)置在所述電源引腳和所述內(nèi)部電路之間的接口電路來檢測(cè)所述內(nèi)部電路的一電流負(fù)載并產(chǎn)生一與檢測(cè)到的電流負(fù)載對(duì)應(yīng)的控制電壓；以及通過所述接口電路的一響應(yīng)于所述控制電壓的補(bǔ)充負(fù)載部件來吸收與所述內(nèi)部電路的所述電流負(fù)載成反比關(guān)系的額外的電流，以致于所述內(nèi)部電路及所述補(bǔ)充負(fù)載部件的總的電流需量至少大體不變直到所述補(bǔ)充負(fù)載部件飽和。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，檢測(cè)所述電流負(fù)載及產(chǎn)生所述對(duì)應(yīng)的控制電壓的步驟包括提供一自一與所述電源引腳耦合的接口輸入跨越到所述接口電路的一與所述內(nèi)部電路耦合的輸出阻抗的電壓降，跨越所述輸出阻抗的電壓降可相對(duì)于一恒定基準(zhǔn)電流的跨越一比例電阻器的一電壓降來參照。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述電壓降的參照通過所述接口電路的一負(fù)載檢測(cè)級(jí)來實(shí)行，所述負(fù)載檢測(cè)級(jí)包括在所述接口輸入和接地之間并聯(lián)的第一和第二分支，每一分支具有一電阻器，一檢測(cè)晶體管及電流鏡器件，所述電流鏡器件在所述第一分支和第二分支中產(chǎn)生流經(jīng)所述電流鏡器件的相應(yīng)的電流，所述檢測(cè)晶體管具有一在所述第一分支的所述檢測(cè)晶體管和所述電流鏡器件之間的共柵聯(lián)接，作為所述比例電阻器的所述第一分支的所述電阻器的電阻比所述第二分支的電阻器的大得多，所述第二分支的電阻器作為所述輸出阻抗，而一接口輸出耦合在所述第二分支的所述電阻器和所述檢測(cè)晶體管之間，其中跨越所述輸出阻抗的所述電壓降限定為在所述第二分支的所述檢測(cè)晶體管和所述電流鏡器件之間的所述控制電壓。
9.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，吸收所述額外的電流的所述補(bǔ)充負(fù)載部件為一在一與所述內(nèi)部電路耦合的接口輸出和接地之間連接的晶體管，所述晶體管具有一耦合成接收所述控制電壓的柵極，所述晶體管于不飽和下在晶體管的一工作特性曲線中的一大體線性區(qū)域內(nèi)工作。
全文摘要
一種設(shè)置于芯片的電源引腳(15)和芯片的內(nèi)部電路(9)之間的片上接口電路(7；圖2)，其檢測(cè)內(nèi)部電路的電流負(fù)載(I
文檔編號(hào)G05F3/26GK1965277SQ200580018306
公開日2007年5月16日 申請(qǐng)日期2005年3月8日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月6日
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