用於睡眠模式的供電電路的製作方法

2023-05-07 20:04:41

專利名稱：用於睡眠模式的供電電路的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種供電電路和一種用於為集成電路的電路區域供電的方法，尤其是 一種用於在電路區域的上電階段提供電壓的供電電路。
背景技術：
為了降低集成電路的功耗，倡導允許集成電路的某些區域在空閒時斷電。這通常 被稱為睡眠模式，包括使電路的這些區域與集成電路的供電電壓斷開。為集成電路的電路區域提供睡眠方式隨之而來的一個問題在於，對於睡眠時段之 後的上電期間的一個較短時段來說，流過該電路區域的電流會變得很高，導致常常稱為IR 壓降的供電電壓壓降。由於其會影響到諸如存儲設備之類的集成電路的其它區域，因而供 電電壓的這種下降是不希望有的。有時，供電電壓壓降會導致部分電路的功能喪失。

發明內容
本發明的實施例的一個目的在於至少部分地解決現有技術中的一個或多個問題。根據本發明的一個方面，提供一種用於控制集成電路的電路區域的睡眠時段結束 時的上電階段的供電電路，該供電電路包括第一和第二開關，其耦合於電路區域的供電節 點和供電導軌之間，該供電導軌被耦合以便從電源單元接收供電電壓；比較器，用於基於該 供電節點處的電壓與基準電壓之間的比較而提供輸出；以及控制電路，耦合於第一開關和 第二開關的控制端，且用於在上電階段開始時激活第一開關，以及一旦比較器的輸出端指 示該供電節點處的電壓大於基準電壓就激活第二開關。根據一個實施例，基準電壓產生於供電電壓。根據另一個實施例，供電電路進一步包括一元件，例如二極體，其耦合在所述供電 電壓和所述比較器之間用於提供所述基準電壓。根據另一個實施例，所述第一開關由第一控制信號激活，所述比較器也由所述第 一控制信號激活。根據另一個實施例，供應電路更進一步包括動作控制單元，其用於向所述控制電 路產生斷電信號，指示何時開始睡眠時段以及何時結束睡眠時段。根據另一個實施例，當比較器的輸出表明供電節點處的電壓大於基準電壓時，控 制電路用於向所述動作控制單元產生確認信號。根據另一個實施例，除了該電路區域之外，動作控制單元耦合於至少另一個電路 區域以便控制所述至少另一個電路區域的睡眠時段的開始和結束。根據另一個實施例，動作控制單元耦合 於所述電源單元，用於指示所述電源單元 任何所述電路區域何時已經開始或者即將結束睡眠時段。根據另一個實施例，供應電路更進一步包括第三開關，其耦合在該電路區域的供 電導軌與供電節點之間；另一個比較器，其基於該供電節點處的電壓與另一個基準電壓之 間的比較而向控制電路提供輸出。
根據本發明的另一個方面，提供一種電子設備，包括包括多個電路區域的集成電 路；電源單元；以及用於控制該多個電路區域的睡眠時段的上述供電電路。根據本發明的另一個方面，提供一種用於控制集成電路的電路區域的睡眠時段結 束時上電時段的方法，該供電電路包括第一和第二開關，其耦合於電路區域的供電節點和 供電導軌之間，該供電導軌被耦合以便從電源單元接收供電電壓，其中在睡眠時段期間第 一和第二開關停用，該方法包括在上電階段開始時由控制電路激活第一開關而不是第二 開關；由比較器將供電節點處的電壓與基準電壓相比較；以及當供電節點處的電壓大於基 準電壓時激活第二開關。根據一個實施例，該方法更進一步包括，在激活第一開關之前，由動作控制單元產 生上電信號，其表明睡眠時段即將結束；以及當供電節點處的電壓大於基準電壓時，由控制 電路向動作控制單元提供確認信號。 根據另一個實施例，該方法更進一步包括，在產生上電信號的步驟之前，向電源單 元產生一報警信號，其用於指示電路區域的睡眠時段即將結束。根據另一個實施例，該方法更進一步包括如果供電節點處的電壓低於基準電壓， 則由控制電路產生報警信號，同時激活第二開關。


以例示而非限制的方式，參考附圖，根據實施例的以下詳細說明，本發明的上述及 其他目的、特點、觀點及優點將變得很明顯。圖1舉例說明了根據本發明的實施例的集成電路；圖2舉例說明了圖1的集成電路的時序信號；圖3更詳細地舉例說明了根據本發明的實施例的圖1的集成電路的一個小島 (islet)；圖4舉例說明了根據本發明的實施例的圖3的小島的時序信號；圖5更詳細地舉例說明了根據本發明的另一個實施例的圖1的集成電路的小島； 以及圖6舉例說明了根據本發明的實施例的圖5的小島的時序信號；
具體實施例方式圖1舉例說明了集成電路(IC) 100，其例如是片上系統(SoC)。IC 100可以是諸如 個人計算機、可攜式計算機、機頂盒之類的電子設備的一部分，或者是諸如行動電話、數字 照相機、可攜式遊戲機、全球定位設備之類的可攜式設備的一部分，等等。IC 100包括小島102 (ISLETl)和小島104 (ISLET2)。雖然僅僅描述了兩個小島， 但是也可以提供更大數目的小島。小島是執行一個或多個功能的集成電路的區域，其對應 於出於供電目的可彼此獨立地對待的電路區域。尤其是，小島不必須涉及集成電路的物理 上獨立的區域，而是在睡眠模式期間斷電的電路，而此時集成電路的其它部分繼續運行。因 而小島可定義為具有單獨的電源，以及提供給它以便激活或停用它的單獨的觸發信號。通 常，小島包括可在電源變化期間絕緣的輸出端，所述電源變化諸如當進入睡眠模式時、睡眠 模式期間和/或睡眠模式結束時。這是因為此時小島的輸出狀態是不確定的，以及使輸出端絕緣可避免無效狀態傳播到其它邏輯電路。IC 100包括動作控制單元(ACU) 106，其耦合於每一個小島102和104。ACU106還 耦合於電源單元(PSU) 108，其經由供電導軌110向小島102和104提供DC供電電壓VDD。 PSU 108例如包括全部或部分地集成在晶片上的直流-直流變換器。A⑶106在線112上向小島102提供斷電控制信號PWD1，在線114上從小島102 中接收確認信號ISLET1_ACK。採用類似的方式，A⑶106在線116上向小島104提供斷電 信號PWD2，在線118上從小島104中接收確認信號ISLET2_ACK。ACU 106還分別在相應的線120和122上向PSU 108提供與小島102和小島104 有關的睡眠模式信號SMl和SM2。PSU 108分別在線124和126上將相應的確認信號SM1_ ACK 禾口 SM2_ACK 提供回 ACU 106。現在參考圖2的時序圖來描述圖1的集成電路100的電路操作。 圖2的時序圖顯示了與圖1的小島102有關的時序信號PWD1、ISLET1_ACK、SM1和 SM1_ACK的例子。時序信號的類似順序可用於激活或停用圖1的電路的其它小島。當小島102帶電時，斷電信號PWDl例如為低，並正常操作。當希望小島102斷電 時，要求信號PWDl為高，如圖2的沿202所示。小島102內的控制電路(圖1未示出)通 過使小島102與供電導軌VDD斷開從而進行響應。一旦結束，就在線114上提供確認信號， 例如通過狀態變換來表示，如下降沿204所示。當ACU 106收到確認信號ISLET1_ACK時，ACU 106在線120上向PSU 108聲明該 睡眠模式信號SM1，如由圖2中的上升沿206所示。這個信號向PSU 108表明小島102已經 進入了睡眠模式。作為響應，PSU 108例如使其供電電路適應於該已更新的要求。尤其是， 由於小島102降低了消耗的關係，可以停用一部分PSU 108以節省電力。PSU 108通過提供確認信號SM1_ACK來確認小島102的睡眠模式，在圖2的例子中 用這個信號的下降沿208表示。在睡眠模式結束時，當重新激活小島102時，A⑶106首先使睡眠模式信號SMl降 低，如圖2中由沿212所示。這會向PSU 108預警即將再次對小島102供電，以及PSU 108 例如通過激活附加電路來進行響應以符合小島102的預期額外功率的需求。然後PSU 108 通過聲明確認信號SM1_ACK來確認小島102的睡眠模式的預定結束，如圖2中由上升沿212 所示。然後A⑶106使對小島102的斷電信號PWDl降低，如由下降沿214所表示的，指 示小島102它即將被重新激活。小島102中的控制電路通過使小島重新連接供電導軌VDD 來進行響應，然後一旦小島102中的功能電路再次正常運行，則在線114上聲明該確認信號 ISLET1_ACK，如由上升沿216所示。圖3更詳細地舉例說明了根據一個例子的小島102。小島102包括電路302，表示 用於執行功能的小島的功能電路，諸如邏輯功能、記憶功能或能夠在睡眠模式期間斷電的 其它功能。電路302包括輸入端303，其例如耦合於集成電路的其它小島或電路。電路302 還包括輸出端304，其例如經由絕緣單元305耦合到集成電路的其它小島或電路。絕緣單 元305在睡眠模式期間和在小島的上電或斷電期間使輸出端304絕緣，以避免無效數據信 號傳播到其它電路。小島102還包括功率保持控制器(PRC) 306，其在線112上從A⑶106中接收斷電信號PWDl並且在線114上向A⑶106提供確認信號ISLET1_ACK。PRC 306產生功率控制 信號PCl和PC2。信號PCl耦合於P溝道MOS電晶體307的柵極端子，而信號PC2耦合於P 溝道MOS電晶體308的柵極端子。電晶體307和308耦合在供電導軌和中間電壓節點310 之間。中間電壓節點310耦合於供電電路302，並向這個電路提供供電導軌。儘管圖3中沒 有示出，供電導軌309耦合於圖1的電源單元108以接收例如1.8V的供電電壓VDD。供電 節點310處於電壓電平VDD_INT，其例如VDD或很接近於此同時電路302被供電，以及在睡 眠模式期間其處於低電壓，例如接地。絕緣單元305由信號SA控制，所述信號SA由功率保持控制器306產生，其例如對 應於功率控制信號PCI的反向。比較器312包括耦合於供電節點310以接收電壓VDD_INT的一個輸入端，和耦合 於線314以接收基準電壓VREF的另一個輸入端。電壓VREF例如稍低於供電電壓VDD，且由 耦合於供電導軌309的二極體316供電。基準電壓例如在供電電壓VDD的75%到99%之 間。比較器312的輸出信號CTRL在線317上被提供給PRC 306。

現在參考圖4的時序圖來描述圖3的電路的電路操作。圖4的時序圖顯示了小島102的時序信號PWD1、PCU PC2、VDD_INT、CTRL禾口 ISLET1_ACK的例子。類似的信號例如也用於小島104中。如前面所述，當要進入睡眠模式時，A⑶106聲明斷電信號PWD1。這在圖4中由沿 402表示。PRC 306通過聲明信號PCl和PC2來進行響應，在圖4中如沿404和406所示。 這樣使電晶體307和308斷路，把供電節點310從供電導軌309上斷開，並與電路302斷開 電力。因而，如圖4由下降沿408所示，節點310處的電壓VDD_INT從VDD降到0V。因而比 較器312的輸出端(標註CTRL)之後不久就變為低，如下降沿410所示，作為響應PRC模塊 306通過使這個信號變為低態而產生並發送確認信號ISLET1_ACK，如由沿412所示。當在睡眠模式的末尾要對小島102上電時，信號PWDl再次由A⑶106變為低，如 由下降沿414所示。作為響應，PRC 306將信號PCl變為低態，如下降沿416所例示的，但 是最初就使信號PC2處於高態。這會導致電晶體307使供電導軌309耦合於節點310，同 時電晶體308保持不導電。電晶體307可比電晶體308更小，例如，其寬度處於電晶體308 的幅寬的十分之一到四分之一之間。因而，僅允許有限電流(limited current)從供電導 軌309流向電路302。這防止了可能會導致電路其餘部分中供電電壓VDD的壓降的電流尖 峰 (current spikes)。相對較慢地，節點310處的電壓VDD_INT向著供電電壓電平VDD增大，如圖4中由 上升沿418所示。在某個時期之後，電壓VDD_INT到達VDD，或很接近於VDD，並且比較器312 的輸出CTRL變為高，如圖4中由沿420所示。作為響應，PRC306控制信號PC2變為低，導 通電晶體308。PRC 306還提供確認信號ISLET1_ACK，如上升沿424所例示的，以通知A⑶ 106小島102的上電已結束。當兩個電晶體307和308都被激活以把供電導軌309和供電節點310耦合在一起 時，最好在供電導軌309和節點310之間僅存在較小的阻抗，對於大部分負載電流來說在這 些電晶體兩端產生微不足道的電壓降。當供電導軌處於VDD時並且小島102進入睡眠模式時，PRC模塊306例如直接耦 合於供電導軌309，並且因而被永久供電。比較器312例如還耦合於供電導軌，但是被控制成僅在PCl被聲明為低時為激活狀態。因而，如圖3所示，它例如接收信號PCl的反相作為 激活信號。一旦PC2被聲明為低，以致電晶體308導電，就停用比較器312。然而，在一些實 施例中，比較器312繼續運行，並且用來在節點310處的電壓低於基準電壓VREF的情況下 提供報警信號。這表明例如電路302引導了太多的電流，也許是由於故障的原因。將這種 報警信號提供給ACU106或者集成電路的其它電路。圖5舉例說明了根據替換實施例的小島102。與圖3的小島中那些特徵相同的特 徵被標註為類似的參考標號，不會再次詳細描述。圖5的小島102中，除了電晶體307和308之外，提供了另外三個電晶體502、504 和506，其與電晶體307和308並聯在供電導軌309和節點310之間。電晶體502到506分 別在其控制端從PRC 306中接收功率控制信號PC3到PC5。而且，除了比較器312之外，還提 供了比較器508、510和512。每一個比較器312和508到512在正極輸入端處接收相應的 基準電壓VREFA、VREFB, VREFC和VREFD。電壓VREFA由二極體316來提供，而電壓VREFB、 VREFC和VREFD由相應的二極體514、516和518來提供，每個二極體的陽極耦合於供電電 壓導軌309，每個都具有不同的尺寸以便基準電壓彼此略有偏差。在這個例子中，基準電壓 VREFA是最低的，VREFD是最高的，例如該值為VREFA =供電電壓VDD的60%，VREFB =供電 電壓VDD的70 %，VREFC =供電電壓VDD的80 %以及VREFD =供電電壓VDD的90 %。每個 比較器312、508、510、512的負極輸入端耦合於電壓節點310以接收電壓VDD_INT。比較器 312和508到512的輸出端分別在反饋線上向I3RC 306提供控制電壓CTRLA到CTRLD。PRC 306選擇性地包括耦合於圖1的A⑶106的控制輸入端CMD。現在參考圖6的時序圖來描述圖5的小島102的操作的一個例子。圖6的時序圖描述了信號PWDl、PC1和VDD_INT的一個例子，這些信號與圖4的那 些相同，還描述了圖5的小島102的信號PCA到PC2D、CTRLA到CTRLD和ISLET1_ACK。類 似信號例如可用於小島104。當斷電信號PWDl變高時，功率控制信號PCl到PC5同時達到高，斷開全部電晶體 307、308和502到506，藉此斷開電路302。這隨後使得電壓VDD_INT下降，以及每個控制信 號CTRLA到CTRLD都變低。作為響應，由PRC 306通過使信號ISLET1_ACK變低而聲明確認 信號，這表明已經結束了斷電。當斷電信號PWDl再次變低時，表明小島102將要上電，最初例如僅將PCl變低，激 活電晶體307以及觸發節點310處的電壓VDD_INT上升。當達到了由VREFA確定的閾值 時，控制信號CTRLA變高，觸發功率控制信號PC2變低，並激活電晶體308。然後，當達到了 由VREFB確定的閾值時，控制信號CRTLB變高，觸發功率控制信號PC3變低，並激活電晶體 502。當達到了控制信號CTRLC和CTRLD的相應閾值時，控制信號CTRLC和CTRLD相繼地上 升，例如觸發功率控制信號PC4和PC5下降，並激活所有電晶體。一旦控制信號CTRLD變高， 則由PRC 306通過使ISLET1_ACK變高來聲明確認信號，表明已經完成上電。在替換實施例中，當斷電信號PWDl變低時，可根據一個或多個控制信號CTRLA到CTRLD以其它組合來激活PC信號PCl到PC5。例如，信號PCl和PC2最初一起變低，以及一 旦達到了由VREFB確定的閾值就把信號PC3到PC5變低。根據另一個替換，最初信號PCl 變低，以及一旦達到了由VREFD確定的閾值就把其餘的信號PC2到PC5變低。作為再一個 替換，最初信號PCl和PC2變低，然後一旦達到了由VREFA確定的閾值，就把信號PC3和PC4變低，然後一旦達到了由VREFB確定的閾值就把信號PC5變低。通常，電壓VDD_INT的上升時間與上電期間使用的功率成反比。換句話說，上升時 間越快，峰值電流越高。在一些實施例中，由A⑶106根據可用的功率資源經由到PRC 306 的CMD輸入端來控制基於一個或多個信號CTRLA到CTRLD的PCl到PC5的激活順序。例如， 如果A⑶106確定ISLET 104處於睡眠模式，則它允許ISLET 102快速上電，例如通過最初 使信號PCI、PC2和信號PC3為低、然後當達到了由CTRLA確定的閾值時使信號PC4和PC4 變為低。換句話說，如果例如ACU 106確定了 ISLET 102和104都要同時被上電，則ISLET 102使用相對較慢的上升時間，例如僅在最初使信號PCl變低，然後一旦達到了由VREFD確 定的閾值就僅把信號PC5變低。在一些實施例中，如果功率資源使用變化，則ACU 106可部 分地通過上電來改變PCl到PC5的信號激活順序。電晶體308、502、504、506例如具有相同的尺寸，或者替換地這些電晶體可具有不 同尺寸，例如不同寬度，以便可以通過激活這些電晶體的不同組合來更精確地控制在不同 的上電級時被激活電晶體的跨導(transconductance)。此處描述的電路的優點在於，其中所述電路包括用於為小島供電的兩個獨立激活 的電晶體，可選擇該電晶體使其具有較小的尺寸以限制該小島上電時的電流，同時選擇另 一個電晶體使其具有較大的尺寸以降低在為小島供電期間供電導軌與該小島之 間的阻抗。 此外，通過提供比較器以監測到該小島的供電節點的電壓，可在小島穩定時瞬間激活第二 電晶體，藉此防止第二電晶體太早被激活、也不會不必要地太遲被激活。太早激活第二晶體 管會導致電流尖峰，導致VDD下降。不必要地延遲激活第二電晶體會導致激活模式期間理 想導電性較少。因而，描述了本發明至少一個說明性實施例，所屬領域技術人員將很容易想到各 種改變、修改和改進。例如，雖然此處所描述的實施例中由耦合於供電導軌的二極體提供基準電壓，但 是在替換實施例中可由諸如分壓器之類的替換電路來提供。而且，對所屬領域技術人員顯而易見的是，可由PRC 306在一個或多個比較器316 或316A到316D的輸出端變高與由相應的功率控制信號PC2或PC2A到PC2D來激活電晶體 之間引入一個短延遲。而且，功率控制信號PC2或PC2A中任一個的延遲方案都能夠用於激 活與電晶體307、308和308A到308D並聯耦合的附加電晶體。而且，雖然已經描述了在供電導軌與小島的供電節點之間採用了兩個電晶體307 和308，但是對所屬領域技術人員來說顯而易見的是這些電晶體中任一個均可由並聯耦合 的多個電晶體來構成、由相同的信號(PCl或PC2)來控制。而且，在替換實施例中，這些晶 體管，其在圖中被顯示為P溝道MOS電晶體，也可被實現為N溝道MOS電晶體或者其它類型 的開關。控制信號PCl和PC2可由此被改變，以便例如在處於高態而非低態時激活該開關。雖然將PSU描述為包括直流_直流變換器，但在替換實施例中，該PSU也可以是交 流_直流變換器、一個或多個電池組或替換電源。
權利要求
一種用於控制集成電路(100)的電路區域(302)的睡眠時段結束時的上電階段的供電電路，該供電電路包括第一和第二開關(307，308)，其耦合於電路區域的供電節點(310)和供電導軌(309)之間，該供電導軌被耦合以便從電源單元(108)接收供電電壓(VDD)；比較器(312)，其用於基於該供電節點處的電壓(VDD_INT)與基準電壓(VREF)之間的比較而提供輸出(317)；以及控制電路(306)，其耦合於第一開關和第二開關的控制端，且用於在上電階段開始時激活第一開關，以及一旦比較器的輸出端指示該供電節點處的電壓大於基準電壓就激活第二開關。
2.根據權利要求1所述的供電電路，其中基準電壓產生於供電電壓。
3.根據權利要求2所述的供電電路，進一步包括耦合在所述供電電壓和所述比較器之 間的元件(316)用於提供所述基準電壓。
4.根據權利要求3所述的供電電路，其中該元件是二極體。
5.根據權利要求1到4中任一個所述的供電電路，其中所述第一開關由第一控制信號 (PCl)激活，所述比較器也由所述第一控制信號激活。
6.根據權利要求1到5中任一個所述的供應電路，更進一步包括動作控制單元(106)， 其用於向所述控制電路產生斷電信號，指示何時開始睡眠時段以及睡眠時段何時結束。
7.根據權利要求6所述的供電電路，其中，當比較器的輸出表明供電節點處的電壓大 於基準電壓時，控制電路用於向所述動作控制單元產生確認信號。
8.根據權利要求6或7所述的供電電路，其中，除了該電路區域之外，所述動作控制單 元耦合於至少另一個電路區域(104)以便控制所述至少另一個電路區域的睡眠時段的開 始和結束。
9.根據權利要求8所述的供電電路，其中，動作控制單元耦合於所述供電單元，用於指 示所述供電單元任何所述電路區域何時已經開始或者即將結束睡眠時段。
10.根據權利要求1到9中任一個所述的供電電路，更進一步包括第三開關(502、504、 506)，其耦合在電路區域的供電導軌(309)與供電節點(310)之間，以及包括另一個比較 器(514到518)，其用於基於供電節點處的電壓(VDD_INT)與另一個基準電壓(VREFB到 VREFD)之間的比較來向控制電路(306)提供輸出(CTRLB到CTRLD)。
11.一種電子設備，包括集成電路，所述集成電路包括多個電路區域(102，104)；供電單元(108)；以及用於控制所述多個電路區域的睡眠時段的根據權利要求1到8中任一個的供電電路。
12.一種用於控制集成電路(100)的電路區域(302)的睡眠時段結束時上電時段的方 法，該集成電路包括第一和第二開關(307，308)，其耦合於電路區域的供電節點(310)和 供電導軌(309)之間，該供電導軌被耦合以便從供電單元(108)接收供電電壓，其中在睡眠 時段期間第一和第二開關停用，該方法包括在上電階段開始時由控制電路(306)激活第一開關而不是第二開關；由比較器(312)將供電節點處的電壓與基準電壓相比較；以及當供電節點處的電壓大於基準電壓時激活第二開關。
13.根據權利要求12所述的方法，更進一步包括在激活第一開關之前，由動作控制單元(106)產生上電信號，該上電信號表明睡眠時 段即將結束；以及當供電節點處的電壓大於基準電壓時，由控制電路向所述動作控制單元提供確認信號。
14.根據權利要求13所述的方法，更進一步包括，在產生上電信號的步驟之前，向供電 單元產生一報警信號，其用於指示電路區域的睡眠時段即將結束。
15.根據權利要求11到14中任一個的方法，更進一步包括如果供電節點處的電壓低於 基準電壓，則由控制電路產生報警信號，同時激活第二開關。
全文摘要
本發明涉及一種用於控制集成電路(100)的電路區域(302)的睡眠時段結束時的上電階段的供電電路，該供電電路包括第一和第二開關(307，308)，其耦合於電路區域的供電節點(310)和供電導軌(309)之間，該供電導軌被耦合以便從電源單元(108)接收供電電壓(VDD)；比較器(312)，其用於基於該供電節點處的電壓(VDD_INT)與基準電壓(VREF)之間的比較而提供輸出(317)；以及控制電路(306)，其耦合於第一開關和第二開關的控制端，且用於在上電階段開始時激活第一開關，以及一旦比較器的輸出端指示該供電節點的電壓大於基準電壓就激活第二開關。
文檔編號G06F1/32GK101847630SQ20101014198
公開日2010年9月29日 申請日期2010年3月23日 優先權日2009年3月24日
發明者塞巴斯蒂安·高伯特, 羅穆爾德·索萊克斯 申請人:道芬綜合公司