電子裝置中的功率閘控的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本技術(shù)涉及電子裝置領(lǐng)域。更具體地，本技術(shù)涉及功率閘控。
【背景技術(shù)】
[0002]功率閘控為在電子裝置中減少泄漏功率的已知技術(shù)?？稍陔娐放c電路的供應(yīng)電壓之間耦接功率閘，以選擇性地將電路耦接至供應(yīng)電壓或使電路與供應(yīng)電壓隔絕，而減少功率消耗。理想地，在功率閘開(kāi)啟而允許電壓被供應(yīng)至電路時(shí)，將有可以說(shuō)是無(wú)限的電流傳輸通過(guò)功率閘，而在功率閘關(guān)閉而使電路與供應(yīng)電壓隔絕時(shí)，傳輸通過(guò)功率閘的電流將為零。功率閘在“開(kāi)啟”狀態(tài)與“關(guān)閉”狀態(tài)中傳輸?shù)碾娏?，在下文被稱(chēng)為“ 1-on”與“ 1-off ”。實(shí)際上，功率閘具有并非無(wú)限的1-on，因?yàn)樵诠β书l上存在一些電壓降(IR drop)，減少了功率閘可供應(yīng)的功率量，并且功率閘具有非零的1-off，使得在電路被關(guān)電時(shí)存在一些泄漏，增加了能量消耗。因此存在設(shè)計(jì)挑戰(zhàn):具有足夠的功率閘以供應(yīng)最差情況下電路所需的工作功率而不造成太多電壓降，并具有盡可能少的功率閘以在關(guān)閉模式中將泄漏最小化。因?yàn)殡娮友b置逐漸變得越來(lái)越小，電子裝置傾向使用較低的電壓，而這使得對(duì)于功率閘控的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)變得困難得多，因?yàn)楫?dāng)在接近臨界或次臨界的電壓下操作時(shí)，1-on趨向于1-off。1-on與1-off之間的比例減少，表示電路效能對(duì)電壓非常敏感，而任何額外的電壓降大大地沖擊電路的效能與能量效率。本技術(shù)尋求解決這些問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]從一個(gè)方面看來(lái)，本技術(shù)提供一種電子裝置，包含:
[0004]被配置成操作在第一電壓域中的電路，所述第一電壓域被供應(yīng)了第一電壓電平與參考電壓電平；
[0005]電壓調(diào)節(jié)器，所述電壓調(diào)節(jié)器被配置成從第二電壓電平產(chǎn)生第一電壓電平，所述第二電壓電平高于所述第一電壓電平；
[0006]至少一個(gè)功率閘，所述至少一個(gè)功率閘被配置成將所述電路選擇性地耦接至所述電壓調(diào)節(jié)器產(chǎn)生的所述第一電壓電平與所述參考電壓電平中的一個(gè)；及
[0007]控制電路，所述控制電路被配置成產(chǎn)生閘控控制信號(hào)，以控制所述至少一個(gè)功率閘是將所述電路耦接至所述第一電壓電平與所述參考電壓電平中的所述一個(gè)，還是將所述電路與所述第一電壓電平與所述參考電壓電平中的所述一個(gè)隔絕；
[0008]其中所述控制電路被配置成操作在第二電壓域中，所述第二電壓域被供應(yīng)了從所述第二電壓電平導(dǎo)出的第三電壓電平，其中所述第三電壓電平高于所述第一電壓電平；以及
[0009]所述至少一個(gè)功率閘具有閘極端子，所述閘極端子被配置成接收在所述第二電壓域中的所述控制電路產(chǎn)生的所述閘控控制信號(hào)。
[0010]一種電子裝置，具有操作在第一電壓域中的電路，所述第一電壓域被供應(yīng)了第一電壓電平與參考電壓電平。所述電路可以是電子裝置的任何功能性部件，諸如(例如)處理器、存儲(chǔ)器、總線邏輯或無(wú)線電單元。提供至少一個(gè)功率閘以將所述電路選擇性地耦接至上述第一電壓電平與所述參考電壓電平中的一個(gè)。然而，施加至功率閘的閘極端子以控制功率閘是將所述電路耦接至第一電壓電平/參考電壓電平還是使所述電路與第一電壓電平/參考電壓電平隔絕的控制信號(hào)是在被供應(yīng)了高于所述第一電壓電平的電壓電平的第二電壓域中產(chǎn)生的。通過(guò)相對(duì)于電路自身使用的所述第一電壓電平來(lái)推升功率閘的閘極電壓，可得到增加的1-on對(duì)1-off比例，這是因?yàn)槿Q于功率閘的類(lèi)型，較強(qiáng)力地驅(qū)動(dòng)功率閘的閘極端子將減少Ι-off (超級(jí)截止)或增加1-on (推升閘極)，而幫助改良裝置的效能與能量效率。
[0011]功率閘的推升閘極操作為已知的技術(shù)，但經(jīng)常不被使用，因?yàn)樘峁┯糜隍?qū)動(dòng)功率閘的閘極端子的較高電壓的來(lái)源一般而言被認(rèn)為是昂貴的。例如可使用電荷栗，但使用電荷栗產(chǎn)生了額外的面積與能量開(kāi)銷(xiāo)。相對(duì)于此，本技術(shù)的發(fā)明人認(rèn)識(shí)到在許多電子裝置中，已經(jīng)存在了高于用以給電路自身供電的第一電壓電平的電壓電平的來(lái)源。例如在許多嵌入式裝置、無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)與其他相對(duì)小型的電子裝置中，可將相對(duì)高的第二電壓電平供應(yīng)至電子裝置，但為了節(jié)省功率，可將此第二電壓電平減少至第一電壓電平以對(duì)電路供電，使得電路消耗較少的動(dòng)態(tài)功率。因此，許多裝置具有電壓調(diào)節(jié)器以將第二電壓電平轉(zhuǎn)換成要供應(yīng)至電路的第一電壓電平。
[0012]因此，用于功率閘的控制電路可操作在第二電壓域中，所述第二電壓域被供應(yīng)了從第二電壓電平導(dǎo)出的、高于第一電壓電平的第三電壓電平，而針對(duì)功率閘的控制信號(hào)可在第二電壓域中產(chǎn)生。因此，對(duì)于功率閘的推升閘極操作可重新使用系統(tǒng)中已提供的較高電壓，且因此不必需要提供額外的電壓產(chǎn)生器(諸如電荷栗)以產(chǎn)生推升閘極電壓，從而節(jié)省了能量與電路面積。
[0013]電子裝置可具有產(chǎn)生第二電壓電平的能量源。能量源可以是并非提供于電子裝置內(nèi)的、非本地的能量源。然而在其他情況中，能量源可以是提供于電子裝置內(nèi)的本地能量源。通常在提供了本地能量源時(shí)，本地能量源將產(chǎn)生高于裝置內(nèi)的電路實(shí)際上所使用的電壓的較高電壓，所以此較高電壓可被用于產(chǎn)生用于功率閘的閘極端子的推升控制信號(hào)。
[0014]例如，能量源可包含至少一個(gè)電池。在提供電池時(shí)，電池通常產(chǎn)生相對(duì)高的電壓，但以此電壓操作電路可能是不節(jié)能的，且因此通常提供調(diào)節(jié)器以將電壓轉(zhuǎn)換成較低供應(yīng)電壓以用于電路。例如，典型的硬幣型電池可產(chǎn)生諸如1.2V至3.3V的電壓，但處理器或其他電路可能僅操作于IV或更低的電壓。因此，在許多小型電池供電電子裝置中，電池本來(lái)就已經(jīng)提供的較高電壓可被用于導(dǎo)出針對(duì)功率閘的控制信號(hào)以將功率閘操作在推升閘極或超級(jí)截止模式中。
[0015]能量源的另一種示例可以是擷取環(huán)境能量的能量擷取器，諸如從環(huán)境光擷取能量的光伏打電池(photovoltaic cell)、從環(huán)境溫度差異或溫度梯度擷取能量的熱電(thermoelectric)擷取器、從機(jī)械或聲學(xué)震動(dòng)擷取能量的壓電擷取器，或從環(huán)境無(wú)線電波擷取能量的無(wú)線電能量擷取器。
[0016]在一些實(shí)施例中，功率閘可包含腳部晶體管，腳部晶體管將電路選擇性地耦接至參考電壓電平。通常使用η型晶體管實(shí)施腳部晶體管，因此，施加推升電壓至腳部晶體管的閘極增加了在腳部將參考電壓電平供應(yīng)給電路時(shí)的“開(kāi)啟”狀態(tài)期間的1-on。本技術(shù)對(duì)于腳部功率閘特別有用，因?yàn)樵陔妷簻p少時(shí)1-on通常下降得比1-off快得多，因此，相較于對(duì)于頭部晶體管的閘極端子的均等推升，施加推升閘極電壓至腳部晶體管更強(qiáng)力地增加了功率閘的1-on/1-off比例。
[0017]盡管如此，本技術(shù)也可應(yīng)用至頭部晶體管，該頭部晶體管用于將電路選擇性地耦接至電壓調(diào)節(jié)器供應(yīng)的第一電壓電平。通常使用P型晶體管實(shí)施頭部晶體管，因此，施加推升電壓至頭部晶體管的閘極端子將使頭部進(jìn)入超級(jí)截止模式而減少1-off (泄漏電流)并節(jié)省能量。減少1-off增加了 1-on/1-off比例，因此在睡眠或功率節(jié)省模式期間泄漏通過(guò)功率閘的能量較少。在一些實(shí)施方式中，提供頭部功率閘而非腳部功率閘可產(chǎn)生較低的電路面積。
[0018]還可已在同一裝置中提供頭部晶體管與腳部晶體管的組合。
[0019]用于功率閘的晶體管的電壓容許度可高于用于電路自身中的晶體管的電壓容許度。換言之，相較于處理電路中的晶體管而言，功率閘可更能抵抗傷害并能夠承受較高的施加電壓。這對(duì)于減少用于控制信號(hào)的較高電壓對(duì)功率閘造成傷害的風(fēng)險(xiǎn)是有用的。例如，可由具有較高電壓抵抗性的不同晶體管技術(shù)制成功率閘。例如，可使用多閘極晶體管，諸如鰭狀晶體管(FinFET)。
[0020]再者，可通過(guò)提供具有比用于電路的晶體管中的氧化層更厚的閘極氧化層來(lái)將功率閘制造為具有較高的電壓容許度。因?yàn)閮蓚€(gè)理由，厚閘極氧化層晶體管是有用的:厚閘極氧化層晶體管不僅具有較高的電壓抵抗性，而且厚閘極氧化層晶體管在低操作電壓之下還比薄閘極氧化層晶體管具有更佳的1-on/1-off比例。因此，通過(guò)使用厚閘極氧化層晶體管，可改良電子裝置的可靠性、效能與能量效率。
[0021]類(lèi)似的，控制功率閘開(kāi)啟或關(guān)閉的控制電路也可由具有較高電壓容許度的晶體管