專利名稱：用于向片上系統(tǒng)提供自適應電源的系統(tǒng)與方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及集成電路。更具體地說，本發(fā)明提供了一種用于自適應電源的系統(tǒng)與方法。僅僅作為示例，本發(fā)明已被應用于片上系統(tǒng)。但是應當認識到，本發(fā)明具有更廣闊的應用范圍。
背景技術(shù)：
集成電路或“IC”已經(jīng)從單個硅晶片上制備的少數(shù)互連器件發(fā)展成為數(shù)以百萬計的器件。當前集成電路提供的性能和復雜度遠遠超出了最初的預想。為了在復雜度和電路密度(即，在給定的芯片面積上能夠封裝的器件數(shù)目)方面獲得進步，最小器件的特征尺寸(又被稱為器件“幾何圖形”)伴隨每一代集成電路的發(fā)展而變得更小?，F(xiàn)在制備半導體器件的特征尺寸小于約1/4微米。
日益增加的電路密度不僅提高了集成電路的性能和復雜度，也降低了消費者的成本。集成電路制造設(shè)備可能要花費數(shù)億甚至數(shù)十億美元。每個制造設(shè)備具有一定的晶圓產(chǎn)量。每個晶圓上具有一定數(shù)量的集成電路。因此，通過將集成電路的個體器件制備得更小，可以在每個晶圓上制備更多器件，這增加了制造設(shè)備的產(chǎn)出。把器件制備得更小非常有挑戰(zhàn)性，因為給定的工藝、器件布局和/或系統(tǒng)設(shè)計通常只能向下達到某個特征尺寸。
這種限制的示例是集成電路系統(tǒng)的功耗。隨著集成電路系統(tǒng)性能的提高，功耗已經(jīng)增加。但是集成電路系統(tǒng)通常要求消耗較低級別的功率。例如，集成電路系統(tǒng)是便攜式的，因而依賴于電池電源。便攜式系統(tǒng)可以是膝上型計算機、個人數(shù)字助手(PDA)、蜂窩電話、數(shù)字照相機、攝像機或任何其它設(shè)備。
對高性能與低功耗的這種競爭性的要求對系統(tǒng)設(shè)計有明顯的限制。因此，已經(jīng)使用某些現(xiàn)有技術(shù)來降低功耗。例如，系統(tǒng)關(guān)掉沒有處于使用中的一些部件。在另一示例中，當系統(tǒng)不必執(zhí)行許多任務時，系統(tǒng)的時鐘頻率被降低。時鐘速度通常需要足夠高來支持系統(tǒng)的必要功能。在另一示例中，至少基于與系統(tǒng)的工作負荷相關(guān)聯(lián)的信息來調(diào)整系統(tǒng)的時鐘頻率。在另一示例中，為了有效利用電流，修改系統(tǒng)的設(shè)計體系結(jié)構(gòu)。在另一示例中，修改電路設(shè)計或器件布局以降低未用的電流。在另一示例中，器件設(shè)計被改變以減小漏電流。但是這些技術(shù)通常會增加系統(tǒng)的復雜度，且效果有限。
從上文可以看出，需要一種用于電源的改進技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明一般地涉及集成電路。更具體地說，本發(fā)明提供了一種用于自適應電源的系統(tǒng)與方法。僅僅作為示例，本發(fā)明已被應用于片上系統(tǒng)。但是應當認識到，本發(fā)明具有更廣闊的應用范圍。
在具體實施例中，本發(fā)明提供了一種用于自適應提供電源電壓的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括輸入/輸出子系統(tǒng)，被配置成接收第一電壓；模擬子系統(tǒng)，被配置成接收第二電壓且耦合到所述輸入/輸出子系統(tǒng)；第一數(shù)字子系統(tǒng)，被配置成接收第三電壓且耦合到所述輸入/輸出子系統(tǒng)；以及第二數(shù)字子系統(tǒng)，被配置成接收第四電壓且耦合到所述輸入/輸出子系統(tǒng)、第一數(shù)字子系統(tǒng)和模擬子系統(tǒng)。此外，該系統(tǒng)包括第一自適應電源，被配置接收輸入電壓以及產(chǎn)生第三電壓；以及第二自適應電源，被配置接收所述輸入電壓以及產(chǎn)生第四電壓。第一數(shù)字子系統(tǒng)被配置成接收與時鐘頻率相關(guān)聯(lián)的時鐘信號，并且第一自適應電源還被配置成至少基于與第一頻率和時鐘頻率的比較相關(guān)聯(lián)的信息來調(diào)整第三電壓。
根據(jù)另一實施例，一種用于自適應提供電源電壓的系統(tǒng)包括輸入/輸出子系統(tǒng)，被配置成接收第一電壓；模擬子系統(tǒng)，被配置成接收第二電壓且耦合到所述輸入/輸出子系統(tǒng)；第一數(shù)字子系統(tǒng)，被配置成接收第三電壓且耦合到所述輸入/輸出子系統(tǒng)；以及第二數(shù)字子系統(tǒng)，被配置成接收第四電壓且耦合到所述輸入/輸出子系統(tǒng)、第一數(shù)字子系統(tǒng)和模擬子系統(tǒng)。第一數(shù)字子系統(tǒng)包括與第一時間延遲相關(guān)聯(lián)的第一關(guān)鍵路徑，第二數(shù)字子系統(tǒng)包括與第二時間延遲相關(guān)聯(lián)的第二關(guān)鍵路徑。第三電壓至少基于與第一時間延遲相關(guān)聯(lián)的信息來確定，第四電壓至少基于與第二時間延遲相關(guān)聯(lián)的信息來確定。
根據(jù)又一實施例，一種用于自適應提供電源電壓的方法包括確定輸入/輸出組件、模擬組件以及數(shù)字組件。輸入/輸出組件、模擬組件以及數(shù)字組件是系統(tǒng)的部件。此外，該方法包括處理與數(shù)字組件相關(guān)聯(lián)的信息，以及至少基于與數(shù)字組件相關(guān)聯(lián)的信息來確定多個數(shù)字塊。數(shù)字組件包括多個數(shù)字塊，并且所述多個數(shù)字塊中的每個至少包括數(shù)字電路的一部分。而且，該方法包括處理與所述多個數(shù)字塊相關(guān)聯(lián)的信息，以及至少基于與所述多個數(shù)字塊相關(guān)聯(lián)的信息來確定與分別對應于所述多個數(shù)字塊的多個關(guān)鍵路徑相關(guān)聯(lián)的多個信號時間延遲。而且，該方法包括處理與所述多個信號時間延遲相關(guān)聯(lián)的信息，以及至少基于與所述多個信號時間延遲相關(guān)聯(lián)的信息而形成多個數(shù)字子系統(tǒng)。所述多個數(shù)字子系統(tǒng)的每個包括一個或多個數(shù)字塊。此外，該方法包括分別向所述多個數(shù)字子系統(tǒng)提供多個電源。所述多個數(shù)字子系統(tǒng)的每個包括與時間延遲相關(guān)聯(lián)的關(guān)鍵路徑，并且所述多個電源中的每個輸出第一電壓到所述多個數(shù)字子系統(tǒng)的相應一個。第一電壓至少基于與相應時間延遲相關(guān)聯(lián)的信息來確定。
通過本發(fā)明，實現(xiàn)了許多優(yōu)于傳統(tǒng)技術(shù)的優(yōu)點。本發(fā)明的一些實施例可以向片上系統(tǒng)自適應提供電源電壓，進而顯著降低了系統(tǒng)的功耗。本發(fā)明的某些實施例將片上系統(tǒng)分為若干子系統(tǒng)。例如，子系統(tǒng)包括輸入/輸出子系統(tǒng)、模擬子系統(tǒng)以及一個或多個數(shù)字子系統(tǒng)。在另一示例中，輸入/輸出子系統(tǒng)和模擬子系統(tǒng)具有恒定的電源電壓。在另一示例中，所述一個或多個數(shù)字子系統(tǒng)的每個都由自適應電源系統(tǒng)供電。本發(fā)明的一些實施例在不同的電力域之間提供了數(shù)字信號連接。例如，數(shù)字信號連接包括電平轉(zhuǎn)移器，用以保護信號完整性和/或消除DC電流。
參考隨后的詳細說明和附圖，可以更全面地理解本發(fā)明的各種其它目的、特征和優(yōu)點。


圖1是根據(jù)本發(fā)明實施例的帶有自適應電源的片上系統(tǒng)的簡化示圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明實施例的用于向片上系統(tǒng)提供自適應電源的簡化方法；圖3是根據(jù)本發(fā)明實施例的用于自適應電源的簡化系統(tǒng)；圖4是作為根據(jù)本發(fā)明實施例的自適應電源系統(tǒng)的一部分的環(huán)路濾波器的簡化示圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明實施例的用于自適應電源的簡化系統(tǒng)。
具體實施例方式
本發(fā)明一般地涉及集成電路。更具體地說，本發(fā)明提供了一種用于自適應電源的系統(tǒng)與方法。僅僅作為示例，本發(fā)明已被應用于片上系統(tǒng)。但是應當認識到，本發(fā)明具有更廣闊的應用范圍。
圖1是根據(jù)本發(fā)明實施例的帶有自適應電源的片上系統(tǒng)的簡化示圖。該圖僅僅是示例，其不應當不適當?shù)叵拗茩?quán)利要求的范圍。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將認識到許多變化、替換和修改形式。系統(tǒng)1000包括下述組件1.輸入/輸出子系統(tǒng)1010；2.模擬子系統(tǒng)1020；3.數(shù)字子系統(tǒng)1030、1032和1034；4.自適應電源1040、1042和1044；5.數(shù)字信號連接1050、1052、1054、1060、1062、1064和1066；6.模擬信號連接1070。
雖然使用了選定的一組部件來示出系統(tǒng)1000，但是可以有許多替代物、修改形式和變化形式。例如，一些部件可以被擴展和/或被合并?？梢栽谏厦嫣岬降牟考胁迦肫渌考?。取決于實施例，部件的安排可以交換，另一些部件可以被替代。這些部件的進一步細節(jié)可在本說明書中找到，下面會更具體地描述。
輸入/輸出子系統(tǒng)1010具有電源電壓1012 VDDIO，模擬子系統(tǒng)1020具有電源電壓1022 VDDA。數(shù)字子系統(tǒng)1030、1032和1034具有分別來自自適應電源1040、1042和1044的電源電壓1080、1082和1084。自適應電源1040、1042和1044中的每個將電源電壓1046 VDDD轉(zhuǎn)換為電源電壓1080、1082和1084，如圖1所示。
數(shù)字子系統(tǒng)1030、1032和1034中的每個包括關(guān)鍵路徑。例如，數(shù)字子系統(tǒng)1030的關(guān)鍵路徑具有的信號時間延遲長于數(shù)字子系統(tǒng)1030的任何其它信號路徑的信號時間延遲。關(guān)鍵路徑的信號時間延遲被電源1040、1042和1044所使用，以分別自適應提供電源電壓1080、1082和1084。例如，電源1040至少基于數(shù)字子系統(tǒng)1030的關(guān)鍵路徑的信號時間延遲將電源電壓1046 VDDD轉(zhuǎn)換為電源電壓1080。
在一個實施例中，數(shù)字子系統(tǒng)1030、1032和1034中的每個包括一個或多個數(shù)字電路塊。這些數(shù)字電路塊具有帶有各個信號時間延遲的各個關(guān)鍵路徑。數(shù)字子系統(tǒng)1030、1032和1034的關(guān)鍵路徑的信號時間延遲大于或等于相應數(shù)字子系統(tǒng)的各個信號時間延遲。例如，數(shù)字子系統(tǒng)1030的關(guān)鍵路徑的信號時間延遲大于或等于作為數(shù)字子系統(tǒng)1030部件的數(shù)字電路塊的各個信號時間延遲。
在另一實施例中，輸入/輸出子系統(tǒng)1010、模擬子系統(tǒng)1020和數(shù)字子系統(tǒng)1030、1032和1034是片上系統(tǒng)的組件。在片上系統(tǒng)設(shè)計中，電路內(nèi)置到分層次的電路塊中。不同的數(shù)字塊包括具有不同、相似或相同信號時間延遲的各個關(guān)鍵路徑。數(shù)字塊至少根據(jù)各個關(guān)鍵路徑的各個時間延遲而被劃分成數(shù)字子系統(tǒng)1030、1032和1034。例如，數(shù)字子系統(tǒng)1030、1032和1034中的每個包括的數(shù)字塊的各個關(guān)鍵路徑具有相似信號時間延遲。在另一示例中，數(shù)字子系統(tǒng)的數(shù)字塊的各個時間延遲明顯不同于另一數(shù)字子系統(tǒng)的數(shù)字塊的各個時間延遲。
數(shù)字信號連接1050、1052和1054可以分別在數(shù)字子系統(tǒng)1030和1032之間、在數(shù)字子系統(tǒng)1032和1034之間以及在數(shù)字子系統(tǒng)1034和模擬子系統(tǒng)1020之間輸運數(shù)字信號。此外，數(shù)字信號連接1060、1062、1064和1066可以分別在數(shù)字子系統(tǒng)1030和輸入/輸出子系統(tǒng)1010之間、在數(shù)字子系統(tǒng)1032和輸入/輸出子系統(tǒng)1010之間、在數(shù)字子系統(tǒng)1034和輸入/輸出子系統(tǒng)1010之間以及在模擬子系統(tǒng)1020和輸入/輸出子系統(tǒng)1010之間輸運數(shù)字信號。例如，數(shù)字信號連接1050、1052、1054、1060、1062、1064和1066的所有或其中一些包括用于功率電平轉(zhuǎn)換的一個或多個電平轉(zhuǎn)移器。而且，模擬信號連接1070可以在模擬子系統(tǒng)1020和輸入/輸出子系統(tǒng)1010之間輸運模擬信號。
如上所述以及這里進一步強調(diào)的，圖1僅僅是示例，其不應當不適當?shù)叵拗茩?quán)利要求的范圍。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將認識到許多變化、替換和修改形式。例如，一個或多個額外的數(shù)字子系統(tǒng)以及它們相應的自適應電源可以插入到系統(tǒng)1000中。在另一示例中，從系統(tǒng)1000去除數(shù)字子系統(tǒng)1030、1032和1034中的一個或多個以及它們相應自適應電源1040、1042和1044中的一個或多個。在另一示例中，增加數(shù)字子系統(tǒng)以及它們相應自適應電源的數(shù)目可以降低這些子系統(tǒng)的功耗，但是也增加了系統(tǒng)在自適應電源和數(shù)字信號連接方面的開銷。例如，系統(tǒng)開銷包括額外的功耗和/或額外的芯片面積。
圖2是根據(jù)本發(fā)明實施例的用于向片上系統(tǒng)提供自適應電源的簡化方法。該圖僅僅是示例，其不應當不適當?shù)叵拗茩?quán)利要求的范圍。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將認識到許多變化、替換和修改形式。方法1100包括下述步驟1.步驟1110，確定輸入/輸出組件、模擬組件和數(shù)字組件；2.步驟1120，確定數(shù)字塊；3.步驟1130，確定關(guān)鍵路徑的信號時間延遲；4.步驟1140，形成一個或多個數(shù)字子系統(tǒng)；5.步驟1150，向輸入/輸出組件和模擬組件提供電源電壓；6.步驟1160，提供一個或多個自適應電源；7.步驟1170，提供子系統(tǒng)之間的信號連接。
雖然使用了選定的一組步驟來描述方法1100，但是可以有許多替換、修改和變化形式。例如，一些步驟可以被擴展和/或合并。其它步驟可以被插入到上面提到的步驟中。取決于實施例，步驟的排列可以交換，并可以替代其它的步驟。例如，方法1100被用來設(shè)計及/或制造系統(tǒng)1000。這些步驟的進一步細節(jié)可以在本說明書尤其下文中找到。
在步驟1110中，輸入/輸出組件、模擬組件和數(shù)字組件被確定。例如，輸入/輸出組件、模擬組件和數(shù)字組件是片上系統(tǒng)的部件。片上系統(tǒng)被劃分成至少輸入/輸出組件、模擬組件和數(shù)字組件。在另一示例中，輸入/輸出組件是輸入/輸出子系統(tǒng)，模擬組件是模擬子系統(tǒng)。在另一示例中，輸入/輸出組件是輸入/輸出子系統(tǒng)1010，模擬組件是模擬子系統(tǒng)1020。
在步驟1120處，數(shù)字塊被確定。例如，數(shù)字組件被劃分成數(shù)字塊。在另一示例中，每個數(shù)字塊包括至少一部分數(shù)字電路。在另一示例中，片上系統(tǒng)包括數(shù)字組件，且數(shù)字組件包括分層次的電路塊。在另一示例中，數(shù)字塊的確定是手動和/或自動執(zhí)行的。在另一示例中，數(shù)字塊的確定使用一個或多個計算機輔助設(shè)計(CAD)工具。
在步驟1130處，為數(shù)字塊確定關(guān)鍵路徑的信號時間延遲。例如，數(shù)字塊的關(guān)鍵路徑的信號時間延遲長于數(shù)字塊的任何其它信號路徑的信號時間延遲。在另一示例中，通過用定時仿真器仿真數(shù)字塊來確定關(guān)鍵路徑。在另一示例中，不同的數(shù)字塊包括具有不同、相似或相同信號時間延遲的各個關(guān)鍵路徑。
在步驟1140處，形成一個或多個數(shù)字子系統(tǒng)。例如，數(shù)字塊至少根據(jù)各個關(guān)鍵路徑的各個時間延遲而被組合形成數(shù)字子系統(tǒng)。在另一示例中，數(shù)字子系統(tǒng)包括一個或多個數(shù)字塊。在另一示例中，數(shù)字子系統(tǒng)的每個包括的數(shù)字塊的各個關(guān)鍵路徑具有相似的信號時間延遲。在另一示例中，數(shù)字子系統(tǒng)的數(shù)字塊的各個時間延遲明顯不同于另一數(shù)字子系統(tǒng)的數(shù)字塊的各個時間延遲。在另一示例中，數(shù)字子系統(tǒng)是數(shù)字子系統(tǒng)1030、1032和1034。
在步驟1150處，電源電壓被提供給輸入/輸出子系統(tǒng)和模擬子系統(tǒng)。例如，輸入/輸出子系統(tǒng)的電源電壓和模擬子系統(tǒng)的電源電壓相同或不同。在另一示例中，輸入/輸出子系統(tǒng)包括輸入/輸出塊，模擬子系統(tǒng)包括模擬塊。在另一示例中，輸入/輸出子系統(tǒng)是輸入/輸出子系統(tǒng)1010，模擬子系統(tǒng)是模擬子系統(tǒng)1020。輸入/輸出子系統(tǒng)1010具有電源電壓1012VDDIO，模擬子系統(tǒng)1020具有電源電壓1022VDDA。
在步驟1160處，提供一個或多個自適應電源。例如，自適應電源被提供給一個或多個數(shù)字子系統(tǒng)的每個。自適應電源可以將輸入電源電壓轉(zhuǎn)換為輸出電源電壓，并且將輸出電源電壓輸出到相應的數(shù)字子系統(tǒng)。在另一示例中，一個或多個數(shù)字子系統(tǒng)的每個包括關(guān)鍵路徑。關(guān)鍵路徑的信號時間延遲長于相應數(shù)字子系統(tǒng)的任何其它信號路徑的信號時間延遲。關(guān)鍵路徑的信號時間延遲被相應的電源使用，以自適應提供電源電壓。
在一個實施例中，一個或多個數(shù)字子系統(tǒng)包括數(shù)字子系統(tǒng)1030、1032和1034，自適應電源包括自適應電源1040、1042和1044。自適應電源1040、1042和1044的每個將電源電壓1046VDDD轉(zhuǎn)換為電源電壓1080、1082和1084，如圖1所示。
在步驟1170處，在子系統(tǒng)之間提供信號連接。例如，數(shù)字信號連接可以在兩個數(shù)字子系統(tǒng)之間、在數(shù)字子系統(tǒng)和模擬子系統(tǒng)之間、在數(shù)字子系統(tǒng)和輸入/輸出子系統(tǒng)之間、以及/或者在模擬子系統(tǒng)和輸入/輸出子系統(tǒng)之間輸運數(shù)字信號。在另一示例中，數(shù)字信號連接包括用于功率電平轉(zhuǎn)換的一個或多個電平轉(zhuǎn)移器。在另一示例中，模擬信號連接可以在模擬子系統(tǒng)和輸入/輸出子系統(tǒng)之間輸運模擬信號。
在一個實施例中，數(shù)字信號連接1050、1052和1054可以分別在數(shù)字子系統(tǒng)1030和1032之間、在數(shù)字子系統(tǒng)1032和1034之間以及在數(shù)字子系統(tǒng)1034和模擬子系統(tǒng)1020之間輸運數(shù)字信號。此外，數(shù)字信號連接1060、1062、1064和1066可以分別在數(shù)字子系統(tǒng)1030和輸入/輸出子系統(tǒng)1010之間、在數(shù)字子系統(tǒng)1032和輸入/輸出子系統(tǒng)1010之間、在數(shù)字子系統(tǒng)1034和輸入/輸出子系統(tǒng)1010之間以及在模擬子系統(tǒng)1020和輸入/輸出子系統(tǒng)1010之間輸運數(shù)字信號。例如，數(shù)字信號連接1050、1052、1054、1060、1062、1064和1066的所有或其中一些包括用于功率電平轉(zhuǎn)換的一個或多個電平轉(zhuǎn)移器。而且，模擬信號連接1070可以在模擬子系統(tǒng)1020和輸入/輸出子系統(tǒng)1010之間輸運模擬信號。
圖3是根據(jù)本發(fā)明實施例的用于自適應電源的簡化系統(tǒng)。該圖僅僅是示例，其不應當不適當?shù)叵拗茩?quán)利要求的范圍。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將認識到許多變化、替換和修改形式。系統(tǒng)100包括下述組件1.振蕩器110；2.頻率比較器120；
3.電荷泵130；4.環(huán)路濾波器140；5.調(diào)壓器150。
雖然使用了選定的一組部件來示出系統(tǒng)100，但是可以有許多替代物、修改形式和變化形式。例如，一些部件可以被擴展和/或被合并?？梢栽谏厦嫣岬降牟考胁迦肫渌考?。取決于實施例，部件的安排可以交換，另一些部件可以被替代。這些部件的進一步細節(jié)可在本說明書中找到，下面會更具體地描述。
如圖3所示，系統(tǒng)100被用于向電動系統(tǒng)190自適應供電。在一個實施例中，電動系統(tǒng)190是集成電路系統(tǒng)。在另一實施例中，電動系統(tǒng)190包括一塊或多塊集成電路系統(tǒng)。在又一個實施例中，電動系統(tǒng)190可以在其不必執(zhí)行許多任務時減慢系統(tǒng)時鐘。在又一實施例中，電動系統(tǒng)190至少基于與電動系統(tǒng)190的工作負荷相關(guān)聯(lián)的信息來調(diào)整時鐘頻率。電動系統(tǒng)190接收頻率fop的時鐘信號192以及來自系統(tǒng)100的輸出電源電壓194VDDOUT。
振蕩器110包括延遲路徑112和其它的振蕩器組件114。其它的振蕩器組件114耦合到延遲路徑112，并且產(chǎn)生頻率為fvar的信號116。在一個實施例中，頻率fvar近似等于約1/tdelay。tdelay表示延遲路徑112的時間延遲。例如，信號經(jīng)過延遲路徑112需時tdelay。如圖3所示，延遲路徑112接收輸出電源電壓194VDDOUT。例如，tdelay取決于VDDOUT。
在一個實施例中，電動系統(tǒng)190包括關(guān)鍵路徑，關(guān)鍵路徑的時間延遲長于電動系統(tǒng)190的任何其它信號路徑的時間延遲。在另一實施例中，時間延遲tdelay等于電動系統(tǒng)190的關(guān)鍵路徑的時間延遲。例如，時間延遲tdelay比電動系統(tǒng)190的關(guān)鍵路徑的時間延遲長預定的周期。在另一示例中，電動系統(tǒng)190的關(guān)鍵路徑和延遲路徑112都由輸出電源電壓194VDDOUT供電。
頻率比較器120接收頻率為fvar的信號116以及頻率為fop的信號122。例如，信號122與信號192相同。頻率比較器120比較兩個頻率fvar與fop，并且作為響應可以不發(fā)送任何信號，或者可以通過信號路徑122和/或信號路徑124向電荷泵130發(fā)送一個或多個信號。在一個實施例中，頻率比較器120包括相頻檢測器。相頻檢測器比較兩個信號116和122的邊緣以確定頻率fvar是高于、等于還是低于頻率fop。在另一實施例中，如果fvar低于fop，則頻率比較器120通過信號路徑124發(fā)送升(up)信號。如果fvar高于fop，則頻率比較器120通過信號路徑126產(chǎn)生降(down)信號。如果fvar等于fop，則頻率比較器120即不發(fā)送升信號也不發(fā)送降信號。在又一實施例中，升信號可以使系統(tǒng)100升高輸出電源電壓194VDDOUT，而降信號可以使系統(tǒng)100降低輸出電源電壓194VDDOUT。在又一實施例中，升信號和降信號每個都包括信號脈沖。
電荷泵130通過信號路徑124和126耦合到比較器120，并且通過電流路徑132耦合到環(huán)路濾波器140。如果電荷泵130接收到升信號，則電荷泵130產(chǎn)生從電荷泵130經(jīng)過電流路徑132流向環(huán)路濾波器140的源電流(sourcing current)。如果電荷泵130接收到下降電流，則電荷泵130產(chǎn)生從環(huán)路濾波器140經(jīng)過電流路徑132流向電荷泵130的沉沒電流(sinking current)。如果電荷泵130沒有接收到上升電流或下降電流，則電荷泵130不產(chǎn)生源電流或沉沒電流。
環(huán)路濾波器140可以接收并整合源電流或沉沒電流，并產(chǎn)生參考電壓142Vref。例如，環(huán)路濾波器140使用阻尼過程。在另一示例中，環(huán)路濾波器140使用平滑過程來改進參考電壓142的穩(wěn)定性。參考電壓142被發(fā)送到調(diào)壓器150。
圖4是作為根據(jù)本發(fā)明實施例的系統(tǒng)100一部分的環(huán)路濾波器140的簡化示圖。該圖僅僅是示例，其不應當不適當?shù)叵拗茩?quán)利要求的范圍。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將認識到許多變化、替換和修改形式。環(huán)路濾波器140包括電阻器210和電容器220和230。電阻器210和電容器220串聯(lián)連接，并且電容器220和230每個都具有一個耦合到電壓電平Vss的終端。例如，Vss表示地電平。如圖4所示，環(huán)路濾波器140通過電流路徑132耦合到電荷泵，并且發(fā)送參考電壓142Vref到調(diào)壓器150。雖然使用了選定的一組部件來示出系統(tǒng)100，但是可以有許多替代物、修改形式和變化形式。例如，一些部件可以被擴展和/或被合并。可以在上面提到的部件中插入其他部件。取決于實施例，部件的安排可以交換，另一些部件可以被替代。
參考圖3，調(diào)壓器150接收參考電壓142Vref以及輸入電源電壓152VDDIN。響應于參考電壓142，調(diào)壓器150將輸入電源電壓152VDDIN轉(zhuǎn)換為輸出電源電壓194VDDOUT。在一個實施例中，VDDOUT與Vref呈線性關(guān)系。例如，VDDOUT等于Vref乘以常數(shù)。在另一示例中，VDDOUT等于Vref加上常數(shù)。在又一示例中，VDDOUT等于第一常數(shù)加上Vref與第二常數(shù)的乘積。在另一實施例中，輸出電源電壓194用來對電動系統(tǒng)190的關(guān)鍵路徑和振蕩器110的延遲路徑112兩者供電。在又一實施例中，調(diào)壓器150包括線性調(diào)壓器和/或開關(guān)電容調(diào)壓器。
根據(jù)一個實施例，自適應電源1040、1042和1044的每個包括系統(tǒng)100，電動系統(tǒng)190表示數(shù)字子系統(tǒng)1030、1032和1034。輸入電源電壓152VDDIN是電源電壓1046VDDD，輸出電源電壓194VDDOUT代表電源電壓1080、1082或1084。例如，系統(tǒng)100被用作自適應電源1040，電動系統(tǒng)190標識數(shù)字子系統(tǒng)1030。輸入電源電壓152VDDIN是電源電壓1046VDDD，輸出電源電壓194VDDOUT代表電源電壓1080。
圖5是根據(jù)本發(fā)明實施例的用于自適應電源的簡化系統(tǒng)。該圖僅僅是示例，其不應當不適當?shù)叵拗茩?quán)利要求的范圍。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將認識到許多變化、替換和修改形式。方法300包括下述步驟1.步驟310，產(chǎn)生具有第一頻率的信號；2.步驟320，比較第一頻率和第二頻率；3.步驟330，產(chǎn)生源電流或沉沒電流；4.步驟340，輸出參考電壓；5.步驟350，產(chǎn)生輸出電源電壓。
雖然使用了選定的一組步驟來描述方法300，但是可以有許多替換、修改和變化形式。例如，一些步驟可以被擴展和/或合并。其它步驟可以被插入到上面提到的步驟中。取決于實施例，步驟的排列可以交換，并可以替代其它的步驟。例如，方法300是由系統(tǒng)100執(zhí)行的。在另一示例中，方法300是由自適應電源1040、自適應電源1042和/或自適應電源1044執(zhí)行的。這些步驟的進一步細節(jié)可以在本說明書尤其下文中找到。
在步驟310處，產(chǎn)生的信號具有第一頻率。例如，信號由具有延遲電路的振蕩器產(chǎn)生，其中延遲電路具有時間延遲。在一個實施例中，第一頻率約等于時間延遲的倒數(shù)。在另一實施例中，時間延遲依賴于輸出電源電壓。
例如，輸出電源電壓用來向電動系統(tǒng)供電。在一個實施例中，電動系統(tǒng)是集成系統(tǒng)。在另一實施例中，電動系統(tǒng)包括一塊或多塊集成系統(tǒng)。在又一實施例中，當電動系統(tǒng)不必執(zhí)行許多任務時，電動系統(tǒng)可以減慢系統(tǒng)時鐘。在又一實施例中，電動系統(tǒng)至少基于與電動系統(tǒng)的工作負荷相關(guān)聯(lián)的信息來調(diào)整時鐘頻率。電動系統(tǒng)包括關(guān)鍵路徑，其中關(guān)鍵路徑的時間延遲長于電動系統(tǒng)的任何其它信號路徑的時間延遲。
在一個實施例中，振蕩器的延遲路徑的時間延遲等于電動系統(tǒng)的關(guān)鍵路徑的時間延遲。在另一實施例中，振蕩器的延遲路徑的時間延遲比電動系統(tǒng)的關(guān)鍵路徑的時間延遲長了預定的周期。在又一實施例中，電動系統(tǒng)的關(guān)鍵路徑和振蕩器的延遲路徑都由輸出電源電壓供電。
在步驟320處，比較第一頻率和第二頻率。例如，第二頻率是電動系統(tǒng)所接收的時鐘信號的頻率。在另一示例中，比較包括比較分別與第一頻率和第二頻率相關(guān)聯(lián)的兩個信號的邊緣?；趯Φ谝活l率和第二頻率的比較，不產(chǎn)生信號或產(chǎn)生信號。例如，如果第一頻率和第二頻率相等，則不產(chǎn)生信號。在另一示例中，如果第一頻率低于第二頻率，則產(chǎn)生升信號。在又一示例中，如果第一頻率高于第二頻率，則產(chǎn)生降信號。在一個實施例中，升信號可以使輸出電源電壓升高，而降信號可以使輸出電源電壓降低。在另一實施例中，升信號和降信號每個都包括信號脈沖。
在步驟330處，產(chǎn)生源電流和沉沒電流。例如，如果接收到升信號，則產(chǎn)生源電流。如果接收到降信號，則產(chǎn)生沉沒電流。在另一示例中，源電流從電荷泵流出，而沉沒電流流向電荷泵。如果即沒有接收到升電流也沒有接收到降電流，則即不產(chǎn)生源電流也不產(chǎn)生沉沒電流。
在步驟340處，輸出參考電壓。例如，源電流或沉沒電流被整合以產(chǎn)生參考電壓。在另一示例中，使用阻尼過程。在又一示例中，使用平滑過程來改進參考電壓的穩(wěn)定性。
在步驟350處，響應于參考電壓而產(chǎn)生輸出電源電壓。例如，輸入電源電壓至少基于參考電壓而被轉(zhuǎn)換為輸出電源電壓。在一個實施例中，VDDOUT與Vref呈線性關(guān)系。例如，VDDOUT等于Vref乘以常數(shù)。在另一示例中，VDDOUT等于Vref加上常數(shù)。在又一示例中，VDDOUT等于第一常數(shù)加上Vref與第二常數(shù)的乘積。在另一實施例中，輸出電源電壓用來對電動系統(tǒng)的關(guān)鍵路徑和振蕩器的延遲路徑兩者供電。
根據(jù)另一實施例，一種用于自適應提供電源電壓的系統(tǒng)包括輸入/輸出子系統(tǒng)，被配置成接收第一電壓；模擬子系統(tǒng)，被配置成接收第二電壓且耦合到所述輸入/輸出子系統(tǒng)；第一數(shù)字子系統(tǒng)，被配置成接收第三電壓且耦合到所述輸入/輸出子系統(tǒng)；以及第二數(shù)字子系統(tǒng)，被配置成接收第四電壓且耦合到所述輸入/輸出子系統(tǒng)、第一數(shù)字子系統(tǒng)和模擬子系統(tǒng)。此外，該系統(tǒng)包括第一自適應電源，被配置接收輸入電壓以及產(chǎn)生第三電壓；以及第二自適應電源，被配置接收所述輸入電壓以及產(chǎn)生第四電壓。第一數(shù)字子系統(tǒng)被配置成接收與時鐘頻率相關(guān)聯(lián)的時鐘信號，并且第一自適應電源還被配置成至少基于與第一頻率和時鐘頻率的比較相關(guān)聯(lián)的信息來調(diào)整第三電壓。例如，該系統(tǒng)是根據(jù)系統(tǒng)1000實現(xiàn)的。
根據(jù)另一實施例，一種用于自適應提供電源電壓的系統(tǒng)包括輸入/輸出子系統(tǒng)，被配置成接收第一電壓；模擬子系統(tǒng)，被配置成接收第二電壓且耦合到所述輸入/輸出子系統(tǒng)；第一數(shù)字子系統(tǒng)，被配置成接收第三電壓且耦合到所述輸入/輸出子系統(tǒng)；以及第二數(shù)字子系統(tǒng)，被配置成接收第四電壓且耦合到所述輸入/輸出子系統(tǒng)、第一數(shù)字子系統(tǒng)和模擬子系統(tǒng)。第一數(shù)字子系統(tǒng)包括與第一時間延遲相關(guān)聯(lián)的第一關(guān)鍵路徑，第二數(shù)字子系統(tǒng)包括與第二時間延遲相關(guān)聯(lián)的第二關(guān)鍵路徑。第三電壓至少基于與第一時間延遲相關(guān)聯(lián)的信息來確定，第四電壓至少基于與第二時間延遲相關(guān)聯(lián)的信息來確定。例如，該系統(tǒng)是根據(jù)系統(tǒng)1000實現(xiàn)的。
根據(jù)又一實施例，一種用于自適應提供電源電壓的方法包括確定輸入/輸出組件、模擬組件以及數(shù)字組件。輸入/輸出組件、模擬組件以及數(shù)字組件是系統(tǒng)的部件。此外，該方法包括處理與數(shù)字組件相關(guān)聯(lián)的信息，以及至少基于與數(shù)字組件相關(guān)聯(lián)的信息來確定多個數(shù)字塊。數(shù)字組件包括多個數(shù)字塊，并且所述多個數(shù)字塊中的每個至少包括數(shù)字電路的一部分。而且，該方法包括處理與所述多個數(shù)字塊相關(guān)聯(lián)的信息，以及至少基于與所述多個數(shù)字塊相關(guān)聯(lián)的信息來確定與分別對應于所述多個數(shù)字塊的多個關(guān)鍵路徑相關(guān)聯(lián)的多個信號時間延遲。而且，該方法包括處理與所述多個信號時間延遲相關(guān)聯(lián)的信息，以及至少基于與所述多個信號時間延遲相關(guān)聯(lián)的信息而形成多個數(shù)字子系統(tǒng)。所述多個數(shù)字子系統(tǒng)的每個包括一個或多個數(shù)字塊。此外，該方法包括分別向所述多個數(shù)字子系統(tǒng)提供多個電源。所述多個數(shù)字子系統(tǒng)的每個包括與時間延遲相關(guān)聯(lián)的關(guān)鍵路徑，并且所述多個電源中的每個輸出第一電壓到所述多個數(shù)字子系統(tǒng)的相應一個。第一電壓至少基于與相應時間延遲相對應的信息來確定。例如，該方法是根據(jù)方法1100實現(xiàn)的。
本發(fā)明具有多種優(yōu)點。本發(fā)明的一些實施例可以向片上系統(tǒng)自適應提供電源電壓，進而顯著降低了系統(tǒng)的功耗。本發(fā)明的某些實施例將片上系統(tǒng)分為若干子系統(tǒng)。例如，子系統(tǒng)包括輸入/輸出子系統(tǒng)、模擬子系統(tǒng)以及一個或多個數(shù)字子系統(tǒng)。在另一示例中，輸入/輸出子系統(tǒng)和模擬子系統(tǒng)具有恒定的電源電壓。在另一示例中，所述一個或多個數(shù)字子系統(tǒng)的每個都由自適應電源系統(tǒng)供電。本發(fā)明的一些實施例在不同的電力域之間提供了數(shù)字信號連接。例如，數(shù)字信號連接包括電平轉(zhuǎn)移器，用以保護信號完整性和/或消除DC電流。
還應當理解，這里所描述的示例和實施例只是為了說明的目的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以根據(jù)上述實施例對本發(fā)明進行各種修改和變化。這些修改和變化都在本申請的精神和范圍內(nèi)，并且也在權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于自適應提供電源電壓的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括輸入/輸出子系統(tǒng)，被配置成接收第一電壓；模擬子系統(tǒng)，被配置成接收第二電壓且耦合到所述輸入/輸出子系統(tǒng)；第一數(shù)字子系統(tǒng)，被配置成接收第三電壓且耦合到所述輸入/輸出子系統(tǒng)；第二數(shù)字子系統(tǒng)，被配置成接收第四電壓且耦合到所述輸入/輸出子系統(tǒng)、第一數(shù)字子系統(tǒng)和模擬子系統(tǒng)；第一自適應電源，被配置成接收輸入電壓以及產(chǎn)生第三電壓；第二自適應電源，被配置成接收所述輸入電壓以及產(chǎn)生第四電壓；其中第一數(shù)字子系統(tǒng)被配置成接收與時鐘頻率相關(guān)聯(lián)的時鐘信號；第一自適應電源還被配置成至少基于與第一頻率和所述時鐘頻率的比較相關(guān)聯(lián)的信息來調(diào)整第三電壓。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中第一數(shù)字子系統(tǒng)包括多個數(shù)字塊；所述多個數(shù)字塊分別與多個關(guān)鍵路徑相關(guān)聯(lián)；所述多個關(guān)鍵路徑分別與多個信號時間延遲有關(guān)；所述多個信號時間延遲基本相等。
3.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中第一數(shù)字子系統(tǒng)包括與第一時間延遲相關(guān)聯(lián)的第一關(guān)鍵路徑；第二數(shù)字子系統(tǒng)包括與第二時間延遲相關(guān)聯(lián)的第二關(guān)鍵路徑；第一時間延遲與第二時間延遲不同。
4.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括第一數(shù)字連接，被配置成在第一數(shù)字子系統(tǒng)和第二數(shù)字子系統(tǒng)之間輸運第一多個數(shù)字信號；第二數(shù)字連接，被配置成在第二數(shù)字子系統(tǒng)和所述模擬子系統(tǒng)之間輸運第二多個數(shù)字信號。
5.如權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，還包括第三數(shù)字連接，被配置成在第一數(shù)字子系統(tǒng)和所述輸入/輸出子系統(tǒng)之間輸運第三多個數(shù)字信號；第四數(shù)字連接，被配置成在所述模擬子系統(tǒng)和所述輸入/輸出子系統(tǒng)之間輸運第四多個數(shù)字信號。
6.如權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中第一數(shù)字連接、第二數(shù)字連接、第三數(shù)字連接和第四數(shù)字連接中的每個包括一個或多個電平轉(zhuǎn)移器。
7.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中如果第一頻率和所述時鐘頻率不相等，則調(diào)整第三電壓。
8.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中第一數(shù)字子系統(tǒng)被配置成至少基于與第一數(shù)字子系統(tǒng)的工作負荷相關(guān)聯(lián)的信息來調(diào)整所述時鐘頻率。
9.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中第一自適應電源包括頻率比較器，被配置成接收與第一頻率和第一周期相關(guān)聯(lián)的第一信號，接收與所述時鐘頻率相關(guān)聯(lián)的第二信號，在第一頻率和所述時鐘信號不相等的情況下產(chǎn)生第三信號；調(diào)壓器，耦合到所述頻率比較器，被配置成至少基于與第三信號相關(guān)聯(lián)的信息來產(chǎn)生第三電壓；其中第一數(shù)字子系統(tǒng)包括與第一時間延遲相關(guān)聯(lián)的第一信號路徑；第一周期大于或等于第一時間延遲。
10.如權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中第二信號和所述時鐘信號相同。
11.如權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中第一自適應電源還包括振蕩器，振蕩器被配置成接收第三電壓并產(chǎn)生與第一頻率和第一周期相關(guān)聯(lián)的第一信號。
12.如權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中所述振蕩器包括與第二時間延遲相關(guān)聯(lián)的第二信號路徑；第二時間延遲基本等于第一周期。
13.如權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中第一數(shù)字子系統(tǒng)包括與其它時間延遲相關(guān)聯(lián)的其它信號路徑；所述其它時間延遲的每個小于第一時間延遲。
14.一種用于自適應提供電源電壓的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括輸入/輸出子系統(tǒng)，被配置成接收第一電壓；模擬子系統(tǒng)，被配置成接收第二電壓且耦合到所述輸入/輸出子系統(tǒng)；第一數(shù)字子系統(tǒng)，被配置成接收第三電壓且耦合到所述輸入/輸出子系統(tǒng)；第二數(shù)字子系統(tǒng)，被配置成接收第四電壓且耦合到所述輸入/輸出子系統(tǒng)、第一數(shù)字子系統(tǒng)和模擬子系統(tǒng)；其中第一數(shù)字子系統(tǒng)包括與第一時間延遲相關(guān)聯(lián)的第一關(guān)鍵路徑；第二數(shù)字子系統(tǒng)包括與第二時間延遲相關(guān)聯(lián)的第二關(guān)鍵路徑；第三電壓至少基于與第一時間延遲相關(guān)聯(lián)的信息來確定；第四電壓至少基于與第二時間延遲相關(guān)聯(lián)的信息來確定。
15.如權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，還包括第一自適應電源，被配置成接收輸入電壓以及產(chǎn)生第三電壓；第二自適應電源，被配置成接收所述輸入電壓以及產(chǎn)生第四電壓。
16.如權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其中第一數(shù)字子系統(tǒng)被配置成接收與時鐘頻率相關(guān)聯(lián)的時鐘信號；第一自適應電源還被配置成至少基于與第一頻率和所述時鐘頻率的比較相關(guān)聯(lián)的信息來調(diào)整第三電壓。
17.一種用于自適應提供電源電壓的方法，所述方法包括確定輸入/輸出組件、模擬組件和數(shù)字組件，所述輸入/輸出組件、模擬組件和數(shù)字組件是系統(tǒng)的部件；處理與所述數(shù)字組件相關(guān)聯(lián)的信息；至少基于與所述數(shù)字組件相關(guān)聯(lián)的信息來確定多個數(shù)字塊，所述數(shù)字組件包括所述多個數(shù)字塊，所述多個數(shù)字塊中的每個至少包括一部分數(shù)字電路；處理與所述多個數(shù)字塊相關(guān)聯(lián)的信息；至少基于與所述多個數(shù)字塊相關(guān)聯(lián)的信息來確定與分別對應于所述多個數(shù)字塊的多個關(guān)鍵路徑相關(guān)聯(lián)的多個信號時間延遲；處理與所述多個信號時間延遲相關(guān)聯(lián)的信息；至少基于與所述多個信號時間延遲相關(guān)聯(lián)的信息來形成多個數(shù)字子系統(tǒng)，所述多個數(shù)字子系統(tǒng)的每個包括一個或多個數(shù)字塊；分別向所述多個數(shù)字子系統(tǒng)提供多個電源；其中所述多個數(shù)字子系統(tǒng)的每個包括與時間延遲相關(guān)聯(lián)的關(guān)鍵路徑；所述多個電源中的每個輸出第一電壓到所述多個數(shù)字子系統(tǒng)的相應一個；第一電壓至少基于與相應時間延遲相關(guān)聯(lián)的信息來確定。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，還包括提供第二電源電壓到模擬子系統(tǒng)，所述模擬子系統(tǒng)包括所述模擬組件；提供第三電源電壓到輸入/輸出子系統(tǒng)，所述輸入/輸出子系統(tǒng)包括所述輸入/輸出組件。
19.如權(quán)利要求17所述的方法，還包括提供信號連接，所述信號連接被配置成在所述多個數(shù)字子系統(tǒng)中的兩個數(shù)字子系統(tǒng)之間輸運多個數(shù)字信號。
20.如權(quán)利要求17所述的方法，還包括接收第一電壓；至少基于與第一電壓相關(guān)聯(lián)的信息來產(chǎn)生第一信號，第一信號與第一頻率和第一周期有關(guān)；接收與第一頻率相關(guān)聯(lián)的第一信號以及與第二頻率相關(guān)聯(lián)的第二信號；比較第一頻率和第二頻率，以至少確定第一頻率和第二頻率是否相等；如果第一頻率和第二頻率不相等，則產(chǎn)生第三信號；處理與第三信號相關(guān)聯(lián)的信息；至少基于與第三信號相關(guān)聯(lián)的信息來產(chǎn)生第一電壓，所述產(chǎn)生第一電壓的步驟包括在第一頻率和第二頻率不相等的條件下調(diào)整第一電壓；其中所述多個數(shù)字子系統(tǒng)的相應一個被配置成接收與時鐘頻率相關(guān)聯(lián)的時鐘信號，所述時鐘頻率等于第二頻率；第一周期大于或等于所述相應的時間延遲。
全文摘要
一種用于自適應提供電源電壓的系統(tǒng)與方法。該系統(tǒng)包括輸入/輸出子系統(tǒng)，被配置成接收第一電壓；模擬子系統(tǒng)，被配置成接收第二電壓且耦合到輸入/輸出子系統(tǒng)；第一數(shù)字子系統(tǒng)，被配置成接收第三電壓且耦合到輸入/輸出子系統(tǒng)；以及第二數(shù)字子系統(tǒng)，被配置成接收第四電壓且耦合到輸入/輸出子系統(tǒng)、第一數(shù)字子系統(tǒng)和模擬子系統(tǒng)。此外，該系統(tǒng)包括第一自適應電源，被配置接收輸入電壓以及產(chǎn)生第三電壓；以及第二自適應電源，被配置接收所述輸入電壓以及產(chǎn)生第四電壓。
文檔編號H01L27/00GK1932719SQ20051002976
公開日2007年3月21日 申請日期2005年9月15日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月15日
發(fā)明者羅文哲, 歐陽雄, 陳鋒 申請人:中芯國際集成電路制造(上海)有限公司