專利名稱：集成電路核的電源裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā) 明涉及集成電路核的電源裝置，具體但不限于多電源域的集成電路。
背景技術(shù)：
當(dāng)前正進(jìn)行的集成電路特征尺寸的小型化對芯片尺寸、性能和功耗具有重大影 響。伴隨科技的每一次進(jìn)步，因?yàn)楦痰木w管溝道長度、更低的閾值電壓和降低的柵極氧 化物厚度，電路性能得以提高。然而，由于增加的亞閾值泄露和柵極氧化物隧道電流，這些 尺寸的降低導(dǎo)致了增加的功率泄露。對于90nm和更小的工藝(指最小的特征尺寸，例如溝 道長度)，泄露功率在很多應(yīng)用中和動(dòng)態(tài)開關(guān)電源一樣重要。為了降低市場開發(fā)時(shí)間，現(xiàn)代大的系統(tǒng)芯片(片上系統(tǒng)SoC)利用被稱為核的預(yù)設(shè) 計(jì)和預(yù)驗(yàn)證邏輯塊進(jìn)行設(shè)計(jì)。SoC中的電源域包括一個(gè)或多個(gè)這樣的核。為了最小化功耗， 大SoC需要有效的電源管理。出于這個(gè)目的，在實(shí)際中很普遍地給SoC中的每個(gè)電源域裝 備電源開關(guān)以實(shí)現(xiàn)電源選通功能?；赟oC中的活動(dòng)度和來自電源域的數(shù)據(jù)處理，電源域 可以通過電源開關(guān)個(gè)別地關(guān)閉。在這種方式下，對于關(guān)閉的電源域來說泄露功率是最小的， 因此，導(dǎo)致了整個(gè)功耗的節(jié)約。電源管理單元實(shí)現(xiàn)了關(guān)閉和打開SoC的電源域的控制功能。圖1圖示了作為具有電源選通功能的SoC的部分的示例電源域。對于核N，該核的 電源開關(guān)被標(biāo)記為SN。每一個(gè)核由主電源線10供電。它的電源連接在主電源10和地12 之間，所述電源具有在主電源線10和每一個(gè)核N的各自的電源節(jié)點(diǎn)14,之間的電源開關(guān)S。 這種電源管理方法適合數(shù)字、模擬或混合信號核。電源管理單元(PMU) 16控制電源域；其以 單輸出示意性示出?？梢杂卸郟MU，并且它們可以具有多控制輸出。當(dāng)電源域被選通時(shí)，電路放電到參考電位，從而非活動(dòng)電源域的電荷不會被有效 利用。具有更高能效的方法是將該電荷重用于功能性操作，其導(dǎo)致了對于便攜式應(yīng)用或傳 感器網(wǎng)絡(luò)的增強(qiáng)的自治。當(dāng)利用圖1圖示的方法給核加電時(shí)，典型地只有來自電源管理單元(PMU) 16的部 分功率被用來給核充電(或上電)。功率的剩余部分被消耗在了加熱開關(guān)上。給核充電的 更好的方法是逐級充電。這種方法的可能與否取決于給核上電的可用時(shí)間量。Pakbaznia E.的 Charge Recycling in MTCMOS Circuits.Concept and Analysis, DAC2006描述了對于電源域的電荷循環(huán)方法。該方法降低了當(dāng)在電源域的活動(dòng) 和休眠模式之間的切換時(shí)的能量，例如，利用電荷循環(huán)以降低在兩個(gè)獨(dú)立電源域的活動(dòng)到 休眠和休眠到活動(dòng)的轉(zhuǎn)變期間的切換功耗。該方法的使用很受限，因?yàn)橹辉诋?dāng)不同的核在 約同一時(shí)間被設(shè)置為休眠(電源關(guān)閉)和活動(dòng)(電源開啟)時(shí)應(yīng)用它有意義。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，提供了用于供電給芯片的核的電源裝置，所述電源裝置包括電源控制器，所述電源控制器控制對核的供電；dc-dc轉(zhuǎn)換器裝置，所述dc-dc轉(zhuǎn)換器裝置連接到高電源線；和
開關(guān)裝置，所述開關(guān)裝置被連接為在電源控制器控制下，核可以由來自高電源線 的功率供電或由來自dc-dc轉(zhuǎn)換器裝置的功率供電，其中電源裝置可操作在以下狀態(tài)活動(dòng)狀態(tài)，其中核由來自高電源線的的功率供電；喚醒狀態(tài)，其中核由來自dc-dc轉(zhuǎn)換器裝置的功率供電；和關(guān)閉電荷循環(huán)狀態(tài)，其中核為dc-dc轉(zhuǎn)換器裝置提供電荷。在該裝置中，核可以被控制，從而通過dc-dc轉(zhuǎn)換器裝置提供電荷循環(huán) 。在核的關(guān) 閉期間，dc-dc轉(zhuǎn)換器將存在于核的電源節(jié)點(diǎn)上的電荷傳送到主電源。在此狀態(tài)下的dc-dc 轉(zhuǎn)換器裝置提供將變化的(下降的)輸入電壓轉(zhuǎn)換為固定輸出電壓的功能。dc-dc轉(zhuǎn)換器裝置也用來喚醒核。在這種情況下，到dc-dc轉(zhuǎn)換器的輸入電壓是常 量，并且輸出電壓斜線上升。這種斜線上升可以被控制以提供核的有效電源啟動(dòng)。以這種方式，本發(fā)明提供了適合于高能效的電路操作的電荷循環(huán)電路實(shí)現(xiàn)方式。 其重利用存儲在被關(guān)閉電源的核中的能量，以供活動(dòng)的其它核使用。本發(fā)明避免了施加到 電源開啟/關(guān)閉轉(zhuǎn)換的時(shí)間限制，且提供了一種模塊化的、靈活的和高效的解決方案。核一般是電源選通電源域，并且在關(guān)閉狀態(tài)下，來自核的電荷被傳送到SoC的主 電源，從而電荷可以用來在(多核芯片的)其它活動(dòng)的電源域執(zhí)行功能性操作。電荷循環(huán)單元可以部分或全部集成在芯片中。本發(fā)明利用電荷循環(huán)的原理在電源選通電源域中提升高能效的芯片操作。dc-dc 轉(zhuǎn)換器用來實(shí)現(xiàn)電荷循環(huán)和高效電源啟動(dòng)。電源裝置還優(yōu)選地操作在待機(jī)狀態(tài)。在該狀態(tài)下，核可以由來自dc-dc轉(zhuǎn)換器的 功率供電，或它可以與電源完全斷開。如果要在核中維持待機(jī)電壓，則可以以已知的方式進(jìn) 行穩(wěn)壓。dc-dc轉(zhuǎn)換器裝置可以包括電感性轉(zhuǎn)換器，所述電感性轉(zhuǎn)換器具有電感器，所述電 感器具有在關(guān)閉電荷循環(huán)狀態(tài)期間在能量級別之間循環(huán)切換的接線端?？蛇x地，dc-dc轉(zhuǎn)換器可以包括電容性轉(zhuǎn)換器。可以利用組合。電源裝置優(yōu)選地進(jìn)一步包括將核電源電壓與閾值值相比較的閾值檢測電路，其中 閾值確定關(guān)閉電荷循環(huán)狀態(tài)何時(shí)完成。例如，閾值檢測電路的輸出被提供給控制dc-dc轉(zhuǎn) 換器裝置操作的邏輯電路。開關(guān)裝置可以包括在電源線之一和核之間與核串聯(lián)的核電源開關(guān)，和在dc-dc轉(zhuǎn) 換器裝置的輸出和核之間的電荷循環(huán)開關(guān)。本發(fā)明還提供了一種片上系統(tǒng)，所述片上系統(tǒng)包括多個(gè)核和本發(fā)明的電源裝置。 每一個(gè)核可以有各自的dc-dc轉(zhuǎn)換器裝置和各自的開關(guān)裝置。電源控制器可以共用，或者 每一個(gè)核使用一個(gè)電源控制器。本發(fā)明還提供了一種供電給芯片核的方法，所述方法包括在核的活動(dòng)狀態(tài)，用來自高電源線的功率給核供電；在核的喚醒狀態(tài)，提供來自dc-dc轉(zhuǎn)換器裝置的功率，以便為活動(dòng)狀態(tài)做準(zhǔn)備；和在關(guān)閉電荷循環(huán)狀態(tài)，將核耦合到dc-dc轉(zhuǎn)換器裝置，從而當(dāng)核電源電壓下降時(shí)， 核將電荷提供給dc-dc轉(zhuǎn)換器。dc-dc轉(zhuǎn)換器裝置將電荷提供給高電源線，以實(shí)現(xiàn)電荷循環(huán)。


參照附圖，本發(fā)明的示例將被詳細(xì)描述，其中圖1圖示了作為具有電源選通功能的SoC的部分的電源域的已知示例；圖2以示意性形式圖示了本發(fā)明的系統(tǒng)的概要圖；圖3圖示了核的電源狀態(tài)的簡單狀態(tài)圖；圖4圖示了在圖2的系統(tǒng)中使用的電荷循環(huán)單元的實(shí)施例；圖5圖示了電荷循環(huán)配置中的使用電感性dc-dc轉(zhuǎn)換器的電荷循環(huán)單元的實(shí)現(xiàn)；圖6以圖6所示的波形圖示了瞬時(shí)仿真結(jié)果；圖7圖示了基于電容性電壓倍增器的轉(zhuǎn)換器；圖8圖示了圖7的電路的簡單化版本；和圖9圖示了使用圖7中圖示的電容性轉(zhuǎn)換器的電荷循環(huán)過程的仿真波形。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提供用于給芯片的核供電的電源裝置。dc-dc轉(zhuǎn)換器裝置用于為活動(dòng)狀 態(tài)做準(zhǔn)備的喚醒狀態(tài)和關(guān)閉電荷循環(huán)狀態(tài)，在所述關(guān)閉電荷循環(huán)狀態(tài)中，核將電荷提供給 dc-dc轉(zhuǎn)換器裝置。dc-dc轉(zhuǎn)換器裝置將電荷發(fā)送到主電源。因此，dc-dc轉(zhuǎn)換器裝置提供 以一種高效方式控制核的電源開啟和控制核的電源關(guān)閉的功能以實(shí)現(xiàn)電荷循環(huán)。在活動(dòng)狀 態(tài)，核由來自高電源線的電源供電。圖2以示意性形式圖示了本發(fā)明的系統(tǒng)的概要圖。只圖示了一個(gè)核20(核η)。通過電源開關(guān)Sn (22)從主電源24對核20供電。另外，通過電荷循環(huán)開關(guān)Scn (28) 將電荷循環(huán)單元26連接到核20的電源輸入。從主電源24對電荷循環(huán)單元26供電。在電源管理單元32的最終控制下，由來自電源控制總線30的命令控制這兩個(gè)開關(guān)。圖3圖示了核η的電源狀態(tài)的簡化狀態(tài)圖。所述狀態(tài)是核可操作的活動(dòng)狀態(tài)、當(dāng)對 核關(guān)閉電源時(shí)使用的電荷循環(huán)狀態(tài)、核電源關(guān)閉的待機(jī)狀態(tài)和對核啟動(dòng)電源的喚醒狀態(tài)。在活動(dòng)狀態(tài)期間，開關(guān)Sn接通，核執(zhí)行其正常功能(核的輸入和輸出未圖示)。當(dāng) 要對核關(guān)閉電源時(shí)，Sn打開，電荷循環(huán)開關(guān)Scn接通，電荷循環(huán)狀態(tài)開始。在這個(gè)狀態(tài)中，存儲在核的電容中的電荷被泵送回電源。否則，這些電荷根據(jù)核中 的泄露機(jī)制會泄露到地。在核電源放電完成到所需的電平(VL)之后，核進(jìn)入待機(jī)模式，其 中Sn保持打開，Scn可以選擇為打開或閉合。所需的VL電平檢測(用于確定核的狀態(tài))是電荷循環(huán)單元26的一部分。特別地， 通過觀察核電源電壓獲得電壓電平VL。因此，從主電源獲得VL，無須附加參考電壓源；在閾 值電壓檢測部分(例如如在下面將描述的圖5和圖7中圖示)處理VL。在核進(jìn)入待機(jī)模式之后或在電荷循環(huán)模式期間，很有可能需要核進(jìn)入活動(dòng)狀態(tài)。 因此，電荷循環(huán)狀態(tài)和待機(jī)狀態(tài)均可以轉(zhuǎn)變?yōu)閱拘褷顟B(tài)。如果核必須在很短的時(shí)間內(nèi)充電， Scn立即打開并且Sn立即閉合。如果核必須在有限時(shí)間內(nèi)以高效的方式充電，則可以通過 電荷循環(huán)單元逐級充電，然后可以打開Scn并且閉合Sn。核的這些不同的可能的充電或電 源開啟過程是喚醒狀態(tài)的一部分。
應(yīng)注意到，圖2圖示了頂部電源開關(guān)(即在核和主電源線之間)?？梢允褂玫撞侩?源開關(guān)(即在核和地線之間)。以相對應(yīng)的方式放置開關(guān)Sen。也可以使用頂部開關(guān)和底 部開關(guān)兩者，以及使用一個(gè)或兩個(gè)電荷循環(huán)開關(guān)Sen。在所有的情況下，存儲在核中的能量在電源關(guān)閉期間被循環(huán)并且被回饋到主電 源，并且在進(jìn)入活動(dòng)狀態(tài)之前的喚醒狀態(tài)期間，使用開關(guān)Scn來高效地對核開啟電源。圖4圖示了電荷循環(huán)單元26的實(shí)施例。此外，在電源管理單元的最終控制下，由 來自電源控制總線30的命令控制所述單元。在單個(gè)SoC中，可以有多于一個(gè)這樣的電荷循環(huán)單元26。所述單元包括控制dc-dc 轉(zhuǎn)換器42的電源控制器40。除dc-dc轉(zhuǎn)換器42之外，提供閾值檢測單元44，所述閾值檢 測單元44有助于感測核電源停止/開始/繼續(xù)電荷循環(huán)。轉(zhuǎn)換器42由主電源24供電，所述主電源典型地具有常量電源電壓。dc-dc轉(zhuǎn)換器 可以是電容性的或電感性的或混合的。在電源開啟期間提供給核的電壓可以在主電源值和地電位之間，依賴于核電源的 充電狀態(tài)而改變。因此，dc-dc轉(zhuǎn)換器具有常量輸入和可變的可控輸出電壓。已知如果電 壓轉(zhuǎn)換比率改變，則電容性dc-dc轉(zhuǎn)換器不能有效操作，但它們呈現(xiàn)出低面積和完全集成 在單個(gè)管芯中的優(yōu)勢。電感dc-dc性轉(zhuǎn)換器更高效但它們很難全部集成在芯片上。電荷循環(huán)單元26可以被多個(gè)核共用，或每一個(gè)核可以具有一個(gè)專有的電荷循環(huán) 單元?？梢詥为?dú)激活每一個(gè)電荷循環(huán)單元。圖5圖示了在電荷循環(huán)配置中，使用電感性dc-dc轉(zhuǎn)換器的電荷循環(huán)單元的實(shí)現(xiàn)。圖5未圖示電源控制器，但假設(shè)控制器已經(jīng)發(fā)出指令啟動(dòng)電荷循環(huán)。以具有初始電壓Vcore = 1. 2v的InF電容器50來模擬核。dc-dc轉(zhuǎn)換器自身由 開關(guān)MPO和MNO和用來驅(qū)動(dòng)開關(guān)的NOR門52和線圈Lo構(gòu)成。柵極的更復(fù)雜的控制可以用來獲得更高效的轉(zhuǎn)換。以時(shí)鐘頻率Vclk(施加到NOR 門的一個(gè)輸入的時(shí)鐘信號)進(jìn)行開關(guān)。使用跟隨有緩沖器54的高度不對稱反相器(MPl和麗1)實(shí)現(xiàn)閾值檢測。將閾值 檢測信號施加到NOR門的另一輸入?？赏ㄟ^觀察在閾值檢測部分的核電源電壓獲得核的待機(jī)電壓電平VL。例如，晶體 管MPl和MNl形成反相器，所述反相器輸出邏輯“0”直到它的輸入(核電壓)在反相器的 開關(guān)閾值之下。當(dāng)核電壓低于反相器的開關(guān)閾值電壓時(shí)達(dá)到VL。因此，當(dāng)閾值檢測信號為低且時(shí)鐘信號為低時(shí)，NOR門輸出僅為高。當(dāng)閾值檢測信 號為高時(shí)，NOR門輸出是常值(低)。當(dāng)閾值檢測信號為低時(shí)，NOR門輸出隨時(shí)鐘信號周期 變化，從而以循環(huán)方式控制dc-dc轉(zhuǎn)換器。通過常量電壓源VO模擬主電源。 在圖6中以波形形式圖示瞬時(shí)仿真結(jié)果。第一(頂部)波形描述了電感器Lo的電流。第三波形描述了流入主電源Vdd的 電流，第二波形描述了它的時(shí)間積分，其代表了循環(huán)電荷。第四波形描述了在NOR門的輸出處的柵極電壓Vgate。第五波形描述了時(shí)鐘信 號Vclk，其被施加到NOR門的一個(gè)輸入。最后一個(gè)(第六)波形描述了閾值檢測信號 VThresholdDetect (其是在約800ns處從0切換到1的信號60)及緩沖器輸入電壓(衰減波形62)和閾值64。循環(huán)功能在800ns處結(jié)束，此時(shí)Vcore達(dá)到在待機(jī)模式期間通過dc-dc轉(zhuǎn)換器施加到核的電壓電平。在這種情況下，由反相器MPl-MNl的內(nèi)部邏輯電平(或開關(guān)閾值)確定待機(jī)電壓 電平。從主電源和MPl-MNl的晶體管特性得到該電壓。即使利用這種簡單的轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)，仿真表明能量轉(zhuǎn)換效率高于90%。電感性轉(zhuǎn)換器的主要缺陷是對電感器的要求。在很多情況下，不可能將其集成到 芯片上。這導(dǎo)致了系統(tǒng)成本的提高。上述缺陷可以通過使用電容性dc-dc轉(zhuǎn)換器以效率的 代價(jià)克服。有很多類型的電容轉(zhuǎn)換器，它們可以被制造得相當(dāng)復(fù)雜，以提升效率。圖7圖示了用于電荷循環(huán)狀態(tài)的基于電壓倍增器的轉(zhuǎn)換器。當(dāng)然，用于dc-dc轉(zhuǎn) 換器的電壓三倍器或任何其它普通電壓多倍器均可使用。當(dāng)將VL的值選定為VDD電壓的一半時(shí)，這意味著如果核電壓開始在滿電源電壓， 核只能放電到電源電壓的一半。這意味著存儲在核中的能量只有75%可以循環(huán)。依賴于核 的電壓，可以使用利用不同乘法因子的轉(zhuǎn)換器以獲得更高的效率。與電感性轉(zhuǎn)換器相比，電容性轉(zhuǎn)換器相當(dāng)復(fù)雜。圖7未圖示電源控制器，但再次假 設(shè)控制器已經(jīng)發(fā)出指令來啟動(dòng)電荷循環(huán)。能量存儲元件是Co。其它電容器被用來提供對用 在轉(zhuǎn)換器中使用的開關(guān)的柵極電壓的升壓。晶體管MPO和MNO控制電容器Co的充電和放電。這些晶體管的柵極通過邏輯電 路控制，所述邏輯電路在示例中示為包括NAND門70。所述NAND門具有時(shí)鐘信號和來自閾 值檢測電路的閾值檢測信號作為輸入。因此，當(dāng)閾值檢測信號為高時(shí)，利用與時(shí)鐘信號反相 的信號來選通晶體管。這實(shí)現(xiàn)了對dc-dc轉(zhuǎn)換的循環(huán)電荷泵送操作。核電源電壓被驅(qū)動(dòng)到 主電源電壓的一半，且多余電荷被返回到主電源。圖7的電路周期性地將電容Co在與核電容(Vdd和地之間)串聯(lián)和與核電容并聯(lián) 之間切換。圖8是圖7的簡單化示意圖，用于解釋電路操作。dc-dc轉(zhuǎn)換器是部分80，閾值檢 測是部分82。在dc-dc轉(zhuǎn)換器中，開關(guān)SO代表電容器Co的底部和地之間的晶體管ΜΝ0。開 關(guān)Sl代表晶體管麗2和MP2的功能。開關(guān)S2代表晶體管麗1和MPl的功能。開關(guān)S3代 表電容器Co的頂部與電源Vdd之間的晶體管ΜΡ0。在φ 1階段，開關(guān)Sl和SO閉合，S2和S3打開。Co與Ccore并聯(lián)，從而Co被充電 到Vcore，實(shí)現(xiàn)在兩個(gè)電容之間的電荷共享。在Cp2階段，開關(guān)S2和S3閉合，SO和Sl打開。Co與Ccore串聯(lián)，從而Co被電源 線Vdd充電。這種充電和電荷重分布周期性地發(fā)生。閾值檢測部分82實(shí)質(zhì)上是一個(gè)電壓比較器，其可以利用圖7中示出的多級放大器 產(chǎn)生，或者由時(shí)鐘電路產(chǎn)生。具體細(xì)節(jié)與本發(fā)明無關(guān)。圖9圖示了使用圖7中圖示的電容轉(zhuǎn)換器的電荷循環(huán)過程的仿真波形。第二波形描述了流入主電源Vdd的電流，頂部波形描述了它的時(shí)間積分，其代表 了循環(huán)電荷。第三波形描述了在NAND門的輸出處的柵極電壓Vgate，其被用來控制主要電荷存 儲電容器Co的周期性的充電和放電。
最后一個(gè)(第四)波形描述了閾值檢測信號VThresholdDetect (其是在約4us處 從1切換到0的信號90)以及緩沖器輸入電壓(衰減波形92)。循環(huán)功能在4us處結(jié)束，此 時(shí)Vcore達(dá)到在待機(jī)模式期間施加到核的電壓電平。電容轉(zhuǎn)換器展示出約45%的效率。這相比電感性轉(zhuǎn)換器展示的高于90%的效率 較低，但面積相當(dāng)緊湊。用在此設(shè)計(jì)仿真中的總電容總計(jì)低于20pF。在65nm CMOs工藝中， 電路實(shí)現(xiàn)需要約0.003mm2。電感性轉(zhuǎn)換器可能需要外部線圈以獲得良好的效率。轉(zhuǎn)換器的 選擇依賴于包含在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的成本效率折衷。dc-dc轉(zhuǎn)換器的操作不再進(jìn)一步詳細(xì)描述，因?yàn)檫@不形成本發(fā)明的部分。當(dāng)然，可 以使用電感性或電容性dc-dc轉(zhuǎn)換器的很多不同設(shè)計(jì)。在所有情況下，轉(zhuǎn)換器逐步降低主 電源電壓的電壓。通過電荷流的周期性控制來實(shí)現(xiàn)這個(gè)過程。在輸出電壓降低的期間內(nèi)， 電荷流流向主電源線，提供電荷循環(huán)效果。當(dāng)電荷循環(huán)發(fā)生時(shí)，上述波形涉及電源關(guān)閉功能。在這段時(shí)間內(nèi)，核的電源電壓下 降，直到達(dá)到參考電壓。通過顛倒轉(zhuǎn)換器的 輸入和輸出的角色，可以實(shí)現(xiàn)電源開啟功能。因此，在電源關(guān)閉 周期內(nèi)，dc-dc轉(zhuǎn)換器具有可變(下降)輸出電壓和常量輸入電壓。隨著電壓的降低，存儲 電荷的下降導(dǎo)致電荷流向電源線。在電源開啟周期內(nèi)，dc-dc轉(zhuǎn)換器具有可變(上升)輸 出電壓和固定輸入電壓(電源線電壓)。不詳細(xì)描述在喚醒狀態(tài)期間實(shí)現(xiàn)的電源開啟功能，但可以獲得類似于電荷循環(huán)期 間的效率。在喚醒狀態(tài)下，使用電壓下降轉(zhuǎn)換來將核充電到需要的電平。例如，電壓平分電路 可以用來將核充電到一半Vdd電平?？梢酝ㄟ^不同的電路實(shí)現(xiàn)到用于電荷循環(huán)的dc-dc轉(zhuǎn) 換器。以這種方式，待機(jī)電壓VL不必限制為與用于高效電源開啟的電壓(在此示例中是電 源電壓Vdd的一半)相同。可以使用與dc-dc轉(zhuǎn)換器技術(shù)有關(guān)的不同值。事實(shí)上，在喚醒 狀態(tài)期間將核充電到比Vdd的一半更高的電壓是更高能效的。這可以通過選擇用于下降轉(zhuǎn) 換dc-dc轉(zhuǎn)換器的輸出的不同值來實(shí)現(xiàn)。實(shí)際上，在電源開啟周期內(nèi)可以以不同的方式控制用于電源開啟的dc-dc轉(zhuǎn)換 器，以貢獻(xiàn)最高效的電源開啟周期。在上述示例中，在將主電源線切換到核之前，dc-dc轉(zhuǎn) 換器提供單一中間輸出電壓，將核充電到該中間輸出電壓。然而，可以將dc-dc轉(zhuǎn)換器控制 為在具有因時(shí)而異的功能的核處提供多級電壓電平?？梢曰趯碎_啟電源的可用時(shí)間選 定電源開啟周期的效率。對不同的核，電平可以不同并且可以被調(diào)整?？梢詫⒏唵蔚膁c-dc轉(zhuǎn)換器用于電源開啟功能，例如簡單電容器網(wǎng)絡(luò)。兩個(gè) dc-dc轉(zhuǎn)換器可以一起被看作“dc-dc電壓轉(zhuǎn)換器裝置”。在電源開啟階段的輸出電壓可以 獨(dú)立于電源關(guān)閉階段的待機(jī)電壓。例如，電源開啟階段的輸出電壓可以為例如2Vdd/3或 3Vdd/40未給出用于電源開啟功能的更簡單dc-dc轉(zhuǎn)換器的詳細(xì)設(shè)計(jì)，因?yàn)檫@對于本領(lǐng)域 的技術(shù)人員來說是已知的。當(dāng)然，通過顛倒dc-dc轉(zhuǎn)換器的輸入/輸出指定，同樣的轉(zhuǎn)換器 可以用于上述提及的功能。本發(fā)明提供增強(qiáng)的電路自治。無需附加的計(jì)算勞動(dòng)就能夠?qū)崿F(xiàn)簡單的電源控制功 能。電源開啟和電源關(guān)閉切換的時(shí)間選擇行為也因此而不受限制。
本發(fā)明提供了可升級的解決方案，支持多電源域芯片。可以使用多個(gè)電荷循環(huán)單 元實(shí)現(xiàn)獨(dú)立電源域的同時(shí)電荷循環(huán)。在 電容性電荷循環(huán)單元的條件下，全部集成到SoC中是可能的。本發(fā)明可以以 低面積開銷實(shí)現(xiàn)，并且與傳統(tǒng)電源開關(guān)實(shí)現(xiàn)兼容；因此在使用的電源開關(guān)類型上沒有限制 (頭部或底部)。本發(fā)明可以用于單個(gè)核芯片，并且它提供了高效電源開啟，以及在電源關(guān)閉期間， 電荷返回電源以供其它電路使用。然而，本發(fā)明特別適合于任何多域IC。在那些使用多個(gè) 電源域且需要低功率的IC中，它特別有用。本發(fā)明特別適合需要不頻繁核操作的應(yīng)用，例如用于周期性傳感器測量。各種修改對本領(lǐng)域的技術(shù)人員是顯而易見的。
權(quán)利要求
1.一種對芯片的核(20)供電的電源裝置，所述電源裝置包括 電源控制器(40)，所述電源控制器控制對核(20)的供電；dc-dc轉(zhuǎn)換器裝置(42)，所述dc-dc轉(zhuǎn)換器裝置(42)連接到高電源線(24)；和 開關(guān)裝置(22，28)，所述開關(guān)裝置(22，28)被連接為在電源控制器(40)的控制下，由 來自高電源線(24)的功率對核供電，或由來自dc-dc轉(zhuǎn)換器(42)的功率對核供電， 其中電源裝置能夠在以下狀態(tài)下操作 活動(dòng)狀態(tài)，其中由來自高電源線(24)的功率對核(20)供電； 喚醒狀態(tài)，其中由來自dc-dc轉(zhuǎn)換器裝置(42)的功率對核(20)供電，從而為活動(dòng)狀態(tài) 做準(zhǔn)備；和關(guān)閉電荷循環(huán)狀態(tài)，其中核為dc-dc轉(zhuǎn)換器裝置(42)提供電荷。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中電源裝置能夠在關(guān)閉狀態(tài)之后操作于待機(jī)狀態(tài)。
3.如前述任一權(quán)利要求所述的裝置，其中dc-dc轉(zhuǎn)換器裝置(42)包括電感性dc-dc轉(zhuǎn) 換器或電容性dc-dc轉(zhuǎn)換器，或它們的組合。
4.如前述任一權(quán)利要求所述的裝置，進(jìn)一步包括用于比較核電源電壓和閾值的閾值檢 測電路(44)，其中所述閾值確定關(guān)閉電荷循環(huán)狀態(tài)何時(shí)完成。
5.如權(quán)利要求4所述的裝置，其中將閾值檢測電路(44)的輸出提供給控制dc-dc轉(zhuǎn)換 器裝置的操作的邏輯電路(52，70)。
6.如前述任一權(quán)利要求所述的裝置，其中開關(guān)裝置包括在高電源線和低電源線之一 與核之間與核(20)串聯(lián)的核電源開關(guān)(22)，和在dc-dc轉(zhuǎn)換器裝置(42)的輸出與核(20) 之間的電荷循環(huán)開關(guān)。
7.一種片上系統(tǒng)，所述片上系統(tǒng)包括多個(gè)核(20)和如前述任一權(quán)利要求中所述的電 源裝置。
8.如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中每一個(gè)核(20)具有各自的dc-dc轉(zhuǎn)換器裝置(42) 和各自的開關(guān)裝置(22，28)。
9.如前述任一權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中dc-dc轉(zhuǎn)換器裝置包括用于喚醒狀態(tài)的第一 dc-dc轉(zhuǎn)換器和用于關(guān)閉電荷循環(huán)狀態(tài)的第二 dc-dc轉(zhuǎn)換器。
10.一種對芯片的核供電的方法，所述方法包括在核的活動(dòng)狀態(tài)，用來自高電源線(24)的功率給核(20)供電； 在核的喚醒狀態(tài)，從dc-dc轉(zhuǎn)換器裝置(42)供電，從而為活動(dòng)狀態(tài)做準(zhǔn)備；和 在關(guān)閉電荷循環(huán)狀態(tài)，將核(20)耦合到dc-dc轉(zhuǎn)換器(42)，從而當(dāng)核電源電壓下降時(shí)， 核提供電荷給dc-dc轉(zhuǎn)換器裝置(42)。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，進(jìn)一步包括 在關(guān)閉狀態(tài)完成后，將核(20)置于待機(jī)狀態(tài)。
12.如權(quán)利要求10或11所述的方法，進(jìn)一步包括比較核電源電壓和閾值，其中所述閾 值確定關(guān)閉電荷循環(huán)狀態(tài)何時(shí)完成。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其中將閾值比較的輸出提供給控制dc-dc轉(zhuǎn)換器的操 作的邏輯電路(52，70)。
14.如權(quán)利要求10到13中的任意一個(gè)所述的方法，所述方法對片上系統(tǒng)的多個(gè)核 (20)供電。
15.如權(quán)利要求10到14中的任意一個(gè)所述的方法，其中在核的喚醒狀態(tài)下，從dc-dc 轉(zhuǎn)換器裝置(42)的第一 dc-dc轉(zhuǎn)換器供電，在關(guān)閉電荷循環(huán)狀態(tài)下，將核(20)耦合到 dc-dc轉(zhuǎn)換器裝置(42)的第二 dc-dc轉(zhuǎn)換器。
全文摘要
一種用于對芯片的核供電的電源裝置。dc-dc轉(zhuǎn)換器裝置用于為活動(dòng)狀態(tài)做準(zhǔn)備的核的喚醒狀態(tài)，和核供電給dc-dc轉(zhuǎn)換器的關(guān)閉電荷循環(huán)狀態(tài)。因此，dc-dc轉(zhuǎn)換器裝置提供以高效方式控制核的電源開啟和核的電源關(guān)閉以實(shí)現(xiàn)電荷循環(huán)的功能。在活動(dòng)狀態(tài)下，由來自高電源線的功率對核供電。
文檔編號H02M3/07GK102035367SQ20101029353
公開日2011年4月27日 申請日期2010年9月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月28日
發(fā)明者倫澤·I·M·P·邁耶, 哈里什·昆德·薩布拉馬尼亞恩 申請人:Nxp股份有限公司