專利名稱：功率控制與切換電軌分析電路、電源連接電軌的控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及功率控制電路、芯片上切換電軌分析電路，以及電源連 接至芯片上切換電軌的控制方法。
背景技術(shù)：
提供包括經(jīng)由開關(guān)塊連接至切換電軌(power rail)的電軌的電路 已為人已知。電路塊則可配置以從切換電軌汲取其電力。開關(guān)塊可提供 作為標頭(header)開關(guān)塊，用于連接供應(yīng)電壓軌至切換供應(yīng)電壓軌；或 可為標尾(footer)開關(guān)塊，用于連接接地電壓軌與切換接地電壓軌。確 實， 一些電路可包括標頭開關(guān)塊及標尾開關(guān)塊兩者。開關(guān)塊典型地使用 高閾值晶體管構(gòu)成，且可用來將切換電軌與主電軌隔離，且因此將相關(guān) 電路塊與電源隔離。這在減少電路內(nèi)的功率消耗方面有用，例如通過減 少通過其的靜態(tài)泄漏電流。
各種開關(guān)塊的操作典型地受開關(guān)控制器控制，且所述開關(guān)控制器典 型地將控制具有關(guān)于開關(guān)塊的預(yù)期特征的開關(guān)塊的操作，例如預(yù)期開啟 時間、關(guān)閉時間等等。然而，開關(guān)塊的實際特征將取決于制造中的工藝 變動、局部溫度、供應(yīng)電壓中的變動等等。若開關(guān)塊的實際特征可原處 (in situ)決定，其將能夠更有效率地管理開關(guān)塊的操作，可允許更 快速的開啟及關(guān)閉特征、較少功率消耗等等。
然而，為決定開關(guān)塊的實際特征，有用的是觀察出現(xiàn)在切換電軌上 的模擬電壓的一個或多個性質(zhì)，但難以以不侵入的方式進行這種模擬電 壓測量。模擬電壓測量典型地需要暴露切換電軌于芯片外，接著加上電 容負載且其本身影響開啟特征。另 一可能性將是尋求以發(fā)展用于布署在 芯片上的混合信號模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換器，但這種直接存取技術(shù)可能傾向于 比間接方法更危及測量。
除了使用開關(guān)塊來連接切換電軌至電源以使得相關(guān)電路塊正常操 作，或當(dāng)電路塊被關(guān)閉時將切換電軌從電源解耦合以減少功率消耗外， 開關(guān)控制器亦可以更復(fù)雜的方式控制開關(guān)塊來實現(xiàn)操作的其它模式。例如，共同受讓待審中的美國專利申請案第ll/797,497號，其全數(shù)內(nèi)容通 過引用并入本文，描迷了將狀態(tài)保持模態(tài)用于電路塊，其中開關(guān)控制器 通過開關(guān)塊調(diào)制導(dǎo)通以將所述切換電軌維持在中間電壓電平處。為了改 進這種機構(gòu)的效率，有利地將易于在特定時間點處決定關(guān)于切換電軌上 的模擬電壓的信息，因為那將會協(xié)助執(zhí)行所需調(diào)制。
因此，需要提供一種用于觀察切換電軌的簡單、有效的機構(gòu)，以使 用耦合在電源及切換電軌間的開關(guān)塊來改進功率控制。

發(fā)明內(nèi)容
從第一方面看，本發(fā)明提供功率控制電路，用于控制具有源電壓電 平的電源至用以向相關(guān)電路塊提供電力的切換電軌的連接，所述功率控 制電路包含開關(guān)塊，其用于選擇性地連接所述切換電軌至所述電源； 開關(guān)控制器，其用于控制所述開關(guān)塊的操作；環(huán)式振蕩器電路，其由所 述切換電軌供電且產(chǎn)生振蕩輸出信號；以及分析電路，其用于分析當(dāng)所
的振蕩輸出信號:頻率的改變，以及;吏得所日述開關(guān)控l器k:所述分析 控制所述開關(guān)塊的至少 一個操作方面。
根據(jù)本發(fā)明提供環(huán)式振蕩器電路，其配置成由所述切換電軌供電。 環(huán)式振蕩器電路為已知數(shù)字電路，其可由標準單元組件形成且已在現(xiàn)存 電路中用于各種目的。例如，可將環(huán)式振蕩器用于電壓/工藝/溫度及一 般硅特征的穩(wěn)態(tài)分析。確實，ARM公司已贊助由T. Burd于1990年代中期 在美國加州柏克萊大學(xué)的研究工作，其使用ARM810微處理器核，電壓及 頻率定標圍繞著此環(huán)式振蕩器方法被控制，參考例如2002年由Kluwer Academic Press出版、第7. 5. l段及第7. 20圖中所明確指出的由T D Burd 等人的"能量效率微處理器設(shè)計"。
模式期間使用。然而，根據(jù)本發(fā)明，環(huán)式振蕩器電路被配置以在當(dāng)切換 電軌未在源電壓電平時的時間周期期間內(nèi)產(chǎn)生振蕩輸出信號，如在開啟 操作、關(guān)閉操作、當(dāng)實施先前所提操作的狀態(tài)保持模式期間等等時的情 況。分析電路接著用以分析環(huán)式振蕩器電路所產(chǎn)生的振蕩輸出信號的頻 率的改變。因為環(huán)式振蕩器電路由切換電軌供電，頻率的這種改變將取
號的頻率，來推理關(guān)于在任何特定時間點處的切換電軌的狀態(tài)信息。因此，通 過所述分析可決定可用以控制開關(guān)塊的至少一個操作方面的信息。
然而在一具體實施例中，振蕩輸出信號的絕對頻率由分析電路決 定，例如參考系統(tǒng)時鐘信號，在一替代具體實施例中，振蕩輸出信號的 相對頻率可通過與附加環(huán)式振蕩器電路比較來決定。尤其，在一具體實
施例中，功率控制電路更包含附加環(huán)式振蕩器電路，其由所述電源供 電且產(chǎn)生附加振蕩輸出信號；所述分析電路通過比較振蕩輸出信號的頻 率與附加振蕩輸出信號的頻率來執(zhí)行所述分析，且根據(jù)所述比較控制所 述開關(guān)塊的至少一個操作方面。以這種方式使用附加環(huán)式振蕩器電路可 自動地補償工藝及溫度變動。
同時環(huán)式振蕩器電路可配置以在特定供應(yīng)電壓的不同速率處操作， 在一具體實施例中，所述附加環(huán)式振蕩器電路及所述環(huán)式振蕩器電路具
有相同的構(gòu)造。這進一步改進了在執(zhí)行分析時的工藝和/或溫度變動的 容差。
在一具體實施例中，所述開關(guān)塊為標頭塊，所述電源為供應(yīng)電壓軌 且所述切換電軌為切換供應(yīng)電壓軌。在一替代具體實施例中，所述開關(guān)
軌。在一些具體實施例中，可使用多個開關(guān)塊，且確實一些開關(guān)塊可為 標頭開關(guān)塊而其它開關(guān)塊為標尾開關(guān)塊。
在一具體實施例中，所述環(huán)式振蕩器電路經(jīng)由啟動信號門控，在切
換電軌上的電壓處于源電壓電平，相關(guān)電路塊正常操作期間，環(huán)式振蕩 器電路被停用以減少功率消耗。因為在切換電軌不在源電壓電平處的時 間周期期間內(nèi)環(huán)式振蕩器電路被提供用于分析的目的，故有利的是在正 常操作期間關(guān)閉那個環(huán)式振蕩器電路以減少功率消耗，且通過提供門控 環(huán)式振蕩器電路這可以很容易實現(xiàn)。
此外，可能即使在切換電軌未在源電壓電平處的時間周期期間，所 述環(huán)式振蕩器電路亦無須永久地啟動，相反所述環(huán)式振蕩器電路僅在所 述時間期間周期性啟動即足夠，這造成進一步的功率消耗減少。
路可協(xié)助控制開關(guān)塊的狀況。^^具體實^例中:i開啟開關(guān)塊的至少 部分以開始將切換電壓軌上的電壓拉至源電壓電平時，分析電路分析振 蕩輸出信號的頻率的改變，以導(dǎo)出表示所述切換電壓軌的至少一個模擬電壓性質(zhì)的信息。
所述至少 一 個^=莫擬電壓性質(zhì)可采取各種形式，且因此例如可為電壓 電平本身，或者可識別電壓隨時間改變的速率。雖然使用此具體實施例， 環(huán)式振蕩器電路在電壓穩(wěn)定前的初始啟動，通過來自環(huán)式振蕩器電路的 振蕩輸出信號的頻率特性，提供這種模擬電壓性質(zhì)的間接測量，且此可 藉由分析電路分析以產(chǎn)生用以控制開關(guān)塊的操作的信息。
開關(guān)塊受取決于由分析電路所產(chǎn)生的信息控制的方式可采取各種
啟^作期間可依序開啟。所使用的特定i列可取決于從分析電i導(dǎo)出的 信息來控制。藉由一特定實例說明，在開啟階段期間來自環(huán)式振蕩器電 路的輸出頻率的改變可用來決定切換電壓軌上電壓改變的速率，且其可 用以控制如何使用多個開關(guān)塊部分以便維持切換電壓軌的改變所需的 速率。
至于另一實例，在一個具體實施例中，所述開關(guān)塊包含多個開關(guān)塊 部分，該多個開關(guān)塊部分包括至少一個起動器開關(guān)塊部分和至少一個主 開關(guān)塊部分，且基于由分析電路執(zhí)行的分析來控制的開關(guān)塊的至少一個 操作方面，是關(guān)于何時開啟所述至少一個主開關(guān)塊部分的決定。 一旦所 述主開關(guān)塊部分已被開啟，所述切換電軌被決定為處于相關(guān)電路塊的所 需操作電壓，并因此可開始相關(guān)電路塊的正常操作。
開啟的、犬況。、^一V:體實施例中，當(dāng)關(guān)閉所述開關(guān)塊的至少一部分以 將切換電壓軌上的電壓與源電壓電平解耦合時，分析電路分析振蕩輸出 信號的頻率的改變，以導(dǎo)出表示所述切換電壓軌的至少一個模擬電壓性 質(zhì)的信息。因此，根據(jù)此具體實施例，分析電路可在切換電軌的崩潰時 間期間執(zhí)行分析?？蓪⒋诵畔⒂米髟S多目的。例如，在一個具體實施例 中，當(dāng)接著開啟開關(guān)塊以開始將切換電壓軌上的電壓拉至源電壓電平 時，所述信息被用于影響由開關(guān)控制器使用的開啟操作。例如，取決于 在關(guān)閉周期期間切換電壓軌上的模擬電壓已如何快速地改變，或當(dāng)開關(guān) 塊順序開啟時達到的實際^=莫擬電壓，開啟程序可隨著改進與在開啟程序 要起動時與切換電壓軌的模擬電壓性質(zhì)有關(guān)的開啟程序的效率的目的 而變化。這可允許比其它情況更快速地回至全功率開啟狀態(tài)。
除了使用由分析電路執(zhí)行的分析以控制開關(guān)塊的至少一個操作方面以外，亦可將所述分析用作其它目的。例如，在一個具體實施例中， 由分析電路執(zhí)行的分析還提供指示開關(guān)塊的開啟特征的診斷數(shù)據(jù)。例 如，可隨時間決定開關(guān)塊越來越費時地將切換電壓軌上的電壓拉至源電 壓電平，且此可指示開關(guān)塊的一個或多個組件的磨損。
器電路及相關(guān)分析電路以外，當(dāng)執(zhí)行需要使用開關(guān)塊^l其它操作 例: 先前所提操作的狀態(tài)保持模式時，可附加或替代地使用所述相同電路。 尤其是，在個一具體實施例中，所述切換控制器通過所述開關(guān)塊調(diào)制導(dǎo) 通以將所述切換電軌維持在中間電壓電平，所述分析電路分析所述振蕩 輸出信號及所述附加振蕩輸出信號間的頻率的差異，以導(dǎo)出指示所述切 換電壓軌的至少一個模擬電壓性質(zhì)的信息，且將所述信息輸入所述開關(guān) 控制器作為反饋信號，以調(diào)整所迷調(diào)制從而將所述中間電壓維持在預(yù)定 電壓范圍內(nèi)。
在一個具體實施例中，所述開關(guān)控制器根據(jù)反饋信號控制調(diào)制的占 空比，以將中間電壓維持在所述電壓預(yù)定范圍內(nèi)。這種具體實施例允許 橫跨可能經(jīng)受明顯工藝、電壓及溫度變動的電路范圍的調(diào)制的自適應(yīng)控制。
在一具體實施例中，反饋信號用以維持中間電壓，其具有導(dǎo)致中間 電壓的周期性變動的遲滯現(xiàn)象，例如當(dāng)橫跨相關(guān)電路塊的電壓差太低時 通過將開關(guān)塊切換至導(dǎo)通狀態(tài)，且當(dāng)橫跨相關(guān)電路塊的電壓差太高時通 過將開關(guān)塊切換至非導(dǎo)通狀態(tài)，其中這些觸發(fā)電平被隔開。
在一個具體實施例中，附加環(huán)式振蕩器電路及環(huán)式振蕩器電路系相
同構(gòu)造，所述功率控制電路還包含除法器電路，用于在頻率的差異由分 析電路決定前，修改由環(huán)式振蕩器電路產(chǎn)生的振蕩輸出信號。通過將由 環(huán)式振蕩器電路產(chǎn)生的振蕩輸出信號進行除法以實際上減少頻率，這便 于更精確地偵測到兩環(huán)式振蕩器電路的輸出間的頻率差異的改變。
在一個具體實施例中，來自所述環(huán)式振蕩器電路對的輸出可在正常 操作期間附加地使用以提供附加診斷信息。例如，在一個具體實施例中， 在相關(guān)電路塊的正常操作期間，切換電軌上的電壓由于橫跨所述開關(guān)塊 的電壓降而與源電壓電平不同，且分析電路持續(xù)比較振蕩輸出信號的頻 率與附加振蕩輸出信號的頻率，以導(dǎo)出指示所述電壓降的信息。此信息 可用于診斷目的，例如在測試硅階段以識別橫跨開關(guān)塊的電壓降。此外，例如若電壓降變成大于可接受電平時通過減少操作頻率，可用于生產(chǎn)硅 以影響電路操作。
同時本發(fā)明的具體實施例的技術(shù)可用以針對各種不同目的提供中 間電壓電平，例如用于相關(guān)電路塊在處理期間提供動態(tài)電壓定標操作， 以將相關(guān)電路塊的供應(yīng)電壓與所需時鐘頻率匹配，當(dāng)相關(guān)電路塊為靜態(tài) 時本技術(shù)亦可用于數(shù)據(jù)保持的良好效應(yīng)。根據(jù)此技術(shù)，可認為當(dāng)靜態(tài)時
可接受的橫跨電:塊的電壓差一:來保持狀態(tài)信號值。這通過使用開關(guān)控
狀:;;值，但低于正常操作電壓的電平處，其以與當(dāng)使用正常操作電 壓時若靜態(tài)的其功率消耗相比減少用于電路塊的功率消耗的方式。因 此，可減少靜態(tài)功率消耗(泄漏)而無須使用附加氣球鎖存器，且轉(zhuǎn)變回 至啟用的處理可通過在切換電軌的電壓相當(dāng)快速增加回至能支持啟用 處理后再起動所述時鐘的值來進行。
個操作方面，來自分析電路的輸出亦可用于其它目的。因此，從第二方 面看，本發(fā)明提供用以分析切換電軌的電路，所述切換電軌用以提供電 力至相關(guān)電路塊，所述切換電軌可連接至具有源電壓電平的電源，所述
電路包含開關(guān)塊，用于選擇性地連接所述切換電軌至所述電源；開關(guān) 控制器，用于控制所述開關(guān)塊的操作；環(huán)式振蕩器電路，由所迷切換電 軌供電且產(chǎn)生振蕩輸出信號；及分析電路，用于分析在當(dāng)切換電軌不在 源電壓電平的時間周期的期間內(nèi)由環(huán)式振蕩器電路所產(chǎn)生的振蕩輸出 信號的頻率的改變，以產(chǎn)生特征化所述切換電軌的至少一個模擬電壓性 質(zhì)的信息。在此具體實施例中，分析電路可設(shè)置在芯片上或芯片外。分 析所產(chǎn)生的信息例如可用作實施驗證，或用于分析功率開關(guān)電路的老化 特征(開啟特征可能因開關(guān)經(jīng)受長期使用的 一些形式的磨損而惡化)。
從第三方面看，本發(fā)明提供一種連接具有源電壓電平的電源至用以 提供電力至相關(guān)電路塊的切換電軌的控制方法，所述方法包含以下步 驟經(jīng)由開關(guān)塊選擇性地連接所述切換電軌至所述電源；從所述切換電 軌操作環(huán)式振蕩器電路以產(chǎn)生振蕩輸出信號；分析當(dāng)切換電軌不在源電
的頻率改變；j及根據(jù)所述分析控:所j開k塊的至少一個:作方面:從第四方面看，本發(fā)明提供功率控制邏輯，用于控制具有源電壓電 平的電源裝置至用以提供電力至相關(guān)電路塊裝置的切換電軌裝置的連
接，所述功率控制邏輯包含開關(guān)塊裝置，用于選擇性地連接所述切換 電軌裝置至電源裝置；開關(guān)控制器裝置，用于控制所述開關(guān)塊裝置的操 作；環(huán)式振蕩器裝置，由所迷切換電軌裝置供電，用于產(chǎn)生振蕩輸出信 號；及分析裝置，用于分析在當(dāng)切換電軌裝置不在源電壓電平處的時間 周期期間內(nèi)由環(huán)式振蕩器裝置產(chǎn)生的振蕩輸出信號的頻率的改變，且造 成開關(guān)控制器裝置根據(jù)所述分析控制所述開關(guān)塊裝置的至少一個操作 方面。


本發(fā)明將參考如附圖中說明的其具體實施例僅通過舉例進一步描 述，其中
圖1概要地說明根據(jù)本發(fā)明的 一 個具體實施例的集成電路；
圖2更詳細地說明可用于分析來自根據(jù)圖1的一具體實施例的診斷 環(huán)式振蕩器的輸出的組件；
圖3說明根據(jù)本發(fā)明的 一個具體實施例來自圖1的具體實施例的診 斷環(huán)式振蕩器的振蕩輸出信號的頻率如何隨切換電軌上的電壓變化；
圖4為 一 說明根據(jù)本發(fā)明的 一 個具體實施例使用圖1的電路所執(zhí)行
的分析操作的流程圖5為一概要地說明根據(jù)本發(fā)明的一個具體實施例由圖1的電平分 析電路所執(zhí)行的分析的時序圖6概要地說明 一根據(jù)本發(fā)明的第二具體實施例的集成電路；
圖7概要地說明根據(jù)本發(fā)明的 一個具體實施例用以在圖6的兩個環(huán) 式振蕩器的輸出間執(zhí)行差分分析的組件；
圖8為 一說明可使用圖6的電路執(zhí)行的反饋控制過程的流程圖，以根
據(jù)本發(fā)明的一個具體實施例調(diào)制主電軌至切換電軌的連接；
圖9是一說明根據(jù)本發(fā)明的一個具體實施例由圖6的差分分析電路
所執(zhí)行的分析的時序圖10為 一 概要地說明來自門控環(huán)式振蕩器的輸出信號的頻率如何
隨用于慢、典型且快電路的操作電壓變化的圖表；
圖11是一說明由圖6的差分分析電路產(chǎn)生的差分計數(shù)值如何在一用于慢、典型且快電路的特定具體實施例中變化的圖表；
圖12概要地說明一使用主電軌、虛擬電軌、標頭開關(guān)及標尾開關(guān)的
集成電路，連同調(diào)制在主電軌及虛擬電軌間的連接；
圖13是一概要地說明用于調(diào)制主供應(yīng)軌及虛擬供應(yīng)軌間的連接的
標頭開關(guān)及開關(guān)控制器的實例具體實施例的電路框圖14為一概要地說明作為圖13中所示的變化的第二具體實施例的
電路方框圖15是一說明隨著圖13的實例具體實施例中的時間變化的電壓電 平信號圖；以及
圖16為 一概要地說明可用于執(zhí)行主電軌至虛擬電軌的連接的調(diào)制 的反饋控制的流程圖。
具體實施例方式
圖1說明根據(jù)本發(fā)明的一個具體實施例的集成電路100。集成電路 100具有電路125,用于執(zhí)行由所述集成電路所需的數(shù)據(jù)處理操作，其中 電路125連接至接地軌(ground rail) 115并從切換電軌110接收其供應(yīng) 電壓。切換電軌110通過開關(guān)塊120耦合至主供應(yīng)電壓軌105 ，所述開關(guān) 塊12 O的操作由功率切換控制器13 O控制。
開關(guān)塊120可由多個分離的開關(guān)塊部分構(gòu)成，其可在開啟序列期間 獨立地啟動。在一個特定具體實施例中，開關(guān)塊120包括起動器開關(guān)塊 122,其本身可由多個開關(guān)塊部分組成，起動器開關(guān)塊122能夠在開啟過 程的初始階段期間啟動以將切換電軌110上的電壓拉向主電軌105上的 供應(yīng)電壓。 一旦切換電軌110上的電壓已達到預(yù)定電平，主開關(guān)塊124接
可將時鐘信號提供至電路125且可開始^路12 的正常操作。
' 口
如圖l中所示，功率切換控制器130包括起動器開關(guān)塊控制器135， 用于發(fā)出啟動信號至起動器開關(guān)塊122。在起動器開關(guān)塊122包括多個分 離的起動器開關(guān)塊部分的狀況下，起動器開關(guān)塊控制器可將啟動信號的 序列發(fā)出至相關(guān)起動器開關(guān)塊部分，以在開啟序列期間選擇性地開啟個 別開關(guān)塊部分。同樣地，主開關(guān)塊控制器140被提供用于向主開關(guān)塊124 供應(yīng)啟動信號。
根據(jù)本發(fā)明的第一具體實施例，提供診斷環(huán)式振蕩器165,其從切換電軌uo取得其電力。振蕩器啟動電路no設(shè)置在功率切換控制器i30
內(nèi)，用于提供啟動信號至診斷環(huán)式振蕩器165,所述診斷環(huán)式振蕩器為 門控環(huán)式振蕩器從而其無須在電路125啟用時永久開啟。
如下文中將詳述，當(dāng)開始開啟序列以開啟開關(guān)塊120并將切換電軌
110升高至主電軌i05的供應(yīng)電壓時，振蕩器啟動電路no啟動診斷環(huán)式
振蕩器165,其接著開始輸出振蕩輸出信號。所迷振蕩輸出信號通過移
切:控制器l 30:永久供電域的電^壓電平，功率切換控制器\ 30由橫跨主 電軌105及接地軌115連接而永久地供電。電平分析電路15 0接著分析振 蕩輸出信號的頻率的改變，振蕩輸出信號的頻率在開啟過程期間隨著切 換電軌110上的電壓增加。結(jié)果，振蕩輸出信號直接傳輸識別標志，該 識別標志傳送切換電軌110的上升時間及實際電壓電平兩者，且電平分 析電路150可因此通過振蕩輸出信號的頻率改變的分析決定有關(guān)切換電 軌110上的電壓的信息。
根據(jù)圖l中所說明的具體實施例， 一旦所述頻率達到某一電平，電 平分析電路150將向主開關(guān)塊控制器140發(fā)出控制信號，以造成主開關(guān)塊 控制器開啟主開關(guān)塊124來完成開啟過程。此時，控制信號亦可用作振 蕩器啟動電路170的輸入，以造成診斷環(huán)式振蕩器停用，因為來自診斷 環(huán)式振蕩器的輸出不再需要被分析。
視需要，當(dāng)開關(guān)塊120被關(guān)閉以將切換電軌110與主電軌105解耦合 時，診斷環(huán)式振蕩器165
亦可在關(guān)閉周期期間開啟。在此期間，切換電軌110上的電壓將會 朝地(ground)下降，且電平分析電路150可通過振蕩輸出信號的分析 決定切換電軌l 10上的下降速率及實際電壓電平。之后當(dāng)需要將切換電 軌110再連接至主電軌105以再開啟電路125時，其可用以影響開啟程序。
可影響開啟程序如何執(zhí)行以最有效率地將切換電軌110升高回至主電軌 105的電壓。例如，若切換電軌110上的電壓并未下降太多，則可能僅需 要再開啟主開關(guān)塊124而無須使用起動器開關(guān)塊122。替代地，可能仍需 要起動器開關(guān)塊122，但組件起動器開關(guān)塊部分開啟所用的實際序列可 變化。
除了由電平分析電路150所執(zhí)行的芯片上分析以外，可基于振蕩輸出信號執(zhí)行一些芯片外分析，例如用于診斷目的。如圖l中的點線所示，
振蕩輸出信號可經(jīng)由移位器145路由至接點160,致使信號被傳遞至芯片 外。通常信號的頻率可能太高而不能經(jīng)由接點160傳遞離開芯片，且在 所述情況下可在信號被傳遞離開芯片前將計數(shù)器/除法器電路l"用于 有效率地減少其頻率。這樣的過程可啟動診斷波形傳輸用于高速波形采 集或頻率掃描分析(分別用于后續(xù)分析或?qū)崟r測量)。
圖2為一圖表，概要地說明可用于分析來自診斷環(huán)式振蕩器165的輸 出的芯片上及芯片外的機構(gòu)。診斷環(huán)式振蕩器包括一系列反相器210、 215、 220、 225，連同接收來自最后反相器225的輸出及由振蕩器啟動電 路170提供的啟動信號兩者的NAND門205。 一旦啟動，診斷環(huán)式振蕩器將 會產(chǎn)生振蕩輸出信號，其頻率隨著切換電軌110上的電壓變化，如圖3中 概要地顯示，其中波形26O代表當(dāng)切換電軌上的電壓隨著時間增加時， 可由診斷環(huán)式振蕩器輸出的振蕩輸出信號。
一旦振蕩輸出信號已通過移位器145,其可經(jīng)由接點160直接路由至 芯片外，或者替代地經(jīng)由計數(shù)器/除法器電路155路由以產(chǎn)生較低頻率的 經(jīng)相除的輸出信號。專用接點160可提供用于在芯片外取得此信號，或 者替代地所述接點可與用于另一目的的現(xiàn)存接點共享。在此后一情況 下，復(fù)用器245可提供用以將正常功能輸出路由以傳遞至接點160(其例 如可為由芯片上跡線(trace)模塊產(chǎn)生的跡線輸出)，或者替代地自診 斷環(huán)式振蕩器輸出振蕩輸出信號。
亦在圖2中顯示，圖1的電平分析電路150在一具體實施例中可包括 同步器235及脈沖寬度鑒別器電路240。這兩組件的操作將由圖5的時序 圖概要地說明。如可自環(huán)式振蕩器信號中見到，環(huán)式振蕩器輸出的頻率 在開啟周期期間隨著時間增加。環(huán)式振蕩器輸出信號在同步器235中經(jīng) 受三個同步取樣步驟。同步器接著產(chǎn)生上升邊緣偵測信號，其當(dāng)同步2 (sync 2)信號為高且同步3 (sync 3 )信號為非高時被設(shè)定成高，即 對于每一環(huán)式振蕩器輸出信號的上升邊緣其被設(shè)定成高達到一時鐘周期。
脈沖寬度鑒別器240維持時隙(slot)計數(shù)，其計算在上升邊緣偵 測信號間經(jīng)過的時鐘周期的數(shù)目。當(dāng)上升邊緣偵測信號變高時，其用以 再初始化在下一時鐘周期中的時隙計數(shù)，且亦用以在下一時鐘周期期間 將目前時隙計數(shù)值取樣進入周期寄存器。因此，如從圖5所說明的實例可見，周期寄存器將其內(nèi)容從十二改變，接著至九，而后至六。
頻率鑒別接著通過將周期寄存器的內(nèi)容與預(yù)定值比較而在脈沖寬
度鑒別器240內(nèi)執(zhí)行，該預(yù)定值在圖5的實例中為八。 一旦周期寄存器中 的該值下降至預(yù)定值下，控制信號被設(shè)定成高(在圖5中此被顯示為"少 于8" ( "less —than —eight")信號)，且此控制信號被輸出至主開關(guān) 塊控制器140及振蕩器啟動電路170。當(dāng)所述控制信號變高時，主開關(guān)塊 控制器140開啟主開關(guān)塊124,且振蕩器啟動電路170停用診斷環(huán)式振蕩 器165。
圖4為 一 流程圖，說明了根據(jù)本發(fā)明的 一 個具體實施例執(zhí)行以使用 圖l的電路控制功率切換的步驟。在步驟300處，起動器開關(guān)塊由自控制 器135發(fā)出的啟動信號來啟動，且在步驟305處診斷環(huán)式振蕩器165由振 蕩器啟動電路170發(fā)出的啟動信號來啟動。應(yīng)了解雖然步驟300與305已 按順序顯示，但是這些步驟可并行地執(zhí)行。
在步驟310處，由環(huán)式振蕩器輸出的波形使用先前參考圖5討論的方 法取樣，隨后在步驟315處決定波形的周期是否少于取樣時鐘周期的預(yù) 定數(shù)目(在圖5的實例中所述預(yù)定數(shù)目為八)。若否，處理回至步驟310, 在這里持續(xù)取樣波形且步驟315的比較被再執(zhí)行。
一旦在步驟315處決定了波形的周期少于取樣時鐘周期的預(yù)定數(shù) 目，則在步驟320處所迷主開關(guān)塊由自控制器140發(fā)出一啟動信號來啟 動，且在步驟325處環(huán)式振蕩器165由解判定(de-assert)來自振蕩器 啟動電路170的啟動信號而停用。步驟320及325在一個具體實施例中被 并行地執(zhí)行。
通常起動器開關(guān)塊將由多個開關(guān)塊部分組成，這些開關(guān)塊部分在開 啟操作期間依序開啟。除了或取代如以上參考圖4所討論的使用由環(huán)式
振蕩器輸出的波形以決定何時啟動主開關(guān)塊，波形輸出可用以控制如何 使用起動器開關(guān)塊的單個開關(guān)塊部分。
例如，在使用起動器開關(guān)塊的開啟操作期間，環(huán)式振蕩器的頻率的 改變可用于追蹤切換電軌上的電壓上升的速率，即通過振蕩器輸出的頻 率的改變追蹤dV/dt，且接著控制起動器開關(guān)塊的單個開關(guān)塊部分的使 用，以致切換電軌的電壓的變化率如所需地維持。
例如，考慮先前所提的圖3，若時點窗T1中的電壓的變化率反映在 振蕩器的頻率的改變(其大于預(yù)期的頻率改變)，則當(dāng)偵測到所述條件時，校正控制可進行以通過減少啟動的開關(guān)塊部分的數(shù)目，來減少切換
電軌的電壓的上升速率(其導(dǎo)致如周期T2中所示的電壓變化率的減少)。
啟的開關(guān)塊部分的數(shù)目來補償。
雖然以上已討論了關(guān)于將所述主電源供應(yīng)軌105耦合至切換電軌 IIO的標頭開關(guān)塊的具體實施例，但是相同技術(shù)亦可應(yīng)用于與一經(jīng)由切 換接地軌耦合電路12 5至接地軌115的標尾開關(guān)塊的連接。
圖6說明了一根據(jù)本發(fā)明的替代具體實施例的集成電路，其中與參 考系統(tǒng)時鐘信號決定振蕩輸出信號的絕對頻率不同的是，所述振蕩輸出 信號的相對頻率通過與附加診斷環(huán)式振蕩器電路比較來決定。尤其，如 圖6中所示，提供了由主電軌105供電的第二診斷環(huán)式振蕩器400。在此 具體實施例中，診斷環(huán)式振蕩器400被視為功率切換控制器130的部分， 但其亦可被視為所述功率切換控制器的分離組件。環(huán)式振蕩器啟動電路 被提供用于向環(huán)式振蕩器165、 400兩者供應(yīng)啟動信號，其中開關(guān)塊控制 器410接著用以提供啟動信號至開關(guān)塊120。如使用圖l的實例，開關(guān)塊 120實際上可由起動器開關(guān)塊和主開關(guān)塊組成，在所述情況下開關(guān)塊控 制器410將會具有用于分離開關(guān)塊的分離控制器。然而，在圖6的具體實 施例中，與開關(guān)塊120的構(gòu)造細節(jié)無關(guān)。
根據(jù)圖6的實例，圖1的電平分析電路用差分分析電路405取代，該 差分分析電路接收來自第二環(huán)式振蕩器400的振蕩輸出信號及由移位器 H5修改的來自診斷環(huán)式振蕩器165的振蕩輸出信號兩者。
根據(jù)圖6所示的具體實施例，功率切換控制器130支持操作的狀態(tài)保 持模式，其中開關(guān)控制器130通過開關(guān)塊120調(diào)制導(dǎo)通以將切換電軌維持 在預(yù)定電壓范圍內(nèi)的中間電壓電平處。這使得電路125在其需要執(zhí)行預(yù) 期處理動作時，使用比電路125的正常操作模式期間可接受的更低的電 壓差來保持狀態(tài)信號值。這使得靜態(tài)功率消耗(泄漏)可減少而無須使用 附加氣球鎖存器(balloon latch),且當(dāng)后續(xù)需要重新開始電路125內(nèi) 的處理時亦能相當(dāng)快速地回至啟用處理狀態(tài)，因為中間電壓電平將會處 于比電路已被完全關(guān)閉時更高的電壓電平。
因為來自第二診斷環(huán)式振蕩器400的振蕩輸出信號的頻率是主電壓 軌105上的電壓的指示，且來自第一環(huán)式振蕩器165的振蕩輸出信號的頻 率是切換電軌110上的電壓的指示，差分分析電路405可監(jiān)視主電軌105及切換電軌l 10間的電壓差并根據(jù)所述分析控制所述調(diào)制。將參考圖7詳 述討論該過程。
如圖7中所示， 一個具體實施例的第二環(huán)式振蕩器400以與第一環(huán)式 振蕩器165相同的方式構(gòu)造，且因此包括四個反相器465、 470、 475、 480, 連同被配置以接收來自最后反相器480的輸出以及來自環(huán)式振蕩器啟動 電路415的啟動信號的NAND門460。當(dāng)進入狀態(tài)保持模式時，兩環(huán)式振蕩 器被啟動且開始輸出它們各自的振蕩輸出信號。圖6中的差分分析電路 405在圖7的具體實施例中由四個組件組成，即計數(shù)器/預(yù)定標器450、同 步器455、同步累加器485及脈沖密度鑒別器490。這些特定組件的操作 由圖9的時序圖概要地說明。來自第二環(huán)式振蕩器400的振蕩輸出信號提 供圖9的第一行中所示的環(huán)式振蕩器參考信號，而來自第一環(huán)式振蕩器 165由移位器145修改的輸出提供圖9的第二行中所示的可變環(huán)式振蕩器 信號。計數(shù)器/預(yù)定標器450對來自第一環(huán)式振蕩器165的輸出進行除法 從而能在兩振蕩輸出信號間進行更精確地比較。在圖9的實例中，計數(shù) 器/預(yù)定標器執(zhí)行除以四的功能，雖然實際上它可能適合執(zhí)行諸如除以 十六的較大除法。如圖5的先前實例，振蕩信號接著在同步器455內(nèi)經(jīng)受 三個同步化階段，以將來自第一環(huán)式振蕩器165的已進行除法的輸出與 由第二環(huán)式振蕩器400產(chǎn)生的參考振蕩信號的上升邊緣同步化。上升邊 緣偵測信號接著以與參考圖5討論的相同方式產(chǎn)生，即在第二同步信號 為高且第三同步信號為低的同時，設(shè)定一個時鐘周期。此信號接著輸出 至同步累加器485,其維持識別在上升邊緣偵測信號間已經(jīng)過的參考周 期的數(shù)目的時隙計數(shù)。上升邊緣偵測信號當(dāng)設(shè)定時被用以再初始化下一 頻率周期中的時隙計數(shù)，且亦用以在下一時鐘周期中將時隙計數(shù)值取樣 進入周期寄存器。周期寄存器的內(nèi)容接著從同步累加器485輸出至脈沖 密度鑒別器490成為差分計數(shù)值。
在一典型具體實施例中，所述脈沖密度鑒別器將維持兩個預(yù)定值， 即一最大計數(shù)值及一最小計數(shù)值。在圖9中所說明的實例中，最大計數(shù) 值為四，且當(dāng)周期值超過所述最大計數(shù)值時，設(shè)定了控制信號，其經(jīng)路 由至開關(guān)塊控制器410以造成開關(guān)塊120被開啟。這將造成切換電軌IIO 上的電壓上升且相應(yīng)地環(huán)式振蕩器165的頻率增加。結(jié)果，周期值隨著 時間將再次開始減少且當(dāng)所述值變成小于最小計數(shù)值時，控制信號將重 設(shè)以造成開關(guān)塊控制器410解判定至開關(guān)塊的啟動信號，且因而關(guān)閉開關(guān)塊120。該過程可持續(xù)整個狀態(tài)保持模式以調(diào)制至開關(guān)塊的啟動信號， 以便將切換電軌l 10維持在預(yù)定范圍內(nèi)的中間電壓處。
圖8為一更詳細地說明操作的狀態(tài)保持模式的流程圖。在步驟500 處，過程開始，隨后在步驟505處進入目標電路125的狀態(tài)保持模式。在 步驟510處，對于目標電路的時鐘停止，且在步驟515處兩環(huán)式振蕩器 165、 400由自環(huán)式振蕩器啟動電路415發(fā)出的啟動信號來啟動。在步驟 520處，開關(guān)塊120接著停用，即通過解判定來自開關(guān)塊控制器410的啟 動信號而置于非導(dǎo)通狀態(tài)。
隨后，在步驟525處，來自兩環(huán)式振蕩器的輸出被比較以產(chǎn)生先前 討論的差分計數(shù)值，隨后在步驟530處，決定所述差分計數(shù)值是否大于 最大計數(shù)值。若否，且假設(shè)所述保持模式在步驟555處未存在，則過程 循環(huán)回至步驟525以持續(xù)比較過程。
若在步驟530處決定差分計數(shù)大于最大計數(shù)值，則過程分支至步驟 535,其中開關(guān)塊120由自開關(guān)塊控制器410發(fā)出的啟動信號來啟動，從 而將開關(guān)塊120置于導(dǎo)通狀態(tài)。隨后在步驟540處，來自兩環(huán)式振蕩器的 輸出被比較以產(chǎn)生差分計數(shù)值，而后在步驟545處決定所述差分計數(shù)是 否小于最小計數(shù)值。若否，且假設(shè)保持模式在步驟550處不存在，則過 程回至步驟540以持續(xù)所述比較過程。 一旦決定所述差分計數(shù)值現(xiàn)在小 于最小計數(shù)值，則過程分支回至步驟520以停用開關(guān)塊120。
一旦所述保持模式存在于步驟555或步驟550,則過程前進至步驟 560,其中開關(guān)塊被置于其完全導(dǎo)通狀態(tài)。在步驟565處，環(huán)式振蕩器因 其不再需要而停用，且在步驟570處決定切換電軌110上的電壓是否已達 到所需操作電平。 一旦其已達到，對于目標電路125的時鐘起動，并重 新開始正常操作，隨后過程在步驟580處結(jié)束。
雖然在圖8的實例實施中，兩環(huán)式振蕩器維持在用于整個狀態(tài)保持 模式的啟動狀態(tài)中，在替代具體實施例中，環(huán)式振蕩器無須啟動用于全 部周期，而是其周期性地啟動以執(zhí)行所需比較即已足夠，從而減少功率 消耗。
如第6圖中的環(huán)式振蕩器的替代用法，他們可被配置以在電路125的 正常操作模式期間啟動以產(chǎn)生關(guān)于開關(guān)塊120的操作的診斷數(shù)據(jù)。尤其 在正常操作期間，由于橫跨開關(guān)塊120的電壓降，在主電軌105及切換電 軌110間將有少許電位差。在正常操作期間，在來自兩環(huán)式振蕩器165、400的振蕩輸出信號間的頻率的任何差異將指示此電壓降的值。這可用 于診斷目的。例如，若此電壓降超過預(yù)期，它可能指示開關(guān)塊內(nèi)的組件 的一些失靈。此外，這種測量可用以影響電路操作。如一實例，當(dāng)電路 使用越來越久，開關(guān)塊內(nèi)的組件將會經(jīng)受磨損，且隨著時間的推移這將 會導(dǎo)致橫跨開關(guān)塊的電壓降變大。若電壓降超過某一安全電平，則此可 能引起電路125的失靈，但失靈的這種可能性可通過減少電路的操作頻 率而減少，從而延長所述電路的可用壽命。因此，來自差分分析電路405 的輸出可隨時間的推移用以改變具有有關(guān)橫跨開關(guān)塊120的電壓降的集 成電路(尤其是電路125)的操作頻率。
圖10及11說明來自環(huán)式振蕩器電路的振蕩輸出信號的頻率如何隨 著施加至那些環(huán)式振蕩器電路的操作電壓變化的圖表。所示三條線分別 代表慢、典型及快電路。如為人已知，由于例如其上構(gòu)造電路的硅的質(zhì) 量的因素，在生產(chǎn)中一些電路比其它電路更快地結(jié)束執(zhí)行，且圖10說明 依賴電路速度可觀察到的頻率的變動。
圖ll說明對于相同慢、典型及快電路，可由同步累加器485針對橫 跨第一環(huán)式振蕩器165的不同操作電壓產(chǎn)生的差分計數(shù)值中的變動。在 此實例中，假設(shè)正常操作電壓為一伏特，此時兩環(huán)式振蕩器在相同頻率 產(chǎn)生振蕩輸出信號，但由于來自環(huán)式振蕩器165的輸出除以十六，這產(chǎn) 生十六的差分計數(shù)值。因為電壓接著下降，計數(shù)值根據(jù)電路的速度變化， 如由圖ll所示的三條線中的發(fā)散顯示。差分分析電路所使用的最大及最 小計數(shù)值可因此根據(jù)所述電路為慢、典型或快被調(diào)適，或者所述除法器 可加以變化以對于4支'f曼電路應(yīng)用4交大除法。
自本發(fā)明的具體實施例的以上描述中，將可見到這種具體實施例提 供一機構(gòu)，其中數(shù)字環(huán)式振蕩器組件可用以間接地傳輸識別標志，該識
別標志傳送用于標頭切換功率的上升時間，或用于標尾切換接地的下降 時間兩者，和/或?qū)嶋H模擬電壓電平信息，該實際模擬電壓電平信息可 用標準時控技術(shù)在芯片上或芯片外分析。所述環(huán)式振蕩器為可使用標準 單元構(gòu)造的相對較簡單的數(shù)字電路且因此實施起來較為簡單及價廉，且 可被配置以消耗相對較少的功率。通過使用門控環(huán)式振蕩器，環(huán)式振蕩 器亦可當(dāng)不使用時停用以減少功率消耗。
在一個具體實施例中，環(huán)式振蕩器輸出在當(dāng)切換電軌上的電壓不穩(wěn)
定的周期期間于開關(guān)塊的開啟或關(guān)閉操作期間被分析，以致基本上允許間接測量電壓隨著時間的改變，連同提供實際模擬電壓電平的指示。在 另一具體實施例中，在耦合至切換電軌的環(huán)式振蕩器及耦合至永久電軌
的環(huán)式振蕩器間執(zhí)行差分分析，以提供兩電軌間電壓的差異的間接測 量，該信息可用于各種狀況。這種信息的一特定用法支持如先前參考圖
6至9所述的操作的狀態(tài)保持模式。操作的這種狀態(tài)保持模式的操作細節(jié) 在共同受讓的待審美國專利申請案第11/7979， 497號中提供，該申請的
全數(shù)內(nèi)容藉由引用在此并入。此外，對于關(guān)注本發(fā)明的讀者，美國專利 申請案的具體實施例描述在此并入作為附錄I附錄I
圖12說明一包括主供應(yīng)軌4、主接地軌6、虛擬供應(yīng)軌8及虛擬接地 軌10的集成電路2。標頭開關(guān)12選擇性地連接主供應(yīng)軌4至虛擬供應(yīng)軌8。 同樣地，標尾開關(guān)14選擇性地連接主接地軌6至虛擬接地軌10。邏輯塊 16自虛擬供應(yīng)軌8及虛擬接地軌10獲取其電力供應(yīng)。邏輯塊16用時鐘信 號c 1 k時控以執(zhí)行信息處理操作。
集成電路2可使用不同的制造技術(shù)形成，但本技術(shù)系充分適于其中 集成電路由CMOS晶體管，尤其是MTCMOS晶體管形成的系統(tǒng)。應(yīng)理解集成 電路2典型地將由大量功能組件形成且可采取各種不同形式，如微處理 器、SoC、存儲器及其它形式的集成電路。
圖12中亦說明開關(guān)控制器18,其耦合至相應(yīng)開關(guān)且加以控制成為導(dǎo) 通或非導(dǎo)通。開關(guān)控制器18亦耦合至相應(yīng)虛擬電軌8、 IO且響應(yīng)于其上 的電壓，以調(diào)制由它們相關(guān)的標頭及標尾開關(guān)12、 14提供在主供應(yīng)軌4 與虛擬供應(yīng)軌8，及在主接地軌6至虛擬接地軌10間的連接。與其中開關(guān) 為永久導(dǎo)通或永久非導(dǎo)通的狀況相比，此調(diào)制將虛擬軌電壓維持在中間 電平。此調(diào)制在一些具體實施例中可用以提供動態(tài)電壓定標的形式，其 中提供至邏輯塊16的電源供應(yīng)電壓設(shè)定至需要在目前啟用時鐘頻率處 支持邏輯塊16的時控的中間電平。 一般說來，橫跨邏輯塊16的電壓差愈 低，則其內(nèi)的功率消耗愈低。當(dāng)邏輯塊16為靜態(tài)且功率消耗由于靜態(tài)泄 漏電流時jt匕亦為真。
本技術(shù)認知當(dāng)邏輯塊16未經(jīng)時控時，其可用以保持靜態(tài)信號值而無 須依靠提供最小保持電壓的氣球鎖存器維持為橫跨邏輯塊16。此最小保 持電壓將小于所述邏輯塊16內(nèi)的啟用處理所需的電壓。因此，與當(dāng)邏輯 塊16啟用時所用相比，功率消耗可通過降低橫跨邏輯塊16的電壓差而減 少，而狀態(tài)信號值可維持如其內(nèi)部所保持且準備用于要再起動的處理。 處理的再起動可通過將橫跨邏輯塊16的電壓差恢復(fù)至操作電平而后再 起動時鐘信號。這可相對較快速且因此支持在低功率保持狀態(tài)及操作狀 態(tài)間的快速切換。
圖13說明一第一實例具體實施例，其中標頭開關(guān)12經(jīng)受控制器18的 調(diào)制控制。標頭開關(guān)12由具有高電導(dǎo)的強晶體管20及具有低電導(dǎo)的弱晶 體管22形成。當(dāng)邏輯塊16在其啟用狀態(tài)時，強晶體管20被開啟以提供在 主供應(yīng)軌4及虛擬供應(yīng)軌8間的〗氐阻抗路徑，以致可滿足所迷啟用邏輯塊16的功率消耗需求。當(dāng)要將邏輯塊16置于其中其靜態(tài)地保持狀態(tài)信號值 的保持模式時，至其的時鐘信號clk停止且控制器18用以在導(dǎo)通狀態(tài)及 非導(dǎo)通狀態(tài)間調(diào)制弱晶體管22 。強晶體管2 O在此調(diào)制(脈動)操作期間被 關(guān)閉。窗比較器24用來決定虛擬供應(yīng)軌8上的電壓何時下降至最小電平 之下或上升至最大電平之上。當(dāng)虛擬供應(yīng)軌電壓下降至最小電平之下 時，則弱晶體管開啟。弱晶體管22維持開啟直至虛擬供應(yīng)電壓達到最大 電平，此時弱晶體管22關(guān)閉。與邏輯塊16相關(guān)的泄漏電流接著逐漸地將 虛擬供應(yīng)軌8上所儲存的電荷放電直至虛擬供應(yīng)軌電壓再次下降至最小 值之下。接著弱晶體管22被再次開啟以恢復(fù)虛擬供應(yīng)軌電壓。依此方法，
控制下啟用的弱晶體管22調(diào)制成開或關(guān)。定義虛擬供應(yīng)軌電壓的下限及 上限的信號電平在窗比較器24中內(nèi)部產(chǎn)生(如由適合的分壓器網(wǎng)絡(luò))。
圖14說明一替代具體實施例。在該具體實施例中，開關(guān)控制器18由 所示的兩晶體管M1及M2提供。這些晶體管使用定義電壓Vrefl及Vref2的 范圍供應(yīng)其柵極。晶體管M1及M2提供虛擬供應(yīng)軌電壓的模擬反饋控制， 以將此維持在對于在邏輯塊16內(nèi)的狀態(tài)信號保持而言足夠的中間電平。
在圖13及圖14兩圖中將可見到開關(guān)控制器18提供虛擬供應(yīng)軌電壓 的反饋控制。因此，開關(guān)塊16及其相關(guān)的開關(guān)控制器18為自調(diào)節(jié)。應(yīng)理 解集成電路2典型將包含開關(guān)塊12、 14及相關(guān)控制器18的許多情況。并 非所有的這些皆需使用在此描述的調(diào)制技術(shù)?？赡軆H集成電路2的某些 部分適于置于低功率數(shù)椐保持模式中，或者替代地在低功率數(shù)據(jù)保持模 式中可能標頭開關(guān)12和/或標尾開關(guān)14可服務(wù)多個邏輯塊16，而在啟用 模式中由于較高的功率需求需要個別標頭及標尾開關(guān)12、 14。
圖15為 一概要說明與圖1 3的實例具體實施例的操作相關(guān)的信號電 平中周期性變動的信號圖。信號v(weak-ctrl)為控制開啟及關(guān)閉弱晶體 管22的信號。當(dāng)此信號低時弱晶體管22開啟(即導(dǎo)通)。將可見到，弱晶 體管22用對應(yīng)于短周期的相對較低的占空比(low on duty cycle)調(diào) 制，在所述短周期期間弱晶體管22的柵極電壓被拉低以將弱晶體管22切 換成為導(dǎo)通狀態(tài)。信號vvdd(虛擬供應(yīng)軌電壓)顯示為具有稍高于700nv 及具有一周期性變動的值。當(dāng)弱晶體管22關(guān)閉時，此虛擬供應(yīng)軌電壓由 于通過邏輯塊16的泄漏電流而逐漸衰減。當(dāng)弱晶體管22開啟時，虛擬供 應(yīng)軌電壓快速恢復(fù)上升至其預(yù)定最大電平。虛擬供應(yīng)軌電壓因此在所說明的最小及最大電平間變化并維持在此范圍中。虛擬供應(yīng)軌電壓的這個
范圍在最小保持電壓之上，最小保持電壓是邏輯塊16的特征且對應(yīng)于所 述最小電壓，在最小電壓處當(dāng)未時控時邏輯塊16將維持狀態(tài)信號值。
圖16根據(jù)一個實例具體實施例概要地說明開關(guān)控制器18的操作的 流程圖。應(yīng)理解圖16的流程圖視需要將所述控制表示為處理操作的一序 列。本技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解，在實現(xiàn)中這些操作的一些或所有可由 一電路實施并行地執(zhí)行。然而，圖16的流程圖可用于理解開關(guān)控制器18 的操作。
在步驟28處，開關(guān)控制器18等待直至接收指示要進入狀態(tài)保持模式 的信號(retn)。當(dāng)接收到此信號時，則過程前進至步驟30處，在步驟30 處時鐘信號clk停止且時鐘信號電平保持靜態(tài)。邏輯塊16的處理邏輯的 靜態(tài)特性致使這些容忍這種頻率停止及維持提供橫跨邏輯塊16施加的 電壓差的狀態(tài)信號值不下降至最小保持電壓以下。
在步驟32處，標頭塊12切換至非導(dǎo)通狀態(tài)。在此實例中僅使用標頭 塊，盡管應(yīng)了解也可使用標尾塊，或標頭塊與標尾塊可組合使用。當(dāng)標 頭塊已在步驟32關(guān)閉時，處理前進環(huán)繞包含步驟34及36的循環(huán)，其分別 檢查虛擬供應(yīng)軌18上的電壓電平未曾下降太低，且未接收到指示要離開 保持模式的信號(pwr-req)。若在步驟34處偵測到電壓電平已下降至低， 則處理前進至步驟36，在步驟36處標頭開關(guān)12(更明確地弱晶體管22)切 換成為其導(dǎo)通狀態(tài)。強晶體管20在此調(diào)制期間可維持在其非導(dǎo)通狀態(tài) 中。這引起虛擬供應(yīng)軌電壓上升。
步驟38及40接著監(jiān)視以檢視虛擬供應(yīng)軌電壓是否已上升至目標最 大值之上，且是否已接收到執(zhí)行保持模式的信號。若虛擬供應(yīng)軌電壓確 實超過目標最大值，則回至步驟32,在步驟32處標頭塊呈現(xiàn)完全非導(dǎo)通 (如弱晶體管2 2再次關(guān)閉且強晶體管2 0保持關(guān)閉)。
若在步驟36或步驟40處指明已接收離開保持模式的信號 (pur-req),則處理前進至步驟42，在該處標頭塊被切換回至其完全導(dǎo) 通狀態(tài)(如強晶體管20及弱晶體管22兩者均開啟)。接著步驟44監(jiān)視直至
達到虛擬供應(yīng)軌電壓的該操作電平時，則步驟46再起動所述時鐘信號。 以上所述電路可具有各種形式，包括CMOS晶體管、MTCMOS晶體管及絕緣 體上的硅裝置，它們充分適于低功率高密度實施。盡管已在此描述本發(fā)明的一特定具體實施例，應(yīng)了解本發(fā)明不受限 于此，且許多修改及增加可在本發(fā)明的范疇中進行。例如，以下附屬權(quán) 利要求的特征的各種組合可與獨立權(quán)利要求的特征組合而不脫離本發(fā) 明的范疇。
權(quán)利要求
1、一種功率控制電路，用于控制具有源電壓電平的電源至用以提供電力給相關(guān)電路塊的切換電軌的連接，所述功率控制電路包含開關(guān)塊，用于選擇性地連接所述切換電軌至所述電源；開關(guān)控制器，用于控制所述開關(guān)塊的操作；環(huán)式振蕩器電路，其由所述切換電軌供電且產(chǎn)生振蕩輸出信號；及分析電路，用于分析在當(dāng)所述切換電軌不在所述源電壓電平處的時間周期期間內(nèi)由所述環(huán)式振蕩器電路所產(chǎn)生的所述振蕩輸出信號的頻率改變，且使所述開關(guān)控制器可根據(jù)所述分析來控制所述開關(guān)塊的至少一個操作方面。
2、 如權(quán)利要求1所述的功率控制電路，進一步包含 附加環(huán)式振蕩器電路，其由所述電源供電且產(chǎn)生附加振蕩輸出信號；所述分析電路通過比較所述振蕩輸出信號的頻率與所述附加振蕩 輸出信號的頻率來執(zhí)行所述分析，且根據(jù)所述比較來控制所述開關(guān)塊的 所述至少一個操作方面。
3、 如權(quán)利要求2所述的功率控制電路，其中所述附加環(huán)式振蕩器 電路及所述環(huán)式振蕩器電路的構(gòu)造相同。
4、 如權(quán)利要求1所述的功率控制電路，其中所述開關(guān)塊為標頭塊， 所述電源為供應(yīng)電壓軌且所述切換電軌為切換供應(yīng)電壓軌。
5、 如權(quán)利要求1所述的功率控制電路，其中所述開關(guān)塊為標尾塊， 所述電源為接地電壓軌且所述切換電軌為切換接地電壓軌。
6、 如權(quán)利要求1所述的功率控制電路，其中所述環(huán)式振蕩器電路 經(jīng)由啟動信號進行門控，在對其中所述切換電軌上的電壓在所述源電壓 電平處的所述相關(guān)電路塊進行正常操作期間，所述環(huán)式振蕩器電路停用 以減少功率消耗。
7、 如權(quán)利要求6所述的功率控制電路，其中所述環(huán)式振蕩器電路啟動以進一步減少功率消耗。
8、如權(quán)利要求1所述的功率控制電路，其中當(dāng)開啟所述開關(guān)塊的 至少一部分以開始將所述切換電壓軌上的電壓拉至所迷源電壓電平時，所述分析電路分析所述振蕩輸出信號的頻率改變，以導(dǎo)出指示所述切換 電壓軌的至少一個模擬電壓性質(zhì)的信息。
9、 如權(quán)利要求8所述的功率控制電路，其中所述開關(guān)塊包含多個 開關(guān)塊部分，所述多個開關(guān)塊部分包括至少一個起動器開關(guān)塊部分及至 少一個主開關(guān)塊部分，且依據(jù)由所述分析電路執(zhí)行的所述分析進行控制 的所述開關(guān)塊的至少一個操作方面，決定何時開啟所述至少一個主開關(guān) 塊部分。
10、 如權(quán)利要求1所述的功率控制電路，其中當(dāng)關(guān)閉所述開關(guān)塊時，所述;析電路分析所述振蕩輸出信號的頻^改變:、以導(dǎo)出指示所述 切換電壓軌的至少 一個模擬電壓性質(zhì)的信息。
11、 如權(quán)利要求10所述的功率控制電路，其中當(dāng)接著開啟所述開 關(guān)塊以開始將所述切換電壓軌上的電壓拉至所述源電壓電平時，所述信 息被用以影響由所述開關(guān)控制器所使用的開啟操作。
12、 如權(quán)利要求1所述的功率控制電路，其中由所述分析電路執(zhí) 行的所述分析，進一步提供指示所述開關(guān)塊的開啟特征的診斷數(shù)據(jù)。
13、 如權(quán)利要求2所述的功率控制電路，其中 所述幵關(guān)控制器通過所述開關(guān)塊調(diào)制導(dǎo)通，以將所述虛擬電軌維持在中間電壓電平；所述分析電路分析所述振蕩輸出信號及所迷附加振蕩輸出信號間 的頻率差異，以導(dǎo)出指示所述切換電壓軌的至少一個模擬電壓性質(zhì)的信 息；及所述信息輸入至所述開關(guān)控制器作為反饋信號，以調(diào)整所述調(diào)制來 將所述中間電壓維持在預(yù)定電壓范圍內(nèi)。
14、 如權(quán)利要求13所述的功率控制電路，其中所述開關(guān)控制器根 據(jù)所述反饋信號來控制所述調(diào)制的占空比。
15、 如權(quán)利要求13所述的功率控制電路，其中至所迷開關(guān)控制器 的所述反饋信號具有遲滯特征，以致所述中間電壓在所述預(yù)定電壓范圍 內(nèi)遵循周期性變動。
16、 如權(quán)利要求13所述的功率控制電路，其中至所述開關(guān)控制器 的所述反饋信號具有遲滯特征，以致差異大于預(yù)定最大差異時，所述開關(guān)塊切換至導(dǎo)通狀態(tài)；及差異小于預(yù)定最小差異時，所迷開關(guān)塊切換至非導(dǎo)通狀態(tài)。
17、 如權(quán)利要求13所述的功率控制電路，其中所述附加環(huán)式振蕩 器電路及所述環(huán)式振蕩器電路的構(gòu)造相同，所述功率控制電路進一步包 含除法器電路，用于在所述分析電路決定所述頻率差異前修改由所述環(huán) 式振蕩器電路所產(chǎn)生的所述振蕩輸出信號。
18、 如權(quán)利要求13所述的功率控制電路，其中在對所述相關(guān)電路 塊進行正常操作期間，所述切換電軌上的電壓由于橫跨所述開關(guān)塊的電 壓降而與所述源電壓電平不同，且所述分析電路持續(xù)比較所述振蕩輸出 信號的頻率與所述附加振蕩輸出信號的頻率，以導(dǎo)出指示所述電壓降的 信息。
19、 如權(quán)利要求13所述的功率控制電路，其中 當(dāng)所述相關(guān)電路未啟用且所述中間電壓導(dǎo)致大于最小保持電壓的電壓橫跨于所述相關(guān)電路塊時，所述相關(guān)電路塊靜態(tài)地保持一個或多個 狀態(tài)信號值；及所述開關(guān)控制器通過所述開關(guān)塊來調(diào)制導(dǎo)通，以致所述中間電壓導(dǎo) 致大于所述最小保持電壓的電壓橫跨于所述相關(guān)電路塊，且所述一個或 多個狀態(tài)信號值保持在所述相關(guān)電路塊中，其中在所迷相關(guān)電路塊中的 平均漏電流小于當(dāng)所述切換電軌持續(xù)地在所迷源電壓電平處時。
20、 一種用以分析切換電軌的電路，所迷切換電軌用以提供電力至 相關(guān)電路塊，所述切換電軌可連接至具有源電壓電平的電源，所述電路 包含開關(guān)塊，用于選擇性地連接所述切換電軌至所述電源； 開關(guān)控制器，用于控制所迷開關(guān)塊的操作； 環(huán)式振蕩器電路，其由所述切換電軌供電且產(chǎn)生振蕩輸出信號；及 分析電路，用于分析在當(dāng)所述切換電軌不在所述源電壓電平處的時率i變，以產(chǎn)生特征化^述^換電軌的至少一個模擬電^性質(zhì)的信息。
21、 一種連接具有源電壓電平的電源至用以提供電力給相關(guān)電路塊 的切換電軌的控制方法，所述方法包含以下步驟經(jīng)由開關(guān)塊選擇性地連接所述切換電軌至所述電源；從所述切換電軌操作所述環(huán)式振蕩器電路，以產(chǎn)生振蕩輸出信號；由所述環(huán)式^蕩器電路所產(chǎn)生的所述^蕩輸出信號的頻率改k;及日 根據(jù)所述分析來控制所述開關(guān)塊的至少 一個操作方面。
22、 一種功率控制邏輯，用于控制具有源電壓電平的電源裝置至用 以提供電力給相關(guān)電路塊裝置的切換電軌裝置的連接，所述功率控制邏 輯包含開關(guān)塊裝置，用于選擇性地連接所述切換電軌裝置至所述電源裝置；開關(guān)控制器裝置，用于控制所述開關(guān)塊裝置的操作； 環(huán)式振蕩器裝置，其由所述切換電軌裝置供電用于產(chǎn)生振蕩輸出信 號；及分析裝置，用于分析在當(dāng)所述切換電軌裝置不在所述源電壓電平處 的時間周期期間內(nèi)由所述環(huán)式振蕩器裝置所產(chǎn)生的所述振蕩輸出信號 的頻率改變，且使所述開關(guān)控制器裝置可根據(jù)所述分析來控制所述開關(guān) 塊裝置的至少一個操作方面。
全文摘要
本發(fā)明涉及功率控制與切換電軌分析電路、電源連接電軌的控制方法，該功率控制電路用于控制具有源電壓電平的電源至切換電軌的連接，以提供電力至相關(guān)電路塊。所述功率控制電路包含開關(guān)塊，用于選擇性地連接所述切換電軌至所述電源；及開關(guān)控制器，用于控制所述開關(guān)塊的操作。環(huán)式振蕩器電路由所述切換電軌供電且產(chǎn)生振蕩輸出信號，且分析電路接著用以分析在當(dāng)所述切換電軌不在源電壓電平處的時間周期期間內(nèi)由環(huán)式振蕩器電路所產(chǎn)生的振蕩輸出信號的頻率改變。所述開關(guān)控制器接著配置以根據(jù)所述分析來控制所述開關(guān)塊的至少一個操作方面。本發(fā)明提供一種用于觀察切換電軌上的電壓改變的簡單及有效的數(shù)字技術(shù)。
文檔編號H03K3/011GK101436852SQ200810174409
公開日2009年5月20日 申請日期2008年11月5日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月5日
發(fā)明者D·W·弗萊恩, L·E·舒思, S·S·伊貢吉 申請人:Arm有限公司