一种电源门控电路的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电路领域，尤其涉及一种电源门控电路。
【背景技术】
[0002]随着半导体集成电路工艺技术的发展，电路功耗问题成了困扰散热、封装和便携的难题，并且，片上系统(SoC，System on Chip)系统的功耗在未来不断的增长。
[0003]动态电压频率调整(DVFS，DynamicVoltage and frequency scaling)技术是一种最有效的节能方法。如今，多核中央处理器(CPU，Central Processing Unit)架构应用应成为主流。同时，每个CPU核的低功耗技术应用也是变成普遍的DVFS的技术，为了将低功耗技术推动到另一个精细化的层面，片上电源供电要求日益趋向于，精细化，多供电电压域，快速响应等特点。
[0004]以前的供电电源都被默认为片外，由于工艺和集成封装能力的问题，随着工艺技术以及封装技术的提高，供电电源越来越多的被集中到片上。除此之外，片上电源的供电系统，不仅从以前的单一电压输出，到如今的多个电压域，来满足不同的片上系统的供电需求。
[0005]另外，随着应用场景不同，片上供电需求也随之变化。在半导体工艺进入到28nm技术节点，马上要跨入14nm/16nm技术节点时，在集成度越高，以及供电电压越低的前提下，对片上电源供电需求更趋向于快速电压跟踪，以便于更好的靠精细化DVFS，以及进一步降低片上系统功耗。
[0006]如图1所示，传统的电源门控(power gating)技术框架图。主要包括两部分组成，开关(Switches)和控制单元(Controller)。负载(Load)的供电由开关输出，而控制单元完成对开关的开启或关断控制。开关的个数不受限制，可因具体的应用场景而制定。同时，开关的连接方式也不受限制，可以是全部并联的形式于电源Vdd和负载两端，也可以是串联并联结合的方式，或串联的方式。具体来说，开关可以是常用的功率开关管(power switches)，也可以是传统的互补金属氧化物半导体(CMOS，Complementary MetalOxide Semiconductor)工艺下的晶体管，也可以是，在电源门控技术中使用最频繁的多阈值电压CMOS。而控制电路根据外部输入的参考电压Vref输出相应的开关控制信号“Sw_l，Sw_2，....，Sw_n”给相应的开关。
[0007]电源门控技术开关的实现方式大多都采用多阈值电压(MTCMOS Mult1-ThresholdCMOS)，以减小开关的静态功耗。当负载工作时，电源门控则关闭，负载工作电压为其所需电压。当负载不工作时，电源门控开启，从而使得负载的供电低于正常电压。当负载的应用不同时，如负载是内存时，电源门控开启还可以将负载供电电压调制到其所需的电压值(如，维持内存数据不丢失的最低电压值)。
[0008]由于实际应用需求，如负载为处理器时，需要的电源门控的频率增加，如2GHz主频的处理器，需要电源门控的响应时间理论上要达到纳秒级或十纳秒级，从而使得动态调压调频技术能更好的动态降低功耗，且满足性能需求。同时，对负载的电压供电需求，从单一的工作电压和低于阈值电压两者之间拓宽到了更多电压域，也即是说，一般的芯片供电技术会涉及到负载的正常工作电压或者使负载不工作低于阈值电压的供电。但是随着半导体工艺的进步，芯片在不同供电电压之下，其性能可以在不同状态下进行切换，从而满足不同应用场景，不同工作模式下的需求。并且，由于负载受更方面因素的影响如工艺不确定性(process variat1n)，温度影响，及电源波动等，负载的供电电压实时的需要作出改变。
[0009]传统的电源门控电路仅是对开关在时间点上进行控制，无法实现快速的电压跟踪，不能满足在实际应用中，动态电压频率调整以及动态调压技术的需求。
【发明内容】
[0010]本发明实施例提供了一种电源门控电路，用于在片上系统的供电电路中实现快速电压跟踪。
[0011]本发明实施例第一方面提供的电源门控电路，包括:
[0012]电压输出模块和电压控制模块；
[0013]所述电压输出模块包括:电源和至少两个开关；所述至少两个开关用于将所述电源输出的电源电压(Vdd)调制为负载所需的供电电压(V。)；
[0014]所述电压控制模块包括:第一信号调制单元；所述第一信号调制单元用于根据脉宽调制频率(Fsw)生成第一控制信号，所述第一控制信号为经脉宽调制的多相位控制信号；
[0015]所述电压输出模块用于向负载输出所述供电电压(V。)；所述电压控制模块用于向所述至少两个开关输出电压控制信号，所述电压控制信号包括所述第一控制信号，所述第一控制信号通过在高电平和低电平之间的切换，控制所述至少两个开关中相应开关的导通或关断，且所述第一控制信号在所述高电平或所述低电平其中一种电平信号的持续时间，表示所述至少两个开关中相应开关的导通时间或关断时间。
[0016]结合第一方面，在第一种可能的实现方式中，
[0017]所述开关包括:P沟道金属氧化半导体PMOS晶体管，N沟道金属氧化半导体NMOS晶体管，或多阈值电压MTCMOS晶体管；
[0018]所述至少两个开关的连接关系包括:串联关系，并联关系或串并联关系。
[0019]结合第一方面或第一方面第一种可能的实现方式，在第二种可能的实现方式中，
[0020]当所述至少两个开关中存在串联关系的开关时，一个所述第一控制信号用于控制一组串联关系的开关；
[0021]和/ 或，
[0022]当所述至少两个开关中存在并联关系的开关时，N个所述第一控制信号用于分别控制N组开关，所述N组开关相互为并联关系，所述N为大于一的整数，并且在N个所述第一控制信号的控制下，所述N组开关的导通时间之间存在相位差。
[0023]结合第一方面，在第三种可能的实现方式中，
[0024]所述电压控制模块还包括:电压检测单元；所述电压检测单元用于检测所述电压输出模块输出的供电电压(V。)；
[0025]所述第一信号调制单元还用于根据脉宽调制频率(Fsw)，参考电压(Vref)以及所述供电电压(V。)生成经脉宽调制的第一控制信号。
[0026]结合第一方面第三种可能的实现方式，在第四种可能的实现方式中，所述第一信号调制单元，包括:
[0027]第一运算放大器，振荡发生器和脉宽调制比较器；
[0028]所述第一运算放大器用于对所述参考电压(Vref)和所述供电电压(V。)做差值运算;
[0029]所述振荡发生器用于根据所述脉宽调制频率(Fsw)生成周期性波形信号；
[0030]所述脉宽调制比较器用于将所述参考电压(Vref)和所述供电电压(V。)的差值，与所述周期性波形信号做比较，生成所述第一控制信号。
[0031]结合第一方面第三种可能的实现方式，在第五种可能的实现方式中，所述第一信号调制单元，包括:
[0032]模数转换器，数字比较器，数字振荡发生器，数字脉宽调制控制器和第一存储器；
[0033]所述模数转换器用于将输入的所述参考电压(VMf)和所述供电电压(V。)转换为数字信号；
[0034]所述数字比较器用于对转换为数字信号的所述参考电压(Vref)和所述供电电压(V0)做差值运算；
[0035]所述数字振荡发生器用于根据所述脉宽调制频率(Fsw)生成周期性波形信号；
[0036]所述数字脉宽调制控制器用于将所述参考电压(VMf)和所述供电电压(V。)的差值，与所述周期性波形信号做比较，得到信号比较结果，并在所述第一存储器存储的控制信号查找表中查找与所述信号比较结果相对应的第一控制信号；
[0037]所述第一存储器用于存储第一信号查找表，所述第一信号查找表中记载了所述信号比较结果与所述第一控制信号的对应关系。
[0038]结合第一方面，在第六种可能的实现方式中，所述第一信号调制单元，包括:
[0039]振荡发生器和延时单元；
[0040]所述振荡发生器根据所述脉宽调制频率(Fsw)生成周期性波形信号；
[0041]所述延时单元用于对所述周期性波形信号做相位延时，得到所述第一控制信号。
[0042]结合第一方面第三种可能的实现方式，在第七种可能的实现方式中，所述电压控制模块还包括:第二信号调制单元和选通单元；
[0043]所述第二信号调制单元用于根据所述供电电压(V。)生成第二控制信号，所述电压控制信号还包括所述第二控制信号；
[0044]所述选通单元用于根据模式指示信号，在所述第一控制信号和第二控制信号中选择其中之一作为向所述至少两个开关输出的电压控制信号。
[0045]结合第一方面第七种可能的实现方式，在第八种可能的实现方式中，所述电压控制模块还包括:驱动单元；
[0046]所述驱动单元用于增强所述选通单元输出的电压控制信号。
[0047]结合第一方面第七种可能的实现方式，在第九种可能的实现方式中，所述第二信号调制单元，包括:第二运算放大器；
[0048]所述第二运算放大器用于对所述参考电压(Vief)和所述供电电压(V。)做差值运算，将差值运算的结果作为所述第二控制信号输出。
[0049]结合第一方面第七种可能的实现方式，在第十种可能的实现方式中，所述第二信号调制单元，包括:
[0050]模数转换器，数字比较器，数字脉宽调制控制器和第二存储器；
[0051]所述模数转换器用于将输入的所述参考电压(VMf)和所述供电电压(V。)转换为数字信号；
[0052]所述数字比较器用于对转换为数