物联网(IoT)电力和性能管理技术和电路方法与流程

相关申请

本申请要求于2015年7月22日提交的美国专利申请14/806,502的优先权，所述申请通过引用结合在此。

本发明涉及一种用于在电池供电的电子设备中节省能量而不降低所述电子设备的操作性能的方法和结构。

背景技术：

物联网(iot)通常指嵌入有电子电路、软件和传感器的物理对象(或“应用”)的网络。这些物理对象可以使用现有的网络被远程感测和控制。许多iot应用依靠电池供电。在这种应用中，电池寿命至关重要。在iot应用中，空闲时间通常非常高(例如，高达97％)。因此，期望在空闲周期期间使iot应用内的泄漏电流最小化(因为这样的泄漏电流与大量能量损失相对应，从而耗尽电池)。一种使泄漏电流最小化的方法是降低用于操作iot应用的标称vdd供应电压。但是，降低标称vdd供应电压会导致在非空闲操作条件期间的较差电路性能。更具体地，降低标称vdd供应电压会导致较低的操作频率(因为在使用较低的电压时操作需要较长的时间才能解决)，从而导致更长的空闲时间、更多的总能量消耗以及更短的电池寿命。在典型的物联网应用中，在能量消耗和操作性能之间达成可以接受的折衷是一个挑战。

技术实现要素：

因此，提供了一种改进的方法和装置，以降低iot应用内的能量消耗，而不降低相应内部电路系统的操作性能。根据一个实施例，用于供应所述内部电路系统的第一内部供应电压(vdda)在iot应用的空闲状态期间从vdd供应电压降低至低于vdd供应电压的电压，从而减少了在所述空闲状态期间内部电路系统中的泄漏电流。在一个实施例中，所述第一内部供应电压(vdda)降低至比vdd供应电压低一个阈值电压(vtp)的电压。

另外，用于供应所述内部电路系统的第二内部供应电压(vssa)在所述空闲状态期间从vss供应电压增加到高于vss供应电压的电压，从而进一步减少了在所述空闲状态期间所述内部电路系统中的泄漏电流。在一个实施例中，所述第二内部供应电压(vssa)增加到比vss供应电压高一个阈值电压(vtn)的电压。

根据另一个实施例，所述内部电路系统内的晶体管的主体区域在所述空闲状态期间被反向偏置以进一步减少所述内部电路系统内的泄漏电流。更具体地，在所述空闲状态期间，所述内部电路系统的p沟道晶体管的p型主体区域可以利用vdd供应电压被偏置，并且所述内部电路系统内的n沟道晶体管的n型主体区域可以利用vss供应电压被偏置。

在离开所述空闲状态时，用于供应所述内部电路系统的所述第一内部供应电压(vdda)增加到vdd供应电压，并且用于供应所述内部电路系统的所述第二内部供应电压(vssa)减小至vss供应电压。此转变可以快速完成(快速唤醒时间)，因为所述第一内部供应电压(vdda)仅需要增加晶体管阈值电压(vtp)，并且所述第二内部供应电压仅需要减小晶体管阈值电压(vtn)。

根据另一个实施例，所述内部电路系统内的晶体管的主体区域在非空闲状态期间被正向偏置以提高所述内部电路系统的操作速度。更具体地，在非空闲状态期间，所述内部电路系统的p沟道晶体管的p型主体区域可以利用小于vdd供应电压的电压被偏置，并且所述内部电路系统内的n沟道晶体管的n型主体区域可以利用大于vss供应电压的电压被偏置。

以上述(多种)方式，iot应用有利地在空闲状态期间展现节能，而不会在非空闲状态期间不利地影响所述内部电路系统的操作性能。鉴于下面的描述和附图，将更全面地理解本发明。

附图说明

图1是根据一个实施例的能量节省电路的电路图。

图2是根据一个实施例的示出图1的能量节省电路从空闲状态到非空闲状态的转变的波形图。

具体实施方式

图1是iot设备/应用100的电路图，所述iot设备/应用包括根据本发明的一个实施例的能量节省电路101。如下面更详细描述的，iot设备100还包括内部电路系统130(其执行iot设备100的期望功能)和电池140(其向iot设备100供电)。能量节省电路101包括电力控制电路110、p沟道晶体管111-112和n沟道晶体管121-122。p沟道晶体管111包括经耦合以接收标称vdd供应电压的源极、耦合至内部电压供应节点n1的漏极以及经耦合以从电力控制电路110接收电压控制信号control的栅极。在所描述的示例中，标称vdd供应电压由电池140提供。标称vdd供应电压被选择为在正常(非空闲)操作条件期间提供内部电路系统130的期望的性能特性。例如，在一个实施例中，标称vdd供应电压可以是大约0.8伏(但在其他实施例中可以使用其他标称电压)。p沟道晶体管112包括经耦合以接收标称vdd供应电压的源极。p沟道晶体管112的栅极和漏极共同耦合至内部电压供应节点n1。因此，p沟道晶体管112以源极跟随器配置连接。

n沟道晶体管121包括耦合至供应电压vss的源极、耦合至内部电压供应节点n2的漏极和经耦合以从电力控制电路110接收电压控制信号control_b的栅极。在所描述的示例中，供应电压vss是具有0伏标称电压的接地供应电压(但在其他实施例中可以使用其他标称电压)。在所描述的示例中，电压控制信号control和control_b是互补信号，其中当这两个信号中的一个为高(vdd)时，这两个信号中的另一个信号为低(vss)。n沟道晶体管122包括经耦合以接收vss供应电压的源极。n沟道晶体管122的栅极和漏极共同耦合至内部电压供应节点n2。因此，n沟道晶体管122以源极跟随器配置连接。

内部电压源节点n1和n2耦合至内部电路系统130，由此这些节点n1和n2向内部电路系统130供电。更具体地，内部电压节点n1向内部电路系统130提供内部供应电压vdda，并且内部电压节点n2向内部电路系统130提供内部供应电压vssa。内部电路系统130可以包括例如实现待由iot设备/应用100提供的功能所需的逻辑、(多个)传感器、存储器、开关和/或任何其他电路系统。

电力控制电路110还向内部电路系统130提供体偏置控制电压vbias_p和vbias_n。调出件135展示了内部电路系统130的示例性p沟道晶体管131和示例性n沟道晶体管132。如所展示的，内部电路系统130内的p沟道晶体管131(以及所有其他p沟道晶体管)的p型主体区域经耦合以从电力控制电路110接收体偏置控制电压vbias_p。类似地，内部电路系统130内的n沟道晶体管132(以及所有其他n沟道晶体管)的n型主体区域经耦合以从电力控制电路110接收体偏置控制电压vbias_n。调出件135还大体上展示了内部电路系统130内的p沟道晶体管(例如，晶体管131)由内部供应电压vdda供电并且内部电路系统130内的n沟道晶体管(例如，晶体管132)由内部供应电压vssa供电。

现在将描述能量节省电路101的操作。图2是示出能量节省电路101的空闲状态和非空闲状态的波形图200。在空闲状态201中，电压控制信号control和control_b分别被驱动到vdd供应电压(例如，0.8伏特)和vss供应电压(例如，0伏特)。在这些条件下，p沟道晶体管111和n沟道晶体管121关断。在空闲状态201期间，p沟道晶体管112被偏置，使得该晶体管112的栅极-源极电压(并且因此源极-漏极电压)等于该晶体管112的阈值电压(vtp)。也就是说，施加到内部电压节点n1的内部供应电压vdda等于vdd供应电压减去p沟道晶体管112的阈值电压vtp。

类似地，在空闲状态201期间，n沟道晶体管122被偏置，使得该晶体管122的栅极-源极电压(并且因此源极-漏极电压)等于该晶体管122的阈值电压(vtn)。也就是说，施加到内部电压节点n2的内部供应电压vssa等于vss供应电压加上n沟道晶体管122的阈值电压vtn。

因此，在空闲状态201期间施加在内部电路系统130的元件两端的有效电压(vddeff)等于(vdd–vtp)–(vss+vtn)或vdd–vtp–vtn。因此，在空闲状态201期间施加在内部电路系统130的各个元件两端的有效电压小于vdd供应电压。因此，在空闲状态201期间内部电路系统130内的泄漏电流减少，从而节省能量并延长电池寿命。根据一个示例，阈值电压vtp和vtn每一个可以是0.3伏特，使得在空闲状态201期间有效电压vddeff是大约0.2伏特。这导致在空闲状态201期间内部电路系统130内的大量能量节省。有效电压vddeff被选择为足够高以在空闲状态201期间维持存储在内部电路系统130内的各种存储器元件内的任何数据。

典型的半导体制造工艺提供具有许多不同的可用阈值电压的晶体管。也就是说，工艺的不同(可选择的)p沟道晶体管可以展现不同的vtp阈值电压，并且该工艺的不同(可选择的)n沟道晶体管可以展现不同的vtn阈值电压。根据一个实施例，具体地选择p沟道晶体管112的阈值电压vtp和n沟道晶体管122的阈值电压vtn以提供期望的有效电压vddeff。所选择的阈值电压vtp和vtn不必相等。这种方法有利地提供了在选择在空闲状态201期间使用的任何特定有效电压vddeff方面的大量灵活性。在一个实施例中，选择阈值电压vtp和vtn以确保有效电压vddeff(即，vdda-vssa)足够大以确保数据在内部电路系统130内的存储元件内的保持，同时还足够小以在空闲状态201中提供能量节省。

如上所述，内部电路系统130内的p沟道晶体管的主体区域(例如，p沟道晶体管131的主体区域)经耦合以从电力控制电路110接收vbias_p电压。类似地，内部电路系统130内的n沟道晶体管的主体区域(例如，n沟道晶体管132的体)经耦合以从电力控制电路110接收vbias_n电压。根据一个实施例，电力控制电路110控制vbias_p和vbias_n电压在空闲状态201期间分别具有等于vdd供应电压和vss供应电压的值。在这些条件下，内部电路系统130的晶体管的主体区域在空闲状态201期间被反向偏置，从而进一步减少在空闲状态201期间内部电路系统130内的泄漏电流。

根据上述示例的几个变型，有效电压vddeff可以被修改。根据所述示例的一个可能的变型，内部电压供应节点n2直接连接到vss供应电压(即，从能量节省电路101中消除了n沟道晶体管121和122)。在该变型中，在空闲状态201期间施加在内部电路系统130的元件两端的有效电压vddeff将等于(vdd–vtp)–(vss)或vdd–vtp。

根据另一可能的变型，内部电压供应节点n1直接连接到vdd供应电压(即，从能量节省电路101中消除了p沟道晶体管111和112)。在该变型中，在空闲状态201期间施加在内部电路系统130的元件两端的有效电压vddeff将等于(vdd)–(vss+vtn)或vdd–vtn。

注意，如果阈值电压vtp和/或vtn相对于vdd供应电压太大，则可能需要实现上述两个可能的变型中的一个，从而防止在空闲状态201期间所存储数据在内部电路系统130内的保持。例如，如果vdd＝0.6伏、vss＝0伏且vtp＝vtn＝0.25伏，则vdd–vtp–vtn(即vddeff)小于0伏，从而防止在空闲状态201期间所存储数据在内部电路系统130内的适当保持。然而，如果使用p沟道晶体管111-112(并且消除n沟道晶体管121-122)，则vdd–vtp(即vddeff)等于0.35伏，从而实现在空闲状态201期间所存储数据在内部电路系统130内的适当保持。类似的结果可以通过使用n沟道晶体管121-122(并且消除p沟道晶体管111-112)来获得。

上述变型提供了选择在空闲状态201期间要施加到内部电路系统130的有效电压vddeff方面的灵活性。

返回到图2，在时间t1，iot设备100从空闲状态201转变为非空闲(活动)状态202。为了完成该转变，电力控制电路110将电压控制信号control和control_b分别驱动到vss供应电压(例如，0伏特)和vdd供应电压(例如，1伏特)。在这些条件下，p沟道晶体管111和n沟道晶体管121接通。因此，内部电压供应节点n1上的内部供应电压vdda通过p沟道晶体管111被上拉到vdd供应电压，并且内部电压供应节点n2上的内部供应电压vssa通过n沟道晶体管121被下拉到vss供应电压。p沟道晶体管112响应于内部电压节点n1上的高电压(vdd)而关断，并且n沟道晶体管122响应于内部电压节点n2上的低电压(vss)而关断。

有利地，由于内部电压供应节点n1仅需要从电压(vdd–vtp)充电(增加)到vdd供应电压，从空闲状态201到非空闲状态202的上述转变可以快速发生。类似地，内部电压供应节点n2仅需要从电压(vss+vtn)放电(减小)到vss供应电压。

根据一个实施例，电力控制电路110可以在时间t1将vbias_p电压驱动到低于vdd供应电压的电平，使得内部电路系统130内的p沟道晶体管(例如，p沟道晶体管131)的主体-源极结被正向偏置，从而在非空闲状态202期间有利地增加内部电路系统130的操作速度。或者，vbias_p电压可以在非空闲状态202期间保持在vdd供应电压(如图2中的虚线210所示)。

类似地，电力控制电路110可以在时间t1将vbias_n电压驱动到高于vss供应电压的电平，使得内部电路系统130内的n沟道晶体管(例如，n沟道晶体管132)的主体-源极结被正向偏置，从而在非空闲状态202期间有利地增加内部电路系统130的操作速度。或者，vbias_n电压可以在非空闲状态202期间保持在vss供应电压(如图2中的虚线211所示)。

针对所公开的实施例的先前描述是被提供用于确保任何本领域技术人员制造或使用本公开。对于本领域的技术人员来说，对这些实施例的各种修改将变得非常明显，并且本文中限定的一般原理可以在不背离本公开的精神或范围的情况下应用于其他实施例。因此，本公开并不旨在受限于本文示出的实施例而是符合与本文公开的原理和新颖特征一致的最宽范围。