电子装置中的功率闸控的制作方法
【技术领域】
[0001]本技术涉及电子装置领域。更具体地，本技术涉及功率闸控。
【背景技术】
[0002]功率闸控为在电子装置中减少泄漏功率的已知技术。可在电路与电路的供应电压之间耦接功率闸，以选择性地将电路耦接至供应电压或使电路与供应电压隔绝，而减少功率消耗。理想地，在功率闸开启而允许电压被供应至电路时，将有可以说是无限的电流传输通过功率闸，而在功率闸关闭而使电路与供应电压隔绝时，传输通过功率闸的电流将为零。功率闸在“开启”状态与“关闭”状态中传输的电流，在下文被称为“ 1-on”与“ 1-off ”。实际上，功率闸具有并非无限的1-on，因为在功率闸上存在一些电压降(IR drop)，减少了功率闸可供应的功率量，并且功率闸具有非零的1-off，使得在电路被关电时存在一些泄漏，增加了能量消耗。因此存在设计挑战:具有足够的功率闸以供应最差情况下电路所需的工作功率而不造成太多电压降，并具有尽可能少的功率闸以在关闭模式中将泄漏最小化。因为电子装置逐渐变得越来越小，电子装置倾向使用较低的电压，而这使得对于功率闸控的设计挑战变得困难得多，因为当在接近临界或次临界的电压下操作时，1-on趋向于1-off。1-on与1-off之间的比例减少，表示电路效能对电压非常敏感，而任何额外的电压降大大地冲击电路的效能与能量效率。本技术寻求解决这些问题。
【发明内容】
[0003]从一个方面看来，本技术提供一种电子装置，包含:
[0004]被配置成操作在第一电压域中的电路，所述第一电压域被供应了第一电压电平与参考电压电平；
[0005]电压调节器，所述电压调节器被配置成从第二电压电平产生第一电压电平，所述第二电压电平高于所述第一电压电平；
[0006]至少一个功率闸，所述至少一个功率闸被配置成将所述电路选择性地耦接至所述电压调节器产生的所述第一电压电平与所述参考电压电平中的一个；及
[0007]控制电路，所述控制电路被配置成产生闸控控制信号，以控制所述至少一个功率闸是将所述电路耦接至所述第一电压电平与所述参考电压电平中的所述一个，还是将所述电路与所述第一电压电平与所述参考电压电平中的所述一个隔绝；
[0008]其中所述控制电路被配置成操作在第二电压域中，所述第二电压域被供应了从所述第二电压电平导出的第三电压电平，其中所述第三电压电平高于所述第一电压电平；以及
[0009]所述至少一个功率闸具有闸极端子，所述闸极端子被配置成接收在所述第二电压域中的所述控制电路产生的所述闸控控制信号。
[0010]一种电子装置，具有操作在第一电压域中的电路，所述第一电压域被供应了第一电压电平与参考电压电平。所述电路可以是电子装置的任何功能性部件，诸如(例如)处理器、存储器、总线逻辑或无线电单元。提供至少一个功率闸以将所述电路选择性地耦接至上述第一电压电平与所述参考电压电平中的一个。然而，施加至功率闸的闸极端子以控制功率闸是将所述电路耦接至第一电压电平/参考电压电平还是使所述电路与第一电压电平/参考电压电平隔绝的控制信号是在被供应了高于所述第一电压电平的电压电平的第二电压域中产生的。通过相对于电路自身使用的所述第一电压电平来推升功率闸的闸极电压，可得到增加的1-on对1-off比例，这是因为取决于功率闸的类型，较强力地驱动功率闸的闸极端子将减少Ι-off (超级截止)或增加1-on (推升闸极)，而帮助改良装置的效能与能量效率。
[0011]功率闸的推升闸极操作为已知的技术，但经常不被使用，因为提供用于驱动功率闸的闸极端子的较高电压的来源一般而言被认为是昂贵的。例如可使用电荷栗，但使用电荷栗产生了额外的面积与能量开销。相对于此，本技术的发明人认识到在许多电子装置中，已经存在了高于用以给电路自身供电的第一电压电平的电压电平的来源。例如在许多嵌入式装置、无线传感器节点与其他相对小型的电子装置中，可将相对高的第二电压电平供应至电子装置，但为了节省功率，可将此第二电压电平减少至第一电压电平以对电路供电，使得电路消耗较少的动态功率。因此，许多装置具有电压调节器以将第二电压电平转换成要供应至电路的第一电压电平。
[0012]因此，用于功率闸的控制电路可操作在第二电压域中，所述第二电压域被供应了从第二电压电平导出的、高于第一电压电平的第三电压电平，而针对功率闸的控制信号可在第二电压域中产生。因此，对于功率闸的推升闸极操作可重新使用系统中已提供的较高电压，且因此不必需要提供额外的电压产生器(诸如电荷栗)以产生推升闸极电压，从而节省了能量与电路面积。
[0013]电子装置可具有产生第二电压电平的能量源。能量源可以是并非提供于电子装置内的、非本地的能量源。然而在其他情况中，能量源可以是提供于电子装置内的本地能量源。通常在提供了本地能量源时，本地能量源将产生高于装置内的电路实际上所使用的电压的较高电压，所以此较高电压可被用于产生用于功率闸的闸极端子的推升控制信号。
[0014]例如，能量源可包含至少一个电池。在提供电池时，电池通常产生相对高的电压，但以此电压操作电路可能是不节能的，且因此通常提供调节器以将电压转换成较低供应电压以用于电路。例如，典型的硬币型电池可产生诸如1.2V至3.3V的电压，但处理器或其他电路可能仅操作于IV或更低的电压。因此，在许多小型电池供电电子装置中，电池本来就已经提供的较高电压可被用于导出针对功率闸的控制信号以将功率闸操作在推升闸极或超级截止模式中。
[0015]能量源的另一种示例可以是撷取环境能量的能量撷取器，诸如从环境光撷取能量的光伏打电池(photovoltaic cell)、从环境温度差异或温度梯度撷取能量的热电(thermoelectric)撷取器、从机械或声学震动撷取能量的压电撷取器，或从环境无线电波撷取能量的无线电能量撷取器。
[0016]在一些实施例中，功率闸可包含脚部晶体管，脚部晶体管将电路选择性地耦接至参考电压电平。通常使用η型晶体管实施脚部晶体管，因此，施加推升电压至脚部晶体管的闸极增加了在脚部将参考电压电平供应给电路时的“开启”状态期间的1-on。本技术对于脚部功率闸特别有用，因为在电压减少时1-on通常下降得比1-off快得多，因此，相较于对于头部晶体管的闸极端子的均等推升，施加推升闸极电压至脚部晶体管更强力地增加了功率闸的1-on/1-off比例。
[0017]尽管如此，本技术也可应用至头部晶体管，该头部晶体管用于将电路选择性地耦接至电压调节器供应的第一电压电平。通常使用P型晶体管实施头部晶体管，因此，施加推升电压至头部晶体管的闸极端子将使头部进入超级截止模式而减少1-off (泄漏电流)并节省能量。减少1-off增加了 1-on/1-off比例，因此在睡眠或功率节省模式期间泄漏通过功率闸的能量较少。在一些实施方式中，提供头部功率闸而非脚部功率闸可产生较低的电路面积。
[0018]还可已在同一装置中提供头部晶体管与脚部晶体管的组合。
[0019]用于功率闸的晶体管的电压容许度可高于用于电路自身中的晶体管的电压容许度。换言之，相较于处理电路中的晶体管而言，功率闸可更能抵抗伤害并能够承受较高的施加电压。这对于减少用于控制信号的较高电压对功率闸造成伤害的风险是有用的。例如，可由具有较高电压抵抗性的不同晶体管技术制成功率闸。例如，可使用多闸极晶体管，诸如鳍状晶体管(FinFET)。
[0020]再者，可通过提供具有比用于电路的晶体管中的氧化层更厚的闸极氧化层来将功率闸制造为具有较高的电压容许度。因为两个理由，厚闸极氧化层晶体管是有用的:厚闸极氧化层晶体管不仅具有较高的电压抵抗性，而且厚闸极氧化层晶体管在低操作电压之下还比薄闸极氧化层晶体管具有更佳的1-on/1-off比例。因此，通过使用厚闸极氧化层晶体管，可改良电子装置的可靠性、效能与能量效率。
[0021]类似的，控制功率闸开启或关闭的控制电路也可由具有较高电压容许度的晶体管