用在芯片上，为分布式负载提供电源的系统的制作方法

本专利申请案大体上涉及集成电路，且更确切地说涉及一种用在芯片上，为分布式负载提供快速响应电源的系统。

背景技术：

在移动显示类型的产品中，数字运算核心所需的大电流与其长条形的布局特性对芯片电源轨设计产生严格的要求。显示驱动器应用电路中的高电阻ito往往会使置于外部的输出电容器不能有效对负载瞬态过程去耦。另外，传统分布式架构中的每个调节器由于不同的布局位置产生偏移特性，所述偏移特性增加了调节器对小电流到大电流的负载瞬态响应时间。

图1是一种具有能在芯片上提供电源的显示驱动器的常用电子显示屏系统。参考图1，显示驱动器芯片101连接到电子显示屏103以驱动所需显示图像。在移动电话等移动装置中，该连接通常通过玻璃片上芯片(chip-on-glass)技术直接连接。因此，如图1中所示，驱动器芯片101被设计成较长且较窄以便将显示屏面积减到最少。显示屏玻璃上常用的导电材料是氧化铟锡(ito)。ito可以制成涂覆在玻璃衬底上的透明导电薄膜。ito通常用于显示器技术，例如液晶显示器(lcd)、有机发光二极管(oled)显示器，以及用于触摸面板技术中。但ito的电阻性相对较大。ito材料的薄层电阻比驱动器芯片中的金属连接高得多(超过10倍)。

参考图1，数字运算核心105是在驱动器芯片101中具有相同的电源电压vdd的数字电路的集合。通过外部电源vpower109，驱动器芯片中的电压调节器107将vdd电压传递给数字运算核心105。vpower电压高于vdd。取决于显示屏技术、大小和分辨率，在完全工作状态下的数字运算核心的电流消耗可能为数百ma。vdd电流并不稳定。当显示器从关掉转换到开启时，vdd电流可在几纳秒中从<0.1ma跳变到高达数百ma。尽管vdd电流在波动，但数字运算核心需要稳定的电源电压vdd以便恰当地操作。经由ito连接到vdd的外部电容器111用于维持vdd稳定性。由于现代移动电子装置中的较大且较高分辨率的显示屏的电流消耗增加，ito连接113的高电阻降低了外部电容器111维持vdd稳定性的效果。因此，需要具有超快响应的分布式的芯片上的电源提供系统来解决所述问题。

技术实现要素：

本专利申请案涉及一种用于芯片上的电源提供系统。系统包括：多个局部电压调节器，每个局部调节器包括第一输入、第二输入以及一输出；一个跨导放大器与所述局部电压调节器相连接且经配置后以驱动所述局部电压调节器，跨导放大器包括第一输入、第二输入以及一输出；一参考电压源以及多个晶体管。所述跨导放大器的所述输出连接到每个局部电压调节器的所述第一输入；所述跨导放大器的所述第一输入连接到所述参考电压源。每个局部电压调节器的所述第一输入通过第一电容器接地；每个局部电压调节器的所述输出相对应地连接到每个晶体管的栅极；每个晶体管的源极或漏极连接到负载及连接到所述局部电压调节器的所述第二输入，并通过由多个金属布线电阻组合成的表示金属布线电阻的第一电阻器连接到其他晶体管，并且同时通过rc网络接地。rc网络中的分接点连接到所述跨导放大器的所述第二输入。

所述负载可以是驱动器芯片的数字运算核心。所述rc网络可以包括串联连接的所述第一电阻器、至少一个由ito电阻连接而成的第二电阻器以及第二电容器。所述参考电压源可以为直流恒压源。

所述跨导放大器可以具有在50到90db范围内的电压增益和在1到4mhz范围内的带宽。每个局部电压调节器可以具有在15到18db范围内的电压增益和在16到38mhz范围内的带宽。所述晶体管可以是pmos晶体管。

所述参考电压源可以经配置以对在所述跨导放大器的所述第一输入处的电压进行调整，使得在所述每个晶体管的所述源极或所述漏极处的电压在可预测的电流负载跳变之前增加预定量；并且在所述每个晶体管的源极或漏极处的电压的波动被解决之后取消所述经配置的调整。

附图说明

图1图示具有提供芯片上的电源的常规系统的电子显示屏。

图2是图示根据本专利申请案的实施例的用于芯片上，为分布式负载提供电源的系统的示意性电路图。

图3是图示根据本专利申请案的另一实施例的用于芯片上，为分布式负载提供电源的系统的示意性电路图。

图4是图示根据本专利申请案的又一实施例的用来设计用于芯片上，为分布式负载提供电源的系统的方法的流程图。

图5示出根据本申请案的实施例的用于芯片上，为分布式负载提供电源的系统以及 常规系统的模拟结果。

图6示出根据本申请案的实施例的用于芯片上，为分布式负载提供电源的系统以及常规系统的模拟结果。

图7a和7b示出根据本申请案的实施例的用于芯片上，为分布式负载提供电源的系统(图7a)以及常规系统(图7b)的模拟结果。

图8示出根据本申请案的实施例的用于芯片上，为分布式负载提供电源的系统的模拟结果。

图9示出根据本申请案的实施例的用于芯片上，为分布式负载提供电源的系统(其中在晶体管的源极或漏极处的电压在可预测的电流负载跳变之前增加预定量)以及没有此预定量的电压增加的系统的模拟结果。

具体实施方式

在以下描述的优选实施例，现将详细地描述在本专利申请案中揭示的用于芯片上，为分布式负载提供电源的系统的示例性实施例，但对于相关领域非常熟练的人员，为简单起见，可以不示出对于理解这系统的一些并非特别重要的特征。

此外，应理解，在本专利申请案中揭示的用于芯片上，为分布式负载提供电源的系统不限于下文描述的精确实施例，且在不脱离保护的精神或范围的情况下，可以由对于相关领域非常熟练的技术人员实现对所述精确实施例的各种改变和修改。例如，在本发明的范围内，不同说明性实施例的元件和/或特征可以与彼此组合和/或替代彼此。

图2是图示根据本专利申请案的实施例的用于芯片上，为分布式负载提供电源的系统的示意性电路图。参考图2，所述系统包含局部电压调节器(u1)201、跨导放大器203(u0)、以及晶体管(q1)202。跨导放大器203(u0)与局部电压调节器201相连接且经配置以驱动局部电压调节器(u1)。

局部电压调节器201包含第一输入、第二输入以及一输出。跨导放大器203包含第一输入、第二输入以及一输出。跨导放大器203的输出连接到局部电压调节器201的第一输入，且被称作vcomp。局部电压调节器201的第一输入还通过电容器207接地。局部电压调节器201的输出连接到晶体管202的栅极。晶体管202的源极或漏极206连接到负载204、及连接到局部电压调节器201的第二输入、以及通过由金属布线电阻形成的第一电阻器209连接到跨导放大器203的第二输入、并且通过rc网络接地。

在此实施例中，负载204是驱动器芯片的数字运算核心。rc网络包含串联连接的第一电阻器209、由至少一个ito电阻连接而成的第二电阻器211以及外部vdd电容器213。跨导放大器203的第一输入连接到参考电压源vref。在此实施例中，参考电压 源经配置以对在跨导放大器203的第一输入处的电压进行调整，使得在晶体管202的源极或漏极206处的电压在可预测的电流负载跳变之前增加预定量；并且在所述晶体管202的源极或漏极206处的电压的波动被解决之后取消所述经配置的调整。

具有“高增益和低带宽”特性(典型的电压增益：50到90db，带宽：1到4mhz)的跨导放大器203(u0)通过到vcomp的主要反馈路径205经配置以确定vdd的直流电压电平，并且提供一个稳定的vdd电压。

另一方面，局部电压调节器201(u1)具有“低增益和高带宽”特性(典型的电压增益：15到18db，带宽：16到38mhz)以用于调节相对于vcomp的局部vdd电压，并且能够达至与常规系统相比快得多的瞬态响应时间。

局部电压调节器201的电压增益(配置为全反馈)以近似10倍进行调节以确保pmos功率装置q1(即，晶体管202)始终接通以便响应于核心逻辑(即，数字运算核心204)的负载状况。功率vdd的金属布线将不影响此性能。

局部电压调节器201可以位于靠近或远离跨导放大器203的任何位置处。这允许将局部电压调节器201放置在其中存在最极端的负载状况的位置处。

如图2中所图示的基本架构可以扩展为允许由一个主要跨导放大器驱动多个局部电压调节器。图3是图示根据本专利申请案的另一实施例的用于芯片上，为分布式负载提供电源的系统的示意性电路图。参考图3，所述系统包含多个局部电压调节器301、跨导放大器303、以及多个晶体管302。跨导放大器303与多个局部电压调节器301相连接且经配置以驱动多个局部电压调节器301。

每个局部电压调节器301包含第一输入、第二输入以及输出。跨导放大器303包含第一输入、第二输入以及输出。跨导放大器303的输出连接到每个局部电压调节器301的第一输入，且被称作vcomp。每个局部电压调节器301的第一输入还通过电容器306接地。每个局部电压调节器301的输出相对应地连接到每个晶体管302的栅极。每个晶体管302的源极或漏极304连接到负载307、连接到局部电压调节器301的第二输入、通过由多个金属布线电阻组合成的第一电阻器309与其他晶体管连接，并且通过rc网络接地。rc网络中的分接点305连接到跨导放大器303的第二输入。

在此实施例中，负载307是驱动器芯片的数字运算核心。rc网络包含串联连接的第一电阻器309、至少一个由ito电阻连接而成的第二电阻器311以及外部vdd电容器313。跨导放大器303的第一输入连接到参考电压源vref。在此实施例中，参考电压源经配置以对在跨导放大器303的第一输入处的电压进行调整，使得在每个晶体管302的源极或漏极304处的电压在可预测的电流负载跳变之前增加预定量；并且在所述每个 晶体管302的源极或漏极304处的电压的波动被解决之后取消所述经配置的调整。

在此实施例中，每个局部电压调节器301经配置以处理在其局部点处的负载，并且由此对负载的局部改变提供快得多的响应。“dc”vdd调节仅需要从vdd到vcomp的一个反馈分接点305。由于局部电压调节器301的低增益特性，所有所述局部电压调节器都在小电流期间(参考图7a)导电，且它们具有高带宽(即，快速响应)。当突然上升的阶跃负载发生时(例如在模式改变期间)，因为所有的局部电压调节器301已经在导电，所以它们能够非常快速地响应以捕捉到负载阶跃，并且提供局部“vdd”，使得整体vdd将不会下降太多(以1.2v为最低，参考图5)。

参考图3，数字运算核心307内部未利用的空间用填充单元(fillercell)填满。这些填充单元可以是连接到vdd电源并接地的电容器。由于数字运算核心307的长且窄的形状，未使用的空间的比率比正方形形状的比率高。

参考图6(其在下文将得到更详细描述)，利用一定量的填充单元，例如利用1到5nf的电容，所述系统在不使用外部vdd电容器的情况下仍是稳定的。vdd从1.5v降低到1.1v且在大约0.1微秒内恢复。

图4是图示根据本专利申请案的又一个实施例的用来设计用于芯片上，为分布式负载提供电源的系统的方法的流程图。参考图4，所述方法包含：

1.准备初始输入，所述初始输入包含：描述数字电路的数字运算核心网表，包含用于数字电路的基础构建模块的随时可用的标准单元库，可为物理约束、电气约束和时序约束的布局约束(步骤401)；基于选定晶片工艺界定的适当的电源轨电压转换速率(电源轨上的电压波动的速率)(步骤403)；

2.使用适当的eda工具放置标准单元且对其布线(步骤405)；此过程使用标准单元构建模块产生数字运算核心的布局；

3.在数字运算核心内添加填充电容器以减少电源轨电压波动(步骤407)；

4.使用适当的eda工具执行动态功率估计(步骤409)；这将提供对每个控制节点(即，每个局部电压调节器的反馈分接点)处的电流分布和电压波动的观察；

5.检查在每个控制节点处的电源轨转换速率是否低于界定值(步骤411)；如果是，转至设计低增益高带宽的局部电压调节器(步骤413)；如果否，调整布局约束(步骤415)且回到步骤405；

6.设计局部电压调节器以支持界定的转换速率(步骤413)；换句话说，局部电压调节器应该足够快速地响应，使得在每个控制节点处的电压降在标准单元可接受的电平内；以及

7.设计跨导放大器以具有在界定的转换速率的20％之下的转换速率(步骤417)；这将允许跨导放大器仅响应于达到平均数的电源轨电压(而非瞬时电源轨电压波动)。

应注意，在此实施例中，相对较慢响应的跨导放大器加上相对较快响应的局部电压调节器的组合可以确保稳定的电源(即，没有过冲或振荡)。

图5示出根据本申请案的实施例的用于芯片上，为分布式负载提供电源的系统以及常规系统的模拟结果。参考图5，示出此实施例的系统的vdd性能(曲线501)和常规系统的vdd性能(曲线503)。在模拟中，负载条件是15ns周期的0到350ma的脉冲负载。填充电容是5nf，vdd输出电容是2.2uf。

图6示出根据本申请案的实施例的用于为分布式负载在芯片上提供电源的系统以及常规系统的模拟结果。参考图6，示出此实施例的系统的vdd性能(曲线601)和常规系统的vdd性能(曲线603)。在模拟中，负载条件是15ns周期的0到350ma的脉冲负载。填充电容是5nf。在此模拟中不存在vdd输出电容。

图7a和7b示出根据本申请案的实施例的用于为分布式负载在芯片上提供电源的系统以及常规系统的模拟结果。在模拟中，负载条件是15ns周期的0到350ma的脉冲负载。填充电容是5nf，vdd输出电容是2.2uf。参考图7a，在此实施例中，在点701处，当发生突然上升的阶跃负载时，因为所有的局部电压调节器301已经在导电，所以它们可以非常快速地响应以捕捉到负载阶跃且提供局部“vdd”，因此整体vdd将不会下降太多。相比而言，参考点703，在常规系统(图7b)的情况下，当发生突然上升的阶跃负载时，已关闭的调节器需要较长时间重新接通以捕捉到负载阶跃，且因此将发生严重的“vdd”电压突降。

参考点705，在此实施例中，由于局部电压调节器301的低增益特性，所有所述局部电压调节器都在小电流期间导电。相比而言，在常规系统的情况下，参考点707，由于不平衡的运行状况和电压调节器的高增益特性，仅在最高电压调节点处的一个调节器将被采用且导电，而所有其它调节器都被关闭。

图8示出根据本申请案的实施例的用于芯片上，为分布式负载提供电源的系统的模拟结果。在模拟中，负载条件是15ns周期的0到175ma的脉冲负载。填充电容是5nf，vdd输出电容是2.2uf。在此实施例中，vref电压经调整使得控制信号boost将目标vdd电压电平从1.5v升高到1.65v。也称为过驱动模式(overdrive)，此类模式在可预测的电流负载跳变之前被启用，且在由所述跳变导致的vdd电压波动解决之后被停用。vdd电压突降以1.5v电压电平为最低，所述电压电平确保数字运算核心能在安全范围内操作。参考图8，boost信号在负载电流的突然增加之前约3us时提高且在所 述突然增加之后持续63us。在点801处，在瞬态负载出现之前，启用过驱动模式以将输出vdd电压从1.50v升高到1.65v。在点803处，在瞬态负载出现之后，下降的vdd电压将处于较高电平处以确保数字运算核心能在安全范围内操作。

图9示出根据本申请案的实施例的用在芯片上，为分布式负载提供电源的系统以及常规系统的模拟结果。在模拟中，负载条件是15ns周期的0到175ma的脉冲负载。填充电容是5nf，vdd输出电容是2.2uf。参考图9，在启用过驱动特征的实施例的系统的曲线901中，在点903处，所述过驱动特征在瞬态负载出现之前将输出vdd电压升高到较高电平，使得vdd的最低点将维持在所需的1.35v之上。在曲线905中，在不启用过驱动特征的情况下，在点907处，vdd在1.35v之下。

通过上述实施例提供的用在芯片上，为分布式负载提供快速响应电源的系统包含应用于移动显示装置的集成电路(芯片)，所述集成电路具有跨导放大器和局部电压调节器。所述系统具有超快响应特点，可容易地扩展以支持广泛分布的布局放置，并且可以用于有效地处理在更大功率要求的数字运算核心的电源轨的不同点处不断增加的负载分布，而不受实际布局形状所局限。利用此拓扑和其超快响应特点，嵌入在数字运算核心中的可实行量的片上填充单元足以有利于稳定性和去耦。因此，由上述实施例提供的方案可以免去外部输出电容器和高阻ito的使用。

尽管已经特定参考本专利申请案的多个实施例示出且描述本专利申请案，但应注意在不脱离本发明的范围的情况下可以进行各种其它变化或修改。