专利名称：集成电路核的电源装置的制作方法
技术领域：
本发 明涉及集成电路核的电源装置，具体但不限于多电源域的集成电路。
背景技术：
当前正进行的集成电路特征尺寸的小型化对芯片尺寸、性能和功耗具有重大影 响。伴随科技的每一次进步，因为更短的晶体管沟道长度、更低的阈值电压和降低的栅极氧 化物厚度，电路性能得以提高。然而，由于增加的亚阈值泄露和栅极氧化物隧道电流，这些 尺寸的降低导致了增加的功率泄露。对于90nm和更小的工艺(指最小的特征尺寸，例如沟 道长度)，泄露功率在很多应用中和动态开关电源一样重要。为了降低市场开发时间，现代大的系统芯片(片上系统SoC)利用被称为核的预设 计和预验证逻辑块进行设计。SoC中的电源域包括一个或多个这样的核。为了最小化功耗， 大SoC需要有效的电源管理。出于这个目的，在实际中很普遍地给SoC中的每个电源域装 备电源开关以实现电源选通功能。基于SoC中的活动度和来自电源域的数据处理，电源域 可以通过电源开关个别地关闭。在这种方式下，对于关闭的电源域来说泄露功率是最小的， 因此，导致了整个功耗的节约。电源管理单元实现了关闭和打开SoC的电源域的控制功能。图1图示了作为具有电源选通功能的SoC的部分的示例电源域。对于核N，该核的 电源开关被标记为SN。每一个核由主电源线10供电。它的电源连接在主电源10和地12 之间，所述电源具有在主电源线10和每一个核N的各自的电源节点14,之间的电源开关S。 这种电源管理方法适合数字、模拟或混合信号核。电源管理单元(PMU) 16控制电源域；其以 单输出示意性示出。可以有多PMU，并且它们可以具有多控制输出。当电源域被选通时，电路放电到参考电位，从而非活动电源域的电荷不会被有效 利用。具有更高能效的方法是将该电荷重用于功能性操作，其导致了对于便携式应用或传 感器网络的增强的自治。当利用图1图示的方法给核加电时，典型地只有来自电源管理单元(PMU) 16的部 分功率被用来给核充电(或上电)。功率的剩余部分被消耗在了加热开关上。给核充电的 更好的方法是逐级充电。这种方法的可能与否取决于给核上电的可用时间量。Pakbaznia E.的 Charge Recycling in MTCMOS Circuits.Concept and Analysis, DAC2006描述了对于电源域的电荷循环方法。该方法降低了当在电源域的活动 和休眠模式之间的切换时的能量，例如，利用电荷循环以降低在两个独立电源域的活动到 休眠和休眠到活动的转变期间的切换功耗。该方法的使用很受限，因为只在当不同的核在 约同一时间被设置为休眠(电源关闭)和活动(电源开启)时应用它有意义。
发明内容
根据本发明，提供了用于供电给芯片的核的电源装置，所述电源装置包括电源控制器，所述电源控制器控制对核的供电；dc-dc转换器装置，所述dc-dc转换器装置连接到高电源线；和
开关装置，所述开关装置被连接为在电源控制器控制下，核可以由来自高电源线 的功率供电或由来自dc-dc转换器装置的功率供电，其中电源装置可操作在以下状态活动状态，其中核由来自高电源线的的功率供电；唤醒状态，其中核由来自dc-dc转换器装置的功率供电；和关闭电荷循环状态，其中核为dc-dc转换器装置提供电荷。在该装置中，核可以被控制，从而通过dc-dc转换器装置提供电荷循环 。在核的关 闭期间，dc-dc转换器将存在于核的电源节点上的电荷传送到主电源。在此状态下的dc-dc 转换器装置提供将变化的(下降的)输入电压转换为固定输出电压的功能。dc-dc转换器装置也用来唤醒核。在这种情况下，到dc-dc转换器的输入电压是常 量，并且输出电压斜线上升。这种斜线上升可以被控制以提供核的有效电源启动。以这种方式，本发明提供了适合于高能效的电路操作的电荷循环电路实现方式。 其重利用存储在被关闭电源的核中的能量，以供活动的其它核使用。本发明避免了施加到 电源开启/关闭转换的时间限制，且提供了一种模块化的、灵活的和高效的解决方案。核一般是电源选通电源域，并且在关闭状态下，来自核的电荷被传送到SoC的主 电源，从而电荷可以用来在(多核芯片的)其它活动的电源域执行功能性操作。电荷循环单元可以部分或全部集成在芯片中。本发明利用电荷循环的原理在电源选通电源域中提升高能效的芯片操作。dc-dc 转换器用来实现电荷循环和高效电源启动。电源装置还优选地操作在待机状态。在该状态下，核可以由来自dc-dc转换器的 功率供电，或它可以与电源完全断开。如果要在核中维持待机电压，则可以以已知的方式进 行稳压。dc-dc转换器装置可以包括电感性转换器，所述电感性转换器具有电感器，所述电 感器具有在关闭电荷循环状态期间在能量级别之间循环切换的接线端。可选地，dc-dc转换器可以包括电容性转换器。可以利用组合。电源装置优选地进一步包括将核电源电压与阈值值相比较的阈值检测电路，其中 阈值确定关闭电荷循环状态何时完成。例如，阈值检测电路的输出被提供给控制dc-dc转 换器装置操作的逻辑电路。开关装置可以包括在电源线之一和核之间与核串联的核电源开关，和在dc-dc转 换器装置的输出和核之间的电荷循环开关。本发明还提供了一种片上系统，所述片上系统包括多个核和本发明的电源装置。 每一个核可以有各自的dc-dc转换器装置和各自的开关装置。电源控制器可以共用，或者 每一个核使用一个电源控制器。本发明还提供了一种供电给芯片核的方法，所述方法包括在核的活动状态，用来自高电源线的功率给核供电；在核的唤醒状态，提供来自dc-dc转换器装置的功率，以便为活动状态做准备；和在关闭电荷循环状态，将核耦合到dc-dc转换器装置，从而当核电源电压下降时， 核将电荷提供给dc-dc转换器。dc-dc转换器装置将电荷提供给高电源线，以实现电荷循环。
参照附图，本发明的示例将被详细描述，其中图1图示了作为具有电源选通功能的SoC的部分的电源域的已知示例；图2以示意性形式图示了本发明的系统的概要图；图3图示了核的电源状态的简单状态图；图4图示了在图2的系统中使用的电荷循环单元的实施例；图5图示了电荷循环配置中的使用电感性dc-dc转换器的电荷循环单元的实现；图6以图6所示的波形图示了瞬时仿真结果；图7图示了基于电容性电压倍增器的转换器；图8图示了图7的电路的简单化版本；和图9图示了使用图7中图示的电容性转换器的电荷循环过程的仿真波形。
具体实施例方式本发明提供用于给芯片的核供电的电源装置。dc-dc转换器装置用于为活动状 态做准备的唤醒状态和关闭电荷循环状态，在所述关闭电荷循环状态中，核将电荷提供给 dc-dc转换器装置。dc-dc转换器装置将电荷发送到主电源。因此，dc-dc转换器装置提供 以一种高效方式控制核的电源开启和控制核的电源关闭的功能以实现电荷循环。在活动状 态，核由来自高电源线的电源供电。图2以示意性形式图示了本发明的系统的概要图。只图示了一个核20(核η)。通过电源开关Sn (22)从主电源24对核20供电。另外，通过电荷循环开关Scn (28) 将电荷循环单元26连接到核20的电源输入。从主电源24对电荷循环单元26供电。在电源管理单元32的最终控制下，由来自电源控制总线30的命令控制这两个开关。图3图示了核η的电源状态的简化状态图。所述状态是核可操作的活动状态、当对 核关闭电源时使用的电荷循环状态、核电源关闭的待机状态和对核启动电源的唤醒状态。在活动状态期间，开关Sn接通，核执行其正常功能(核的输入和输出未图示)。当 要对核关闭电源时，Sn打开，电荷循环开关Scn接通，电荷循环状态开始。在这个状态中，存储在核的电容中的电荷被泵送回电源。否则，这些电荷根据核中 的泄露机制会泄露到地。在核电源放电完成到所需的电平(VL)之后，核进入待机模式，其 中Sn保持打开，Scn可以选择为打开或闭合。所需的VL电平检测(用于确定核的状态)是电荷循环单元26的一部分。特别地， 通过观察核电源电压获得电压电平VL。因此，从主电源获得VL，无须附加参考电压源；在阈 值电压检测部分(例如如在下面将描述的图5和图7中图示)处理VL。在核进入待机模式之后或在电荷循环模式期间，很有可能需要核进入活动状态。 因此，电荷循环状态和待机状态均可以转变为唤醒状态。如果核必须在很短的时间内充电， Scn立即打开并且Sn立即闭合。如果核必须在有限时间内以高效的方式充电，则可以通过 电荷循环单元逐级充电，然后可以打开Scn并且闭合Sn。核的这些不同的可能的充电或电 源开启过程是唤醒状态的一部分。
应注意到，图2图示了顶部电源开关(即在核和主电源线之间)。可以使用底部电 源开关(即在核和地线之间)。以相对应的方式放置开关Sen。也可以使用顶部开关和底 部开关两者，以及使用一个或两个电荷循环开关Sen。在所有的情况下，存储在核中的能量在电源关闭期间被循环并且被回馈到主电 源，并且在进入活动状态之前的唤醒状态期间，使用开关Scn来高效地对核开启电源。图4图示了电荷循环单元26的实施例。此外，在电源管理单元的最终控制下，由 来自电源控制总线30的命令控制所述单元。在单个SoC中，可以有多于一个这样的电荷循环单元26。所述单元包括控制dc-dc 转换器42的电源控制器40。除dc-dc转换器42之外，提供阈值检测单元44，所述阈值检 测单元44有助于感测核电源停止/开始/继续电荷循环。转换器42由主电源24供电，所述主电源典型地具有常量电源电压。dc-dc转换器 可以是电容性的或电感性的或混合的。在电源开启期间提供给核的电压可以在主电源值和地电位之间，依赖于核电源的 充电状态而改变。因此，dc-dc转换器具有常量输入和可变的可控输出电压。已知如果电 压转换比率改变，则电容性dc-dc转换器不能有效操作，但它们呈现出低面积和完全集成 在单个管芯中的优势。电感dc-dc性转换器更高效但它们很难全部集成在芯片上。电荷循环单元26可以被多个核共用，或每一个核可以具有一个专有的电荷循环 单元。可以单独激活每一个电荷循环单元。图5图示了在电荷循环配置中，使用电感性dc-dc转换器的电荷循环单元的实现。图5未图示电源控制器，但假设控制器已经发出指令启动电荷循环。以具有初始电压Vcore = 1. 2v的InF电容器50来模拟核。dc-dc转换器自身由 开关MPO和MNO和用来驱动开关的NOR门52和线圈Lo构成。栅极的更复杂的控制可以用来获得更高效的转换。以时钟频率Vclk(施加到NOR 门的一个输入的时钟信号)进行开关。使用跟随有缓冲器54的高度不对称反相器(MPl和丽1)实现阈值检测。将阈值 检测信号施加到NOR门的另一输入。可通过观察在阈值检测部分的核电源电压获得核的待机电压电平VL。例如，晶体 管MPl和MNl形成反相器，所述反相器输出逻辑“0”直到它的输入(核电压)在反相器的 开关阈值之下。当核电压低于反相器的开关阈值电压时达到VL。因此，当阈值检测信号为低且时钟信号为低时，NOR门输出仅为高。当阈值检测信 号为高时，NOR门输出是常值(低)。当阈值检测信号为低时，NOR门输出随时钟信号周期 变化，从而以循环方式控制dc-dc转换器。通过常量电压源VO模拟主电源。 在图6中以波形形式图示瞬时仿真结果。第一(顶部)波形描述了电感器Lo的电流。第三波形描述了流入主电源Vdd的 电流，第二波形描述了它的时间积分，其代表了循环电荷。第四波形描述了在NOR门的输出处的栅极电压Vgate。第五波形描述了时钟信 号Vclk，其被施加到NOR门的一个输入。最后一个(第六)波形描述了阈值检测信号 VThresholdDetect (其是在约800ns处从0切换到1的信号60)及缓冲器输入电压(衰减波形62)和阈值64。循环功能在800ns处结束，此时Vcore达到在待机模式期间通过dc-dc转换器施加到核的电压电平。在这种情况下，由反相器MPl-MNl的内部逻辑电平(或开关阈值)确定待机电压 电平。从主电源和MPl-MNl的晶体管特性得到该电压。即使利用这种简单的转换器结构，仿真表明能量转换效率高于90%。电感性转换器的主要缺陷是对电感器的要求。在很多情况下，不可能将其集成到 芯片上。这导致了系统成本的提高。上述缺陷可以通过使用电容性dc-dc转换器以效率的 代价克服。有很多类型的电容转换器，它们可以被制造得相当复杂，以提升效率。图7图示了用于电荷循环状态的基于电压倍增器的转换器。当然，用于dc-dc转 换器的电压三倍器或任何其它普通电压多倍器均可使用。当将VL的值选定为VDD电压的一半时，这意味着如果核电压开始在满电源电压， 核只能放电到电源电压的一半。这意味着存储在核中的能量只有75%可以循环。依赖于核 的电压，可以使用利用不同乘法因子的转换器以获得更高的效率。与电感性转换器相比，电容性转换器相当复杂。图7未图示电源控制器，但再次假 设控制器已经发出指令来启动电荷循环。能量存储元件是Co。其它电容器被用来提供对用 在转换器中使用的开关的栅极电压的升压。晶体管MPO和MNO控制电容器Co的充电和放电。这些晶体管的栅极通过逻辑电 路控制，所述逻辑电路在示例中示为包括NAND门70。所述NAND门具有时钟信号和来自阈 值检测电路的阈值检测信号作为输入。因此，当阈值检测信号为高时，利用与时钟信号反相 的信号来选通晶体管。这实现了对dc-dc转换的循环电荷泵送操作。核电源电压被驱动到 主电源电压的一半，且多余电荷被返回到主电源。图7的电路周期性地将电容Co在与核电容(Vdd和地之间)串联和与核电容并联 之间切换。图8是图7的简单化示意图，用于解释电路操作。dc-dc转换器是部分80，阈值检 测是部分82。在dc-dc转换器中，开关SO代表电容器Co的底部和地之间的晶体管ΜΝ0。开 关Sl代表晶体管丽2和MP2的功能。开关S2代表晶体管丽1和MPl的功能。开关S3代 表电容器Co的顶部与电源Vdd之间的晶体管ΜΡ0。在φ 1阶段，开关Sl和SO闭合，S2和S3打开。Co与Ccore并联，从而Co被充电 到Vcore，实现在两个电容之间的电荷共享。在Cp2阶段，开关S2和S3闭合，SO和Sl打开。Co与Ccore串联，从而Co被电源 线Vdd充电。这种充电和电荷重分布周期性地发生。阈值检测部分82实质上是一个电压比较器，其可以利用图7中示出的多级放大器 产生，或者由时钟电路产生。具体细节与本发明无关。图9图示了使用图7中图示的电容转换器的电荷循环过程的仿真波形。第二波形描述了流入主电源Vdd的电流，顶部波形描述了它的时间积分，其代表 了循环电荷。第三波形描述了在NAND门的输出处的栅极电压Vgate，其被用来控制主要电荷存 储电容器Co的周期性的充电和放电。
最后一个(第四)波形描述了阈值检测信号VThresholdDetect (其是在约4us处 从1切换到0的信号90)以及缓冲器输入电压(衰减波形92)。循环功能在4us处结束，此 时Vcore达到在待机模式期间施加到核的电压电平。电容转换器展示出约45%的效率。这相比电感性转换器展示的高于90%的效率 较低，但面积相当紧凑。用在此设计仿真中的总电容总计低于20pF。在65nm CMOs工艺中， 电路实现需要约0.003mm2。电感性转换器可能需要外部线圈以获得良好的效率。转换器的 选择依赖于包含在系统设计中的成本效率折衷。dc-dc转换器的操作不再进一步详细描述，因为这不形成本发明的部分。当然，可 以使用电感性或电容性dc-dc转换器的很多不同设计。在所有情况下，转换器逐步降低主 电源电压的电压。通过电荷流的周期性控制来实现这个过程。在输出电压降低的期间内， 电荷流流向主电源线，提供电荷循环效果。当电荷循环发生时，上述波形涉及电源关闭功能。在这段时间内，核的电源电压下 降，直到达到参考电压。通过颠倒转换器的 输入和输出的角色，可以实现电源开启功能。因此，在电源关闭 周期内，dc-dc转换器具有可变(下降)输出电压和常量输入电压。随着电压的降低，存储 电荷的下降导致电荷流向电源线。在电源开启周期内，dc-dc转换器具有可变(上升)输 出电压和固定输入电压(电源线电压)。不详细描述在唤醒状态期间实现的电源开启功能，但可以获得类似于电荷循环期 间的效率。在唤醒状态下，使用电压下降转换来将核充电到需要的电平。例如，电压平分电路 可以用来将核充电到一半Vdd电平。可以通过不同的电路实现到用于电荷循环的dc-dc转 换器。以这种方式，待机电压VL不必限制为与用于高效电源开启的电压(在此示例中是电 源电压Vdd的一半)相同。可以使用与dc-dc转换器技术有关的不同值。事实上，在唤醒 状态期间将核充电到比Vdd的一半更高的电压是更高能效的。这可以通过选择用于下降转 换dc-dc转换器的输出的不同值来实现。实际上，在电源开启周期内可以以不同的方式控制用于电源开启的dc-dc转换 器，以贡献最高效的电源开启周期。在上述示例中，在将主电源线切换到核之前，dc-dc转 换器提供单一中间输出电压，将核充电到该中间输出电压。然而，可以将dc-dc转换器控制 为在具有因时而异的功能的核处提供多级电压电平。可以基于对核开启电源的可用时间选 定电源开启周期的效率。对不同的核，电平可以不同并且可以被调整。可以将更简单的dc-dc转换器用于电源开启功能，例如简单电容器网络。两个 dc-dc转换器可以一起被看作“dc-dc电压转换器装置”。在电源开启阶段的输出电压可以 独立于电源关闭阶段的待机电压。例如，电源开启阶段的输出电压可以为例如2Vdd/3或 3Vdd/40未给出用于电源开启功能的更简单dc-dc转换器的详细设计，因为这对于本领域 的技术人员来说是已知的。当然，通过颠倒dc-dc转换器的输入/输出指定，同样的转换器 可以用于上述提及的功能。本发明提供增强的电路自治。无需附加的计算劳动就能够实现简单的电源控制功 能。电源开启和电源关闭切换的时间选择行为也因此而不受限制。
本发明提供了可升级的解决方案，支持多电源域芯片。可以使用多个电荷循环单 元实现独立电源域的同时电荷循环。在 电容性电荷循环单元的条件下，全部集成到SoC中是可能的。本发明可以以 低面积开销实现，并且与传统电源开关实现兼容；因此在使用的电源开关类型上没有限制 (头部或底部)。本发明可以用于单个核芯片，并且它提供了高效电源开启，以及在电源关闭期间， 电荷返回电源以供其它电路使用。然而，本发明特别适合于任何多域IC。在那些使用多个 电源域且需要低功率的IC中，它特别有用。本发明特别适合需要不频繁核操作的应用，例如用于周期性传感器测量。各种修改对本领域的技术人员是显而易见的。
权利要求
1.一种对芯片的核(20)供电的电源装置，所述电源装置包括 电源控制器(40)，所述电源控制器控制对核(20)的供电；dc-dc转换器装置(42)，所述dc-dc转换器装置(42)连接到高电源线(24)；和 开关装置(22，28)，所述开关装置(22，28)被连接为在电源控制器(40)的控制下，由 来自高电源线(24)的功率对核供电，或由来自dc-dc转换器(42)的功率对核供电， 其中电源装置能够在以下状态下操作 活动状态，其中由来自高电源线(24)的功率对核(20)供电； 唤醒状态，其中由来自dc-dc转换器装置(42)的功率对核(20)供电，从而为活动状态 做准备；和关闭电荷循环状态，其中核为dc-dc转换器装置(42)提供电荷。
2.如权利要求1所述的装置，其中电源装置能够在关闭状态之后操作于待机状态。
3.如前述任一权利要求所述的装置，其中dc-dc转换器装置(42)包括电感性dc-dc转 换器或电容性dc-dc转换器，或它们的组合。
4.如前述任一权利要求所述的装置，进一步包括用于比较核电源电压和阈值的阈值检 测电路(44)，其中所述阈值确定关闭电荷循环状态何时完成。
5.如权利要求4所述的装置，其中将阈值检测电路(44)的输出提供给控制dc-dc转换 器装置的操作的逻辑电路(52，70)。
6.如前述任一权利要求所述的装置，其中开关装置包括在高电源线和低电源线之一 与核之间与核(20)串联的核电源开关(22)，和在dc-dc转换器装置(42)的输出与核(20) 之间的电荷循环开关。
7.一种片上系统，所述片上系统包括多个核(20)和如前述任一权利要求中所述的电 源装置。
8.如权利要求7所述的系统，其中每一个核(20)具有各自的dc-dc转换器装置(42) 和各自的开关装置(22，28)。
9.如前述任一权利要求所述的系统，其中dc-dc转换器装置包括用于唤醒状态的第一 dc-dc转换器和用于关闭电荷循环状态的第二 dc-dc转换器。
10.一种对芯片的核供电的方法，所述方法包括在核的活动状态，用来自高电源线(24)的功率给核(20)供电； 在核的唤醒状态，从dc-dc转换器装置(42)供电，从而为活动状态做准备；和 在关闭电荷循环状态，将核(20)耦合到dc-dc转换器(42)，从而当核电源电压下降时， 核提供电荷给dc-dc转换器装置(42)。
11.如权利要求10所述的方法，进一步包括 在关闭状态完成后，将核(20)置于待机状态。
12.如权利要求10或11所述的方法，进一步包括比较核电源电压和阈值，其中所述阈 值确定关闭电荷循环状态何时完成。
13.如权利要求12所述的方法，其中将阈值比较的输出提供给控制dc-dc转换器的操 作的逻辑电路(52，70)。
14.如权利要求10到13中的任意一个所述的方法，所述方法对片上系统的多个核 (20)供电。
15.如权利要求10到14中的任意一个所述的方法，其中在核的唤醒状态下，从dc-dc 转换器装置(42)的第一 dc-dc转换器供电，在关闭电荷循环状态下，将核(20)耦合到 dc-dc转换器装置(42)的第二 dc-dc转换器。
全文摘要
一种用于对芯片的核供电的电源装置。dc-dc转换器装置用于为活动状态做准备的核的唤醒状态，和核供电给dc-dc转换器的关闭电荷循环状态。因此，dc-dc转换器装置提供以高效方式控制核的电源开启和核的电源关闭以实现电荷循环的功能。在活动状态下，由来自高电源线的功率对核供电。
文档编号H02M3/07GK102035367SQ20101029353
公开日2011年4月27日 申请日期2010年9月26日 优先权日2009年9月28日
发明者伦泽·I·M·P·迈耶, 哈里什·昆德·萨布拉马尼亚恩 申请人:Nxp股份有限公司