专利名称：集成电路功率管理的制作方法
集成电路功率管理发明领域本发明涉及集成电路领域。更具体而言，本发明涉及在集成电路内的功率消耗的管理。
背景技术：
已知提供了一种集成电路，该集成电路包括功率轨(power rail)，其经由头端 (header)及脚端(footer)晶体管连接到虚拟功率轨。在该集成电路内的逻辑电路从虚拟 功率轨处汲取其功率。该等头端及脚端晶体管通常为高阈值电压的晶体管，而该等头端及 脚端晶体管用来将虚拟功率轨从低功率状态的主要功率轨中加以隔离，并据此将该逻辑电 路从该电源加以隔离。在减少集成电路的功率损耗上，这是一种很有用的技术，例如通过减 少经过该集成电路的静态漏电流。除了能够将部分的集成电路安置到低功率状态外，亦希望当这些部分离开低功率 状态时，能够迅速地恢复处理活动力。为了能有助于此，该逻辑电路的状态变量应在该低功 率状态中被保存。要达成此目的的一种途径是将该等状态变量储存到气球锁存器(balloon latch)。然而，气球锁存器的提供会增加电路的开销(overhead)。英国公开专利申请GB-A2，448，962揭示一种虚拟功率轨经由头端及脚端晶体管 连接到主要功率轨的技术，其中头端及脚端晶体管会重复地被接通及关断，以便让该虚拟 功率轨能维持在一与该主要功率轨的电压相异的中间电压，并据此减少对该逻辑电路的电 源电压。此会减少在逻辑电路内的功率损耗，但仍能提供足够功率让状态数据保持在该逻 辑电路内。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供一集成电路，其包含复数个耦接到虚拟功率轨的功率控制晶体管，其将所述虚拟功率轨耦接到具有源 电压水平的电源；功率控制器，其耦接到所述复数个功率控制晶体管，并设置成控制通过所述复数 个功率控制晶体管的导电；逻辑电路，其耦接到该虚拟功率轨以从该虚拟功率轨汲取功率；其中该功率控制器选择第一数量的所述功率控制晶体管切换到导电状态，以及选择第 二数量的所述功率控制晶体管切换到非导电状态，以便将所述虚拟功率轨维持在中间电压 水平。本技术认识到，通过使用功率控制器来选择能将虚拟功率轨耦接到该电源的功率 控制晶体管数量的方式，该虚拟功率轨可被维持在中间电压水平，且因此由该逻辑电路所 消耗的功率可减少，同时该逻辑电路能有足够的功率供给以维持它的状态。该功率控制器 选择第一数量的功率控制晶体管切换到导电状态，而选择第二数量的功率控制晶体管切换 到非导电状态，以便将虚拟功率轨维持在中间电压水平。关于哪些功率晶体管是在接通状态以及哪些是在关断状态的选择实质上是静态的，且因此在动态地调整通过功率控制晶体 管的导电时不消耗功率，尽管例如在快速地随时间改变(time-varying)的控制信号时此 方式会让其本身消耗所不希望的功率量。虽然本发明可随集成电路使用以将集成电路在不同的工作电压水平之间切换 (所有的这些工作电压水平都是数字处理操作执行中的功能模式水平)，但是本技术较好 地适用于功率控制器对功率控制信号产生响应以将集成电路在功能模式及保持模式间切 换的系统，其中在保持模式下该逻辑电路维持状态而未执行数字处理操作。由功率控制器对功率控制晶体管的控制可按有效率的方式来达成，此方式为将该 等复数个功率控制晶体管分成复数个功率控制晶体管的集合，在该集合内共享的功率控制 信号使各个功率控制晶体管的集合在该导电状态及该非导电状态之间切换。因此，由于单 一功率控制信号可切换完整集合的功率控制晶体管，所以控制信号的路由开销会减轻。将在导电状态下的功率控制晶体管数量控制在一适当水平以达到所希望的中间 电压的方式会有助于具体实施例，其中功率控制晶体管的不同集合中的至少某些集合含有 不同数量的功率控制晶体管。因此被置于导电状态的功率控制晶体管集合的不同组合将改 变给虚拟功率轨的驱动强度并且改变所实现的中间电压水平。当复数个功率控制晶体管集合含有单调地增加数量的功率控制晶体管时，促进了 关于选择哪些功率控制晶体管集合是导电的并因此达到所希望中间电压水平的能力。这能 够实现导电状态下的功率控制晶体管的第一数量在大范围内取值。功率控制晶体管的不同集合可被组织成群组，而这些群组(group)在它们的成员 集合内共享相同数量的功率控制晶体管。该等群组可与所有在群组内一起被接通以及关断 的集合共享共同的功率控制信号。在不同群组中方便地调整功率控制晶体管的数量是一种这样的方式，其中不同的 功率控制晶体管群组包含在群组间以四为因数增加的元件数量，该调整方式借助适当的编 码功率控制信号来达到接通状态的功率控制晶体管数量能按指数形式增加。更普遍而言，在当各个集合含有X个功率控制晶体管(其中X是Mn的整数部分，M 为正的整数，而N在群组之间增加)时，提供不同群组的集合内的功率控制晶体管数量之间 的指数关系。由功率控制器所施加的控制可为开环(open loop)控制，其中该功率控制器集合 将第一数量以及第二数量设定为预设值。功率控制器可试图将中间电压维持在目标水平， 而此开环控制可被预先安排为该中间电压将会处于靠近目标水平的位置。当功率控制器检测到该中间电压水平并施加反馈控制到该第一数量及第二数量 以将该中间电压水平维持在目标水平时，可达成中间电压水平的更精确控制。此反馈控制较好适用于处理在集成电路之间的个别变化，并适用于随时间改变的 参数，例如整体供给电压变化、温度变化、电路老化等等。功率控制晶体管可直接连接到电源。然而，若是功率控制晶体管在虚拟功率轨以 及功率轨(其本身耦接到电源)之间连接，则功率信号的路由会更简单。功率控制晶体管可当作头端晶体管及脚端晶体管的任一者或两者来提供给逻辑 电路。当时钟输入信号为静态时，若逻辑电路对时钟信号产生响应并维持状态，则在逻辑电路中的功率消耗会进一步减低。因此，当施加中间电压水平时，时钟输入信号可以被停 止而在维持状态同时在逻辑电路内的功率消耗会减低。根据本发明的一个方面，提供一集成电路，其包含复数个耦接到虚拟功率轨的功率控制晶体管装置，其用于将所述虚拟功率轨装置 耦接到具有源电压水平的电源装置；功率控制器装置，其耦接到所述复数个功率控制晶体管装置，以用于控制通过所 述复数个功率控制晶体管装置的导电；以及逻辑装置，其耦接到所述虚拟功率轨装置以从该虚拟功率轨装置汲取功率；其中所述功率控制器装置选择第一数量的所述功率控制晶体管装置切换到导电状态， 以及选择第二数量的所述功率控制晶体管装置切换到非导电状态，以便将所述虚拟功率轨 装置维持在中间电压水平。根据本发明的一个方面，提供操作集成电路的方法，该方法包含以下步骤将虚拟功率轨经由复数个功率控制晶体管而耦接到具有源电压水平的电源；使用功率控制器控制通过所述复数个功率控制晶体管的导电；从所述虚拟功率轨汲取用于逻辑电路的功率；选择第一数量的所述功率控制晶体管切换到导电状态，以及选择第二数量的所述 功率控制晶体管切换到非导电状态，以便将所述虚拟功率轨维持在中间电压水平。本发明的上述及其他的目标、特征及优点将可从以下结合附图一起阅读的关于说 明性具体实施例的详细描述而明显得知。
图1概要地绘示了包括功率管理机制的集成电路；图2为一表格，其显示在功率控制晶体管的群组、集合以及数量之间的关系；图3概要地绘示了集成电路，其显示了遍布该集成电路上的功率控制晶体管；图4为一信号图，其显示了具有不同数量的、在导电状态下的功率控制晶体管的 不同虚拟轨电压以及电流；图5为一曲线图，其显示在虚拟轨电压与导电状态下的功率控制晶体管的有效宽 度之间的关系；图6为一曲线图，其显示在通过逻辑电路的漏电流与导电状态下的功率控制晶体 管的有效宽度之间的关系；图7和8绘示了被选择为导电状态的功率控制晶体管数量与用于控制功率控制晶 体管的二进制编码信号之间的关系；以及图9为流程图，其概要地绘示了功率管理的方法。主要元件符号说明2集成电路4逻辑电路6虚拟功率轨8虚拟功率轨10功率控制晶体管
12供电轨14 电源16功率控制晶体管18接地轨20 电源22电压受控振荡器24计数器沈集成电路
具体实施例方式图1概要地绘示一集成电路2，该集成电路2包括了逻辑电路4，其连接到虚拟供 电轨6以及虚拟接地轨8。该虚拟供电轨6经由功率控制头端晶体管10连接到供电轨12， 供电轨随后连接到电源14。该虚拟接地轨8经由功率控制脚端晶体管16连接到虚拟接地 轨18，该虚拟接地轨再次连接到该电源14。功率控制器20产生供给给功率控制头端晶体管10和功率控制脚端晶体管16的 控制信号，以选择这些晶体管中的哪一些处于导电状态或是非导电状态。将会认识的是，该 非导电状态并不意味着绝对没有电流通过该晶体管(因为总是会有一些残余的漏电流)而 是该晶体管实质上已经是关断了。功率控制头端晶体管10与功率控制脚端晶体管16分别 标示成GHO、GHO、GH1、GH2、GH3和GFO、GF1、GF2及GF3。图1中所示的各个独立晶体管可 被认为是对应到一晶体管群组，其本身可含有多个晶体管的集合。该等晶体管可遍布该逻 辑电路4，以便向经过逻辑电路4的电网的虚拟供电轨馈电。然而，图1的说明概要地绘示 了功率控制晶体管在控制上的安排与性质。该功率控制器20响应于功率请求信号pwrq以及保持信号retn，以在操作的功能 模式与操作的保持模式之间切换。在操作的功能模式中，该逻辑电路4由时钟输入信号elk 提供时钟信号并执行数字处理操作。在保持模式中，在虚拟供电轨6与虚拟接地轨8之间 的电压差会减少并停止该时钟输入信号。在此保持模式中，该逻辑电路4会维持其状态值， 但不会执行数字处理操作。在保持模式中供给至逻辑电路4的减少的电压减少在逻辑电路4中的漏电流以及 因此减少该集成电路2的功率损耗。在逻辑电路4内持续存储逻辑电路4的状态的结果是 当在功能模式下全供给电压回到逻辑电路4时，数字处理操作能更迅速恢复。将可看到该功率控制器20提供不同的功率控制信号给功率控制头端晶体管10以 及功率控制脚端晶体管16的栅极节点。这些分立的功率控制信号允许单独的功率控制头 端晶体管10以及功率控制脚端晶体管16在导电状态及非导电状态之间切换。按此方式， 该功率控制器20可控制功率控制头端晶体管10以及功率控制脚端晶体管16，从而第一数 量的这些晶体管处于导电状态，而第二数量的这些晶体管处于非导电状态。处于导电状态 的晶体管的数量控制对虚拟供电轨6及虚拟接地轨8的驱动强度(有效的总驱动晶体管宽 度)。分压器(potential divider)在该供电轨14与该接地轨18之间用串联方式布置的 该等功率控制头端晶体管10、逻辑电路4及功率控制脚端晶体管16形成。在保持模式中这 些元件在其状态下的相对电阻控制在虚拟供电轨6与虚拟接地轨8之间的电位差。因此，若导电的功率控制头端晶体管10以及功率控制脚端晶体管16越少，则在供电轨12与虚拟 供电轨6之间和在接地轨18与虚拟接地轨8之间的电压降会愈高，从而减少在虚拟供电轨 6与虚拟接地轨8之间用来供给该逻辑电路4的电压差。送往功率控制头端晶体管10及功 率控制脚端晶体管16的功率控制信号实质上为静态信号，该等静态信号在保持模式中保 持它们的值，并且因此在改变(调整)这些功率控制信号的值时不会消耗功率。若执行中 间电压水平的反馈控制，则可对导电的功率控制晶体管10、16的数量进行一些微调，以将 虚拟供电轨6与虚拟接地轨8之间的电压差调整到所希望的水平。图1中所示的反馈机制包含电压受控振荡器22，其响应在虚拟供电轨6与虚拟接 地轨8之间的电压差，以产生具有与其间电压差成正比的频率的输出信号。此输出信号被 送至计数器24，该计数器以固定的时间间隔复位。可获取复位点的计数值并给出虚拟供电 轨6与虚拟接地轨8之间的电压差的测量值。此计数值因此可由功率控制器20用来微调 被切换到导电状态的功率控制晶体管的数量。此方式允许通过利用该反馈机制的功率控制 器20的控制动作来适应各种变化(例如随温度改变、电路老化、不同范例电路之间变化等 等而发生的变化)。图2是绘示如何将功率控制晶体管组织成集合并且然后将该等集合组织成群组 的表格。如图2所示，群组0含有八个晶体管集合。各个晶体管集合依序含有四个晶体管。 群组1含有八个晶体管集合，而各个晶体管集合含有16个晶体管。此关系延续到群组2及 4，当在群组间移动时，单个集合中所含有的晶体管数量会以4为因数增加。此提供了一种 在群组数量与该群组的集合内晶体管数量间的指数关系。更普遍而言，若X为一集合中的 晶体管数量，则X可由Mn给出，其中M为正整数常数而N在群组间增加。在一集合内的晶体 管以及若需要的话在一群组内的晶体管可共享使它们各栅极节点切换的功率控制信号。此 方式减少需由功率控制器20所产生的功率控制信号的数量，减缓路由的壅塞程度以及减 少在驱动功率控制信号本身中所消耗的功率量。各个集合内的晶体管数量的变化允许被切 换成导电状态的集合与群组的结合，以产生达到所希望中间电压水平所需要的导电功率控 制晶体管的总体数量。图3概要地绘示了 一集成电路沈，其具有遍布在集成电路沈上以馈电其电网的功 率控制晶体管。此类型的安排对于本技术领域中的技术人员是熟悉的，其中该电网延伸通 过集成电路26以提供对于形成该集成电路沈的电池单元(cell)的本地功率连接。功率控制晶体管是集合中的每个成员。不同的集合含有不同数量的功率控制晶体 管。集成电路26的右手侧缘显示了关于在集成电路沈中操作的功率控制晶体管的对应行 属于哪个集合的指示。集合0含有最大数量的功率控制晶体管。集合3含有最小数量的功 率控制晶体管。在导电状态下的功率控制晶体管的总数量可通过组合被接通的功率控制晶 体管集合及被关断的功率控制晶体管集合来微调。该选择实质上可为静态的，除了例如追 踪长期趋势、考虑在个别集成电路实例间的变化或在整体电源电压内的变化。图4为信号图，其绘示不同的虚拟轨电压水平以及与其相关的通过逻辑电路4的 漏电流。如图4所示，提供了五个可使用功率控制晶体管以供给中间电压的水平。当所有 的功率控制晶体管被接通时，将依照通过功率控制晶体管的小电压降在供电轨12及接地 轨18之间施加全电压。在图4中示出的不同的保持电压水平分别对应被接通的功率控制 晶体管的总数的1/6、1/3、1/2、2/3及5/6。所产生的中间电压水平会在虚拟供电轨6及虚拟接地轨8之间产生电压差，其分别为0. 3V、0. 57V、0. 68V、0. 75V及0. 8V。图5绘示了功率控制晶体管10、16的有效宽度与虚拟轨电压(在虚拟供电轨6及 虚拟接地轨8之间的电压差)之间的关系。该有效宽度对应处于导电状态的功率控制晶体 管的宽度总和。将会认识到，所有的功率控制晶体管可具有相同宽度，或替代地，不同功率 控制晶体管可具有不同宽度，而不同宽度的晶体管为不同集合及群组的成员。若在一群组 中使用较宽的晶体管，则需提供较少的此类较宽晶体管，以便由此群组对虚拟轨提供相同 的驱动强度量。如在图5中所见，随着导电的功率控制晶体管10、16的有效宽度增加，该中间电压 会向全轨数值方向增加。图6类似于图5，除了以通过逻辑电路4的漏电流相对于导电的功率控制晶体管 10、16的数量的有效宽度的方式显示以外。当导电的功率控制晶体管数量减少时，该逻辑电 路4两端的电压差将会减少并因此在逻辑电路4内的漏电流也会减少。此减少了保持模式 期间集成电路的功率消耗，同时允许逻辑电路4能保持它的状态值并做好当重新进入功能 模式时快速地恢复数字处理操作的准备。图7和8绘示如何使用5位二进制功率控制信号值来选择导电的功率控制晶体管 10,16的数量。此可被用来以一定的方式实现在二进制功率控制值与开关数量之间的指数 关系，该方式较好适合于对虚拟轨6提供宽范围的驱动强度。图9是流程图，其概要地绘示了该集成电路2进入保持模式和离开保持模式。在 步骤观，该过程等待直到接收了触发进入保持模式的信号为止(即由功率控制器20接收到 retn信号)。步骤30会将初始预定比例的头端及脚端晶体管10、16关断并停止该时钟输 入信号elk。此预定比例设定为一数值，该数值已知在虚拟功率轨上近似产生所希望的中间 电压水平。步骤32检测到该虚拟轨电压并判定其是否落在所希望目标范围内。步骤34微调 在导电状态下的功率控制晶体管的第一数量，以便若是在步骤32确定虚拟轨电压当前不 在目标范围内，则移往目标范围。因此，步骤34的动作是调整功率控制晶体管的第一数量 (即在导电状态下的功率控制晶体管的数量)的反馈控制，以使该逻辑电路4两端达到所希 望的电压。在步骤36，判断是否已经接收到触发返回到功能模式的信号(由功率控制器20所 接收的Pwrq信号)。若此信号尚未被接收，则集成电路2仍然在保持模式中而处理返回到 步骤32。当重新进入功能模式时，步骤38会接通所有的头端及脚端晶体管10、16 (此可经 由相位变化而减少涌浪电流)，以将全轨电压恢复至虚拟功率轨6、8，以及重新开始时钟输 入信号elk。该逻辑电路4则重新开始数字处理操作。虽然本发明的说明性具体实施例已在此连同参考随附图式而加以详细描述，然而 应了解到本发明并非受限于这些明确的实施例，并可由本技术领域内的技术人员对其施加 各种变化及修改，而不会背离由随附请求项中所定义的本发明的范畴及精神。
权利要求
1.一种集成电路，包含复数个耦接到虚拟功率轨的功率控制晶体管，其将所述虚拟功率轨耦接到具有源电压 水平的电源；功率控制器，其耦接到所述复数个功率控制晶体管，并设置成控制通过所述复数个功 率控制晶体管的导电；以及逻辑电路，其耦接到所述虚拟功率轨以从该虚拟功率轨汲取功率；其中所述功率控制器选择第一数量的所述功率控制晶体管切换到导电状态，以及选择第二 数量的所述功率控制晶体管切换到非导电状态，以便将所述虚拟功率轨维持在中间电压水 平。
2.如权利要求1所述的集成电路，其中所述功率控制器响应于功率控制信号以将所述 集成电路在以下两种模式之间切换(i)功能模式，其中所有的所述功率控制晶体管实质上处于所述导电模式，而所述逻辑 电路执行数字处理操作；以及( )保持模式，其中至少某些所述复数个功率控制晶体管处于所述非导电状态，而所 述逻辑电路运行以维持状态而不执行数字处理操作。
3.如权利要求1所述的集成电路，其中所述复数个功率控制晶体管分成复数个功率控 制晶体管的集合，在所述集合内共享的功率控制信号使各个功率控制晶体管的集合在所述 导电状态与所述非导电状态之间切换。
4.如权利要求3所述的集成电路，其中所述复数个功率控制晶体管集合中的至少某些 不同集合含有不同数量的所述功率控制晶体管。
5.如权利要求3所述的集成电路，其中所述复数个功率控制晶体管集合中的至少某些 不同集合含有单调地增加数量的所述功率控制晶体管。
6.如权利要求3所述的集成电路，其中所述复数个功率控制晶体管集合包含复数个由 集合形成的群组，在集合形成的群组内的各集合含有相同数量的功率控制晶体管，而在不 同群组内的集合则含有不同数量的功率控制晶体管。
7.如权利要求6所述的集成电路，其中在不同群组内的集合含有一定数量的功率控制 晶体管，该数量按4的因数而在群组之间增加。
8.如权利要求6所述的集成电路，其中在不同群组内的集合含有X个功率控制晶体管， 其中X是Mn的整数部分，M为正的常数而N在群组之间增加。
9.如权利要求1所述的集成电路，其中所述功率控制器控制所述第一数量及所述第二 数量以将所述中间电压水平维持在目标水平。
10.如权利要求9所述的集成电路，其中所述功率控制器检测到所述中间电压水平并 将反馈控制施加到所述第一数量及所述第二数量，以将所述中间电压水平维持在目标水 平。
11.如权利要求10所述的集成电路，其中所述反馈控制改变所述第一数量及所述第二 数量，以在所述集成电路的温度改变时维持所述中间电压水平。
12.如权利要求1项所述的集成电路，包含耦接到所述电源的功率轨，所述复数个功 率控制晶体管耦接到所述功率轨，并用来将所述虚拟功率轨经由所述功率轨连接到所述电 源。
13.如权利要求1所述的集成电路，其中所述复数个功率控制晶体管包括复数个头端 晶体管，而所述虚拟功率轨为虚拟供电轨。
14.如权利要求1所述的集成电路，其中所述复数个功率控制晶体管包括复数个脚端 晶体管，而所述虚拟功率轨为虚拟接地轨。
15.如权利要求1所述的集成电路，其中所述逻辑电路响应于时钟输入信号以执行数 字处理操作，并在当所述时钟输入信号为静态时维持状态。
16.一种集成电路，包含复数个耦接到虚拟功率轨的功率控制晶体管装置，其用于将所述虚拟功率轨装置耦接 到具有源电压水平的电源装置；功率控制器装置，其耦接到所述复数个功率控制晶体管装置，以用于控制通过所述复 数个功率控制晶体管装置的导电；以及逻辑装置，其耦接到所述虚拟功率轨装置以从所述虚拟功率轨装置汲取功率；其中所述功率控制器装置选择第一数量的所述功率控制晶体管装置切换到导电状态，以及 选择第二数量的所述功率控制晶体管装置切换到非导电状态，以便将所述虚拟功率轨装置 维持在中间电压水平。
17.一种操作集成电路的方法，所述方法包含以下步骤将虚拟功率轨经由复数个功率控制晶体管而耦接到具有源电压水平的电源；使用功率控制器控制通过所述复数个功率控制晶体管的导电；从所述虚拟功率轨汲取用于逻辑电路的功率；以及选择第一数量的所述功率控制晶体管切换到导电状态，以及选择第二数量的所述功率 控制晶体管切换到非导电状态，以便将所述虚拟功率轨维持在中间电压水平。
全文摘要
一种集成电路(2)包括连接到虚拟功率轨(6、8)的逻辑电路(4)。这些虚拟功率轨经由功率控制晶体管(10、16)连接到电源(14)。功率控制器(20)产生控制信号，该信号确定功率控制晶体管(10、16)处于导电状态的数量，该并且因此控制虚拟功率轨以拥有中间电压水平。可选择该中间电压水平以将该逻辑电路维持在保持模式，其中在该逻辑电路(4)内保持状态，但是不会执行处理操作。当重新进入功能模式时，所有的头端和脚端晶体管(10、16)可被切换到导电状态。
文档编号H03K19/00GK102055457SQ20101054341
公开日2011年5月11日 申请日期2010年11月3日 优先权日2009年11月4日
发明者D·W·弗林, J·P·比格斯, S·S·伊德甘吉 申请人:Arm有限公司