一種電源門控電路的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及電路領域，尤其涉及一種電源門控電路。
【背景技術】
[0002]隨著半導體集成電路工藝技術的發展，電路功耗問題成了困擾散熱、封裝和便攜的難題，并且，片上系統(SoC，System on Chip)系統的功耗在未來不斷的增長。
[0003]動態電壓頻率調整(DVFS，DynamicVoltage and frequency scaling)技術是一種最有效的節能方法。如今，多核中央處理器(CPU，Central Processing Unit)架構應用應成為主流。同時，每個CPU核的低功耗技術應用也是變成普遍的DVFS的技術，為了將低功耗技術推動到另一個精細化的層面，片上電源供電要求日益趨向于，精細化，多供電電壓域，快速響應等特點。
[0004]以前的供電電源都被默認為片外，由于工藝和集成封裝能力的問題，隨著工藝技術以及封裝技術的提高，供電電源越來越多的被集中到片上。除此之外，片上電源的供電系統，不僅從以前的單一電壓輸出，到如今的多個電壓域，來滿足不同的片上系統的供電需求。
[0005]另外，隨著應用場景不同，片上供電需求也隨之變化。在半導體工藝進入到28nm技術節點，馬上要跨入14nm/16nm技術節點時，在集成度越高，以及供電電壓越低的前提下，對片上電源供電需求更趨向于快速電壓跟蹤，以便于更好的靠精細化DVFS，以及進一步降低片上系統功耗。
[0006]如圖1所示，傳統的電源門控(power gating)技術框架圖。主要包括兩部分組成，開關(Switches)和控制單元(Controller)。負載(Load)的供電由開關輸出，而控制單元完成對開關的開啟或關斷控制。開關的個數不受限制，可因具體的應用場景而制定。同時，開關的連接方式也不受限制，可以是全部并聯的形式于電源Vdd和負載兩端，也可以是串聯并聯結合的方式，或串聯的方式。具體來說，開關可以是常用的功率開關管(power switches)，也可以是傳統的互補金屬氧化物半導體(CMOS，Complementary MetalOxide Semiconductor)工藝下的晶體管，也可以是，在電源門控技術中使用最頻繁的多閾值電壓CMOS。而控制電路根據外部輸入的參考電壓Vref輸出相應的開關控制信號“Sw_l，Sw_2，....，Sw_n”給相應的開關。
[0007]電源門控技術開關的實現方式大多都采用多閾值電壓(MTCMOS Mult1-ThresholdCMOS)，以減小開關的靜態功耗。當負載工作時，電源門控則關閉，負載工作電壓為其所需電壓。當負載不工作時，電源門控開啟，從而使得負載的供電低于正常電壓。當負載的應用不同時，如負載是內存時，電源門控開啟還可以將負載供電電壓調制到其所需的電壓值(如，維持內存數據不丟失的最低電壓值)。
[0008]由于實際應用需求，如負載為處理器時，需要的電源門控的頻率增加，如2GHz主頻的處理器，需要電源門控的響應時間理論上要達到納秒級或十納秒級，從而使得動態調壓調頻技術能更好的動態降低功耗，且滿足性能需求。同時，對負載的電壓供電需求，從單一的工作電壓和低于閾值電壓兩者之間拓寬到了更多電壓域，也即是說，一般的芯片供電技術會涉及到負載的正常工作電壓或者使負載不工作低于閾值電壓的供電。但是隨著半導體工藝的進步，芯片在不同供電電壓之下，其性能可以在不同狀態下進行切換，從而滿足不同應用場景，不同工作模式下的需求。并且，由于負載受更方面因素的影響如工藝不確定性(process variat1n)，溫度影響，及電源波動等，負載的供電電壓實時的需要作出改變。
[0009]傳統的電源門控電路僅是對開關在時間點上進行控制，無法實現快速的電壓跟蹤，不能滿足在實際應用中，動態電壓頻率調整以及動態調壓技術的需求。
【發明內容】
[0010]本發明實施例提供了一種電源門控電路，用于在片上系統的供電電路中實現快速電壓跟蹤。
[0011]本發明實施例第一方面提供的電源門控電路，包括:
[0012]電壓輸出模塊和電壓控制模塊；
[0013]所述電壓輸出模塊包括:電源和至少兩個開關；所述至少兩個開關用于將所述電源輸出的電源電壓(Vdd)調制為負載所需的供電電壓(V。)；
[0014]所述電壓控制模塊包括:第一信號調制單元；所述第一信號調制單元用于根據脈寬調制頻率(Fsw)生成第一控制信號，所述第一控制信號為經脈寬調制的多相位控制信號；
[0015]所述電壓輸出模塊用于向負載輸出所述供電電壓(V。)；所述電壓控制模塊用于向所述至少兩個開關輸出電壓控制信號，所述電壓控制信號包括所述第一控制信號，所述第一控制信號通過在高電平和低電平之間的切換，控制所述至少兩個開關中相應開關的導通或關斷，且所述第一控制信號在所述高電平或所述低電平其中一種電平信號的持續時間，表示所述至少兩個開關中相應開關的導通時間或關斷時間。
[0016]結合第一方面，在第一種可能的實現方式中，
[0017]所述開關包括:P溝道金屬氧化半導體PMOS晶體管，N溝道金屬氧化半導體NMOS晶體管，或多閾值電壓MTCMOS晶體管；
[0018]所述至少兩個開關的連接關系包括:串聯關系，并聯關系或串并聯關系。
[0019]結合第一方面或第一方面第一種可能的實現方式，在第二種可能的實現方式中，
[0020]當所述至少兩個開關中存在串聯關系的開關時，一個所述第一控制信號用于控制一組串聯關系的開關；
[0021]和/ 或，
[0022]當所述至少兩個開關中存在并聯關系的開關時，N個所述第一控制信號用于分別控制N組開關，所述N組開關相互為并聯關系，所述N為大于一的整數，并且在N個所述第一控制信號的控制下，所述N組開關的導通時間之間存在相位差。
[0023]結合第一方面，在第三種可能的實現方式中，
[0024]所述電壓控制模塊還包括:電壓檢測單元；所述電壓檢測單元用于檢測所述電壓輸出模塊輸出的供電電壓(V。)；
[0025]所述第一信號調制單元還用于根據脈寬調制頻率(Fsw)，參考電壓(Vref)以及所述供電電壓(V。)生成經脈寬調制的第一控制信號。
[0026]結合第一方面第三種可能的實現方式，在第四種可能的實現方式中，所述第一信號調制單元，包括:
[0027]第一運算放大器，振蕩發生器和脈寬調制比較器；
[0028]所述第一運算放大器用于對所述參考電壓(Vref)和所述供電電壓(V。)做差值運算;
[0029]所述振蕩發生器用于根據所述脈寬調制頻率(Fsw)生成周期性波形信號；
[0030]所述脈寬調制比較器用于將所述參考電壓(Vref)和所述供電電壓(V。)的差值，與所述周期性波形信號做比較，生成所述第一控制信號。
[0031]結合第一方面第三種可能的實現方式，在第五種可能的實現方式中，所述第一信號調制單元，包括:
[0032]模數轉換器，數字比較器，數字振蕩發生器，數字脈寬調制控制器和第一存儲器；
[0033]所述模數轉換器用于將輸入的所述參考電壓(VMf)和所述供電電壓(V。)轉換為數字信號；
[0034]所述數字比較器用于對轉換為數字信號的所述參考電壓(Vref)和所述供電電壓(V0)做差值運算；
[0035]所述數字振蕩發生器用于根據所述脈寬調制頻率(Fsw)生成周期性波形信號；
[0036]所述數字脈寬調制控制器用于將所述參考電壓(VMf)和所述供電電壓(V。)的差值，與所述周期性波形信號做比較，得到信號比較結果，并在所述第一存儲器存儲的控制信號查找表中查找與所述信號比較結果相對應的第一控制信號；
[0037]所述第一存儲器用于存儲第一信號查找表，所述第一信號查找表中記載了所述信號比較結果與所述第一控制信號的對應關系。
[0038]結合第一方面，在第六種可能的實現方式中，所述第一信號調制單元，包括:
[0039]振蕩發生器和延時單元；
[0040]所述振蕩發生器根據所述脈寬調制頻率(Fsw)生成周期性波形信號；
[0041]所述延時單元用于對所述周期性波形信號做相位延時，得到所述第一控制信號。
[0042]結合第一方面第三種可能的實現方式，在第七種可能的實現方式中，所述電壓控制模塊還包括:第二信號調制單元和選通單元；
[0043]所述第二信號調制單元用于根據所述供電電壓(V。)生成第二控制信號，所述電壓控制信號還包括所述第二控制信號；
[0044]所述選通單元用于根據模式指示信號，在所述第一控制信號和第二控制信號中選擇其中之一作為向所述至少兩個開關輸出的電壓控制信號。
[0045]結合第一方面第七種可能的實現方式，在第八種可能的實現方式中，所述電壓控制模塊還包括:驅動單元；
[0046]所述驅動單元用于增強所述選通單元輸出的電壓控制信號。
[0047]結合第一方面第七種可能的實現方式，在第九種可能的實現方式中，所述第二信號調制單元，包括:第二運算放大器；
[0048]所述第二運算放大器用于對所述參考電壓(Vief)和所述供電電壓(V。)做差值運算，將差值運算的結果作為所述第二控制信號輸出。
[0049]結合第一方面第七種可能的實現方式，在第十種可能的實現方式中，所述第二信號調制單元，包括:
[0050]模數轉換器，數字比較器，數字脈寬調制控制器和第二存儲器；
[0051]所述模數轉換器用于將輸入的所述參考電壓(VMf)和所述供電電壓(V。)轉換為數字信號；
[0052]所述數字比較器用于對轉換為數