CN101663629B - 用于电子系统的优化电源 - Google Patents

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Abstract

公开了一种依据与有线通信链路有关的性能度量，调节耦合到有线通信链路的电子装置的电源电压的方法。基于该性能度量生成电压调节信号。该电压调节信号随后用于更新到该电子装置的电源电压。

Description

用于电子系统的优化电源
技术领域
此处公开的主题总体上涉及用于集成电路的电路，且具体地涉及用于优化电子装置的电源的电路和相关方法。
背景技术
电子系统通常包括多个电子装置。不同装置配置成执行不同操作。在一个给定时刻，某些装置可以高速操作且因此与处于休眠模式的某些其它装置相比消耗更大的功率。类似地，特定装置在某一时刻可执行更多操作并因此比另一不同时刻耗费更多能量。其他因素，例如制作工艺变动、环境温度变动或者甚至装置部件之间的老化差异，也会导致不同装置在同一时刻以及同一装置在不同时刻的功耗变动。结果，系统与单个装置均具有动态电源要求。
另一方面，非常普遍的是，传统电子系统内的各种装置是由非常少的或者仅仅一个静态电源来供电的。这种情形下，为了确保整个系统甚至是在最恶劣场合下正常地操作，许多装置耗费比所需功率更多的功率。此外，制作或温度变动会导致装置性能远超过系统要求。这些情形下，电源可以降低，且装置仍能够满足系统性能需求，同时消耗更少功率。
对于系统级封装(SIP)配置，这种功率浪费问题更为复杂。SIP具有提供同一封装内的半导体芯片之间低成本互连的优点。但是与不必要功耗相关联的增大的功率密度会导致装置或系统过热，这严重限制了可以组装到单个封装内的芯片的数目。
因此，需要优化电子装置的电源而不存在前述问题。
发明内容
描述了一种用于动态控制电子系统的一个或多个电源电压的方法和相关电路。
在一些实施方式中，该电子系统包括第一电子装置；第二电子装置；一个或多个有线通信链路，将该第一电子装置耦合到该第二电子装置；以及集成到该第一电子装置内的电压调节器。该电压调节器配置成依据由该第一电子装置通过该有线通信链路接收的信号来决定性能度量，以及依据该性能度量来调节到该第一电子装置的第一电源电压。
在一些实施方式中，多管芯电子封装包括第一管芯；第二管芯；一个或多个有线通信链路，将该第一管芯耦合到该第二管芯；以及电压调节器，耦合到该第一和第二管芯。该电压调节器配置成依据来自该第二管芯的电压调节信号来分别调节到该第一管芯和第二管芯的第一电源电压和第二电源电压的一个或多个。
在一些实施方式中，多管芯电子封装包括第一管芯；第二管芯；一个或多个有线通信链路，将该第一管芯耦合到该第二管芯；以及电压调节器，耦合到该第一管芯以供应第一电源电压并耦合到该第二管芯以提供第二电源电压。该电压调节器配置成依据来自该第二管芯的电压调节信号来调节第一电源电压。
在一些实施方式中，多管芯电子封装包括第一管芯；第二管芯；一个或多个有线通信链路，将该第一管芯耦合到该第二管芯；以及电压调节器，耦合到该第一管芯以供应第一组电源电压并耦合到该第二管芯以提供第二组电源电压。该电压调节器配置成依据来自该第一管芯的第一电压调节信号来调节该第一组电源电压的至少一个电源电压以及依据来自该第二管芯的第二电压调节信号来调节该第二组电源电压的至少一个电源电压。
在一些实施方式中，在半导体衬底上制作的集成电路配置成调节晶体管器件的阈值电压。该电路包括阱(例如P阱或N阱)；多个晶体管，具有包括该阱的反偏压节点；以及阈值调节电路，用于调节该多个晶体管的反偏压。
在一些实施方式中，一种调节电子系统的多个电源电压的方法，包括：反复调节该多个电源电压的第一电源电压，直到该电子系统的第一性能度量不满足第一预定要求；将该第一电源电压退回到一电平，使得该第一性能度量满足第一预定要求；反复调节该多个电源电压的第二电源电压，直到该电子系统的第二性能度量不满足第二预定要求；以及，将第二电源电压退回到一电平，使得第二性能度量满足第二预定要求。
在一些实施方式中，一种调节电子系统的多个电源电压的方法，包括：指派相应值给该多个电源电压的每一个；调节该多个电源电压中的至少两个以产生电源电压组；确定该电源电压组是否满足关于该电子系统的第一性能度量的预定要求；重复该调节和确定操作；选择满足该预定要求的相应电源电压组；以及使用所选择的电源电压组来操作该电子系统。
附图说明
为了更好理解，应参考结合附图进行的下列详细描述，附图中：
图1为说明包括电压调节器的系统的实施方式的方框图，该电压调节器调节到通过有线通信链路互连的两个电子装置的电源电压。
图2为说明包括电压调节器的系统的实施方式的方框图，该电压调节器调节到通过有线通信链路互连的两个电子装置的每一个的电源电压。
图3为说明包括电压调节器的系统的实施方式的总体方框图，该电压调节器调节到通过一个或多个有线通信链路互连的两个电子装置的每一个的多个电源电压。
图4为说明具有内置电压调节器的电子装置的实施方式的方框图，该电压调节器调节到通过有线通信链路耦合到另一装置的该电子装置的电源电压。
图5A为说明探测电子装置的关键路径延迟误差的实施方式的方框图。
图5B为说明测量电子装置的电压裕量和定时裕量的实施方式的方框图。
图5C说明了误码率与电压裕量或定时裕量之间关系的实施方式。
图6为说明通过测量电子装置内的不同性能度量来生成组合电压调节信号的电路的实施方式的方框图。
图7A为说明使用电压调节器的原位(in-situ)阈值电压控制的实施方式方框图。
图7B为说明通过调制P阱和N阱电压来原位调制晶体管阈值电压的两个电压调节器的实施方式的方框图。
图8A-8C为说明安装在电子封装的底面上的两个电压调节器的实施方式的不同视图的方框图。
图9A说明了用于优化到电子系统的多个电源电压的一维方法的实施方式。
图9B说明了用于优化到电子系统的多个电源电压的多维方法的实施方式。
相同参考符号在所有附图中表示相应部件。
具体实施方式
现在详细参考实施方式，其示例在附图中予以说明。在下文详细描述中，给出诸多具体细节以提供对此处讨论的主题的全面理解。但是本领域技术人员显见，可以不需要这些具体细节来实践该主题。在其他情形中，公知方法、过程、部件和电路并未详细描述，以免不必要地模糊实施方式的各方面。
图1为说明包括电压调节器130的系统100的实施方式的方框图，该电压调节器调节到通过有线通信链路140互连的两个电子装置110、120的电源电压Vdd。在一些实施方式中，电子装置110为发送器，电子装置120为接收器。在一些实施方式中，电压调节器130和两个电子装置110、120制作在三个分离的管芯上，且此三个管芯位于单个外壳内，形成SIP系统。在一些其它实施方式中，此三个管芯分离地封装。在一些实施方式中，三个部件中的两个容纳在同一封装内。例如，电压调节器130和一个电子装置120位于一个封装150内，另一装置110位于另一封装内。在一些其它实施方式中，电压调节器130集成到两个电子装置110和120其中任何一个的管芯上。
在一些实施方式中，电源160馈送电源电压到电压调节器130。电压调节器130依据其沿着线路125从电子装置120接收的电压控制信号Up/Down而动态地调节(例如增大或减小)电源电压Vdd。经过调节的电源电压Vdd用于对这两个电子装置110、120供电。
在一些实施方式中，电压控制信号Up/Down(向上/向下)为与电子装置120相关的特定性能度量的函数。如下文结合图5A和5B所描述，该性能度量可依赖于一个或多个参数，诸如电压裕量565、定时裕量566、误码率和/或匹配的关键路径延迟误差，等等。电子装置120或电子装置120内的子装置(未示出)将该性能度量与阈值进行比较。如果该性能度量低于第一阈值，则当前电源电压Vdd被视为低于对两个电子装置供电所需的电源电压。相应地，电子装置120或子装置通过有线通信链路125发送一个或多个电压Up信号到电压调节器130。电压调节器130随后增大到该两个电子装置的电源电压Vdd，直到该性能度量与该第一阈值匹配。在这种情形下，当性能度量与阈值相等时，或者当性能度量落在该阈值的预定范围内时，该性能度量可与该阈值“匹配”。
类似地，如果该性能度量高于第二阈值，则当前电源电压Vdd被视为高于所需电源电压。这种情形下，电子装置120或子装置发送一个或多个电压Down信号到电压调节器130。电压调节器130随后减小电源电压Vdd，直到该性能度量与该第二阈值匹配。同样，当性能度量与第二阈值相等时，或者当性能度量落在第二阈值的预定范围内时，该性能度量可与第二阈值“匹配”。第一和第二阈值可以相同或不同。按照这种方式，电子装置120和电压调节器130提供了一种闭环系统，其中Vdd的特性将呈现“锁定”和“抖动”行为。
在一些实施方式中，电子装置120包括第一逻辑122和第二逻辑124。第一逻辑122配置成生成用于电子装置120内的第一类型电路(例如数字电路)的第一子信号。第二逻辑124配置成生成用于电子装置120内的第二类型电路(例如模拟电路)的第二子信号。这种情形下，电压调节信号为第一子信号和第二子信号的函数。
在一些实施方式中，如果第一子信号和第二子信号中任何一个为升压信号，则该电压调节信号为升压信号。如果第一子信号和第二子信号均为降压信号，则该电压调节信号为降压信号。
在一些实施方式中，如果电子装置120具有预定延迟阈值之上的关键路径延迟，则第一逻辑122配置成生成升压信号。
在一些实施方式中，如果电子装置120具有预定电压裕量阈值之下的电压裕量，则第二逻辑124配置成生成升压信号。在一些实施方式中，如果电子装置120具有预定定时裕量阈值之下的定时裕量，则第二逻辑124配置成生成升压信号。在一些实施方式中，如果第二电子装置120具有预定误码率阈值之上的误码率，则第二逻辑124配置成生成升压信号。第二逻辑124可包括误码率测量电路，或者备选地，第二逻辑124可以耦合到与由电子装置120从有线通信链路140接收的数据流相关的误码率测量电路(例如具有BER测量电路或逻辑的自适应或漫游采样器)。
图2为说明包括电压调节器230的系统200的实施方式的方框图，该电压调节器调节到一个电子装置210的电源电压Vdd_Tx以及到通过有线通信链路240耦合到电子装置210的另一电子装置220的另一电源电压Vdd_Rx。在一些实施方式中，电子装置210为发送器且电子装置220为接收器。在一些实施方式中，电压调节器230可以与电子装置210或电子装置220组合在相同的管芯上。在一些实施方式中，电压调节器230和两个电子装置210、220制作在三个分离的管芯上，且此三个管芯位于单个外壳内，形成SIP系统。在一些其它实施方式中，此三个管芯分离地封装。例如，电压调节器230和一个电子装置220位于一个封装250内，另一个装置210位于另一封装内。在一些其它实施方式中，电压调节器230集成到两个电子装置220和230其中任何一个的管芯上。
在一些实施方式中，电源260馈送电源电压到电压调节器230。电压调节器230依据来自电子装置210和220的电压控制信号Up/Down_Tx和Up/Down_Rx而动态地调节(例如增大或减小)电源电压Vdd_Tx和Vdd_Rx。经过调节的电源电压Vdd_Tx和Vdd_Rx用于分别对两个电子装置210、220供电。
在一些实施方式中，电压控制信号Up/Down_Tx为与电子装置210相关的特定性能度量的函数，电压控制信号Up/Down_Rx为与电子装置220相关的特定性能度量的函数。这两个性能度量可以相同或不同。
可以基于电压控制信号Up/Down_Tx和Up/Down_Rx其中之一或二者，在电压调节器230执行不同算法来调节电源电压Vdd_Tx和Vdd_Rx之一或二者。例如，电压调节器230在接收到来自电子装置210的电压控制信号Up_Tx或者来自电子装置220的Up_Rx至少其一时，可增大电源电压Vdd_Tx和Vdd_Rx这二者。在另一示例中，电压调节器230仅在接收到来自电子装置210的电压控制信号Down_Tx和来自电子装置220的电压控制信号Down_Rx二者时，减小电源电压Vdd_Tx和Vdd_Rx这二者。对于电压控制信号Up/Down_Tx和Up/Down_Rx的给定集合，可分别向Vdd_Tx和Vdd_Rx应用相同或不同的电源电压变化幅值。
图3为说明具有电压调节器330的系统300的实施方式的总体方框图，该电压调节器调节到通过一个或多个有线通信链路340、345互连的两个电子装置310、320的每一个的多个电源电压。在一些实施方式中，两个电子装置310、320任何一个或二者为收发器。在一些实施方式中，电压调节器330和两个电子装置310、320制作在不同管芯上且三个管芯位于单个外壳内，形成SIP系统。在一些其它实施方式中，这三个管芯分开封装。例如，电压调节器330和一个电子装置320位于一个封装350内，另一个装置310位于另一封装内。在一些其它实施方式中，电压调节器330集成到两个电子装置310和320的任何一个的管芯上。
在一些实施方式中，电压调节器330接收来自相应电子装置的多个电压控制信号。不同的电压控制信号可以与在该电子装置测量的不同性能度量相关。例如，图3内的电压控制Up/Down_Time_Margin_2与在电子装置320处测量的定时裕量相关，Up/Down_Voltage_Margin_1与在电子装置310处测量的电压裕量相关。
在一些实施方式中，电压调节器330基于其从电子装置接收的电压控制信号而生成用于电子装置310、320其中之一或二者的多个电源电压。如图3所示，电压调节器330应用三个电源电压Vdd_Tx_1、Vdd_Rx_1和Vdd_IO_1到电子装置310。电源电压Vdd_Tx_1对电子装置310的发送子装置(未示出)供电。电源电压Vdd_Rx_1对电子装置310的接收子装置(未示出)供电。电源电压Vdd_IO_1(输入/输出电路电源电压)对电子装置310的I/O接口(未示出)供电。
除了结合图1至图3在上文所描述的示例性电压调节算法之外，本领域技术人员将显见可以采用许多其他电源电压调节算法，以基于从相应电子装置收集的多个电压控制信号来生成多个电源电压。
概言之，电压调节器内置在系统内以将电源电压提供到耦合至电压调节器的一个或多个半导体芯片。至少一个该半导体芯片配置成生成一个或多个电压控制信号。在一些实施方式中，电压控制信号是通过将在半导体芯片处测量的性能度量与阈值进行比较而生成的。
如果该性能度量在第一方向上与该阈值不同(例如高于阈值)，则当前由电压调节器生成的一个或多个电源电压被视为高于所需的电源电压。可以减小该电源电压并因此降低系统的功耗而不负面地影响系统的性能。相应地，可以使用一个或多个电压控制信号来以预定量反复(在需要时)减小电源电压，直到性能度量与阈值匹配。如上述，当性能度量与阈值相等时，或者当性能度量落在该阈值的预定范围内时，该性能度量可以与阈值匹配。
如果该性能度量在第二方向上与阈值不同(例如低于阈值)，则当前由电压调节器生成的一个或多个电源电压被视为低于维持系统性能所需的电源电压。相应地，可以使用一个或多个电压控制信号来以预定量反复(在需要时)增大电源电压，直到性能度量与阈值匹配。
在一些实施方式中，当装置在初始化模式操作时，例如当装置被加电时，电压调节器调节电子装置的电源电压。
在一些其它实施方式中，即使该装置在后初始化模式操作，电压调节器也例如通过监测与系统内装置的温度对应的性能度量来调节电子装置的电源电压。在这些实施方式中，电压调节器130、230、330或430包括温度传感器(未示出)，或者耦合到该电压调节器外部的温度传感器(未示出)，或者监测指示系统内装置的温度的电路参数(例如，电压调节器内或者电子装置110/120、210/220、310/320或410/420之一内的电流或电压)。
在一些实施方式中，提供硬件、软件或固件接口用于从外部调节与内置于系统内的不同装置相关的一个或多个阈值，并因此调节装置的性能目标和电源要求。
在一些实施方式中，电压调节器可用于调节到不同封装内的电子装置的电源电压。
图4为说明包括具有内置电压调节器430的电子装置410的系统400的实施方式的方框图，该电压调节器调节到电子装置410的电源电压。在一些实施方式中，电子装置410为中央处理器(CPU)，电子装置420为存储装置。
在一些实施方式中，电源460馈送电源电压到电压调节器430。电压调节器430依据与装置相关的性能度量(例如电压裕量、定时裕量、误码率和/或关键路径延迟误差)而动态地调节(例如增大或减小)到电子装置410的电源电压。
在一些实施方式中，电压调节器430还接收两个装置410和420的当前性能相关的信息。
本领域技术人员将理解，前述电源电压调节算法可被电压调节器430采用以更新到电子装置410的电源电压。
如上述，电子装置通过测量性能度量并将其与预定阈值进行比较而生成电压控制信号。示例性性能度量包括电压裕量、定时裕量、误码率以及关键路径延迟误差。图5A-图5C说明了确定用于电子装置的性能度量的实施方式。
图5A为说明探测电子装置内的关键路径延迟误差的实施方式的方框图。为了简化，电子装置内的关键路径包括组合逻辑520，该组合逻辑在其输入接口耦合到锁存器或触发器510且在其输出接口耦合到锁存器或触发器515。锁存器或触发器510和515由时钟信号CLK 525钟控。从第一锁存器或触发器510的输出经过组合逻辑520到达第二锁存器或触发器520的输出(称为关键路径延迟)的最恶劣状况的延迟必须为时钟信号CLK 525的预定数目的时钟周期。在一些实施方式中，此关键路径延迟由复本电路540测量以避免关键路径的测量干扰实际电路510、520、515的操作。复本电路540的路径延迟(从复本电路540的输入到输出)大致上等于沿着实际信号路径的关键路径延迟505。在一些实施方式中，该电子装置为同步数字系统的一部分。
在一些实施方式中，复本电路540将输入信号透明地传输到输出接口，其路径延迟大致上等于关键路径延迟505。时钟CLK 525作为输入被提交给复本电路540且复本电路540产生类似的时钟波形，但是延迟了复本电路540的延迟。在对复本路延迟的范围的特定假设的情况下，通过将CLK 525的相位与复本电路505的输出时钟545进行比较，复本电路的路径延迟可以与时钟CLK 525的时间周期进行对比。例如，如果已知复本电路延迟小于CLK 525周期的1.5倍，则当输出时钟545的相位早于输入时钟CLK 525时，复本电路延迟(其大致上等于关键路径延迟505)被称为小于时钟周期，且反之亦然。类似地，如果已知复本电路延迟为CLK 525周期的3.5倍至4.5倍，则可以在复本电路延迟和4倍的CLK 525周期之间进行类似的比较。
相位探测器530耦合到时钟525和545以确定关键路径延迟505，并依据关键路径延迟505是否大于或小于预期值或默认值而产生Up/Down信号532。关键路径延迟505与预定数目时钟周期之间的差异对应于关键路径的延迟误差，其可用于调节到电子装置110或120或者这二者的电源电压。例如，如果关键路径延迟505长于预定数目的时钟周期，则需要增大至少一个电源电压(例如由在其输出产生Up信号的相位探测器530引起)。如果关键路径延迟505等于或短于预定数目的时钟周期，则至少一个电源电压的减少(例如由在其输出产生Down信号的相位探测器530引起)可以帮助减小二者之间的差异。
在一些实施方式中，前述确定关键路径延迟505的方法经常被用于监测电子装置内的数字逻辑电路，因为两个连接的电路之间的时间延迟必须精确以避免误差。
图5B为说明测量电子装置的电压裕量和定时裕量的实施方式的方框图。信号失真实际上对于任何信号路径而言是不可避免的。眼图(或眼图案)535经常用于表征信号失真。为了避免或减小数据采样误差，眼图535必须满足由诸如定时裕量565、电压裕量566和误码率的参数所描述的要求。
如图5B所示，参考阈值V_ref可用于确定数据样本V_data的值。例如，如果数据样本V_data的值高于参考阈值V_ref，则数据样本V_data被视为“1”；如果数据样本V_data的值低于参考阈值V_ref，则数据样本V_data被视为“0”。但是由于信号失真，“1”数据样本可能低于参考阈值而“0”数据样本可能高于参考阈值，因而引起接收数据中的误差。为了获得这些误差的概率的指示，数据样本也与其他参考阈值进行比较。
例如，在特定时刻φ的数据信号560的一个样本V_data存储在采样器550-1和550-2二者内。采样器550-2处的数据样本V_data与参考阈值V_ref进行比较，且采样器550-1处的同一数据样本V_data与另一参考阈值V2进行比较。两个参考阈值之间的差异定义为眼图的“电压裕量”566。两个采样器的输出耦合到XOR逻辑570-1。如果数据样本V_data高于参考阈值V_ref和V2这二者，则逻辑570-1的输出为逻辑0，表明该数据样本满足电压裕量要求。如果数据样本V_data高于参考阈值V_ref但是小于参考阈值V2，则逻辑570-2的输出为逻辑1，表明接收器没有足够的电压裕量且容易由于噪声、失真或干扰而出现误差。
类似地，在特定时刻φ′的数据信号560的数据样本V′_data存储在采样器550-3内且与另一参考阈值V1进行比较。在一些实施方式中，V1等于V_ref。φ′与眼图535中心之间的差异定义为眼图的“定时裕量”。两个采样器的输出耦合到XOR逻辑570-2。定时裕量内数据信号560的采样被视为正确，定时裕量外数据信号560的采样被视为潜在地不正确并需要重采样。
在一些实施方式中，基于电压裕量和/或定时裕量的性能度量用于测量对应电子装置的性能。例如，如果该性能度量低于预定阈值，则需要增大到该电子装置或与该电子装置通信的另一装置的一个或多个电源电压。如果该性能度量高于预定阈值，则可以减小到该电子装置或与该电子装置通信的另一装置的一个或多个电源电压，并因此节省功率。
在一些实施方式中，误码率被选择作为电子装置的性能度量。图5C为误码率585与电压或定时裕量590之间关系的预示说明。关系580可用于预测在误码率585其他值处的电压裕量或定时裕量。备选地，关系580可用于在给定数据采样率基于所测量的电压裕量或定时裕量来预测误码率。在一些实施方式中，包括代表关系580的数据的解析(close-formed)表达式或查找表可以预先安装在存储装置内，用于供后续在电源电压调节期间使用。在一些实施方式中，误码率是通过在特定时间周期上发送已知数据图案或者通过使用嵌在数据比特流内的误差探测/校正代码来直接测量的。
上文结合图5A至图5C所描述的测量涵盖了电子装置性能的不同方面。他们可以生成如图3所示分离的电压控制信号或者可以生成如图1和2所示组合成为一个电压控制信号。
图6为说明通过测量电子装置内的不同性能度量来生成组合电压调节信号的电子装置的实施方式的方框图。电子装置600包括两个性能监测器670和680。在一些实施方式中，其中向上(up)调节信号用逻辑1表示，向下(down)调节信号用逻辑0表示，两个性能监测器的输出耦合到OR逻辑电路625的相应输入端，OR逻辑电路基于两个性能监测器的输入而产生电压向上/向下调节信号。电压向上/向下调节信号被电压调节器650接收用于更新由电压调节器650产生的一个或多个电源电压Vdd。
在一些实施方式中，性能监测器680按照如上结合图5A所述的方式测量关键路径的延迟误差。性能监测器680包括与装置内的实际信号路径对应的复本关键路径630。相位探测器635探测沿着关键路径630的时间延迟，将该时间延迟与预定阈值进行比较，并相应地生成电压控制信号637。
在一些实施方式中，性能监测器670按照如上结合图5B所述的方式测量眼图605的电压裕量和/或定时裕量。眼图605为电子装置600的性能表征或其子集。性能监测器670使用XOR逻辑电路620生成另一电压控制信号627。XOR逻辑电路620具有两个输入端，每个输入端耦合到采样器A 610和采样器B 615的相应输出端。
两个电压控制信号627和637是到OR逻辑电路625的输入信号。在一些实施方式中，OR逻辑电路625配置成在两个控制信号627和637至少其一为由逻辑1代表的升压控制信号时生成由逻辑1代表的升压控制信号，以及在两个控制信号627和637均为由逻辑0代表的降压控制信号时生成由逻辑0代表的降压控制信号。藉此，包括电子装置600的电子系统达不到其性能目标的可能性较少。
OR逻辑电路625发送Up/Down电压控制信号640到电压调节器650。电压调节器650包括降压变换器660，用于依据Up/Down电压控制信号640来增大/减小其生成的一个或多个电源电压。在一些其它实施方式中，电压调节器650可以使用另一类型的电压变换器，例如升压变换器、降压-升压变换器、电荷泵或线性调节器。
在一些实施方式中，电压调节器650包括组合逻辑655。组合逻辑655配置成稳定Up/Down电压控制信号640。例如，低通滤波器在此可用于对在预定数目的时钟周期内采样的Up/Down电压控制信号640求平均，以降低由OR逻辑电路625生成的异常输出的影响。其他实施方式可将附加逻辑并入电压调节器650内或者从电压调节器650除去某些逻辑以更新电源电压Vdd。
因为在该装置的MOSFET晶体管级的阈值电压，到电子装置的电源电压无法根据前述功率节省方案而任意地减小。MOSFET晶体管的阈值电压可以定义为该晶体管导通并开始在其源极和漏极之间传导电流时的栅极电压。另一方面，MOSFET晶体管的阈值电压可以定义为与晶体管衬底(基底)内多数载流子密度相同的相反电荷载流子的层形成于栅极下方时的栅极电压。如果栅极电压低于阈值电压，则晶体管截止且理想地晶体管漏极到源极没有电流。如果栅极电压大于阈值电压，则晶体管导通且电流可以在晶体管的漏极和源极之间流动。由于在晶体管级的栅极电压取决于在装置级的电源电压，如果到装置的电源电压低使得栅极电压低于阈值电压，则装置无法正常操作。
公知的是，晶体管的阈值电压不是恒定的，而是许多因素的变量。例如，体(或衬底或背栅偏置)电压的变化影响阈值电压变化。如果体电压随到装置的电源电压而变化，则可以建立晶体管级的阈值电压与装置级的电源电压之间的关系。在一些实施方式中，此关系用于进一步减小电源电压而不引起晶体管功能异常。
图7A为说明使用电压调节器的原位阈值电压控制的实施方式的方框图。块730代表制作在半导体衬底上作为电子装置一部分的实际电路部件(例如晶体管)。块720代表制作在同一衬底上的阈值电压测量电路。两个块内的电路部件具有相同或相似的体电压。在一些实施方式中，阈值电压测量电路为同一衬底上的实际电路部件的复本。衬底或体耦合到放大器710(例如运算放大器，有时称为“运放”)的输出端。放大器710具有两个输入端，一个来自电压调节器700以及另一个来自阈值电压测量电路。
在一些实施方式中，阈值电压测量电路包括PMOS晶体管725和NMOS晶体管727。两个晶体管725和727串联连接。PMOS晶体管725配置成刚刚好导通且存在从其漏极到源极的小电流I。NMOS晶体管727按二极管方式连接。由于小电流I，晶体管727处的栅极过驱动小。结果，耦合到放大器710的一个输入端以形成反馈环路的晶体管727的栅极电压VGate非常接近晶体管727的阈值电压VTh。
在一些实施方式中，线性电路(例如图7A中示出的电阻分压器)生成来自电压调节器700的电源电压的一部分并将此部分的电源电压馈送到放大器710。例如，如图7A所示，放大器710另一输入端处的电源电压V1定义为：
V 1 = R 1 R 1 + R 2 V
其中V为电压调节器700处的电源电压。放大器710两个输入端的电压差异被用于调节体电压VP_well，该体电压继而影响阈值电压，使得其总是循着电压调节器700的电源电压V，即VTh≈V1。当电压调节器700依据性能度量增大/减小电源电压V时，阈值电压VTh以同一比例被相应地调节。这种电路配置降低了由于电源电压减小引起的发生晶体管级故障的可能性。有利地，这种类型的原位阈值控制机制可以显著提高模拟装置或者电子装置的模拟部分的性能。
在一些实施方式中，不同的电压调节器配置成控制在衬底不同部分的阈值电压。图7B为说明原位调制衬底770的P阱745和N阱755的阈值电压的两个电压调节器741、751的实施方式的方框图。
电路740响应于电压调节器741处的电源电压更新来调节在P阱745内具有反偏压节点的NMOS晶体管的阈值电压。阈值电压测量电路743包括例如在衬底770的P阱745内具有反偏压节点的一个或多个NMOS晶体管的其他CMOS电路760内的电路部件的复本。运算放大器742具有两个输入端，一个通过电阻分压器耦合到电压调节器741且另一个耦合到阈值电压测量电路743的输出；并具有耦合到P阱745的输出。运算放大器742依据其两个输入之间的差异来调节P阱745的电压电平。电路750响应于电压调节器751处的电源电压更新来调节在N阱755内具有反偏压节点的PMOS晶体管的阈值电压。阈值电压测量电路753包括例如在衬底770的N阱755内具有反偏压节点的一个或多个PMOS晶体管的其他CMOS电路760内的电路部件的复本。运算放大器752具有两个输入端，一个通过电阻分压器耦合到电压调节器751且另一个耦合到阈值电压测量电路753的输出；并具有耦合到N阱755的输出。运算放大器752依据其两个输入之间的差异来调节N阱755的电压电平。两个电路740、750的操作类似于如上结合图7A所述。
在一些实施方式中，电压调节器不与其他电子装置一起位于封装内部。相反，其安装在封装的外表面上以调节到该封装的外部电源电压。
图8A至8C说明了安装在电子封装的底面上的两个电压调节器825的实施方式的不同视图810、820、830的方框图。电压调节器825可以接收来自封装内以及封装外的电子装置的性能度量测量信号。封装内的装置815可以制作在一个或多个管芯上。基于该测量信号，电压调节器825调节到封装内的装置的一个或多个电源电压。在一些实施方式中，如图4所示，至少一个电压调节器825可以集成到封装内的电子装置815之一中。本领域技术人员将显见，上述电压调节方案适用于外部电压调节器825。
前述电压调节方案可以进一步推广以优化到上述范围以外的电子系统的多个电源电压。
图9A说明了用于优化到电子系统的多个电源电压的一维方法的实施方式。
最初，到系统的所有电源电压设置为Vdd_Max。在一些实施方式中，Vdd_Max为在最恶劣场合下满足系统性能要求的高电压。
接着，多个电源电压的第一电源电压Vdd_1按预定比例反复且单调地减小，直到当第一电源电压到达Vdd_1_Low的电平时，该电子系统的第一性能度量不满足第一预定要求。将第一电源电压Vdd_1随后退回到Vdd_1_Optimal的电平，第一性能度量在此电平满足第一预定要求。
接着，多个电源电压的第二电源电压Vdd_2按预定比例反复且单调地减小，直到当第二电源电压到达Vdd_2_Low的电平时，该电子系统的第二性能度量不满足第二预定要求。将第二电源电压Vdd_2随后退回到Vdd_2_Optimal的电平，第二性能度量在此电平满足第二预定要求。在一些实施方式中，在第二电源电压Vdd_2被调节时，第一电源电压Vdd_1维持在由第一退回操作建立的电平Vdd_1_Optimal。
如图9A所示，针对到电子系统的多个电源电压的每一个反复地调用前述过程。最后，每个电源电压锁定到相应的优化值，使得整个系统在功率有效模式下操作。
在一些实施方式中，第二性能度量与第一性能度量相同。在一些其它实施方式中，第二性能度量不同于第一性能度量。例如，第一电源电压可以是Vdd_IO，即，到系统内数字电路的电源电压。这种情形下，第一性能度量选择为数字电路的关键路径延迟误差或其子集。类似地，如果第二电源电压为Vdd_Analog，即，到系统内模拟电路的电源电压，则电压/时间裕量或误码率可能是第二性能度量的更好选择。
在一些实施方式中，从包括电压裕量、定时裕量、误码率、关键路径延迟误差以及它们的一个或多个函数的群组中选择任一性能度量。
在一些实施方式中，在第三电源电压被调节时，第一和第二电源电压维持在由前述第一和第二退回操作建立的电平。
在一些实施方式中，多个电源电压包括选自包括接收电路电源电压、发送电路电源电压、输入/输出电路电源电压、数字电路电源电压以及模拟电路电源电压的集合的至少两种不同电源电压。
图9B说明用于优化到电子系统的多个电源电压的多维方法的实施方式。
最初，将相应电压指派到多个电源电压的每一个。例如，所有电源电压设置为电压电平Vdd_Max，该电压电平在最恶劣场合下满足系统性能要求。接着，多个电源电压的至少两个被反复调节以产生多组电源电压。在一些实施方式中，电源电压由预定步长来调节。在一些实施方式中，两个相应电源电压沿相反方向调节。例如，如图9B所示，在特定时刻，电源电压Vdd_Tx增大且电源电压Vdd_Rx减小。在其他时刻，电源电压Vdd_Tx减小且电源电压Vdd_Rx增大。
每组电源电压被进一步检查以确定其是否满足关于电子系统的第一性能度量的预定要求。最后，满足该预定要求的一组电源电压被选择用于相应地操作该电子系统。如果存在至少两组电源电压满足该预定要求，则使用选择函数在满足该预定要求的两组或更多组电源电压中选择一组电源电压。
在一些实施方式中，该选择函数对应于电子系统内一个装置的功耗。在一些其它实施方式中，选择函数包括每组电源电压内电源电压的权重函数。在一些实施方式中，第一性能度量选自包括电压裕量、定时裕量、误码率、关键路径延迟误差、以及它们的一个或多个函数的群组。
本发明的具体实施方式的前述描述是出于说明和阐述的目的。他们不旨在是穷举的或者将本发明限制到所公开的确切形式。相反，应理解，鉴于上述教导可以进行许多改进和变动。选择和描述这些实施方式目的是最好地解释本发明的原理极其实践应用，由此使得本领域其他技术人员能够采用适于预期特定用途的各种改进而最好地利用本发明和各种实施方式。

Claims (26)

1.一种调节第一电子装置的电源电压的方法，该第一电子装置通过有线通信链路耦合到第二电子装置，该方法包括：
依据该第一电子装置通过该有线通信链路从该第二电子装置接收的信号，确定该第一电子装置的性能度量；以及
依据该性能度量来调节该第一电子装置的电源电压。
2.如权利要求1所述的方法，还包括：
将该性能度量与第一阈值进行比较；
如果该性能度量低于该第一阈值，则增大该电源电压；以及
重复所述比较和增大，直到该性能度量与该第一阈值匹配。
3.如权利要求2所述的方法，还包括：
将该性能度量与第二阈值进行比较；
如果该性能度量高于该第二阈值，则减小该电源电压；以及
重复所述比较和减小，直到该性能度量与该第二阈值匹配。
4.如权利要求1所述的方法，其中该性能度量选自包括电压裕量、定时裕量、误码率及它们的一个或多个函数的群组。
5.如权利要求1所述的方法，其中当该第一电子装置在初始化模式下操作时，该电源电压依据该性能度量被调节。
6.如权利要求1所述的方法，其中当该第一电子装置在后初始化模式下操作时，该电源电压依据该第一电子装置的温度被调节。
7.一种电子系统，包括：
第一电子装置；
第二电子装置；
一个或多个有线通信链路，其将该第一电子装置耦合到该第二电子装置；以及
电压调节器，集成到该第一电子装置内以提供第一电源电压到该第一电子装置，其中该电压调节器配置成依据该第一电子装置通过该一个或多个有线通信链路从该第二电子装置接收的信号来确定性能度量，以及依据该性能度量来调节对该第一电子装置的该第一电源电压。
8.如权利要求7所述的系统，其中该电压调节器配置成：
将该性能度量与第一阈值进行比较；
如果该性能度量低于该第一阈值，则增大该第一电源电压；以及
重复所述比较和增大操作，直到该性能度量与该第一阈值匹配。
9.如权利要求8所述的系统，其中该电压调节器还配置成：
将该性能度量与第二阈值进行比较；
如果该性能度量高于该第二阈值，则减小该第一电源电压；以及
重复所述比较和减小操作，直到该性能度量与该第二阈值匹配。
10.如权利要求7所述的系统，其中该性能度量选自包括电压裕量、定时裕量、误码率及它们的一个或多个函数的群组。
11.如权利要求7所述的系统，其中当该第一电子装置或第二电子装置在初始化模式下操作时，该第一电源电压依据该性能度量被调节。
12.如权利要求7所述的系统，其中当该第一电子装置或第二电子装置在后初始化模式下操作时，该第一电源电压依据该第一电子装置或第二电子装置的温度被调节。
13.一种多管芯电子封装，包括：
第一管芯；
第二管芯；
一个或多个有线通信链路，将该第一管芯耦合到该第二管芯；以及
电压调节器，耦合到该第一管芯和第二管芯以分别提供第一电源电压和第二电源电压到该第一管芯和第二管芯，其中该电压调节器配置成依据来自该第二管芯的电压调节信号来调节该第一电源电压和第二电源电压中的一个或多个，其中该电压调节信号取决于与所述第二管芯相关的特定性能度量。
14.如权利要求13所述的电子封装，其中该电压调节器耦合到基本恒压的电源。
15.如权利要求13所述的电子封装，其中该第二管芯包括第一逻辑和第二逻辑，该第一逻辑配置成生成用于该第二管芯内的第一类型电路的第一子信号，该第二逻辑配置成生成用于该第二管芯内的第二类型电路的第二子信号，以及其中该电压调节信号为该第一子信号和第二子信号的函数。
16.如权利要求15所述的电子封装，其中如果该第一子信号和第二子信号中任一个为升压信号，则该电压调节信号为升压信号。
17.如权利要求15所述的电子封装，其中如果该第一子信号和第二子信号均为降压信号，则该电压调节信号为降压信号。
18.如权利要求15所述的电子封装，其中如果该第二管芯具有预定电压裕量阈值之下的电压裕量，则该第二逻辑配置成生成升压信号。
19.如权利要求15所述的电子封装，其中如果该第二管芯具有预定定时裕量阈值之下的定时裕量，则该第二逻辑配置成生成升压信号。
20.如权利要求15所述的电子封装，其中如果该第二管芯具有预定误码率阈值之上的误码率，则该第二逻辑配置成生成升压信号。
21.如权利要求13所述的电子封装，还包括外壳，该外壳具有外表面，以及其中该第一管芯和该第二管芯安装在该外壳内部且该电压调节器安装在该外表面上。
22.如权利要求13所述的电子封装，还包括外壳，以及其中该第一管芯和该第二管芯安装在该外壳内部，且该电压调节器在该外壳内部安装在该第二管芯上。
23.一种多管芯电子封装，包括：
第一管芯；
第二管芯；
一个或多个有线通信链路，将该第一管芯耦合到该第二管芯；以及
电压调节器，耦合到该第一管芯以供应第一电源电压并耦合到该第二管芯以提供第二电源电压，其中该电压调节器配置成依据来自该第二管芯的电压调节信号来调节该第一电源电压，其中该电压调节信号取决于与所述第二管芯相关的特定性能度量。
24.如权利要求23所述的多管芯电子封装，还包括外壳，该外壳具有外表面，其中该第一管芯和第二管芯安装在该外壳内部，以及该电压调节器安装在该外表面上。
25.如权利要求23所述的多管芯电子封装，还包括外壳，该外壳具有外表面，其中该第一管芯和第二管芯安装在该外壳内部，以及该电压调节器在该外壳内部安装在该第二管芯上。
26.如权利要求23所述的多管芯电子封装，其中该电压调节器集成到该第一管芯和该第二管芯之一内。
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KR20140006574A (ko) 전압 공급 장치

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