CN105337603B - 用于供电门控的电路和方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供用于供电门控的电路和方法。所述电路包括：开关电路，连接在电路模块和具有目标电平的供电网络之间，所述开关电路在其控制信号输入端接收控制信号，从而在所述控制信号的控制下对电路模块和供电网络之间的连接进行门控，其中所述开关电路和所述电路模块在第一节点相连；调制振荡器，其使能信号输入端连接到用于使能所述调制振荡器的选通信号，其控制信号输入端连接到所述第一节点，其输出端连接到所述开关电路的控制信号输入端，其中所述调制振荡器输出的振荡信号受所述第一节点的电平的调制。根据本发明实施例的技术方案，可以减小供电门控对供电网络的影响。

Description

用于供电门控的电路和方法

技术领域

本发明涉及电路技术，更具体地说，涉及用于供电门控的电路和方法。

背景技术

由于漏电流的存在，在向电路模块供电之后，即使该电路模块没有工作，也存在一定功耗。为了解决这一问题，提出了供电门控(power gating)技术，即通过开关电路对电路模块和供电网络之间的连接进行门控。本领域技术人员可以理解，电路模块需要既连接到电源，又连接到地，然后才能进行工作。因此，对电路模块和供电网络之间的连接进行门控，既可以对电路模块与电源之间的连接进行门控，也可以对电路模块与地之间的连接进行门控。

图1示出了由开关电路对电路模块和电源之间的连接进行门控的示意图。开关电路连接在电路模块和电源之间，电路模块进一步连接到地。这里的电源和地，分别包括供电网络中与电源电平一致的点，和供电网络中与地电平一致的点。选通信号PGSEL连接到开关电路的控制信号输入端，作为开关电路控制信号。当选通信号PGSEL为逻辑高电平和逻辑低电平中的一个时，所述开关电路处于连通状态，从而使得电路模块既连接到电源又连接到地。相应地，所述电路模块处于激活状态。当选通信号PGSEL为逻辑高电平和逻辑低电平中的另一个时，所述开关电路处于断开状态，从而使得电路模块只连接到地，而没有连接到电源。相应地，所述电路模块处于休眠状态。由于电路模块与电源断开，流经空闲电路模块的漏电流得到减小，从而降低了电路模块在空闲时的功耗。通过将选通信号PGSEL设置为不同的电平，来控制开关电路的断开和连通，进而控制电路模块处于激活状态还是休眠状态。

负载的突然变化会导致电源特性的变化。尤其是在将电路模块连接到电源时，需要对电路模块进行充电，从而导致大量的电荷从电源转移到电路模块。大量电荷在短时间内的转移将导致电源电平发生抖动，从而在与被唤醒电路模块相邻的其他电路模块中引起噪声。通常可以采用两种方法来缓解这种负面作用。

一种方法是使用多个开关电路进行供电门控。在将电路模块与电源连通时，按照一定的时间间隔逐个地操作这些开关电路。这样，操作各个开关电路所引起的电源负载变化都比较小，而且在时间上相互错开。这种方法需要为一个电路模块提供多个开关电路控制信号。

另一种方法是降低选通信号PGSEL的电平转换速率。信号的电平转换速率表示信号从一个电平转换到另一个电平的速率。将选通信号PGSEL由跳变信号缓变信号，就可以使得开关电路缓慢地断开和缓慢地连通。但是，一般来说，希望信号的电平转换速率越快越好。因此这种方法需要生成特殊的信号来作为PGSEL。

因此，需要一种新的用于供电门控的电路和方法。

发明内容

本发明实施例提供用于供电门控的电路和方法，以便减小供电门控对供电网络的影响。

根据本发明实施例的一种用于供电门控的电路，包括：开关电路，连接在电路模块和具有目标电平的供电网络之间，所述开关电路在其控制信号输入端接收控制信号，从而在所述控制信号的控制下对电路模块和供电网络之间的连接进行门控，其中所述开关电路和所述电路模块在第一节点相连；调制振荡器，其使能信号输入端连接到用于使能所述调制振荡器的选通信号，其控制信号输入端连接到所述第一节点，其输出端连接到所述开关电路的控制信号输入端，其中所述调制振荡器输出的振荡信号受所述第一节点的电平的调制。

根据本发明实施例的用于供电门控的方法，包括：接收选通信号，所述选通信号用于指示需要通过开关电路将第一节点的电平转换成目标电平，所述开关电路连接在所述第一节点和具有所述目标电平的第二节点之间；响应于所述选通信号，生成振荡信号；以所述振荡信号控制所述开关电路，从而使得所述开关电路交替地连通和断开所述第一节点和所述第二节点之间的连接，其中，所述振荡信号受所述第一节点的实际电平与所述目标电平的差值的调制。

根据本发明实施例提供的技术方案，可以降低供电门控对供电网络的影响。

附图说明

通过结合附图对本公开示例性实施方式进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1是现有技术中用于供电门控的电路。

图2、图4和图6是根据本发明实施例的用于供电门控的电路。

图3A到图3C、图5A到图5C是根据本发明实施例的用于供电门控的电路的波形图。

图7是根据本发明实施例的用于供电门控的方法的流程图。

图8是根据本发明实施例的用于供电门控的电路的波形图。

具体实施方式

下面参照附图，结合具体实施例对本发明进行描述。这样的描述仅仅出于说明目的，而不意图对本发明的范围进行限制。仅以举例说明的目的给出附图并因此没有按比例绘制。此外，当第一元件被描述为与第二元件相连或者连接到第二元件时，第一元件不仅可以直接与第二元件相连，而且还可以借助第三元件间接地与第二元件相连。进一步地，为了清楚，省略了对完全理解本发明不必要的一些元件。在附图中，相似和相应的元件由相似的附图标记代表。

本领域技术人员可以理解，在数字电路中，电平和器件类型具有对称的关系。例如，N型晶体管的导通电平是高电平，P型晶体管的导通电平是低电平。因此，在下面的描述中所涉及的对高低电平的条件，均可以通过对相关器件的类型进行改变而进行变化。此外，也可以通过增加额外的器件对所示条件进行变化。例如对于高电平导通的N型晶体管，如果在N型晶体管的栅极与输入信号之间增加反相器件，那么该晶体管可以在输入信号为低电平时导通。又例如，在仅仅利用晶体管的导通/截止特性时，晶体管的源极和漏极可以互换。这些变形均等同于以下所描述的本发明的实施例并且落入本专利的保护范围。

图2示出了根据本发明实施例的用于供电门控的电路。在图2中，在电路模块和电源之间设置开关电路。当开关电路连通时，电路模块既连接到电源又连接到地，从而处于激活状态；当开关电路断开时，电路模块只连接到地而没有连接到电源，从而处于休眠状态。根据本发明的另一实施例，也可以在电路模块和地之间设置开关电路。当开关电路连通时，电路模块既连接到电源又连接到地，从而处于激活状态；当开关电路断开时，电路模块只连接到电源而没有连接到地，从而处于休眠状态。根据本发明的又一实施例，还可以在电路模块和电源之间设置第一开关电路，在电路模块和地之间设置第二开关电路。当第一开关电路和第二开关电路均连通时，电路模块既连接到电源又连接到地，从而处于激活状态。在下面的描述中，以开关电路位于电源和电路模块之间的情况为例进行说明。但是，也可以将所述结构应用于开关电路位于电路模块和地之间的情况。

在图2中，开关电路与电路模块在第一节点相连。本领域技术人员可以理解，在开关电路将电源和电路模块断开之后，由于电路模块只连接到地，因此所述第一节点的电平和地的电平是一致的。当开关电路将电源和电路模块连通之后，第一节点的电平从地电平转换到电源电平。换句话说，选通信号也可以看做一指示信号，其指示是否需要将第一节点的电平从当前电平转换到一不同于当前电平的目标电平。在下面的说明中，用V_VDD表示第一节点的电平。

选通信号PGSEL连接到调制振荡器的使能信号输入端。调制振荡器的输出端连接到开关电路的控制信号输入端。所述调制振荡器在被使能后输出振荡信号。输出的振荡信号可以是正弦波，也可以是方波，还可以是其他任意振荡波形。本领域技术人员容易实现将一种振荡波形转换成另一个振荡波形。在下面的说明中，用V_CNTL表示调制振荡器输出的振荡信号的电平。

调制振荡器的控制信号输入端连接到第一节点。这样，调制振荡器输出的振荡信号就受V_VDD的调制。

对于特定的电路模块而言，对其进行充电所需要的电荷量是一定的。在图2中，振荡信号作为开关电路控制信号。因此，开关电路可能在振荡信号作用下，时而处于连通状态，时而处于断开状态。根据本发明实施例，对电路模块的充电过程将涵盖振荡信号的多个振荡周期，从而开关电路将多次从断开变为连通，然后从连通又变回断开。这样，充电所需要的电荷量分多次转移到电路模块中，从而每一次所转移的电荷量都比较小，对电源的影响也比较小。此外，由于各次充电在时间上相互错开，因此即使各次充电对电源的影响发生叠加，叠加后的影响也比较小。

根据本发明实施例，所述调制振荡器输出的振荡信号与V_VDD的关系可以表示为，V_VDD与电源电平差越大，则开关电路在振荡信号的作用下连通一次期间所通过的电荷量越小。这样做的好处是，每次开关电路连通期间所转移的电荷量是随着时间越来越多的，这样就兼顾了减弱噪声和提高开关电路速度的要求。当然，如果将振荡信号与V_VDD设置为V_VDD与电源电平差越大，则开关电路在振荡信号的作用下连通一次期间所通过的电荷量越大，这样的关系也是可以实现本发明目的的。

下面结合图3A-图3C描述调制振荡器输出的振荡信号如何受到V_VDD的调制。关于开关电路，假设当开关电路控制信号为低电平时，开关电路连通；当开关电路控制信号为高电平时，开关电路断开。关于调制振荡器，假设当调制振荡器的使能信号为低电平时调制振荡器工作，并且假设调制振荡器输出的振荡信号的波峰固定为电源电平。

图3A示出了V_CNTL的振幅受V_VDD调制的情况。具体而言，所述振幅是V_VDD与电源电平的差值的减函数。如图3所示，在充电开始时，V_VDD的电平为地电平；在充电完成后，V_VDD的电平为电源电平。也就是说，V_VDD随时间逐渐接近电源电平。相应地，振荡信号的振幅也随时间逐渐变大。由于振荡信号的波峰的电平固定为电源电平，则振荡信号的波谷的电平逐渐变低。

本领域技术人员可以理解，实际的开关电路往往对应于一处于逻辑高电平和逻辑低电平之间的阈值电平。以当开关电路控制信号为低电平时连通的开关电路为例，当开关电路控制信号的电平高于该阈值电平时，开关电路断开；当开关电路控制信号的电平低于阈值电平时，开关电路连通，但是阻抗较大；开关电路控制信号的电平越接近地电平，则开关电路的阻抗越小，流经开关电路的电流越大。当开关电路控制信号达到地电平时，开关电路的阻抗达到最小，从而流经开关电路的电流达到最大。

如图3A所示，在时刻t1，为了使开关电路连通，选通信号PGSEL变为低电平，从而调制振荡器开始工作。振荡信号的波峰的电平固定为电源电平，因此不会使得开关电路连通。假设振荡信号的波谷的初始电平低于所述阈值电平，则开关电路在振荡信号的第一个波谷期间被连通，从而对电路模块进行第一次充电。振荡信号的波谷的电平逐渐变低，则开关电路在后续波谷期间均被连通，从而对电路模块进行多次充电。此外，在越靠后的波谷期间，开关电路控制信号的电平越低，从而开关电路的阻抗越小，流经开关电路的电流越大。由于波谷的时间长度是固定的，因此在一个波谷期间所通过的电荷量越来越大。也就是说，V_VDD越接近电源电平，则开关电路在振荡信号的作用下连通一次期间(即一次波谷期间)所通过的电荷量越大。在时刻t2，V_VDD达到电源电平，则振荡信号的波谷的电平保持不变。

图3B示出了V_CNTL的占空比受V_VDD调制的情况。在本专利申请的上下文中，占空比指的是振荡信号的一个周期中，能够使得开关电路连通的部分所占的比例。在这样的定义下，所述占空比是V_VDD与电源电平的差值的减函数。在图3B中，振荡信号的波峰的电平值固定为电源电平，波谷的电平固定为地电平，因此每次波谷都可以使得开关电路连通，并且每次开关电路连通时通过开关电路的电流都是一样的。随着时间的推移，振荡信号中波谷所占的比例越来越大，则开关电路连通一次所持续的时间也越来越长。可以理解，在电流一样的情况下，电流持续时间越长，通过的电荷就越多。也就是说，V_VDD越接近电源电平，则开关电路在振荡信号的作用下连通一次期间(即一次波谷期间)所通过的电荷量越大。在时刻t2，V_VDD达到电源电平，则振荡信号的占空比保持不变。

图3C示出了V_CNTL的周期受V_VDD调制的情况。所述周期是V_VDD与电源电平的差值的减函数。可以理解，在振荡信号的振幅和占空比不变的情况下，振荡信号的周期越长，波谷的持续时间也越长。相应地，每次波谷期间通过开关电路的电荷量就越大。也就是说，V_VDD越接近电源电平，则开关电路在振荡信号的作用下连通一次期间(即一次波谷期间)所通过的电荷量越大。在时刻t2，V_VDD达到电源电平，则振荡信号的周期保持不变。

图3A到图3C分别描述了振荡信号的振幅、占空比和周期受到V_VDD与电源电平的差值的调制的情况。根据本发明实施例，也可以组合振幅调制、占空比调制和周期调制中的任意两个或任意三个。

如前所述，选通信号PGSEL在需要将电路模块设置为激活状态时为一个逻辑电平，在需要将电路模块设置为休眠状态时为另一个逻辑电平。在图2所示的结构中，PGSEL信号作为调制振荡器的使能信号，并且在需要将电路模块设置为激活状态时，使能所述调制振荡器。也就是说，在电路模块处于激活状态时，调制振荡器始终被使能，从而始终输出振荡信号。这会造成额外的功耗。如图3A到图3C所示，在时刻t2之后，虽然V_VDD已经达到电源电平，但是调制振荡器依然输出振荡信号。

图4是根据本发明另一个实施例的用于供电门控的电路。

在图4中，与图2相比，增加了调制振荡器控制器，选通信号PGSEL连接到调制振荡器控制器的一个输入端，并且调制振荡器控制器的另一个输入端连接到第一节点，即开关电路与电路模块相连的点。调制振荡器控制器的输出连接到调制振荡器的使能信号输入端，所述输出端的电平表示为PG_CNTL。其他的连接方式与图2中相同，在此不再赘述。

所述调制振荡器控制器用于在选通信号有效且V_VDD的电平为达到电源电平时，使能所述调制振荡器。本领域技术人员可以设计出多种方案来实现所述调制振荡器控制器。例如，仍然假设当开关电路控制信号为低电平时，开关电路连通；当调制振荡器的使能信号为低电平时调制振荡器工作。在这样的假设下，可以在调制振荡器控制器内部，将来自V_VDD的信号与选通信号PGSEL一起作为或门的输入，并且以或门的输出作为调制振荡器的使能信号PG_CNTL。这样，在电路模块处于休眠状态时，PGSEL为逻辑高电平，V_VDD为逻辑低电平，或门的输出为逻辑高电平，从而调制振荡器不工作；在开始充电时，PGSEL为逻辑低电平，V_VDD为逻辑低电平，或门的输出为逻辑低电平，从而调制振荡器工作；当充电完成时，PGSEL为逻辑低电平，V_VDD为逻辑高电平，或门的输出为逻辑高电平，从而调制振荡器不工作。

图5A到图5C描述调制振荡器输出的振荡信号如何受到V_VDD的调制。从图5A到图5C可以看出，在t1时刻，选通信号PGSEL变为有效即低电平；调制振荡器的使能信号PG_CNTL也变为低电平，调制振荡器开始工作；对电路模块的充电开始，V_VDD从地电平开始逐渐增加。在t2时刻，选通信号PGSEL仍然为有效即低电平；V_VDD从达到电源电平；调制振荡器的使能信号PG_CNTL变为高电平，调制振荡器停止工作。

根据本发明另一个实施例，所述调制振荡器控制器的输出进一步连接到一电平固定电路，作为该电平固定电路的使能信号。所述电平固定电路和所述调制振荡器在不同的逻辑电平上被使能。在符合以上假设的情况下，所述电平固定电路在使能状态下，将振荡控制器的输出端连接到地。由于所述振荡控制器的输出端连接到开关电路的控制信号输入端，因此所述电平固定电路实际上是将振荡控制器的输出信号固定在使得所述开关电路连通的电平。这样，在时刻t2之后，调制振荡器控制器的输出使得调制振荡器停止工作，并且使能电平固定电路，从而调制振荡器的输出端被连接到地，从而具有固定的逻辑低电平。这样，在t2之后，所述开关电路被持续地连通。

图6示出根据本发明再一个实施例的用于供电门控的电路。在图6中，第一节点并没有直接连接到调制振荡器和调制振荡器控制器，而是先经过电平检测器，然后再连接到调制振荡器和调制振荡器控制器。电平检测器向调制振荡器和调制振荡器控制器输出的信号表示V_VDD与电源电平的差值。所述调制振荡器和调制振荡器控制器相应地调整。经过调整后，调制振荡器控制器仍然在选通信号有效且V_VDD的电平达到电源电平时，使能所述调制振荡器；并且调制振荡器所输出的作为开关电路控制信号的振荡信号仍然使得开关电路满足：在振荡信号的作用下开关电路连通一次期间所通过的电荷量是V_VDD与电源电平的差值的减函数。

如前所述，振荡信号的幅度、占空比和周期是V_VDD与电源电平的差值的减函数；调制振荡器的使能信号在V_VDD达到电源电平，即V_VDD与电源电平的差值为0时，使调制振荡器停止工作；电平固定电路的使能信号在V_VDD达到电源电平，即V_VDD与电源电平的差值为0时，使能电平固定电路。因此，虽然在图6所示的结构中加入了电平检测器，但是其他模块例如调制振荡器、调制振荡器控制器、电平固定电路等的电路得到了简化，从而使得根据本发明实施例的用于供电门控的电路的整体结构得到了简化。

图7示出了根据本发明实施例的用于供电门控的方法的流程图。

步骤701，接收选通信号，所述选通信号用于指示需要通过开关电路将第一节点的电平转换成目标电平，所述开关电路连接在所述第一节点和具有所述目标电平的第二节点之间。

步骤702，响应于所述选通信号，生成振荡信号。

可以采用振荡器来生成所述振荡信号。可以用所述选通信号作为所述振荡器的使能信号。

步骤703，以所述振荡信号控制所述开关电路，从而使得所述开关电路交替地连通和断开所述第一节点和所述第二节点之间的连接，其中，所述振荡信号受所述第一节点的电平的调制。

如前所述，根据本发明一个实施例，所述第一节点的电平与所述目标电平的差值越大，所述开关电路在所述振荡信号的控制下连通一次期间通过所述开关电路的电荷量越小。可以通过设置所述振荡信号的振幅为第一节点的电平与目标电平的差值的减函数，设置所述振荡信号的占空比为第一节点的电平与目标电平的差值的减函数，或者设置所述振荡信号的周期为第一节点的电平与目标电平的差值的减函数来实现所述调制。

所述方法进一步包括当所述第一节点的电平达到所述目标电平时，将所述振荡信号固定在使所述开关电路连通的电平。

图8A和图8B是采用根据本发明实施例的技术方案与现有技术方案的性能比较。图8A的纵轴表示将电路模块连接到电源时流经开关电路的电流，图8B的纵轴表示将电路模块连接到电源时的电源电平。两图的横轴都表示时间。在图8A中，点M0表示以现有技术方案进行供电门控时，流经开关电路的瞬时最大电流；M2表示以根据本发明实施例的方案进行供电门控时，流经开关电路的瞬时最大电流。瞬时最大电流越大，说明在该时刻对电源的影响越大。在图8B中，M0表示以现有技术方案进行供电门控时，电源电平发生了45.2mV的抖动；M2表示以根据本发明实施例的方案进行供电门控时，电源电平的抖动为25.14mV。由此可见，采用根据本发明实施例的技术方案，减小了在将电路模块连接到电源时对电源的影响，从而减小了可能产生的噪声。

虽然以上结合具体实施例，对本发明的各个装置进行了详细描述，但本发明并不限于此。本领域普通技术人员能够在说明书教导之下对本发明进行多种变换、替换和修改而不偏离本发明的精神和范围。应该理解，所有这样的变化、替换、修改仍然落入本发明的保护范围之内。本发明的保护范围由所附权利要求来限定。

Claims (11)

1.一种用于供电门控的电路，包括：

开关电路，连接在电路模块和具有目标电平的供电网络之间，所述开关电路在其控制信号输入端接收控制信号，从而在所述控制信号的控制下对电路模块和供电网络之间的连接进行门控，其中所述开关电路和所述电路模块在第一节点相连；

调制振荡器，其使能信号输入端连接到用于使能所述调制振荡器的选通信号，其控制信号输入端连接到所述第一节点，其输出端连接到所述开关电路的控制信号输入端，其中所述调制振荡器输出的振荡信号受所述第一节点的电平的调制，其中第一节点的电平与目标电平的差值越大，则所述开关电路在所述振荡信号的作用下连通一次期间所通过的电荷量越小，并且其中所述振荡信号的振幅是第一节点的电平与目标电平的差值的减函数。

2.如权利要求1所述的电路，其中所述振荡信号的占空比是第一节点的电平与目标电平的差值的减函数，其中所述占空比指的是振荡信号的一个周期中，能够使得开关电路连通的部分所占的比例。

3.如权利要求1所述的电路，其中所述振荡信号的周期是第一节点的电平与目标电平的差值的减函数。

4.如权利要求1所述的电路，进一步包括调制振荡器控制器，其一个输入连接到所述选通信号，其另一个输入端连接到第一节点，其输出端连接到调制振荡器的使能信号输入端，所述调制振荡器控制器用于在选通信号有效且第一节点的电平达到电源电平时，使能所述调制振荡器。

5.如权利要求4所述的电路，进一步包括电平固定电路，所述电平固定电路的使能信号输入端连接到所述调制振荡器控制器的输出端，并且所述电平固定电路被使能的逻辑电平和所述调制振荡器被使能的逻辑电平不同，所述电平固定电路在使能状态下，将振荡控制器的输出信号固定在使得所述开关电路连通的电平。

6.如权利要求4所述的电路，进一步包括电平检测器，其中所述电平检测器的输入端连接到第一节点，输出端连接到调制振荡器的控制信号输入端，所述电平检测器输出的信号表示第一节点的电平与目标电平之间的差值。

7.如权利要求1所述的电路，进一步包括电平检测器，其中所述第一节点经所述电平检测器后连接到所述调制振荡器控制器，所述电平检测器向所述调制振荡器控制器输出的信号表示第一节点的电平与目标电平之间的差值。

8.一种用于供电门控的方法，包括：

接收选通信号，所述选通信号用于指示需要通过开关电路将第一节点的电平转换成目标电平，所述开关电路连接在所述第一节点和具有所述目标电平的第二节点之间；

响应于所述选通信号，生成振荡信号；

以所述振荡信号控制所述开关电路，从而使得所述开关电路交替地连通和断开所述第一节点和所述第二节点之间的连接，

其中，所述振荡信号受所述第一节点的电平的调制，所述第一节点的电平与所述目标电平的差值越大，所述开关电路在所述振荡信号的控制下连通一次期间通过所述开关电路的电荷量越小，并且所述振荡信号的振幅是第一节点的电平与目标电平的差值的减函数。

9.如权利要求8所述的方法，其中所述振荡信号的占空比是第一节点的电平与目标电平的差值的减函数，其中所述占空比指的是振荡信号的一个周期中，能够使得开关电路连通的部分所占的比例。

10.如权利要求8所述的方法，其中所述振荡信号的周期是第一节点的电平与目标电平的差值的减函数。

11.如权利要求8所述的方法，进一步包括，当所述第一节点的电平达到所述目标电平时，将所述振荡信号固定在使所述开关电路连通的电平。