CN1681192A - 切换半导体电路电压范围的电源的方法和相应的半导体电路 - Google Patents

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Abstract

切换半导体电路电压范围的电源的方法及相应的半导体电路。一种切换一半导体电路的至少一电压范围(4)的电源的方法，其使用至少一微开关(1)，该微开关(1)设计为标准单元设计，以切换该电源，因此该标准单元设计方法可大量地自动化。多个微开关(1)能放置并均匀分散于该半导体电路的所述区域，其中具有一切换该电源的一电压范围(4)。一电压范围的微开关(1)以被相同控制信号切换而限定。一切换该电压范围(4)的该电源的半导体电路包含微开关，其可由晶体管(1)构成。

Description

切换半导体电路电压范围的电源的方法 和相应的半导体电路
技术领域
本发明是关于一种切换半导体电路电压范围的电源的方法，以及关于一种可利用所谓的微切换器而将电压范围的电源切换微关闭的半导体电路。
背景技术
根据目前此技术的发展情形，一半导体电路区域(以下称为“电压范围(voltage doma in)”)的电源是通过该半导体电路外部的一切换器或通过该半导体电路上独立的大型切换器而被切换为关闭；而电压范围是代表具有与电压均一值(uniform value)相同的电源的该半导体电路区域(area)。该半导体电路可包含一或多个电压范围。
当半导体电路电压范围的电源是通过该半导体电路外部的切换器而被切换为开启或关闭时，该半导体电路的电源电位是经由该切换器而连接至该半导体电路的电源接脚(supply pin)或电源终端(supply terminal)，这就表示该电压接脚是根据该切换器的位置而连接或不连接至该电源电位；此外，该电压范围的一电源电压线是连接至该电源接脚，当该半导体电路中产生一个控制该电压范围的电源的控制信号时，则要求该半导体电路的一控制接脚将该控制信号传达至该半导体电路外部的该切换器。因此，在此情形中，每一个电压范围需要两个半导体电路的接脚，这使得在半导体电路外部的切换器设计中，电压范围的数量将受到大幅限制。此外，此设计的另一缺点在于该控制信号的连接线必须铺设为穿越该半导体电路而连接至该控制接脚，且必须铺设一条自该电源接脚经该半导体电路而连接至适当的电压范围的电源电压线，这在电压范围远离该半导体电路的适当接脚的情形中将使该半导体电路的连接线相当长。基于面积要求，电源电压线过长将使得电源电压线产生电压降(voltage drop)(其中电压降值是与线长有关)；此外，此设计使各电压范围具有一电源电压网络，而不是延伸于整个半导体电路的通用、固定的电压电源网络。
根据现有技术，当该半导体电路电压范围的电源是通过该半导体内部的切换器而切换为开启或关闭时，则必须使用一个比该半导体电路中其它组件更大型的切换器，以确保该切换器可驱动足够电流，而在不产生大幅电压降的情况下执行切换；特别是在利用标准单元(cell)设计而产生的半导体电路中，此一切换器位于利用标准单元而构成的该半导体电路区域外部。因此，将该电源电位传达至该切换器的一电源电压线不仅具有不可忽略的长度，该电源电压线亦须将经由该切换器所切换的电源电位传达至适当的电压范围；由于所述电源电压线长度将产生大幅电压降，因此，此一设计具有上述的缺点。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种半导体电路电压范围的电源切换方法，以及相应的一种半导体电路，其可克服或至少可减少上述的缺点。
在本发明中，提供了一种用于切换一半导体电路中至少一电压范围的电源的方法；为切换该电源，本发明使用至少一个以标准单元设计所设计的切换器，且在下文中即称该切换器为“微切换器(microswitch)”。
由于该微切换器是以标准单元设计而设计，因此该微切换器适用于以标准单元设计所设计的半导体电路，换言之，该微切换器的设计不具任何特别的特征，因此此设计方法绝对可以加以自动化。此外，可将专以标准单元设计所设计的半导体电路设计为更具同构型，因而可比未以标准单元设计加以设计的半导体电路更节省面积。
切换该电源的微切换器与现有技术中用以切换电源的切换器不同处在于该微切换器大小是对应于标准单元的大小，因此该微切换器的尺寸明显小于现有技术中所使用的切换器的尺寸。此外，相较于现有技术中所使用的切换器而言，该微切换器是以标准单元设计加以设计，其具有的相对优势为如前所述的较佳自动化。
根据本发明，该微切换器可以被放置在欲切换电源的每一电压范围中。
在此方式中，其优势为可最佳化地缩短用来将该半导体电路的电源电压自该微切换器传达至对应电压范围的电源电压线。
此外，亦可放置多个微切换器，甚至是将多个微切换器均匀分布在需要切换电压范围的电源之该半导体电路的整体区域。
根据本发明，此方式确保可将多个微切换器分布在需要切换电压范围的电源的该半导体电路的整体区域。由于在每一电压范围中放置了多个微切换器之故，在所述微处理器馈送该电源电压至对应的电压范围的情形中，该控制电位可以均匀分布于该对应的电压范围中，因此可避免该电源电位的联机路径太长。此外，由于微切换器均匀分布之故，相较于电源电位的不均匀分布，微切换器均匀分布可产生较低的阻值。在电压范围中均匀分布微切换器的另一项优点在于由于其所切换电流之故，各别微切换器的负载会比不均匀分布的微切换器更小。由于各微切换器的负载较小，所述切换器便可具有较小及/或可节省较多的面积；此外，微切换器的均匀分布也较容易在设计方法中加以自动化。
通过一非切换的电源电压线，即可将该半导体电路的一第一电源电位电源至各电压范围，此外，亦可经由一局部电源电压线而将该半导体电路的一第二电源电位电源至各电压范围所欲切换的电源，该第二电源电位是通过所述微切换器而切换至该局部电源电压线。
若该电压范围与一电源电位之间的连接被中断了，亦足以将该电压范围的电源电压切换为关闭；因此，其优势再于当一电源电压线为可切换时，另一电源电压线即为非可切换。然而，显然本发明的范围亦包含了通过所述微切换器而切换该电压范围中多条电源电压线的方法，在电压范围中欲切换的电源是由两条电源电压线供电，其中一条是可切换的，欲切换电源的电压范围在结构上与由两条非切换的电源电压线供电的电压范围非常相似，因此所述两种电压范围的设计方法亦非常相似。
经由一控制信号即可指派微切换器，以切换此一电压范围的电源；以相同控制信号所切换的所述微切换器则属于相同的电压范围。
因此，根据本发明，这些半导体电路区域的电源是透过使用指定的微切换机所切换的相同控制信号来进行控制，即根据控制信号的值来同步地开启或关闭属于相同电压域的所述电源。相反地，这些半导体电路区域的电源是使用属于不同电压域的不同控制信号来进行控制。
有鉴于根据现有技术的区域是借着相同电源电压线合并成一电压域来连接这些区域而进行切换，在本发明区域的一情形下是借着相同控制信号而合并成一电压域，而这些信号是以线路连接到所述区域和连接到所放置的微切换机中。因此，携带有控制信号的线路连接相较于线路连接一电源电压线是可以有效地较节省区域。
根据本发明的构想，相同电压范围的多重区范围电源电压线路可以透过另一线路而彼此相互连接。
这个显然只连接到相同电压范围的多重区范围电源电压线路的另一线路是相等于一单一电压或者是在相同电压区范围内的目前需求的另一个有利的具体实施例。
所述的每一半导体电路的电源电动势可以透过不可切换的电源电压线路平均的分布于所述的半导体电路上。
通过这样的方式，对照于现有技术，一电源电压网络连接到电源接线与微开关的最佳化节点，可以在不受不同的电压范围的限制下使用，因此可以达成在电源电动势上的最少效应。除此之外，通过这样的方法可以确保在电源不可切换的半导体电路上的区范围或电压范围可以只连接到一所需要的电源电压。除此之外，设计的方式可以通过这样的方式加以简化。除此之外，通过这样的方式所述的可以通过微开关中断传递的电源电动势可以简化成只输入到所述的微开关。在这种情况中，所述的微开关较佳者放置于接近对应的不可切换电源电压线路的地方。较佳者，所述微开关放置在交叉点，在该点上所述不可切换电源电压线路与所述的电压范围的区范围电源电压线路交叉。在这个所述的电压电源不可切换的电压范围的情况中，并不是放置所述的微开关，而是传导接点(线路)连接所述的不可切换的不可切换电源电压线路到所述的区范围电源电压线路。这表明，在所述的电源是可切换的一电压范围中，到所述的电源的一连结较佳者非常类似在所述的电源是不可切换的一电压范围中，到所述的电源的一连结，因此自动化的设计方法可以轻易的实施。
每一电压范围的一电力消耗的调整可以透过多个微开关而发生，其中所述的微开关切换各对应的电压范围的电源共应。
较佳者，通常有一种或多种微开关的标准尺寸可以通过手动或者是利用一标准设计的方法自动地进行作业、接线或配置。因此，如同根据现有技术中的电源开关的传统情况，一单一开关并不单独的适应于一功率消耗，而是较佳者透过一对应数目的微开关来进行调整与缩放。这表明越大的电压范围，或电压范围的功率消耗越高，用来切换电压范围的电源的微开关的数目也就越高。
本发明中提供具有半导体电路的一电压范围的可切换电源的一半导体电路。所述半导体电路包含至少一微开关，用以切换所述的电压范围的电源。所述的微开关设计成所述的半导体电路的一标准单元，并且可以包含一个或更多个晶体管，或者是组成一个单一晶体管。
所述具有一标准单元的尺寸的一晶体管的设计可以非常良好的整合到已非常良好的标准单元设计的一半导体电路的设计方法中。
一电压电源可切换的电压范围可以通过一个或多个局部可切换的电源电压线路供电。在这个情况中，一电源电动势可以连接到这些局部电源电压线路的每一个，其中每一个具有一个或多个微开关。然而，也有可能这个电压范围由一个或多个第一局部可切换电源电压线路与一个或多个第二局部可切换电源电压线路供电。在这个情况中，所述相同微开关可以切换第一电源电动势到一第一局部可切换电源电压线路与切换所述第二电源电动势到一第二局不可切换电源电压线路。很明显，在这种情况中太多微开关可以切换对应的电源电动势到所述的第一与第二局部可切换电源电压线路。
因此，根据本发明的构想，所述微开关能够切换两个不同电源电动势到两个不同的线路，虽然它只由一单一控制信号所控制。
较佳者，所述的晶体管的第一端点连接到一半导体电路的一电源电动势，而所述晶体管的一第二端点则是连接到所述的电压范围的局部电源电压线路。根据连接到所述的晶体管的一控制端点的一控制信号的数值来切换所述的电源，所述的电源电动势是否电源到所述的局部电源电压线路。
连接所述的电源到所述的晶体管提共了一非常简单的机制来控制或切换一电压范围电源。
假如所述的电源电动势切换成Vss，所述的晶体管较佳者为NMOS或NFET传导类型，例如一NMOS晶体管。另一方面，假如所述的电源电动势切换成VDD所述的晶体管较佳者为PMOS或PFET传导类型，例如一PMOS晶体管。
对于相同的电流驱动能力来说，一PMOS或PFET传导类性的晶体管相较于一NMOS或NFET传导类型的晶体管来说具有两倍或三倍的面积需求。因此，在正常的情况中，Vss用来作为要被切换的电源电动势。
根据本发明的构想，所述的半导体电路的至少一电压范围的电源是可切换的半导体电路是以标准的单位设计方法来设计。
通过这样的方法，本发明相当适合用于，例如自动演算或修饰的一设计方法。这个设计方法因此相较于只有部分电路是经由标准单元设计所制造的方法，或者完全不使用标准单元设计的方法具有一较简单的处理程序。显然的，本发明可同时用于无论所述的半导体电路是否由手动配置的方式来制造。
虽然在本发明中，微开关的数目通常较根据现有技术中所提到的半导体电路的例子还多，但是在本发明中所需要用来开闭电源的面积则是相较于根据现有技术的半导体电路的例子中显著地减少。这是因为这些微开关可以标准单元设计的方式来制造，因此一方面它们的尺寸可以相当小，另一方面它们可以一起设计成几乎是最省面积的最佳状态。除此之外，第一，几乎不需要额外的面积来实施到各该微开关的电源电压，第二，所述微开关所切换的电源电压到所对应的电压范围。
通过本发明，几乎一任意数的电压范围可以设定于所述的半导体电路，而不使这相关于特别的区点，(例如，额外的接线、过量的额外面积需求、电压偏差(dip)等)。根据本发明所提出的半导体电路，其包含非常多的电压范围，一相较于关闭所述的电源电压的明显较精细的概念可以被实施，因此在通常所述的半导体电路的绝大部分的电源电压是关闭的，相较于传统的半导体电路仅包含较少的第压范围。因此，根据本发明的半导体电路较佳者消耗较少的功率。
较佳地，本发明适用于所有半导体电路，其电力由一电池来电源，例如移动电话、笔记簿型计算机等等。明显地，本发明并不受限于此较佳应用领域，但原则上，其能使用于所有半导体电路，以将电力消耗降至最低。
附图说明
图1显示本发明的微开关关闭一电源电位的运作方式。
图2显示本发明的三列标准单元，其中每一列皆有一微开关。
具体实施方式
接下来，本案将基于较佳实施例来进行描述。
图1显示一标准单元列，其为一电压范围的一部份，其中电源受一NMOS晶体管1所控制。该电压范围具有一第一非开关电源电压线5，其电源VDD至该电压范围，及一区域开关电源电压线3，于该晶体管1连接一第二非开关电源电压线6至该区域开关电源电压线3时，电源VSS至该电压范围。该晶体管具有三端11、12、13。该第二非开关电源电压线6经由一第一端11连接至该电压范围，而该区域开关电源电压线3经由一第二端12连接至该电压范围。假如连接至该晶体管1的一控制端13的一控制信号值超过一特定准位，该晶体管1的第一11及第二12端将彼此连接，几乎没有阻力，因此该电源电位VSS将出现在该电压范围的该区域开关电源电压线3处，故该电压范围的电源被开启。另一方面，假如该控制信号值低于该特定准位，该第一11及第二12端之间的电连接将被中断，因此该电压范围的电源被关闭。因此，该电压范围的电源在该晶体管1的帮助下，受该控制信号控制。
图2显示一电压范围4，其由三个标准单元列所构成。每一标准单元列具有一微开关1，较佳者为一晶体管的形式。一第一总体非开关电源电压线5，用以传送VDD于所有三个标准单元列中，及一第二总体非开关电源电压线6，用以传送VSS于所有三个标准单元列中。在每一标准单元列中，有一第一区域电源电压线2，用以非开关性地连接至该第一总体非开关电源电压线5，并非开关性地电源VDD至该电压范围4的相应标准单元列。此外，在每一标准单元列中，有一第二区域电源电压线3，其经由一微开关1连接至该第二总体非开关电源电压线6。因为其连接至该微开关1，故每个第二区域电源电压线3皆受控于相应的微开关1，因此该电压范围4的电源电压由图2所示的该三个微开关来进行开启与关闭。
三个微切换机1的控制终端13连接到相同的控制信号(未显示)，如此这三个微切换机1不是全部导通就是全部不导通。而应需要注意的是，一电压域4的定义是指派所有的微切换机1借着相同控制信号而进行控制，如此在所述电压域4中不是指派所有的微切换机1来提供VSS给所述电压域4，或是所有的微切换机1中断所述电压域4的电源。
借着使用另一个区域电源电压线7，所述电压域4的所有第二区域电源电压线3彼此相互连接。在这情况中，在特定瞬间下，在所述电压域4的特定标准单元的电压负载或是功率消耗会因此发生，于是加载一特定的第二区域电源电压线3，且借着所述电压域4的其它第二区域电源电压线3来平衡。由于所述电压域4的第二区域电源电压线3借着另一个区域电源电压线7连接，因此在微切换机1的设计中假定微切换机1的峰值负载是不需要的，但可以根据此微切换机1的设计在通过所述电压域4的所有微切换机1的平均负载上，如此微切换机1可有利地设计为相对较小。而对于已详细地在前面描述的所述微切换机的相对较小和/或节省空间设计的完整理由将在下面更详细的解释。
假定在第2图的顶部标准单元列的第二区域电源电压线3在一特定的瞬间下是在负载在平均值之上，例如：因为多重组件是同步地取得电流。且无须所述进一步电源电压线7的存在，在顶部标准单元列的微切换机1也是负载在平均值之上，于是所述微切换机1相当于此负载必须设计为大的。然而，因为所述进一步电源电压线7，在顶部标准交换机列的所述第二区域电源电压线3负载也是借着在第二和第三标准单元列的两个第二区域电源电压线3间以及第二和第三标准单元列间的两个微切换机1间而进行分离。因此在顶部标准单元列的微切换机1的电压或是电流负载是借着在第二和第三标准单元列的两个其它微切换机1而进行吸收，于是相较于如果所述进一步电源电压线7不存在时，所有三个微切换机可以有意义地设计为为较小和/或节省更多的空间。此外，相较于如果所述进一步电源电压线7不存在时，所述进一步电源电压线7可保证较少的电压漏失发生，譬如：由于在顶部标准单元列的第二电源电压线3的电压漏失可以借着在较低标准单元列的第二电源电压线3来吸收。
此外，需要特别指出的是，相较于第一及第三标准单元列的结构而言，此第二标准单元列的结构为水平轴向的反射。此为一个大家已周知的标准单元设计方式，因此二个相邻之间的标准单元列可以互相排列的更加靠近。
显然地，一电压范围可由大于或少于三个标准单元列来构成。除此之外，一电压范围可由多数条第一及第二电源电压线5，6来电源。除此之外，一电压范围的第二局部电源电压线3可与多数条更远的局部电源电压线7相连接，或是只有特定的第二局部电源电压线可被一个或多个电源电压线7相连接。同样的，这些标准单元及微开关可被以垂直排列取代水平排列的方式重新安排。
至于一种自动设计方式，有多少更远的电源电压线及多少的微开关被放置的位置，则是自动地由该电压范围4的个别区域中的假设负载基础来决定。
基于以上的描述内容，本发明可被使用于如移动电话上的移动装置，举例而言，是以GSM系统为传输媒介的半导体电路的行动电话。此受到能源数量限制的行动装置只能装配一个电池，则需要一个复杂的开关概念。整个半导体电路被分割成多个电压范围，其可被关闭，亦即，可切断与电源器的连接，可单独地依赖于与该电压范围使用于不同的半导体电路操作模式时。
当该电压范围没有被操作时，及时地关闭电源的电压范围可急剧地减少该半导体电路的电源需求，相对应地，亦增加半导体电路可备用的时间以及该移动装置装配的电池的待机时间。

Claims (28)

1.一种切换一半导体电路的至少一电压范围的电源的方法，
其中
使用于一标准单元中所设计的至少一开关(1)来进行该电源的切换。
2.根据权利要求1所述的方法，
其中
在将被切换的所述电源的各电压范围内设置至少一开关(1)。
3.根据权利要求1所述的方法，
其中
设置多个开关(1)，并于所述半导体电路的区域上平均分布，其中有至少一电压范围(4)的所述电源将被进行切换。
4.根据权利要求1所述的方法，
其中
通过至少一非可切换的电源电压线路(2；5)将各电压范围提供给可被馈入的所述半导体电路的电源电位(VDD)。
5.根据权利要求1所述的方法，
其中
将被切换的所述电源的各电压范围(4)是通过至少一本地可切换的电源电压线路(3)而提供至使用至少一开关(1)而可被切换的所述半导体电路的一电源电位(VSS)。
6.根据权利要求1所述的方法，
其中
各电压范围(4)是通过一非可切换的电源电压线路(2；5)而提供至可被馈入的所述半导体电路的一第一电源电位(VDD)，且可被切换的所述电源电压的各电压范围(4)是通过一本地可切换的电源电压线路(3)而提供至可使用至少一开关(1)来切换的所述半导体电路的一第二电源电位(VSS)。
7.根据权利要求5所述的方法，
其中
将所述半导体电路的一电源电位(VSS)馈至所述至少一开关(1)的一第一终端(11)，所述开关(1)的一第二终端(12)连接到所述电压范围(4)的所述本地可切换的电源电压线路(3)，以及
在所述第一终端(11)与所述第二终端(12)间的电连接，仅在所述开关(1)的一控制终端位准低于或高于一预定值时，由所述开关(1)中断。
8.根据权利要求7所述的方法，
其中
将多个开关(1)分配至一特定电压范围(4)，所述多个开关(4)的控制终端(13)是连接相同的信号以切换此电压范围(4)的电源，使得所述相同数值会被施加至所述多个开关的各控制终端。
9.根据权利要求7所述的方法，
其中
所述特定的电压范围的本地电源电压线路(3)是通过至少一额外的线路(7)而互相连接。
10.根据权利要求1所述的方法，
其中
所述半导体电路的各电源电位(VDD；VSS)通过非可切换的电源电压线路(5；6)而在所述半导体电路上平均地分布。
11.根据权利要求1所述的方法，
其中
适应各电压范围功率消耗是通过切换相应电压范围的电源的所述至少一开关的数量而产生。
12.一种半导体电路，所述半导体电路具有所述半导体电路至少一电压范围的可切换电源，
其中
所述半导体电路包含至少一开关(1)以切换所述至少一电压范围(4)的所述电源，所述至少一开关是做为所述半导体电路的一标准单元。
13.根据权利要求12所述的半导体电路，
其中
在将被切换的所述电源的各电压范围内设置至少一开关(1)。
14.根据权利要求12所述的半导体电路，
其中
设置多个开关(1)，并于所述半导体电路的区域上平均分布，其中有至少一电压范围(4)的所述电源将被进行切换。
15.根据权利要求12所述的半导体电路，
其中
在各电压范围(4)中，至少一非可切换的电源电压线路(2；5)是设置为可被馈入的所述半导体电路的电源电位(VDD)。
16.根据权利要求12所述的半导体电路，
其中
所述至少一开关包含一晶体管(1)。
17.根据权利要求12所述的半导体电路，
其中
所述电源将被切换的各电压范围(4)是由至少一第一本地可切换电源电压线路(3)而供应给使用所述至少一开关(1)而将被切换的所述半导体电路的一电源电位(VSS)，
或者是由至少一第一本地可切换电源电压线路及一第二本地可切换电源电压线路而供应给使用所述至少一开关(1)而将被切换的所述半导体电路的一电源电位(VSS)，其中一第一电源电位(VDD)必须使用所述至少一开关(1)而切换为所述至少一第一本地可切换电源电压线路，以及一第二电源电位(VDD)必须使用相同的所述至少一开关(1)而切换为所述至少一第二本地可切换电源电压线路。
18.根据权利要求17所述的半导体电路，
其中
一电源电位(VSS)被馈至所述至少一开关(1)的一第一终端(11)，
所述至少一开关(1)的一第二终端(12)是连接到所述本地可切换电源电压线路(3)，以及
一切换所述电压范围(4)的所述电源的控制信号是被施加至所述至少一开关(1)的一控制终端(13)。
19.根据权利要求17所述的半导体电路，
其中
通过开关(1)而将所述相同的电源电位(VDD；VSS)切换至该等本地可切换的电源电压线路(3)是连接到相同的控制信号且通过至少一额外的线路(7)而互相连接。
20.根据权利要求12所述的半导体电路，
其中
所述至少一开关(1)是NMOS或是NFET导电型。
21.根据权利要求12所述的半导体电路，
其中
所述至少一开关(1)是PMOS或是PFET导电型。
22.根据权利要求12所述的半导体电路，
其中
所述半导体电路可被馈入的一电源电位(VDD；VSS)的非可切换线路(5；6)是平均设置在所述半导体电路上。
23.根据权利要求12所述的半导体电路，其中两行或列该半导体电路的电源于各情况下皆由该至少一开关(1)所切换，且于该半导体电路中相邻设置，并就电源电压线(5；6)及该至少一开关而言(1)，相互间为镜像对称设置。
24.根据权利要求12所述的半导体电路，其中该半导体电路包含标准小区、该至少一电压范围和构成标准小区的该至少一开关(1)。
25.根据权利要求12所述的半导体电路，其中该标准小区设置于至少一行或列，各该至少一行或列连接于该半导体电路的一第一电源电位(VDD)及一第二电源电位(VSS)。
26.根据权利要求12所述的半导体电路，其中该半导体电路的形式为使得各电压范围电源消耗的适应通过切换该对应电压范围的该电源的一些该至少一开关(1)而发生。
27.根据权利要求12所述的半导体电路，其中该半导体电路的形式为执行根据权利要求1至11任一项的方法。
28.根据权利要求12所述的半导体电路，其中该半导体电路是根据权利要求12至27任一项以标准小区设计方法而设计。
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