CN203289392U - 电源门控电路 - Google Patents

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Abstract

一种电源门控电路，包括连接电源和电路模块之间的输出功率管，以及上拉电路、弱电流源、下拉电路、电压检测电路；在关闭所述输出功率管时，上拉电路将输出功率管的栅极上拉至电源；在开启所述输出功率管时，弱电流源输出弱下拉电流至输出功率管的栅极，电压检测电路检测输出功率管的栅极电压值，当电压值低于设定阀值时，控制下拉电路将输出功率管的栅极强下拉至地。本实用新型的电源门控电路，可以解决其开启瞬间地弹和输出电压波动的问题，让电路工作状态的切换更加稳定和可靠，而且可以有效地控制输出功率管的开启速度和开启时间，从而适用于各种不同需求的电路。

Description

电源门控电路
技术领域
本实用新型涉及电源门控技术，特别是涉及一种电源门控电路。
背景技术
电源门控(power gating)电路为一种通过控制电路模块的供电，来减小休眠或待机模式下电路模块的漏电功耗的一种常见技术，在集成电路设计中有着广泛应用，所控制的电路模块，可以在芯片内部，也可以在芯片外部。如图1所示，图1为一种电源门控电路的结构示意图，所控制的电路模块02由于连线寄生电感和寄生电阻的影响，对电源门控电路需要更高的要求。
如图2所示，图2为一种传统的电源门控电路的结构示意图，该电路用一个使能信号En来控制输出功率管01的开关来控制电路模块02的供电。由于连线有寄生电感L0和寄生电阻r0，在电路模块02的负载过重的情况下开启输出功率管01，会因瞬时电流过大而引入地弹、输出电压波动等问题。
参考图3所示，图3为传统的电源门控电路开启时对应的电流电压变化示意图，从图中可以看出，输出电压波动和地弹对芯片的正常工作产生了严重的干扰，影响了电路工作稳定，降低了电路的可靠性。
实用新型内容
基于此，有必要针对上述容易在开启瞬间产生地弹和输出电压波动的问题，提供一种电路工作状态切换更加稳定、可靠的电源门控电路。
一种电源门控电路，包括连接电源和电路模块之间的输出功率管，以及上拉电路、弱电流源、下拉电路、电压检测电路；
所述上拉电路连接在所述电源与所述输出功率管的栅极之间，所述弱电流源、下拉电路、电压检测电路连接所述输出功率管的栅极，所述电压检测电路连接所述下拉电路；
在关闭所述输出功率管时，所述上拉电路将所述输出功率管的栅极上拉至电源；
在开启所述输出功率管时，所述弱电流源输出弱下拉电流至所述输出功率管的栅极，所述电压检测电路检测所述输出功率管的栅极电压值，当电压值低于设定阀值时，控制所述下拉电路将所述输出功率管的栅极强下拉至地。
上述电源门控电路，在关闭输出功率管时，利用上拉电路将输出功率管的栅极上拉至电源将其进行关闭；在开启输出功率管时，利用弱电流源对输出功率管的栅极的寄生电容进行缓慢充电，缓慢开启输出功率管，通过电压检测电路检测栅极电压，当栅极电压低于设定的阀值时，再利用下拉电路对输出功率管的栅极进行强下拉，进而完全打开输出功率管。防止了在开启瞬间电流过大，避免了产生地弹和输出电压波动等现象，解决开启瞬间地弹和输出电压波动的问题，让电路工作状态的切换更加稳定和可靠，而且通过控制弱电流源的电流大小，可以有效地控制输出功率管的开启速度和开启时间，从而适用于各种不同需求的电路。
附图说明
图1为一种电源门控电路的结构示意图；
图2为一种传统的电源门控电路的结构示意图；
图3为传统的电源门控电路开启时对应的电流电压变化示意图；
图4为一个实施例的电源门控电路的结构示意图；
图5为一个实施例的弱电流源的结构示意图；
图6为另一个实施例的弱电流源的结构示意图；
图7为一个实施例的电阻器的结构示意图；
图8为一个实施例的下拉电路的结构示意图；
图9为另一个实施例的下拉电路的结构示意图；
图10为一个应用实例的电源门控电路的结构示意图；
图11为本实用新型的电源门控电路开启时对应的电流电压变化示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的电源门控电路的具体实施方式作详细描述。
参考图4所示，图4为一个实施例的电源门控电路的结构示意图。该电源门控电路，包括连接电源VDD和电路模块02之间的输出功率管01，以及上拉电路03、弱电流源04、下拉电路05和电压检测电路06。
所述上拉电路03连接在所述电源VDD与所述输出功率管01的栅极之间，所述弱电流源04、下拉电路05、电压检测电路06连接所述输出功率管01的栅极，所述电压检测电路06连接所述下拉电路05。
在需要关闭所述输出功率管01时，所述上拉电路03将所述输出功率管01的栅极上拉至电源VDD。
在需要开启所述输出功率管01时，所述弱电流源04输出弱下拉电流至所述输出功率管01的栅极，所述电压检测电路06检测所述输出功率管01的栅极电压值，当电压值低于设定阀值时，控制所述下拉电路05将所述输出功率管01的栅极强下拉至地。
上述实施例的电源门控电路，在进行切换过程中，利用上拉电路03将所述输出功率管01的栅极上拉至电源VDD来关闭所述输出功率管01；利用输出功率管01的栅极存在的寄生电容，通过弱电流源04输出弱下拉电流I0，对输出功率管01的栅极的寄生电容进行缓慢充电，随着输出功率管01的栅极的寄生电容逐渐充电，栅极的电压逐渐下降，当电压检测电路06检测到输出功率管01的栅极的电压低于某个设定阀值时，电压检测电路06输出信号控制下拉电路05，下拉电路05将输出功率管01的栅极强下拉到地，从而完全开启输出功率管01，进入稳定工作状态。而且对弱电流源04输出的弱下拉电流进行调节，就可以调节输出功率管01的开启速度的快慢，当将输出的弱下拉电流设置足够小时，即可将输出功率管01的打开速度降至足够慢，从而满足稳定的要求，有效地避免因瞬时电流过大而引入地弹、输出电压波动等问题。
在一个实施例中，如图5所示，图5为一个实施例的弱电流源的结构示意图，主要包括：电阻器R、由NMOS管Mn0和NMOS管Mn1组成的电流镜电路；其中，NMOS管Mn0的漏极通过所述电阻器R连接所述电源，所述NMOS管Mn1的漏极连接所述输出功率管01的栅极。
进一步地，如图6所示，图6为另一个实施例的弱电流源的结构示意图，在图5所示的结构基础上，弱电流源04还包括：连接在NMOS管Mn0的漏极与所述电阻器R之间的NMOS管Mn2，以及连接在NMOS管Mn1的漏极与所述输出功率管01的栅极之间的NMOS管Mn3；其中，NMOS管Mn2与NMOS管Mn3的栅极连接使能信号输出端。
优选的，电阻器R可以包括一个或多个串联的长沟道PMOS管，所述长沟道PMOS管宜采用宽长比(W/L)较小的长沟道PMOS管；如图7所示，图7为一个实施例的电阻器的结构示意图，所述电阻器R包括四个串联的宽长比(W/L)很小的长沟道PMOS管，分别为P0、P1、P2、P3。
上述实施例的电源门控电路，利用电源VDD接入较大阻值的电阻器R产生所需的弱下拉电流，其中，电阻器R除了使用常规的电阻外，也可以用宽长比小的MOS管，从而可以减小器件体积，降低静态功耗；Mn0和Mn1组成电流镜电路，提供下拉电流源至输出功率管01的栅极；进一步通过使能信号En控制NMOS管Mn2与NMOS管Mn3，可以控制接通或断开电流镜电路。
在一个实施例中，如图8所示，图8为一个实施例的下拉电路的结构示意图，所述下拉电路05包括连接在所述输出功率管01的栅极与地之间NMOS管Mn4；其中，NMOS管Mn4的栅极连接所述电压检测电路06。
进一步地，如图9所示，图9为另一个实施例的下拉电路的结构示意图，在图8所示的结构基础上，下拉电路05还包括：连接在NMOS管Mn4的漏极与所述输出功率管01的栅极之间的NMOS管Mn5；其中，NMOS管Mn5的栅极连接使能信号输出端。
上述实施例的电源门控电路，下拉电路05主要由NMOS管Mn4来实现，结构简单；通过电压检测电路06控制NMOS管Mn4，对输出功率管01的栅极进行强下拉到地，完全打开输出功率管01；进一步通过使能信号En控制NMOS管Mn5，可以控制接通或断开NMOS管Mn4。
在一个实施例中，所述电压检测电路06包括施密特触发器Sc0；其中，施密特触发器Sc0的输入端连接所述输出功率管01的栅极、输出端连接所述下拉电路05。
上述实施例的电源门控电路，电压检测电路06，主要由施密特触发器Sc0来实现，施密特触发器Sc0的输入端接入输出功率管01的栅极，当输出功率管01的栅极电压值低于到设定阀值时，施密特触发器Sc0翻转，输出高电平打开NMOS管Mn4的栅极，控制其进行强下拉；通过采用施密特触发器，可以有效地检测低电压，从而可以将阀值设置为较低电压值，而且施密特触发器简单实用，易于实现。
在一个实施例中，所述上拉电路03包括连接在所述电源VDD与所述输出功率管01的栅极之间的PMOS管Mp0；所述PMOS管Mp0的栅极连接所述使能信号输出端，在使能信号的控制下接通或关断。
为了更清晰本实用新型的技术方案，下面结合附图阐述一个基于本实用新型实现的应用实例。
如图10所示，图10为一个应用实例的电源门控电路的结构示意图，本应用实例中综合考虑了器件的体积及具体实现因素，结构简单实用，弱电流源04的电阻器R采用4个宽长比(W/L)很小的长沟道PMOS管P0～P3，PMOS管Mp0为使能信号En控制的用作开关的PMOS管，NMOS管Mn2、Mn3和Mn5为使能信号En控制的用作开关的NMOS管，NMOS管Mn0和Mn1组成电流镜电路提供下拉电流源，下拉电路05的下拉功能由NMOS管Mn4来实现，电压检测电路06的检测功能由简单实用的施密特触发器Sc0来实现，施密特触发器Sc0的输出端连接到下拉电路05中的NMOS管Mn4的栅极。
当使能信号En为0时，所述PMOS管Mp0的栅极接收使能信号En，处于接通状态，将所述输出功率管01的栅极上拉至电源VDD，从而关闭所述输出功率管01；同时，NMOS管Mn2、Mn3和Mn5的栅极接收使能信号En，处于关断状态。
当使能信号En为1时，所述PMOS管Mp0的栅极接收使能信号En，处于关断状态；同时，NMOS管Mn2、Mn3和Mn5的栅极接收使能信号En，处于接通状态，弱电流源04输出弱下拉电流I0至所述输出功率管01的栅极进行缓慢充电，当施密特触发器Sc0检测到栅极电压低于设定阀值时，输出高电平打开NMOS管Mn4，提供强下拉，从而完全打开输出功率管01，使其处于稳定工作状态。
本应用实例中，通过调整电阻器R的阻值，控制弱电流源04的电流I0大小，可以有效地控制输出功率管01的开启速度，由于施密特触发器Sc0可以检测较低的电压值，从而可以针对自身需求设置电压阀值，从而有效地解决各种不同电源门控电路开启瞬间的地弹和输出电压波动的问题，使得电路的工作状态的切换更加稳定和可靠。
综合本实用新型的电源门控电路，如图11所示，图11为本实用新型的电源门控电路开启时对应的电流电压变化示意图，从图中可以看出，在电源门控电路开启时，通过减缓输出功率管01的开启速度，有效地解决了图3中出现的地弹和输出电压波动等问题。
以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种电源门控电路，包括连接电源和电路模块之间的输出功率管，其特征在于，还包括：上拉电路、弱电流源、下拉电路、电压检测电路； 
所述上拉电路连接在所述电源与所述输出功率管的栅极之间，所述弱电流源、下拉电路、电压检测电路连接所述输出功率管的栅极，所述电压检测电路连接所述下拉电路； 
在关闭所述输出功率管时，所述上拉电路将所述输出功率管的栅极上拉至电源； 
在开启所述输出功率管时，所述弱电流源输出弱下拉电流至所述输出功率管的栅极，所述电压检测电路检测所述输出功率管的栅极电压值，当电压值低于设定阀值时，控制所述下拉电路将所述输出功率管的栅极强下拉至地。 
2.根据权利要求1所述的电源门控电路，其特征在于，所述弱电流源包括：电阻器、由NMOS管Mn0和NMOS管Mn1组成的电流镜电路； 
所述NMOS管Mn0的漏极通过所述电阻器连接所述电源，所述NMOS管Mn1的漏极连接所述输出功率管的栅极。 
3.根据权利要求2所述的电源门控电路，其特征在于，所述弱电流源还包括：连接在NMOS管Mn0的漏极与所述电阻器之间的NMOS管Mn2，以及连接在NMOS管Mn1的漏极与所述输出功率管的栅极之间的NMOS管Mn3； 
所述NMOS管Mn2与NMOS管Mn3的栅极连接使能信号输出端。 
4.根据权利要求2所述的电源门控电路，其特征在于，所述电阻器包括一个或多个串联的长沟道PMOS管。 
5.根据权利要求1所述的电源门控电路，其特征在于，所述下拉电路包括连接在所述输出功率管的栅极与地之间NMOS管Mn4； 
所述NMOS管Mn4的栅极连接所述电压检测电路。 
6.根据权利要求5所述的电源门控电路，其特征在于，所述下拉电路还包括：连接在NMOS管Mn4的漏极与所述输出功率管的栅极之间的NMOS管Mn5； 
所述NMOS管Mn5的栅极连接使能信号输出端。 
7.根据权利要求1所述的电源门控电路，其特征在于，所述电压检测电路包括施密特触发器； 
所述施密特触发器的输入端连接所述输出功率管的栅极、输出端连接所述下拉电路。 
8.根据权利要求1所述的电源门控电路，其特征在于，所述上拉电路包括连接在所述电源与所述输出功率管的栅极之间的PMOS管； 
所述PMOS管的栅极连接使能信号输出端。 
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