DE102021107201A1 - Energiesparende stromversorgungsarchitektur für integrierte schaltungen wie z.b. mikrocontroller - Google Patents

Energiesparende stromversorgungsarchitektur für integrierte schaltungen wie z.b. mikrocontroller Download PDF

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Hua Beng Chan
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Abstract

Eine integrierte Schaltung beinhaltet eine erste Mehrzahl von Schaltungen, die eine erste interne Versorgungsspannung empfangen, einen ersten Regler, der eine externe Versorgungsspannung empfängt und die erste interne Versorgungsspannung mit einer ersten Nennleistung in Reaktion auf die externe Versorgungsspannung versorgt, wenn sich die integrierte Schaltung in einem aktiven Modus befindet, einen zweiten Regler, der die externe Versorgungsspannung empfängt, um die erste interne Versorgungsspannung mit einer zweiten Nennleistung zu versorgen, die geringer ist als die erste Nennleistung in Reaktion auf die externe Versorgungsspannung, wenn sich die integrierte Schaltung in einem Niederleistungs-Modus befindet, und eine Steuereinheit, der einen Übergang der integrierten Schaltung zwischen dem aktiven Modus und dem Niederleistungs-Modus steuert. Die Steuereinheit aktiviert alle der ersten Mehrzahl von Schaltungen in dem aktiven Modus, aber nur eine Teilmenge von ihnen, während er die übrigen in dem Niederleistungs-Modus inaktiv hält.

Description

  • GEBIET
  • Die vorliegende Offenlegung bezieht sich allgemein auf integrierte Schaltungen und insbesondere auf interne Leistungsversorgungsarchitekturen für integrierte Schaltungen wie Mikrocontroller (MCUs).
  • HINTERGRUND
  • Mikrocontroller (MCUs) sind integrierte Schaltungen, die die Hauptkomponenten eines Computersystems, d. h. eine Zentralverarbeitungseinheit (CPU), Speicher und periphere Schaltungen für die Eingabe/Ausgabe (I/O), auf einem einzigen integrierten Schaltungschip vereinen. Moderne MCUs werden aufgrund ihrer geringen Kosten in einer Vielzahl von Konsumgütern wie Mobiltelefonen, Haushaltsgeräten, Automobilkomponenten und ähnlichem verwendet. Typische MCUs kombinieren verschiedene Typen von Schaltungen, die unterschiedliche Anforderungen an die Leistungsversorgung haben, auf einem einzigen Chip. Zum Beispiel benötigen digitale Schaltungen, die komplementäre Metall-Oxid-Halbleiter-Transistoren (CMOS) verwenden, nur eine Leistungsversorgung mit niedriger Spannung für den ordnungsgemäßen Betrieb. Andere Schaltungen, wie z. B. analoge Schaltungen und Schaltungen, die eine Schnittstelle zu externen Schaltungen haben, benötigen eine höhere Leistungsversorgung für den Betrieb. Außerdem arbeiten diese MCUs häufig mit einer Batteriespannung, und die MCUs erzeugen interne Spannungen zur Versorgung der verschiedenen Typen von Schaltungen. Gleichzeitig muss Strom gespart werden, und die MCUs stellen eine Reihe von Niederleistungs-Modi bereit, die bei der Stromeinsparung helfen. Es besteht ein Spannungsverhältnis zwischen der Unterstützung verschiedener Typen interner Schaltungen und dem Beibehalten eines stromsparenden Betriebs, da die Schaltungen zur Umwandlung der Leistungsversorgung selbst einen erheblichen Teil der Chipleistung verbrauchen.
  • KURZBESCHREIBUNG
  • Der Begriff „Nennspannung“ umfasst hier eine Spezifikation eines Spannungswerts und seines Toleranzintervalls für einen bestimmten Betriebsmodus (z. B. aktiver Modus, Niederleistungs-Modus, Ruhe-Modus, Leerlauf-Modus usw.). Zum Beispiel kann ein Chip eine VDD von 3 Volt erfordern, aber eine Toleranz zwischen 2,7 Volt und 3,3 Volt zulassen. In diesem Beispiel würde die Nennspannung 3,0 Volt betragen, auch wenn sie innerhalb dieses Bereichs variieren darf.
  • Die Aufgabe der Erfindung ist es, einen verbesserten Mikrocontroller, eine integrierte Schaltung und ein Verfahren zu deren Betrieb zu schaffen. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Figurenliste
    • 1 veranschaulicht in Blockdiagrammform eines aus dem Stand der Technik bekannten MCU;
    • 2 veranschaulicht in Blockdiagrammform eines MCU mit einer energiesparenden Energie-Management-Schaltung zur Leistungseinsparung gemäß einer Ausführungsform;
    • 3 veranschaulicht ein Zustandsdiagramm verschiedener Leistungszustände, die von dem MCU von 2 unterstützt werden;
    • 4 veranschaulicht in teilweiser Blockdiagrammform und teilweiser schematischer Form die energiesparende Leistungsarchitektur des MCU von 2; und
    • 5 veranschaulicht ein Zeitablaufdiagramm, das die Reihenfolge der Aktivierung verschiedener Schaltungen des MCU von 4 veranschaulicht.
  • Die Verwendung der gleichen Referenzsymbole in verschiedenen Zeichnungen gibt ähnliche oder identische Elemente an. Es ist zu beachten, dass das Wort „gekoppelt“ und die damit verknüpften Verbformen sowohl eine direkte Verbindung als auch eine indirekte elektrische Verbindung mit bekannten Mitteln umfassen, und dass, sofern nicht anders vermerkt, jede Beschreibung einer direkten Verbindung auch alternative Ausführungsformen mit geeigneten Formen einer indirekten elektrischen Verbindung impliziert.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • In einer Form beinhaltet eine integrierte Schaltung eine erste Mehrzahl von Schaltungen, die eine erste interne Versorgungsspannung empfangen, einen ersten Regler, einen zweiten Regler und eine Steuereinheit. Der erste Regler empfängt eine externe Versorgungsspannung und liefert die erste interne Versorgungsspannung mit einer ersten Nennleistung in Reaktion auf die externe Versorgungsspannung, wenn sich die integrierte Schaltung in einem aktiven Modus befindet. Der zweite Regler empfängt die externe Versorgungsspannung und liefert die erste interne Versorgungsspannung mit einer zweiten Nennleistung, die geringer ist als die erste Nennleistung, in Reaktion auf die externe Versorgungsspannung, wenn sich die integrierte Schaltung in einem Niederleistungs-Modus befindet. Die Steuereinheit steuert einen Übergang der integrierten Schaltung zwischen dem aktiven Modus und dem Niederleistungs-Modus. Die Steuereinheit aktiviert alle der ersten Mehrzahl von Schaltungen in dem aktiven Modus und aktiviert eine Teilmenge der ersten Mehrzahl von Schaltungen, während die verbleibenden Schaltungen der ersten Mehrzahl von Schaltungen in dem Niederleistungs-Modus inaktiv bleiben.
  • In einer anderen Form beinhaltet ein Mikrocontroller einen Kern der Zentralverarbeitungseinheit (CPU), der mit einem Niederspannungs-Leistungsversorgungsbus gekoppelt ist, der im Folgenden auch als Leistungsversorgungs-Spannungsbus bezeichnet werden kann, einen Speicher, der mit dem Leistungsversorgungs-Spannungsbus und dem CPU-Kern gekoppelt ist, eine Mehrzahl von peripheren Schaltungen, die mit einem Hochspannungs-Leistungsversorgungsbus und dem CPU-Kern gekoppelt sind; und eine Energie-Management-Schaltung zur Leistungseinsparung. Die Energie-Management-Schaltung zur Leistungseinsparung empfängt eine externe Versorgungsspannung und liefert eine Digital-Versorgungsspannung an den Niederspannungs-Leistungsversorgungsbus und eine Hochleistungs-Versorgungsspannung an den Hochspannungs-Leistungsversorgungsbus. Die Energie-Management-Schaltung beinhaltet einen ersten Regler, einen zweiten Regler und eine Steuereinheit. Der erste Regler empfängt die externe Versorgungsspannung und liefert die Digital-Versorgungsspannung an den Niederspannungs-Leistungsversorgungsbus mit einer ersten Nennleistung in Reaktion auf die externe Versorgungsspannung, wenn sich der Mikrocontroller in einem aktiven Modus befindet. Der zweite Regler empfängt die externe Versorgungsspannung und liefert die Digital-Versorgungsspannung mit einer zweiten Nennleistung, die kleiner ist als die erste Nennleistung, in Reaktion auf die externe Versorgungsspannung, wenn sich der Mikrocontroller in einem Niederleistungs-Modus befindet. Die Steuereinheit steuert einen Übergang des Mikrocontrollers zwischen dem aktiven Modus und dem Niederleistungs-Modus. Die Steuereinheit aktiviert den CPU-Kern und den Speicher im aktiven Modus und versetzt den CPU-Kern und den Speicher im Niederleistungs-Modus in einen Niederleistungs-Zustand.
  • In einer weiteren Form beinhaltet ein Verfahren zum Betreiben einer integrierten Schaltung in einem aktiven Modus das Erzeugen einer ersten internen Versorgungsspannung mit einer ersten Nennspannung auf einem ersten Leistungsversorgungs-Spannungsbus unter Verwendung eines ersten Spannungsreglers, und das Aktivieren jeder einer ersten Mehrzahl von Schaltungen, die mit dem ersten Leistungsversorgungs-Spannungsbus gekoppelt sind. In einem Niederleistungs-Modus beinhaltet das Verfahren das Erzeugen der ersten internen Versorgungsspannung mit der ersten Nennspannung auf dem ersten Leistungsversorgungs-Spannungsbus unter Verwendung eines zweiten Spannungsreglers, wobei der zweite Spannungsregler eine niedrigere Nennleistung als der erste Spannungsregler aufweist, und das Aktivieren einer Teilmenge der ersten Mehrzahl von Schaltungen, während die verbleibenden Schaltungen der ersten Mehrzahl von Schaltungen inaktiv gehalten werden.
  • 1 veranschaulicht in Blockdiagrammform einen aus dem Stand der Technik bekannten MCU 100. Der MCU 100 beinhaltet einen Satz integrierter Schaltungsanschlüsse 110, einen Low-Dropout (LDO)-Spannungsregler 120, einen LDO-Regler 130, einen Satz digitaler Schaltungsblöcke 140, eine Universal Serial Bus (USB)-Schnittstellenschaltung der physikalischen Schicht (PHY) 150 und einen Satz Eingabe-/Ausgabeschaltungen 160.
  • Die Anschlüsse der integrierten Schaltung 110 beinhalten einen Anschluss 111 zum Empfangen einer externen geregelten Spannung mit der Bezeichnung „VREGIN“, einen Anschluss 112 zum Empfangen einer Leistungsversorgung mit der Bezeichnung „VDD“, einen Anschluss 113 zum Empfangen einer Massespannung mit der Bezeichnung „GND“, auf die VREGIN und VDD referenziert sind, einen Anschluss 114 zum Leiten eines positiven USB-Datensignals mit der Bezeichnung „D+“, einen Anschluss 115 zum Leiten eines negativen USB-Datensignals mit der Bezeichnung „D-“, einen Anschluss 116 zum Empfangen einer Eingangs-/Ausgangsversorgung mit der Bezeichnung „VIO“ und einen Satz von Anschlüssen 117, die als digitale und/oder analoge E/A-Anschluss-Pins fungieren.
  • Der LDO-Spannungsregler 120 hat einen Eingang, die mit Anschluss 111 verbunden ist, einen Ausgang, der eine interne Versorgungsspannung von 3,3 Volt bereitstellt, und einen Referenzanschluss, der mit Masse verbunden ist. VREGIN ist eine extern geregelte Versorgungsspannung mit einem Nennwert von 5 Volt. Der LDO-Spannungsregler 120 ist so ausgelegt, dass er VREGIN in eine interne, geregelte Spannung umwandelt, die in diesem Beispiel einen Wert von 3,3 Volt hat.
  • Der LDO-Spannungsregler 130 hat einen Eingang, die mit Anschluss 112 und mit dem Ausgang des LDO-Spannungsreglers 120 verbunden ist, einen Ausgang zum Bereitstellen einer internen Versorgungsspannung von 1,8 Volt und einen Referenzanschluss, der mit Anschluss 113 verbunden ist, der die Masse für die MCU 100 bereitstellt. In einem Modus ist der LDO-Spannungsregler aktiv und gibt die interne Leistungsversorgung von 3,3 Volt aus, die der LDO-Spannungsregler 130 verwendet, um die interne Versorgung von 1,8 Volt zu erzeugen. In einem alternativen Modus ist der LDO-Spannungsregler 120 deaktiviert und ein externer Spannungsregler stellt 3,3 Volt am Anschluss 112 bereit.
  • Die digitalen Schaltungsblöcke 140 beinhalten einen beispielhaften Satz digitaler Schaltungen, die in einer MCU nützlich sind, einschließlich eines Kerns der Zentralverarbeitungseinheit 141, eines Direktzugriffspeichers 142, eines Flash-Speichers 143, eines Oszillatorblocks 144 und eines peripheren Logikblocks 145. Die MCU 100 ist unter Verwendung von CMOS-Transistoren (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) mit geringem Stromverbrauch implementiert, und die digitalen Schaltungsblöcke 140 arbeiten mit einer relativ niedrigen Leistungsversorgung von 1,8 Volt.
  • USB PHY 150 hat bidirektionale Anschlüsse, die mit den Anschlüssen 114 und 115 verbunden sind. Er wird von der internen Leistungsversorgung mit 3,3 Volt versorgt. Die Eingabe-/Ausgabeschaltungen 160 beinhalten einen Satz digitaler E/A-Schaltungen 161 und einen Satz analoger Multiplexer 162. Jede dieser Schaltungsgruppen ist mit den entsprechenden Anschlüssen 117 verbunden und beide werden im einen Modus von der internen Leistungsversorgung mit 3,3 Volt und im anderen Modus von Anschluss 116 versorgt.
  • Die MCU 100 verwendet den LDO-Spannungsregler 120 und den LDO-Regler 130, um die interne Leistungsversorgung mit 3,3 Volt bzw. 1,8 Volt bereitzustellen. Im Allgemeinen sind LDOs einfach zu implementieren, indem z. B. ein einzelner Hochleistungs-Serientransistor mit einer einfachen Rückkopplungsschleife unter Verwendung eines Komparators und einer Spannungsreferenz verwendet wird, um die Leitfähigkeit des Durchgangstransistors zu steuern und den Ausgang auf die gewünschte Spannung zu regeln. Obwohl sie einfach aufgebaut sind, sind LDO-Regler bei höheren Lasten jedoch relativ ineffizient.
  • Um eine stabile interne Leistungsversorgung zu erzeugen, benötigen herkömmliche MCUs große Lastkondensatoren für jede On-Chip-Leistungsversorgung. Diese großen Lastkondensatoren verursachen jedoch Probleme. Zuerst verursachen sie einen hohen Stromverbrauch der MCU, da ein Spannungsregler mit großem Lastkondensator einen großen Vorspannungsstrom erzeugen muss, um sich selbst stabil zu machen. Zweitens erhöhen sie, wenn sie auf dem Chip integriert sind, die Schaltkreisfläche und die Chipkosten. Wenn der MCU keinen großen Strom unterstützen kann, muss der Regler die Kapazität des Lastkondensators ferner erhöhen, so dass er zum dominanten Pol für die Stabilität wird, was einen noch größeren Kondensator erfordert und zu einer weiteren Zunahme der Chipfläche und der Chipkosten führt. Drittens, wenn es nicht möglich ist, Lastkondensatoren mit ausreichender Größe auf dem Chip zu integrieren, dann würde der Chip große externe Kondensatoren und integrierte Schaltkreisanschlüsse benötigen, um die Off-Chip-Kondensatoren anzuschließen, was die Chipfläche und die Kosten erhöht. Die Verwendung großer Lastkondensatoren erschwert es also, eine kostengünstige MCU mit geringem Stromverbrauch bereitzustellen.
  • 2 veranschaulicht in Blockdiagrammform einen MCU 200 mit einer Energie-Management-Schaltung zur Energieeinsparung gemäß einer Ausführungsform. MCU 200 ist ein integrierter Schaltkreis-MCU, der im Allgemeinen ein CPU-System 210, einen Taktgeber 220, eine Energie-Management-Schaltung 230 zur Leistungseinsparung, einen Peripheriebus 240, einen Satz von seriellen Schnittstellen und E/A-Anschlüssen 250, einen Satz von Zeitgebern und Zählern 260 und einen Satz von analogen Schnittstellen 270 umfasst.
  • Das CPU-System 210 umfasst einen CPU-Bus 212, der einen CPU-Kern 211, eine Busbrücke 213, einen FLASH-Speicher 214, einen Direktzugriffspeicher (RAM) 215, eine Debug-Schaltung 216 und eine Steuereinheit für den direkten Speicherzugriff (DMAC) 217 miteinander verbindet. Das CPU-System 210 beinhaltet einen vom Peripheriebus 240 getrennten CPU-Bus 212, um die vom CPU-Kern 211 initiierten Transaktionen auf lokale Geräte und den Speicher zu isolieren, ohne den Verkehr auf dem Peripheriebus 240 zu beeinflussen. Die Busbrücke 213 ist eine Schaltung, die busübergreifende Transfers zwischen dem CPU-Bus 212 und dem Peripheriebus 240 ermöglicht. Das CPU-System 210 stellt einen FLASH-Speicher 214 zur nichtflüchtigen Speicherung von Programmcode bereit, der per Bootstrap von einer externen Quelle geladen werden kann, sowie von Parametern, die erhalten bleiben müssen, wenn die MCU 200 ausgeschaltet wird. RAM 215 stellt einen Arbeitsspeicher zur Verwendung durch den CPU-Kern 211 bereit. Die Debug-Schaltung 216 stellt Programmverfolgungsfunktionen mit Zugriff auf Register des CPU-Kerns 211 für Software-Debugging bereit. DMAC 217 stellt programmierbare direkte Speicherzugriffskanäle bereit, um den CPU-Kern 211 von routinemäßigen Datenübertragungsaufgaben zwischen Peripherie und Speicher zu entlasten.
  • Die MCU 200 beinhaltet eine Reihe von Peripheriegeräten, die sie für eine Vielzahl von universellen Embedded-Anwendungen geeignet machen. Der Peripheriebus 240 verbindet die Busbrücke 213, den Taktgeber 220, die Energie-Management-Schaltung 230 zur Leistungseinsparung, die seriellen Schnittstellen und E/A-Ports 250, die Zeitgeber und Zähler 260 und die analogen Schnittstellen 270 miteinander. Die seriellen Schnittstellen in den seriellen Schnittstellen und E/A-Ports 250 arbeiten nach einer Vielzahl von synchronen und asynchronen zeichenorientierten und seriellen Protokollen. Die E/A-Ports in den seriellen Schnittstellen und E/A-Ports 250 sind eine Reihe von Mehrzweck-Eingangs-/Ausgangsschaltungen mit Anschlüssen, die für spezifische Funktionen programmiert werden können oder der Software für den Mehrzweckbetrieb zur Verfügung stehen. Zeitgeber und Zähler 260 stellen verschiedene programmierbare Zeitablauf- und Ereigniszählfunktionen bereit, die für die eingebettete Steuerung nützlich sind und einen Überwachungszeitgeber und einen Echtzeittaktgeber beinhalten. Die analogen Schnittstellen 270 beinhalten verschiedene analoge Schnittstellenschaltungen wie z. B. einen analogen Komparator und einen Analog-Digital-Wandler (ADC) für die genaue Messung analoger Eingangssignale.
  • Im Allgemeinen integriert der MCU 200 das CPU-System 210 und mehrere Peripheriegeräte für eine Vielzahl von Anwendungsumgebungen und ist für den Betrieb mit sehr geringem Stromverbrauch geeignet. MCU 200 umfasst eine Taktgeber 220, die eine Vielzahl von Taktgebern und Taktfunktionen bereitstellt, die MCU 200 zur Unterstützung ihrer Niederleistungs-Modi verwendet. Die Taktgeber 220 kann beispielsweise Hochfrequenzoszillatoren sowie voll integrierte Widerstands-Kondensator-(RC)-Oszillatoren mit geringerer Präzision und RC-Oszillatoren mit sehr niedriger Geschwindigkeit beinhalten, die Standby- und Keep-Alive-Betrieb ermöglichen.
  • Der MCU 200 beinhaltet auch eine Energie-Management-Schaltung 230 zur Leistungseinsparung, die eine Leistungsarchitektur implementiert, die mehrere programmierbare Funktionen zur Unterstützung eines extrem stromsparenden Betriebs in Niederleistungs-Modi bereitstellt. Die Energie-Management-Schaltung 230 zur Leistungseinsparung ist bidirektional mit dem Peripheriebus 240 verbunden und hat einen Eingang zum Empfangen einer externen Versorgungsspannung mit der Bezeichnung „VDDX“, Ausgänge zum Bereitstellen einer externen Hochleistungs-Versorgungsspannung mit der Bezeichnung „VDDH“, einer relativ hohen Leistungsversorgung für den FLASH-Speicher 214 mit der Bezeichnung „VDDH_FLASH“ und einer relativ niedrigen Digital-Versorgungsspannung mit der Bezeichnung „VDDD“. In dieser beispielhaften Ausführungsform haben diese Spannungen die in TABELLE I angegebenen Nennwerte: TABELLE I
    Name Beschreibung Nennspannung
    VDDX Externe Versorgungsspannung 5 V
    VDDH_FLASH Interne Hochspannung für FLASH-Speicher 3 V
    VDDH Interne Hochspannung für analoge Schnittstellen und I/O-Schaltungen 2.4 V
    VDDD Interne Versorgungsspannung für digitales CMOS und Oszillatoren 1.2 V
  • VDDX ist eine Eingangsspannung für alle On-Chip-Spannungsregler sowie für E/A-Signale. VDDH ist eine Spannung, die zur Versorgung analoger Schaltungen und Schaltungen, die externe E/A-Funktionen implementieren, verwendet wird. VDDH_FLASH ist eine Spannung, die dem FLASH-Speicher 214 bereitgestellt wird, damit dieser weitere Spannungen zum Programmieren und Löschen von Floating-Gate-Speicherzellen erzeugen kann. VDDD ist eine relativ niedrige Spannung, die für digitale CMOS-Schaltungen wie den CPU-Kern 211 bereitgestellt wird.
  • Die Energie-Management-Schaltung 230 zur Leistungseinsparung stellt neben der Spannungserzeugung auch andere Funktionen bereit. Sie beinhaltet z. B. auch einen Brown-out-Detektor, der der MCU 200 bei zu hohem Stromverbrauch in den Reset-Modus zwingt, sowie eine Schaltung zum Einschalten des Niederleistungs-Modus. Sie implementiert eine Zustandsmaschine, um den Eintritt in und das Verlassen von verschiedenen Niederleistungs-Modi zu steuern. Insbesondere stellt die Energie-Management-Schaltung 230 zur Leistungseinsparung eine interne Architektur mit mehreren Spannungsreglern für die unterstützten Versorgungsspannungen bereit, die jedoch in verschiedenen Lastbereichen, die durch die verschiedenen Energiespar-Modi entstehen, effizient arbeiten. Es werden nun weitere Details der Energiespararchitektur beschrieben.
  • 3 veranschaulicht ein Zustandsdiagramm 300 von verschiedenen Leistungszuständen, die von dem MCU 200 aus 2 unterstützt werden. Das Zustandsdiagramm 300 umfasst vier Leistungszustände oder Modi, einschließlich eines aktiven Modus 310, eines Leerlauf-Modus 320, eines Schlummer-Modus 330 und eines Abschalt-Modus 340. Wenn der MCU 200 beim anfänglichen Einschalten mit Strom versorgt wird, geht er in den aktiven Modus 310 über, wenn ein Einschalt-Reset-Signal mit der Bezeichnung „POR“ aktiv ist, um anzugeben, dass die Versorgungsspannung auf eine für den Betrieb geeignete Spannung angestiegen ist, und ein Signal mit der Bezeichnung „ALL_OK“ aktiv ist, um anzugeben, dass alle internen Spannungsregler aktiv sind und ihre Nennwerte erreicht haben. Der aktive Modus 310 ist der normale Betriebszustand, in dem alle Schaltkreise eingeschaltet und aktiviert sind und der CPU-Kern 211 den Betrieb durch Abrufen und Ausführen von Anweisungen aufnimmt. Die verfügbaren Niederleistungs-Zustände, d. h. der Leerlauf-Modus 320, der Schlummer-Modus 330 und der Abschalt-Modus 340, werden nur aus dem aktiven Modus 310 aufgerufen.
  • Der MCU 200 geht in den Leerlauf-Modus 320 über, wenn ein Steuersignal mit der Bezeichnung „IDLE“ aktiviert wird, z. B. indem die Software ein entsprechendes IDLE-Bit in einem speichergemappten Leistungssteuerungsregister setzt. In anderen Ausführungsformen kann das IDLE-Signal auf unterschiedliche Weise gesetzt werden, z. B. durch einen Aktivitätsdetektor, der für eine bestimmte Zeitperiode keine Aktivität erkennt, in Reaktion auf ein externes Steuersignal und dergleichen. Im Leerlauf-Modus 320 werden die Taktgeber von der CPU und von bestimmten Peripheriegeräten getrennt, aber alle Schaltungen werden weiterhin mit Strom versorgt. Da die MCU 200 mit CMOS-Schaltkreisen implementiert ist, verlieren diese ihren Zustand nicht, wenn die Taktgebersignale getrennt werden. Alle Leistungsversorgungen bleiben vollständig mit Strom versorgt, was eine relativ schnelle Aufwachzeit ermöglicht, aber der MCU 200 verbraucht weiterhin eine Leckleistung, Leistung, die von ausgewählten Peripheriegeräten, die aktiv bleiben, verbraucht wird, um Aufwachereignisse zu melden, und Leistung, die von den Spannungsreglern verbraucht wird. Der MCU 200 kann in Reaktion auf die Aktivierung entweder eines aktivierten Interrupts oder einer Aktivierung eines Reset-Anschlusses (d. h. eines Warm-Resets) in den aktiven Modus 310 zurückkehren, wenn das ALL_OK-Signal wahr ist.
  • Der MCU 200 geht in den Schlummer-Modus 330 über, wenn ein Steuersignal mit der Bezeichnung „SNOOZE“ aktiviert wird, z. B. indem die Software ein entsprechendes SNOOZE-Bit im speichergemappten Leistungssteuerungsregister setzt. In anderen Ausführungsformen kann das SNOOZE-Signal auf unterschiedliche Weise gesetzt werden, z. B. durch einen Aktivitätsdetektor, der für eine bestimmte Zeitperiode keine Aktivität erkennt, in Reaktion auf ein externes Steuersignal und dergleichen. Im Schlummer-Modus 330 werden die Taktgeber von der CPU, von bestimmten Peripheriegeräten und von den Hochleistungs-Spannungsreglern getrennt, aber wie weiter unten erklärt wird, versorgen die Niederleistungs-Spannungsregler weiterhin alle Spannungsdomänen mit Strom, damit die Komponenten ihren Zustand nicht verlieren. Der MCU 200 kann in Reaktion auf ein Wakeup-Ereignis (ein aktivierter Interrupt, ein Signal von einem Überwachungszeitgeber usw.), die Aktivierung des Reset-Anschlusses (d. h. ein Warm-Reset) oder einen Hard-Reset (Durchschalten der externen Power-Pins) in den aktiven Modus 310 zurückkehren, wenn das ALL_OK-Signal wahr ist.
  • Die MCU 200 geht in den Abschalt-Modus 340 über, wenn ein Steuersignal mit der Bezeichnung „SHUTDOWN“ aktiviert wird, z. B. durch das Setzen eines entsprechenden SHUTDOWN-Bits im speicherabgebildeten Leistungssteuerregister durch die Software. In anderen Ausführungsformen kann das SHUTDOWN-Signal auf unterschiedliche Weise gesetzt werden, z. B. durch einen Aktivitätsdetektor, der für eine bestimmte Zeitperiode keine Aktivität erkennt, in Reaktion auf ein externes Steuersignal und dergleichen. Im Abschalt-Modus 340 behalten die externen E/A-Pins, die von der externen Versorgungsspannung VDDX versorgt werden, ihre Zustände bei, aber die Taktgeber und die interne Leistungsversorgung werden von allen Schaltkreisen, einschließlich aller Spannungsregler, getrennt. Der MCU 200 kann in den aktiven Modus 310 nur in Reaktion auf einen Reset zurückkehren, der entweder durch eine Aktivierung des Reset-Anschlusses (d. h. einen Warm-Reset) oder einen Hard-Reset (Durchschalten der externen Stromversorgungspins) angegeben wird, wenn das ALL_OK-Signal wahr ist.
  • TABELLE II fasst die verschiedenen von dem MCU 200 unterstützten Leistungs-Modi zusammen: TABELLE II
    Zustand Interne Schaltkreise Spannungsregler
    AKTIV Alle internen Schaltkreise sind aktiv Alle Spannungsregler sind aktiviert
    LEERLAUF CPU-Kern 211 ist angehalten und seine Taktgeber sind abgekoppelt; die Aktivität des FLASH-Speichers 214 ist gestoppt; die übrigen Schaltkreise sind aktiviert; alle internen Schaltkreise werden mit Strom versorgt; die Leistungsaufnahme ist gegenüber dem aktiven Modus reduziert; die Aufwachlatenz ist gering Alle Spannungsregler sind aktiviert
    SCHLUMMER NF-Oszillator 437 und FS-Oszillator 438, Überwachungszeitgeber 435 und analoger Komparator sind EIN. Der CPU-Kern 211 ist angehalten und seine Taktgeber sind abgekoppelt; die Aktivität des FLASH-Speichers 214 ist gestoppt; die übrigen Schaltkreise sind deaktiviert; die Leistungsaufnahme ist gegenüber dem Leerlauf-Modus reduziert; die Aufwachlatenz ist mittelgroß Hochleistungs-Spannungsregler sind deaktiviert, aber Niederleistungs-Spannungsregler sind aktiviert
    ABSCHALT E/A-Puffer 432 behalten den gleichen Zustand wie vor dem Übergang in den ABSCHALT-Modus; alle übrigen Schaltkreise sind ausgeschaltet; der Stromverbrauch wird gegenüber dem Schlummer-Modus reduziert; die Aufwachlatenz ist groß Alle Spannungsregler sind deaktiviert
  • Während bestimmte Niederleistungs-Modi und ihr entsprechendes Verhalten beschrieben wurden, kann der MCU 200 in anderen Ausführungsformen neben den in 3 und TABELLE II gezeigten zusätzliche Niederleistungs-Modi unterstützen. Beispielsweise können verschiedene Kombinationen von Peripheriegeräten in diesen zusätzlichen Niederleistungs-Modi aktiv bleiben oder deaktiviert werden. Darüber hinaus kann das Verhalten dieser Peripheriegeräte in diesen verschiedenen Niederleistungs-Modi sowie die spezifischen Interrupts oder Wakeup-Ereignisse, die erlaubt sind, um den MCU 200 aus dem LEERLAUF- und/oder SCHLUMMER-Modus zu holen, per Software programmierbar sein.
  • 4 veranschaulicht in teilweiser Blockdiagrammform und teilweiser schematischer Form einen MCU 400, der die stromsparende Leistungsarchitektur des MCU 200 von 2 veranschaulicht. Der MCU 400 beinhaltet im Allgemeinen einen Satz von Spannungsreglern 410, einen Satz von Hochspannungs-Peripheriegeräten 430, einen Satz von digitalen Schaltungen 440, einen FLASH-Speicher 450, ein Steuerregister 460 und eine Steuereinheit 470 für das Leistungs-Management.
  • Die Spannungsregler 410 sind Teil der Energie-Management-Schaltung 230 zur Leistungseinsparung und umfassen eine Niederleistungs-Vorspannungsschaltung 411, eine Hochleistungs-Vorspannungsschaltung 412, Regler 413 und 414, einen Kondensator 415, Regler 416 und 417, einen Kondensator 418, einen Leistungsmonitor 420 und Kondensatoren 421, 422 und 423. Die Niederleistungs-Vorspannungsschaltung 411 ist eine Niederleistungs-Vorspannungsschaltung mit einem Leistungsversorgungsanschluss zum Empfangen einer externen Versorgungsspannung VDDX und einem Ausgang zum Bereitstellen eines Vorspannungs-Signals mit der Bezeichnung „VBG_LP“. Die Hochleistungs-Vorspannungsschaltung 412 ist eine Hochleistungs-Vorspannungsschaltung mit einem Leistungsversorgungsanschluss und einem Ausgang zum Bereitstellen eines Vorspannungssignals mit der Bezeichnung „VBG_HP“. Der Regler 413 ist ein Hochspannungs-Hochleistungsregler mit einem Leistungsversorgungsanschluss zum Empfangen der externen Versorgungsspannung VDDX, einem Referenz-Eingang zum Empfangen des Vorspannungs-Signals VBG_HP, einem ersten Ausgang zum Bereitstellen einer internen Versorgungsspannung VDDH über einen ersten Leistungsversorgungsbus 494, einem zweiten Ausgang zum Bereitstellen einer internen Versorgungsspannung VDDH_FLASH über einen zweiten Leistungsversorgungsbus 493. Der Regler 414 ist ein Hochspannungs-Niederleistungs-Regler mit einem Leistungsversorgungsanschluss zum Empfangen der externen Versorgungsspannung VDDX, einem Referenz-Eingang zum Empfangen des Vorspannungs-Signals VBG_LP, einem ersten Ausgang, der schaltbar mit dem zweiten Ausgang des Reglers 413 über einen ersten aktivierbaren Replika-Zweig 491 verbunden ist, einem zweiten Ausgang, der mit dem Leistungsversorgungs-Eingangsanschluss der Hochleistungs-Vorspannungsschaltung 412 verbunden ist, um eine mit „VDDH_LP“ gekennzeichnete Spannung bereitzustellen, und einem dritten Ausgang, der schaltbar mit dem ersten Ausgang des Reglers über einen zweiten aktivierbaren Replika-Zweig 490 verbunden ist. Der erste und der zweite Replika-Zweig können im Folgenden auch als der erste bzw. der zweite Replika-Pfad bezeichnet werden. Der Kondensator 415 hat einen ersten Anschluss, der mit dem zweiten Ausgang des Reglers 414 verbunden ist, und einen zweiten Anschluss, der mit Masse verbunden ist. Der Regler 416 ist ein Niederspannungs-Hochleistungsregler mit einem Leistungsversorgungsanschluss zum Empfangen der externen Versorgungsspannung VDDX, einem Referenz-Eingang zum Empfangen des Vorspannungs-Signals VBG_HP und einem Ausgang zum Bereitstellen einer Versorgungsspannung VDDD über einen dritten Leistungsversorgungsbus 495. Der Regler 417 ist ein Niederspannungs-Niederleistungsregler mit einem Leistungsversorgungsanschluss zum Empfangen der externen Versorgungsspannung VDDX, einem Referenzeingang zum Empfangen des Vorspannungs-Signals VBG_LP, einem ersten Ausgang, der über einen dritten aktivierbaren Replika-Zweig 492 schaltbar mit dem Ausgang des Reglers 416 verbunden ist, und einem zweiten Ausgang. Der Kondensator 418 hat einen ersten Anschluss, der mit dem zweiten Ausgang des Reglers 417 verbunden ist, und einen zweiten Anschluss, der mit Masse verbunden ist. Der Leistungsmonitor 420 hat einen Leistungsversorgungseingang zum Empfangen der externen Versorgungsspannung VDDX, einen ersten Eingang zum Empfangen der Versorgungsspannung VDDH_LP, einen zweiten Eingang zum Empfangen des Vorspannungssignals VBG_LP, einen dritten Eingang zum Empfangen des Vorspannungssignals VBG_HP, einen vierten Eingang zum Empfangen einer Versorgungsspannung VDDD_LP oder VDDH_LP, einen fünften Eingang zum Empfangen einer Versorgungsspannung VDDD, einen sechsten Eingang zum Empfangen einer Versorgungsspannung VDDH und einen Ausgang zum Bereitstellen eines Steuersignals mit der Bezeichnung „ALL_OK“. Der Kondensator 421 hat einen ersten Anschluss, um VDDH_FLASH zu empfangen, und einen zweiten Anschluss, der mit Masse verbunden ist. Der Kondensator 422 hat einen ersten Anschluss, um VDDH zu empfangen, und einen zweiten Anschluss, der mit Masse verbunden ist. Der Kondensator 423 hat einen ersten Anschluss zum Empfangen von VDDD und einen zweiten Anschluss, der mit Masse verbunden ist.
  • Die Hochspannungs-Peripheriegeräte 430 beinhalten einen Digital-AnalogWandler 431, einen Satz E/A-Puffer 432, ein Sukzessiv-Approximations-Register (SAR) 433 und einen analogen Komparator 434, die alle mit Hochspannungs-E/A (z. B. 5 Volt) verbunden sind, einen Überwachungszeitgeber 435, einen Hochfrequenz-Oszillator 436, einen Niederfrequenz-Oszillator 437 und einen Schnellstart-Oszillator (FS) 438, die mit den internen digitalen Peripheriegeräten über eine Versorgungsspannung von 1,2 Volt kommunizieren. Jede der Hochspannungs-Peripheriegeräte 430 hat einen Leistungsversorgungsanschluss zum Empfangen von VDDH und einen Masseanschluss, der mit Masse verbunden ist.
  • Digitale Schaltungen 440 beinhalten einen SRAM 441 und einen digitalen Block 442. Der digitale Block 442 repräsentiert die digitalen Schaltungen außer dem SRAM 441, wie z. B. den CPU-Kern 211, die Busbrücke 213, die Debug-Schaltung 216 und den DMAC 217 des MCU 200 von 2. Jede Schaltung oder Gruppe von Schaltungen im digitalen Block 440 hat einen Leistungsversorgungsanschluss zum Empfangen von VDDH und einen Masseanschluss, der mit Masse verbunden ist.
  • Der FLASH-Speicher 450 hat einen ersten Versorgungsspannungsanschluss zum Empfangen von VDDH_FLASH, einen zweiten Versorgungsspannungsanschluss zum Empfangen von VDDD und einen Masseanschluss, der mit Masse verbunden ist. Der FLASH-Speicher 450 führt intern Lese-, Schreib- und Löschzyklen unter Verwendung von VDDH_FLASH (oder einer von VDDH_FLASH abgeleiteten Spannung) aus, kommuniziert aber mit dem CPU-Kern 211 über den CPU-Bus 212 mit Signalen, die auf VDDD bezogen sind, und verwendet somit beide Versorgungsspannungen.
  • Das Steuerregister 460 hat drei Bits (oder Bitfelder), um eine Anforderung zum Eintritt in einen Niederleistungs-Modus anzugeben, die ein SNOOZE-Bit 461, ein IDLE-Bit 462 und ein SHUTDOWN-Bit 463 umfassen.
  • Die Steuereinheit 470 für das Leistungs-Management hat einen ersten Eingang zum Empfangen eines Signals mit der Bezeichnung „RESET“, einen zweiten Eingang zum Empfangen eines Aufweck-Ereignissignals mit der Bezeichnung „WAKEUP_EVENT“, einen dritten Eingang zum Empfangen des ALL_OK-Signals, Eingänge, die mit den Ausgängen des Steuerregisters 460 verbunden sind, und Ausgänge zum Bereitstellen von Signalen, die direkt oder indirekt angeben, dass sich die integrierte Schaltung 400 in dem aktiven Modus, dem Schlummer-Modus, dem Leerlauf-Modus und dem Abschalt-Modus befindet, sowie einen Ausgang mit der Bezeichnung „POR“ (Power-On-Reset).
  • Im Betrieb ermittelt die Steuereinheit 470 für das Leistungs-Management den Betriebsmodus des MCU 400, wobei der Betriebsmodus per Software durch Setzen des Bits oder Bitfelds, das dem gewünschten Modus entspricht, im Steuerregister 460 angefordert werden kann. Die Steuereinheit 470 für das Leistungs-Management geht dann in den entsprechenden Modus über, wenn alle Vorbedingungen erfüllt sind, z. B. wenn der Leistungsmonitor 420 durch das ALL_OK-Signal angibt, dass alle Versorgungsspannungen aktiviert wurden. Die Steuereinheit 470 für das Leistungs-Management beobachtet auch die Signale POR, RESET und WAKEUP EVENT, um festzustellen, wann die Leistungsversorgungszustandsübergänge erfolgen sollen. Die unterstützten Leistungsversorgungs-Modi wurden vorangehend in TABELLE II dargestellt.
  • Der MCU 400 hat eine Leistungsarchitektur, die durch ein kompaktes Layout gleichzeitig niedrige Kosten und eine geringe Leistungsaufnahme erreicht. Um beide Ziele gleichzeitig zu erreichen, verwendet der MCU 400 nicht die oben beschriebene, bekannte Herangehensweise mit großen Kondensatoren, sondern geht beide Ziele getrennt an.
  • Der MCU 400 erreicht niedrige Kosten, indem er die einzelnen Schaltkreise entsprechend den Anforderungen an Funktion, Rauschen, Spannung und Strom aufteilt. Der FLASH-Speicher 450 erzeugt ein hohes Rauschen und verwendet hohe Spannungen und Ströme. Daher empfängt der FLASH-Speicher 450 eine stärkere Versorgung, d. h. eine Versorgung mit höherer Nennleistung, und verwendet einen relativ großen On-Chip-Kondensator, nämlich den Kondensator 421 mit einem Wert von 150 Pikofarad (pF). Analoge Schaltungen beinhalten den DAC 431, den SAR 433 und den analogen Komparator 434, die weniger Rauschen erzeugen und einen relativ kleinen Strom verwenden, aber eine Leistungsversorgung benötigen, die eine stabile, rauscharme Spannung liefert. Daher empfängt die analoge Schaltung eine niedrigere Versorgungsspannung VDDH mit einer geringeren Nennleistungsaufnahme und einem kleineren On-Chip-Kondensator, nämlich dem Kondensator 422 mit einem Wert von 75 pF. Die Hochleistungs-Vorspannungsschaltung 412 und der Leistungsmonitor 420 erzeugen sehr wenig Rauschen und verwenden einen sehr geringen Strom, benötigen aber eine Leistungsversorgung, die eine stabile, rauscharme Spannung erzeugt, um stabile Referenzspannungen und genaue ALL_OK-Signale bereitzustellen. Daher bekommen die Hochleistungs-Vorspannungsschaltung 412 und der Leistungsmonitor 420 eine niedrigere Versorgungsspannung VDDH_LP und einen sehr kleinen On-Chip-Kondensator 415, nämlich einen Kondensator 415 mit einem Wert von 10 pF. Der SRAM 441 und der digitale Block 442 erzeugen ein hohes Maß an Rauschen und verwenden große Strommengen, aber da es sich um digitale CMOS-Schaltungen handelt, können sie mit relativ niedrigen Spannungen arbeiten. Daher empfangen SRAM 441 und Digitalblock 442 die niedrigste Versorgungsspannung VDDD, verwenden aber den größten Kondensator, nämlich den On-Chip-Kondensator 423 mit einem Wert von 700 pF.
  • Durch die Aufteilung der MCU 400 in diese Funktionsgruppen kann der Gesamtwert der On-Chip-Kapazität bei gegebener Chipfläche und Strom-/Leistungsaufnahme reduziert werden, indem große Kondensatoren nur für die Spannungsdomänen mit dem größten Bedarf verwendet werden. Außerdem isoliert die Partitionierung der MCU 400 in diese Funktionsgruppen das in einer Partition (oder Spannungsdomäne) erzeugte Rauschen von den anderen Partitionen.
  • Der MCU 400 erreicht eine niedrige Leistung, indem sie einen Satz von Hochleistungsreglern und Vorspannungsreferenzschaltungen und einen anderen Satz (oder „Replikat“-Satz) von Niedrigleistungsreglern und Vorspannungsreferenzschaltungen bereitstellt. Die Hochleistungsregler beinhalten die Regler 413 und 416, und die Hochleistungsreferenzschaltung ist die Hochleistungs-Vorspannungsschaltung 412. Diese Schaltungen stellen schnell einschwingende, hochpräzise interne Versorgungs- und Referenzspannungen bereit. Die Regler 413 und 416 unterstützen relativ große Strombelastungen, z. B. bis zu 12 Milliampere (mA) für VDDH_FLASH, 6 mA für VDDH und 10 mA für VDDD. Die Niederleistungsregler beinhalten die Regler 414 und 417, und die Niederleistungs-Vorspannungsschaltung umfasst die Niederleistungs-Vorspannungsschaltung 411. Die Regler 414 und 417 unterstützen interne Leistungsversorgungen, die eine mäßige Genauigkeit und Einschwingzeit aufweisen, aber im Vergleich zu ihren Pendants mit höherer Nennleistung weitaus weniger Vorstrom verbrauchen. Die Regler 414 und 417 unterstützen kleinere Strombelastungen von bis zu 20 µA für VDDH_FLASH, 100 µA für VDDH und 1 mA für VDDD, benötigen aber nur einen Vorstrom von etwa 6,5 gA.
  • Es können verschiedene Kombinationen von Reglern mit hoher und niedriger Leistung und Vorspannungs-Referenzschaltungen verwendet werden, um verschiedene Leistungs-Modi zu unterstützen. Jeder Leistungsversorgungs-Spannungsbus verwendet sowohl einen Haupt-Zweig als auch einen Replika-Zweig, um zwischen Reglern mit höherer Nennleistung und solchen mit niedrigerer Nennleistung abzuwechseln. In 4 sind die Replika-Zweige als gestrichelte Linien dargestellt. Die Regler, die die Replika-Zweige versorgen, sind Open-Loop-Schaltungen, die für jeden Lastkondensator bedingungslos stabil sind und Übergänge zwischen den Reglern, die den verschiedenen Leistungs-Modi entsprechen, ermöglichen. Die Haupt-Zweige und ihre entsprechenden Replika-Zweige für die verschiedenen Leistungsversorgungs-Spannungsbusse sind in TABELLE III dargestellt: TABELLE III
    Leistungsversorgungsbus Hauptversorgung Hauptspannung Replika-Versorgung Replika-Spannung
    VDDH_FLASH Regler 413 3V Regler 414 2.1 V
    VDDH Regler 413 2.4 V Regler 414 2.1 V
    VDDD Regler 416 1.2 V Regler 417 1.2 V
  • In Übereinstimmung mit dem gewählten Leistungszustand stellen die Spannungsregler 410 verschiedene Versorgungsspannungen für die internen Schaltungen des MCU 400 bereit, wobei sie alternative Spannungsregler verwenden, wie in TABELLE IV beschrieben: TABELLE IV
    VERSORGUNG AKTIVER MODUS LEERLAUF-MODUS SCHLUMMER- MODUS ABSCHALT-MODUS
    VDD_FLASH 413 (Haupt) 414 (Replika) 414 (Replika) ALLE AUS
    VDDH 413 (Haupt) 413 (Haupt) 414 (Replika) ALLE AUS
    VDDH_LP 414 (Haupt) 414 (Haupt) 414 (Haupt) ALLE AUS
    VDDD 416 (Haupt) 416 (Haupt) 417 (Replika) ALLE AUS
  • Darüber hinaus sind die Zustände der Spannungsregler des MCU 400, wenn er sich in verschiedenen Leistungs-Modi befindet, in TABELLE V unten dargestellt: TABELLE V
    SCHALTUNGEN IN REGLERN 410 AKTIVER MODUS LEERLAUF-MODUS SCHLUMMER-MODUS ABSCHALT-MODUS
    411 (VBG_LP) EIN EIN EIN AUS
    412 (VBG_HP) EIN EIN AUS AUS
    413 (VDDH) EIN EIN AUS AUS
    413 (VDDH_FLASH) EIN AUS AUS AUS
    414 (Haupt) (VDDH_LP) EIN EIN EIN AUS
    414 (Replika) (VDDH) AUS AUS EIN AUS
    414 (Replika) (VDDH_FLASH) AUS EIN EIN AUS
    416 (VDDD) EIN EIN AUS AUS
    417 (Haupt) (VDDD_LP) EIN EIN EIN AUS
    417 (Replika) (VDDD) AUS AUS EIN AUS
    GESAMTVORSTROM 600 µA 250 µA 6.5 µA 0.3 µA
  • In einem konkreten Beispiel beträgt der Gesamtvorstrom für alle Spannungsregler 600 Mikroampere (µA) im aktiven Modus, 200 µA im Leerlauf-Modus, 6,5 µA im Schlummer-Modus und 0,3 µA im Abschalt-Modus. Wenn der MCU 400 vom aktiven Modus in den Leerlauf-Modus übergeht, schaltet die Steuereinheit 470 für das Leistungs-Management den Regler 413 aus, und die Leistungsaufnahme sinkt auf 200 µA. Wenn der MCU 400 vom aktiven Modus in den Schlummer-Modus übergeht, schaltet die Steuereinheit 470 für das Leistungs-Management die Hochleistungs-Vorspannungsschaltung 412, den Hochleistungsregler 413 und den Hochleistungsregler 416 aus, und die Leistungsaufnahme sinkt auf 6,5 µA. Wenn der MCU 400 vom aktiven Modus in den Abschaltmodus übergeht, schaltet die Steuereinheit 470 für das Leistungs-Management alle Regler und Vorspannungsschaltungen ab, und die Leistungsaufnahme sinkt auf 0,3 µA.
  • Die digitalen Schaltungen 440 funktionieren in der VDDD-Domäne und empfangen VDDD als ihre Versorgungsspannung. Teile des SRAM 441 und des digitalen Blocks 442 bleiben während des Schlummer-Modus mit Strom versorgt, während die Leistungsversorgung für andere Teile abgeschaltet wird. Zum Beispiel liefert der Regler 417 weiterhin die Versorgungsspannung VDDD an den Speicherkern, so dass dieser seinen Zustand beibehält, während sich der MCU 400 im Schlummer-Modus befindet, aber der SRAM 441 schaltet den Zugriffsschaltkreis ab. Somit verbraucht der SRAM 441 nur Leckleistung in seinem Kern, aber keine Leistung in den Leistungs-gated-Schaltungen. Ebenso sind Teile der digitalen Schaltungen 440 Leistungs-Gate-gesteuert, während andere Teile von der Niederspannungsversorgung versorgt werden.
  • Der FLASH-Speicher 450 empfängt im Leerlauf-Modus 320, im Schlummer-Modus 330 und im Abschalt-Modus 340 kein VDDH_FLASH mehr vom Spannungsregler 413, verwendet aber im Leerlauf- und Schlummer-Modus weiterhin den Replika-Pfad und empfängt somit VDDH_FLASH vom Spannungsregler 414. In diesen Modi erlaubt der MCU 400 jedoch keine Lese-, Schreib- und Löschzugriffe auf den FLASH Speicher 450, da alle Schaltungen, die darauf zugreifen könnten, einschließlich des CPU-Kerns 211, deaktiviert sind. Da er nichtflüchtig ist, behält der FLASH-Speicher 450 seinen Inhalt bei, wenn er abgeschaltet wird. Der FLASH-Speicher 450 empfängt im Leerlauf- und Schlummer-Modus weiterhin VDDD über den Regler 417.
  • Durch die Verwendung von separaten Spannungsreglern, die für eine geringere Nennleistung im Leerlauf- und/oder Schlummer-Modus ausgelegt sind, spart die MCU 400 erhebliche Mengen an Vorstrom ein, der von den im aktiven Modus verwendeten Spannungsreglern mit höherer Nennleistung benötigt würde. Auf diese Weise stellt der MCU 400 eine geringe Leistungsaufnahme in Niederleistungs-Modi bereit, was die Lebensdauer der Batterie schont und gleichzeitig die kompakte Größe der integrierten Schaltung und damit die Kosten niedrig hält. Durch die Trennung der Spannungsregler auf Grundlage der Typen der von ihnen versorgten Schaltungen entfällt bei dem MCU außerdem die Notwendigkeit eines externen Kondensators, der groß genug für die meisten oder alle internen Schaltungen ist, wodurch die Kosten für einen externen Kondensator und einen zusätzlichen MCU-Anschluss eingespart werden. Die Ausführung der Regler kann auch je nach Bedarf geändert werden. Zum Beispiel kann in einer Ausführungsform der Regler 413 oder 416 als LDO-Regler implementiert werden oder einen solchen umfassen, um einen besseren Wirkungsgrad bei großen Lasten bereitzustellen, während der Regler 414 oder 417 als geregelte Ladungspumpe implementiert werden kann oder eine solche umfasst, die einen besseren Wirkungsgrad bei geringeren Lasten bereitstellt.
  • Der Leistungsmonitor 420 ermittelt, ob alle Schaltkreise der Leistungsversorgung betriebsbereit sind, so dass der MCU 400 in den aktiven Modus 310 übergehen kann. Der Leistungsmonitor 420 hat Eingänge zum Empfangen der Niedrigleistungs-Vorspannung VBG_LP und der Hochleistungs-Vorspannung VBG_HP sowie jeder der Versorgungsspannungen VDDX, VDDH_LP, VDDD_LP, VDDH und VDDD.
  • Die Steuereinheit 470 für das Leistungs-Management veranlasst das geordnete Einschalten der verschiedenen Regler wie folgt. Die Niederleistungs-Vorspannungsschaltung 411 empfängt die externe Versorgungsspannung VDDX und stellt die Vorspannung VBG_LP bereit, sobald VDDX auf eine ausreichende Spannung ansteigt. VBG_LP ist eine Referenzspannung, die gleich einer Bandlückenspannung ist oder auf dieser basiert. Die Bandlücke von Silizium beträgt 1,2 Volt. Wenn VBG_LP also gleich der Bandlückenspannung ist, muss VDDX auf eine ausreichende Spannung über 1,2 Volt ansteigen, damit die Schaltung zur Erzeugung der Bandlückenspannung betriebsbereit ist. Sobald VBG_LP auf dem richtigen Pegel ist, können die Regler 414 und 417 ihre jeweiligen Ausgangsspannungen auf den richtigen Pegeln bereitstellen. Der zweite Ausgang des Hochspannungs-Niederleistungs-Reglers 414 erzeugt VDDH_LP, das auf einer separaten Signalleitung zur Hochleistungs-Vorspannungsschaltung 412 bereitgestellt wird. Sobald der Regler 414 betriebsbereit ist und VDDH_LP mit dem richtigen Pegel bereitstellt, kann die Hochleistungs-Vorspannungsschaltung 412 in Betrieb genommen werden. Außerdem, sobald die Hochleistungs-Vorspannungsschaltung 412 betriebsbereit ist, spannt sie die Regler 413 und 416 vor und sie beginnen mit dem Hochfahren ihrer jeweiligen Ausgangsspannungen, indem sie die Kondensatoren 422 bzw. 423 aufladen. Sobald diese Spannungen ihre Nennwerte erreichen, aktiviert der Leistungsmonitor 420 das Signal ALL_OK, und die Steuereinheit 470 für das Leistungs-Management versetzt den MCU 400 in den aktiven Modus und setzt das ACTIVE-Signal durch.
  • 5 veranschaulicht ein Zeitablaufdiagramm 500, das die Reihenfolge der Aktivierung verschiedener Schaltungen des MCU 400 aus 4 veranschaulicht. Im Zeitablaufdiagramm 500 stellt die horizontale Achse die Zeit in Verwendungen dar, und die vertikale Achse stellt den Wert der externen Versorgungsspannung VDDX in Volt dar. Das Zeitablaufdiagramm 500 zeigt eine Wellenform 510, die den Wert der externen Versorgungsspannung VDDX darstellt, während sie von Null auf einen Wert von 5,5 Volt am oberen Ende des zulässigen Bereichs ansteigt. Das Zeitablaufdiagramm 500 zeigt auch vier interessierende Zeitpunkte, beschriftet mit „t0“, „t1“, „t2“ und „t3“.
  • Die Reihenfolge des Einschaltens des MCU 400 lässt sich wie folgt zusammenfassen. Die Versorgungsspannung VDDX beginnt im ausgeschalteten Zustand bei 0 Volt und steigt bis zum Zeitpunkt t0 an, wenn sie eine Spannung von 0,6 Volt erreicht. Vor dem Zeitpunkt t1 sind alle Schaltungen in den Reglern 410 deaktiviert.
  • Zum Zeitpunkt t1 erreicht VDDX 0,6 Volt. Der Wert von 0,6 Volt entspricht einer Schwellenspannung eines 3-Volt-N-Kanal-MOS-Transistors. Zum Zeitpunkt t1 wird die Niederleistungs-Vorspannungsschaltung 411 eingeschaltet, und nach einer Verzögerung beginnt der Leistungsmonitor 420 mit der Überwachung der Versorgungsspannungen, und die Regler 414 und 417 werden ebenfalls eingeschaltet, ohne die Replika-Zweige zu aktivieren. Wenn der Ausgang der Niederleistungs-Vorspannungsschaltung 411 eine Schwellenspannung eines 3-Volt-P-Kanal-MOS-Transistors plus eine Drain-zu-Source-Spannung eines 3-Volt-N-Kanal-MOS-Transistors überschreitet, aktiviert der Leistungsmonitor 420 eine Ladungspumpenfunktion der Regler 414 und 417, damit diese unter Verwendung ihrer Replika-Zweige Spannungen erzeugen können, die größer als VDDX sind. Wenn der Stromversorgungsmonitor 420 erkennt, dass VDDH_LP > 1,5 V und VDDD_LP > 0,9 V ist, aktiviert der Leistungsmonitor 420 die Hochleistungs-Vorspannungsschaltung 412. Wenn der Leistungsmonitor 420 erkennt, dass der Ausgang der Hochleistungs-Vorspannungsschaltung 412 größer als 1 Volt ist, schaltet er den Spannungsregler 413 und den Niederleistungs-Hochleistungsregler 416 ein. Wenn der Leistungsmonitor 420 schließlich VDDH > 1,57 Volt und VDDD > 1 Volt erkennt, beginnt der Leistungsmonitor 420, den VDDX Pegel zu detektieren.
  • Zum Zeitpunkt t2 erkennt der Leistungsmonitor 420, dass VDDX 1,8 Volt erreicht hat. Der Leistungsmonitor 420 aktiviert ALL_OK, und Steuereinheit 470 das Leistungs-Management versetzt die MCU 400 in den aktiven Modus, in dem alle Schaltkreise betriebsbereit sind. Der Leistungsmonitor 420 programmiert die Spannungsregler auf genauere, kalibrierte Einstellungen, die von dem MCU 400 gespeichert werden, sodass die Spannungsregler 410 hochgenaue interne Spannungen bereitstellen können. Er reduziert dann den VDDX Schwellenwert auf 1,71 Volt, was dem Pegel entspricht, bei dem die Chips in den Abschalt-Modus übergehen, und stellt einen erhöhten VDDX Betriebsbereich bereit. Der Leistungsmonitor 420 erlaubt Lesevorgänge auf den FLASH-Speicher 214, bis er erkennt, dass VDDH_FLASH ≥ 2,4 V ist, und aktiviert dann den FLASH-Speicher 214 für Schreib- und Löschvorgänge sowie für Lesevorgänge.
  • Der MCU 400 wechselt wie folgt vom aktiven Modus 310 in den Schlummer-Modus 330. Wenn SNOOZE = 1 ist, aktiviert eine Schlummer-Steuereinheit in der Steuereinheit 470 für das Leistungs-Management die Niedrigleistungsregler 414 und 417 sowie die Replika-Pfade für VDDH, VDDH_FLASH und VDDD, und während dieser Zeit sind sowohl die Hochleistungsregler 413 und 416 als auch die Niedrigleistungsregler 414 und 417 aktiv. Die Schlummer-Steuerung steuert den Regler 417, um VDDD auf 1,1 Volt zu reduzieren, um jegliche transiente Störimpulse zu beseitigen, wenn der Regler 416 deaktiviert ist. Nach einer bestimmten Zeitperiode deaktiviert die Schlummer-Steuereinheit den Hochleistungsregler 413, den Hochleistungsregler 416 und die Hochleistungs-Vorspannungsschaltung 412. Die Stromaufnahme der Spannungsregler 410 wird von 600 µA auf etwa 6,5 µA reduziert, wobei die Ausgangsspannungen weniger genau sind, und der MCU 400 befindet sich dann im Schlummer-Modus.
  • Der MCU 400 wechselt vom Schlummer-Modus 330 wie folgt zurück in den aktiven Modus 310. Wenn ACTIVE = 1 ist, werden die Regler 413 und 414 wieder aktiviert. Die Steuereinheit 470 für das Leistungs-Management steuert den Regler 417, um VDDD auf 1,2 Volt zu erhöhen, und aktiviert die Hochleistungs-Vorspannungsschaltung 412 sowie die Regler 413 und 415. Nach einer weiteren Zeitperiode werden sowohl die Regler 414 und 417 als auch die Replika-Pfade deaktiviert. Die Stromaufnahme der Spannungsregler 410 nimmt von 6,5 µA auf etwa 600 µA zu, und die Ausgänge der Regler 413 und 416 sind wieder hochgenau. Der MCU 400 befindet sich dann in dem aktiven Modus.
  • Gemäß einem Aspekt der offengelegten Ausführungsformen beinhaltet der MCU 400 einen Satz von Schaltungen, die eine Spannungsdomäne definieren, z. B. Hochspannungs-Peripheriegeräte 430 in der VDDH Spannungsdomäne, die VDDH als ihre Versorgungsspannung empfangen. Zum Erzeugen von VDDH verwendet die Energie-Management-Schaltung 230 zur Leistungseinsparung entweder den Spannungsregler 413 oder den Spannungsregler 414. Wenn sich der MCU 400 beispielsweise im aktiven Modus befindet, verwendet die Steuereinheit 470 für das Leistungs-Management die VDDH, die von dem Hochleistungs-Hochspannungsregler 413 erzeugt wird, da dieser bei hohen Leistungspegeln effizient ist und eine höhere Nennleistung als der Regler 414 hat. Wenn sich der MCU 400 jedoch im Schlummer-Modus befindet, sind bestimmte Hochspannungs-Peripheriegeräte 430 deaktiviert, und die Energie-Management-Schaltung 230 zur Leistungseinsparung verwendet den Hochspannungs-Niederleistungsregler 414, um VDDH zu erzeugen. Im Schlummer-Modus deaktiviert die Steuereinheit 470 für das Leistungs-Management den Regler 413. Der Regler 414 hat eine geringere Nennleistung als der Regler 413 und ist zwar nicht in der Lage, VDDH mit einer stabilen Spannung bei hohen Leistungspegeln zu erzeugen, aber er ist effizienter als der Regler 413 bei der Erzeugung der Versorgungsspannung VDDH bei relativ niedrigen Leistungspegeln.
  • Ebenso verwendet die Energie-Management-Schaltung 230 zur Leistungseinsparung zum Erzeugen von VDDD entweder den Spannungsregler 416 oder den Spannungsregler 417. Wenn sich der MCU 400 beispielsweise im aktiven Modus befindet, verwendet die Steuereinheit 470 für das Leistungs-Management die vom Hochspannungs-Niederleistungsregler 416 erzeugte VDDD, da dieser bei hohen Leistungspegeln effizient ist und eine höhere Nennleistung als der Regler 417 aufweist. Wenn sich die MCU 400 jedoch im Schlummer-Modus befindet, sind bestimmte der digitalen Schaltungen 440 deaktiviert, und die Energie-Management-Schaltung 230 zur Leistungseinsparung verwendet den Niederspannungs-Niederleistungsregler 417, um VDDD zu erzeugen. Im Schlummer-Modus deaktiviert die Steuereinheit 470 für das Energie-Management den Regler 416. Der Regler 417 hat eine geringere Nennleistung als der Regler 416 und ist zwar nicht in der Lage, VDDD mit einer stabilen Spannung bei hohen Leistungspegeln zu erzeugen, aber er ist effizienter als der Regler 416 bei der Erzeugung der Versorgungsspannung VDDD bei relativ niedrigen Leistungspegeln.
  • Der oben veranschaulichte Gegenstand ist als illustrativ und nicht einschränkend zu betrachten, und die beigefügten Ansprüche sollen alle derartigen Modifikationen, Erweiterungen und anderen Ausführungsformen abdecken, die in den wahren Anwendungsbereich der Ansprüche fallen. Zum Beispiel wurden verschiedene Niederleistungs-Modi beschrieben, aber in anderen Ausführungsformen kann der MCU auch andere Niederleistungs-Modi unterstützen, die einen anderen Satz interner Schaltungen aktiv halten, während andere Schaltungen abgeschaltet werden. Die Bedingungen, unter denen die verschiedenen Modi ein- und ausgeschaltet werden, können sich in verschiedenen Ausführungsformen ebenfalls ändern. Auch wenn die Stromaufnahme in Bezug auf ein bestimmtes Beispiel beschrieben wurde, sind die Werte nur annähernd, und verschiedene integrierte Schaltungen und MCUs werden unterschiedliche Stromstärken aufweisen.
  • Daher ist der Umfang der vorliegenden Erfindung im größtmöglichen gesetzlich zulässigen Umfang durch die weitest mögliche Auslegung der folgenden Ansprüche und ihrer Äquivalente festzustellen und wird durch die vorangehende detaillierte Beschreibung nicht eingeschränkt oder begrenzt.

Claims (29)

  1. Integrierte Schaltung (400), umfassend: eine erste Mehrzahl von Schaltungen (430; 441, 442), die eine erste interne Versorgungsspannung (VDDH; VDDD) empfangen; einen ersten Regler (413; 416), der eine externe Versorgungsspannung (VDDX) empfängt und die erste interne Versorgungsspannung mit einer ersten Nennleistung in Reaktion auf die externe Versorgungsspannung liefert, wenn sich die integrierte Schaltung in einem aktiven Modus befindet; einen zweiten Regler (414; 417), der die externe Versorgungsspannung empfängt, um die erste interne Versorgungsspannung mit einer zweiten Nennleistung zu liefern, die geringer ist als die erste Nennleistung in Reaktion auf die externe Versorgungsspannung, wenn sich die integrierte Schaltung in einem Niederleistungs-Modus befindet; und eine Steuereinheit zum Steuern eines Übergangs der integrierten Schaltung zwischen dem aktiven Modus und dem Niederleistungs-Modus, wobei die Steuereinheit alle der ersten Mehrzahl von Schaltungen in dem aktiven Modus aktiviert und eine Teilmenge der ersten Mehrzahl von Schaltungen aktiviert, während die verbleibenden der ersten Mehrzahl von Schaltungen in dem Niederleistungs-Modus inaktiv gehalten werden.
  2. Integrierte Schaltung nach Anspruch 1, wobei: der erste Regler einen Low-Dropout-Regler umfasst; und/oder der zweite Regler eine geregelte Ladungspumpe umfasst, die die erste interne Versorgungsspannung unter Verwendung eines entsprechenden Replika-Zweigs (490; 492) liefert; und/oder wobei ein Spannungswert der ersten internen Versorgungsspannung in dem aktiven Modus gleich oder größer ist als ein Spannungswert der ersten internen Versorgungsspannung in dem Niederleistungs-Modus.
  3. Integrierte Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, umfassend: eine zweite Mehrzahl von Schaltungen (441, 442), die eine zweite interne Versorgungsspannung empfängt, wobei ein Spannungswert der zweiten internen Versorgungsspannung niedriger ist als ein Spannungswert der ersten internen Versorgungsspannung in den aktiven und Niederleistungs-Modi; einen dritten Regler (416), der die externe Versorgungsspannung empfängt und in Reaktion darauf die zweite interne Versorgungsspannung mit einer dritten Nennleistung in dem aktiven Modus liefert; und einen vierten Regler (417), der die externe Versorgungsspannung empfängt und die zweite interne Versorgungsspannung mit einer vierten Nennleistung liefert, die geringer ist als die dritte Nennleistung in dem Niederleistungs-Modus.
  4. Integrierte Schaltung nach Anspruch 3, wobei: der dritte Regler einen Low-Dropout-Regler umfasst; und/oder der vierte Regler eine geregelte Ladungspumpe umfasst, die die zweite interne Versorgungsspannung unter Verwendung eines entsprechenden Replika-Zweigs (492) liefert; und/oder wobei ein Spannungswert der zweiten internen Versorgungsspannung in dem aktiven Modus gleich einem Spannungswert der zweiten internen Versorgungsspannung in dem Niederleistungs-Modus ist.
  5. Integrierte Schaltung nach Anspruch 3 oder 4, wobei: die Steuereinheit jede der zweiten Mehrzahl von Schaltungen in dem aktiven Modus aktiviert, indem er ihr ein entsprechendes Taktsignal bereitstellt, und die verbleibenden Schaltungen der ersten Mehrzahl von Schaltungen in dem Niederleistungs-Modus inaktiv hält, indem er ein entsprechendes Taktsignal dazu anhält.
  6. Integrierte Schaltung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei die integrierte Schaltung ein Mikrocontroller ist, und wobei: die erste Mehrzahl von Schaltungen eine analoge Schnittstellenschaltung (431, 434) umfasst; und/oder die zweite Mehrzahl von Schaltungen einen Kern (442) der Zentralverarbeitungseinheit (CPU), einen Speicher (441) und eine Busbrücke mit einem ersten Anschluss, der mit dem CPU-Kern verbunden ist, und einem zweiten Anschluss, der mit dem Speicher verbunden ist, umfasst.
  7. Integrierte Schaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei: in Reaktion auf das Erkennen eines Leerlaufereignisses die Steuereinheit ferner einen Übergang der integrierten Schaltung zwischen dem aktiven Modus und einem Leerlauf-Modus steuert, wobei die Steuereinheit in dem Leerlauf-Modus einen Kern der Zentralverarbeitungseinheit (CPU) in einen Ruhe-Modus versetzt und die Leistungsversorgung aller der ersten Mehrzahl von Schaltungen unter Verwendung des ersten Reglers fortsetzt.
  8. Mikrocontroller (400), umfassend: einen Kern (442) der Zentralverarbeitungseinheit (CPU), der mit einem Niederspannungs-Leistungsversorgungsbus (495) gekoppelt ist; einen Speicher (441), der mit dem Niederspannungs-Leistungsversorgungsbus und dem CPU-Kern verbunden ist; eine Mehrzahl von Peripherieschaltungen (430), die mit einem Hochspannungs-Leistungsversorgungsbus (494) und mit dem CPU-Kern verbunden sind; und eine Energie-Management-Schaltung zum Empfangen einer externen Versorgungsspannung (VDDX) und Bereitstellen einer Digital-Versorgungsspannung (VDDD) an den Niederspannungs-Leistungsversorgungsbus und einer Hochleitungs-Versorgungsspannung (VDDH) an den Hochspannungs- Leistungsversorgungsbus, wobei die Energie-Management-Schaltung umfasst: einen ersten Regler (416), der die externe Versorgungsspannung empfängt und die Digital-Versorgungsspannung mit einer ersten Nennleistung an den Niederspannungs-Leistungsversorgungsbus in Reaktion auf die externe Versorgungsspannung liefert, wenn sich der Mikrocontroller in einem aktiven Modus befindet; einen zweiten Regler (417), der die externe Versorgungsspannung empfängt und die Digital-Versorgungsspannung mit einer zweiten Nennleistung liefert, die geringer ist als die erste Nennleistung, in Reaktion auf die externe Versorgungsspannung, wenn sich der Mikrocontroller in einem Niederleistungs-Modus befindet; und eine Steuereinheit zum Steuern eines Übergangs des Mikrocontrollers zwischen dem aktiven Modus und dem Niederleistungs-Modus, wobei die Steuereinheit den CPU-Kern und den Speicher in dem aktiven Modus aktiviert und den CPU-Kern und den Speicher in einen Zustand niedriger Leistung in dem Niederleistungs-Modus versetzt.
  9. Mikrocontroller nach Anspruch 8, wobei die Steuereinheit den CPU-Kern und den Speicher in den Niederleistungs-Modus versetzt, indem er die Taktgeber für den CPU-Kern und den Speicher deaktiviert, während er weiterhin die Digital-Versorgungsspannung an den CPU-Kern und den Speicher unter Verwendung des zweiten Reglers liefert; und/oder ein Spannungswert der Digital-Versorgungsspannung in dem aktiven Modus gleich einem Spannungswert der Digital-Versorgungsspannung in dem Niederleistungs-Modus ist.
  10. Mikrocontroller nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Energie-Management-Schaltung ferner umfasst: einen dritten (413) Regler, der die externe Versorgungsspannung empfängt und in Reaktion auf die externe Versorgungsspannung eine Hochleistungs-Versorgungsspannung (VDDH) an den Hochspannungs- Leistungsversorgungsbus mit einer dritten Nennleistung liefert, wenn sich der Mikrocontroller in dem aktiven Modus befindet; und einen vierten Regler (414), der die externe Versorgungsspannung empfängt und die Hochleistungs-Versorgungsspannung mit einer vierten Nennleistung, die geringer als die dritte Nennleistung ist, in Reaktion auf die externe Versorgungsspannung liefert, wenn sich der Mikrocontroller in dem Niederleistungs-Modus befindet, wobei die Steuereinheit alle der Mehrzahl von Schaltungen in dem aktiven Modus aktiviert und eine Teilmenge der Mehrzahl von Schaltungen aktiviert, während er die verbleibenden Schaltungen der Mehrzahl von Schaltungen in dem Niederleistungs-Modus inaktiv hält.
  11. Mikrocontroller nach Anspruch 10, wobei die Steuereinheit von dem Niederleistungs-Modus in den aktiven Modus übergeht in Reaktion auf eine Eingabe, die von einer der verbleibenden der Mehrzahl von Schaltungen empfangen wird, während sie sich in dem Niederleistungs-Modus befinden; und/oder wobei ein Spannungswert der Hochleistungs-Versorgungsspannung in dem aktiven Modus gleich einem oder größer als ein Spannungswert der Hochleistungs-Versorgungsspannung in dem Niederleistungs-Modus ist; und/oder wobei ein erster Kondensator einen ersten Anschluss hat, der mit dem Niederspannungs-Leistungsversorgungsbus gekoppelt ist, und einen zweiten Anschluss, der mit Masse gekoppelt ist, ein zweiter Kondensator einen ersten Anschluss hat, der mit dem Hochspannungs-Leistungsversorgungsbus gekoppelt ist, und einen zweiten Anschluss, der mit Masse gekoppelt ist, ein Kapazitätswert des ersten Kondensators größer ist als ein Kapazitätswert des zweiten Kondensators.
  12. Mikrocontroller nach Anspruch 10 oder 11, wobei: die Steuereinheit ferner eine Leistungsversorgungsüberwachung beinhaltet, die ein Steuersignal aktiviert, wenn die Ausgänge des ersten Reglers, des zweiten Reglers, des dritten Reglers und des vierten Reglers innerhalb akzeptabler Bereiche liegen; und die Steuereinheit ferner in Reaktion auf das Steuersignal von dem Niederleistungs-Modus in den aktiven Modus übergeht.
  13. Mikrocontroller nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei: der dritte Regler einen Low-Dropout-Regler umfasst; und der vierte Regler eine geregelte Ladungspumpe umfasst, die die Hochleistungs-Versorgungsspannung unter Verwendung eines entsprechenden Replika-Zweigs (490) liefert.
  14. Mikrocontroller nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei: in Reaktion auf das Erkennen eines Leerlaufereignisses die Steuereinheit ferner einen Übergang des Mikrocontrollers zwischen dem aktiven Modus und einem Leerlaufmodus steuert, wobei in dem Leerlauf-Modus die Steuereinheit den CPU-Kern in einen Ruhe-Modus versetzt, die Leistungsversorgung aller der Mehrzahl von Schaltungen unter Verwendung des ersten Reglers fortsetzt und die Leistungsversorgung des CPU-Kerns und des Speichers unter Verwendung des zweiten Reglers fortsetzt.
  15. Mikrocontroller nach einem der Ansprüche 8 bis 14, wobei die Steuereinheit vom aktiven Modus in den Niederleistungs-Modus in Reaktion auf eine Einstellung eines Niedrigleistungs-Bits (462) in einem Steuerregister (460) übergeht.
  16. Der Mikrocontroller nach einem der Ansprüche 8 bis 15, wobei: der Mikrocontroller ferner einen nichtflüchtigen Flash-Speicher (450) umfasst, der mit dem CPU-Kern, mit dem Niederspannungs-Leistungsversorgungsbus und mit einem Flash-Bus gekoppelt ist; und der erste Regler ferner eine Flash-Versorgungsspannung (VDDH_FLASH) an den Flash-Bus in Reaktion auf die externe Versorgungsspannung liefert, wenn sich der Mikrocontroller in dem aktiven Modus befindet; und/oder der zweite Regler ferner die Flash-Versorgungsspannung an den Flash-Bus in dem Niederleistungs-Modus liefert; und/oder ein Spannungswert der Flash-Versorgungsspannung in dem aktiven Modus größer ist als ein Wert der Flash-Versorgungsspannung in dem Niederleistungs-Modus; und/oder ein dritter Kondensator einen ersten Anschluss hat, der mit dem Flash-Bus gekoppelt ist, und einen zweiten Anschluss, der mit Masse gekoppelt ist.
  17. Mikrocontroller nach Anspruch 11 und 16, wobei ein Kapazitätswert des dritten Kondensators größer als der Kapazitätswert des zweiten Kondensators und/oder kleiner als der Kapazitätswert des ersten Kondensators ist.
  18. Verfahren zum Betreiben einer integrierten Schaltung, das umfasst: in einem aktiven Modus: Erzeugen einer ersten internen Versorgungsspannung (VDDD; VDDH) mit einer ersten Nennspannung auf einem ersten Leistungsversorgungs-Spannungsbus (495; 494) unter Verwendung eines ersten Spannungsreglers (416; 413); und Aktivieren jeder einer ersten Mehrzahl von Schaltungen (441, 442; 430), die mit dem ersten Leistungsversorgungs-Spannungsbus verbunden sind, und in einem Niederleistungs-Modus: Erzeugen der ersten internen Versorgungsspannung mit der ersten Nennspannung auf dem ersten Leistungsversorgungs-Spannungsbus unter Verwendung eines zweiten Spannungsreglers (417; 414), wobei der zweite Spannungsregler eine niedrigere Nennleistung hat als der erste Spannungsregler; und Aktivieren einer Teilmenge der ersten Mehrzahl von Schaltungen, während die verbleibenden Schaltungen der ersten Mehrzahl von Schaltungen inaktiv gehalten werden.
  19. Verfahren nach Anspruch 18, das ferner umfasst: in dem aktiven Modus: Erzeugen einer zweiten internen Versorgungsspannung (VDDD) mit einer zweiten Nennspannung auf einem zweiten Leistungsversorgungs-Spannungsbus (495) unter Verwendung eines dritten Spannungsreglers (416); und Aktivieren jeder einer zweiten Mehrzahl von Schaltungen (441, 442), die mit dem zweiten Leistungsversorgungs-Spannungsbus gekoppelt sind, und in einem Niederleistungs-Modus: Erzeugen der zweiten internen Versorgungsspannung mit der zweiten Nennspannung auf dem zweiten Leistungsversorgungs-Spannungsbus unter Verwendung eines vierten Spannungsreglers (417), wobei der vierte Spannungsregler (417) eine niedrigere Nennleistung als der dritte Spannungsregler (416) aufweist; und Aktivieren einer Teilmenge der zweiten Mehrzahl von Schaltungen, während die verbleibenden Schaltungen der zweiten Mehrzahl von Schaltungen inaktiv gehalten werden.
  20. Das Verfahren nach Anspruch 19 oder 19, wobei: das Aktivieren jeder der ersten Mehrzahl von Schaltungen (441, 442) das Bereitstellen eines jeweiligen Taktgebersignals für jede der ersten Mehrzahl von Schaltungen umfasst; das Aktivieren der Teilmenge der ersten Mehrzahl von Schaltungen das Bereitstellen eines jeweiligen Taktgebersignals für jede der Teilmenge der ersten Mehrzahl von Schaltungen umfasst; und das Inaktivhalten der verbleibenden Schaltungen der ersten Mehrzahl von Schaltungen das Trennen eines Taktgebersignals von den verbleibenden Schaltungen der ersten Mehrzahl von Schaltungen umfasst.
  21. Verfahren nach Anspruch 18, das ferner umfasst: in dem aktiven Modus: Erzeugen einer zweiten internen Versorgungsspannung (VDDD) mit einer zweiten Nennspannung, die niedriger ist als die erste Nennspannung, auf einem zweiten Leistungsversorgungs-Spannungsbus (495) unter Verwendung eines dritten Spannungsreglers (416); und Aktivieren jeder einer zweiten Mehrzahl von Schaltungen, die mit dem ersten Leistungsversorgungs-Spannungsbus gekoppelt sind, und in einem Niederleistungs-Modus: Erzeugen der zweiten internen Versorgungsspannung mit der zweiten Nennspannung auf dem zweiten Leistungsversorgungs-Spannungsbus unter Verwendung eines vierten Spannungsreglers (417), wobei der vierte Spannungsregler eine niedrigere Nennleistung hat als der dritte Spannungsregler; und Aktivieren einer Teilmenge der zweiten Mehrzahl von Schaltungen, während die verbleibenden Schaltungen der zweiten Mehrzahl von Schaltungen inaktiv gehalten werden.
  22. Verfahren zum Betreiben einer integrierten Schaltung, umfassend: Aktivieren einer Niederleistungs-Vorspannungsschaltung (411), eines ersten Hochspannungsreglers (414) und eines ersten Niederspannungsreglers (417), wenn ein Wert einer externen Spannungsversorgung (VDDX) über einen ersten Pegel ansteigt; Erzeugen einer Niederleistungs-Referenzspannung (VBG_LP) unter Verwendung der Niederleistungs-Vorspannungsschaltung; Erzeugen einer ersten internen Versorgungsspannung (VDDH) auf einem ersten Leistungsversorgungs-Spannungsbus (494) unter Verwendung des ersten Hochspannungsreglers in Reaktion auf die Niederleistungs-Referenzspannung und die externe Spannungsversorgung; Aktivieren einer Teilmenge einer ersten Mehrzahl von Schaltungen (530), die mit der ersten Leistungsversorgungs-Spannungsschiene gekoppelt sind, während die verbleibenden Schaltungen der ersten Mehrzahl von Schaltungen inaktiv gehalten werden; Erzeugen einer zweiten internen Versorgungsspannung (VDDD) auf einem zweiten Leistungsversorgungs-Spannungsbus (495) unter Verwendung des ersten Niederspannungsreglers in Reaktion auf die Niederleistungs-Referenzspannung und die externe Versorgungsspannung, wobei ein Wert der zweiten internen Versorgungsspannung niedriger ist als ein Wert der ersten internen Versorgungsspannung; und Aktivieren einer Teilmenge einer zweiten Mehrzahl von Schaltungen (441, 442), die mit dem zweiten Leistungsversorgungs-Spannungsbus verbunden sind, während die verbleibenden Schaltungen der zweiten Mehrzahl von Schaltungen inaktiv gehalten werden.
  23. Verfahren nach Anspruch 22, das ferner umfasst: Aktivieren einer Hochleistungs-Vorspannungsschaltung (412), eines zweiten Hochspannungsreglers (413) und eines zweiten Niederleistungsreglers (416), wenn der Wert der externen Versorgungsspannung über einen zweiten Pegel ansteigt, der größer als der erste Pegel ist; Erzeugen einer Hochleistungs-Referenzspannung (VBG_HP) unter Verwendung der Hochleistungs-Vorspannungsschaltung in Reaktion auf die erste interne Versorgungsspannung; Erzeugen der ersten internen Versorgungsspannung (VDDH) auf dem ersten Leistungsversorgungs-Spannungsbus unter Verwendung des ersten Hochspannungsreglers in Reaktion auf die Hochleistungs-Referenzspannung und die externe Versorgungsspannung; Aktivieren der verbleibenden der ersten Mehrzahl von Schaltungen; Erzeugen der zweiten internen Versorgungsspannung (VDDD) unter Verwendung des zweiten Niederspannungsreglers, der eine höhere Nennleistung als eine Nennleistung des ersten Niederspannungsreglers aufweist, in Reaktion auf die Hochleistungs-Referenzspannung und die externe Versorgungsspannung; und Aktivieren der verbleibenden Schaltungen der zweiten Mehrzahl von Schaltungen.
  24. Verfahren nach Anspruch 23, das ferner umfasst: Erkennen eines Niederleistungs-Ereignisses, und in Reaktion auf das Erkennen des Niederleistungs-Ereignisses: Deaktivieren der verbleibenden Schaltungen der ersten Mehrzahl von Schaltungen; Deaktivieren der verbleibenden Schaltungen der zweiten Mehrzahl von Schaltungen; Aktivieren des ersten Hochspannungsreglers (414); Aktivieren des ersten Niederspannungsreglers (417); Deaktivieren des zweiten Hochspannungsreglers; Deaktivieren des zweiten Niederspannungsreglers; und Eintreten in einen Niederleistungs-Modus.
  25. Verfahren nach Anspruch 24, wobei das Erkennen des Niederleistungs-Ereignisses umfasst: Erkennen einer Aktivierung eines Niederleistungs-Bits (462) in einem Steuerregister (460).
  26. Das Verfahren nach Anspruch 24 oder 25, das ferner umfasst: Detektieren eines Aufwachereignisses, und in Reaktion auf das Erkennen des Aufwachereignisses: Aktivieren des zweiten Hochspannungsreglers; Aktivieren des zweiten Niederspannungsreglers; Deaktivieren des ersten Hochspannungsreglers (414); Deaktivieren des ersten Niederspannungsreglers (417); Aktivieren der verbleibenden Schaltungen der ersten Mehrzahl von Schaltungen; Aktivieren der verbleibenden Schaltungen der ersten Mehrzahl von Schaltungen; und Eintreten in einen aktiven Modus.
  27. Verfahren nach Anspruch 26, wobei das Erkennen des Aufwachereignisses umfasst: Erkennen einer Aktivierung eines Signals durch die Teilmenge einer ersten Mehrzahl von Schaltungen.
  28. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 27 mit Rückbezug auf Anspruch 22, das ferner umfasst: Erkennen eines Leerlaufereignisses, und in Reaktion auf das Erkennen des Leerlaufereignisses: Versetzen eines Kerns der Zentralverarbeitungseinheit (CPU) in einen Ruhe-Modus; Fortsetzen der Stromversorgung aller der ersten Mehrzahl von Schaltungen unter Verwendung des ersten Hochspannungsreglers; Fortsetzen der Stromversorgung aller der zweiten Mehrzahl von Schaltungen unter Verwendung des ersten Niederspannungsreglers; und Eintreten in einen Leerlauf-Modus.
  29. Verfahren nach Anspruch 28, das ferner umfasst: in Reaktion auf das Erkennen des Leerlaufereignisses, aber vor dem Eintritt in den Leerlauf-Modus: Aktivieren eines dritten Hochspannungsreglers mit einem Replika-Zweig zu einer mit einem Flash-Speicher (450) gekoppelten Flash-Leistungsversorgungs-Spannungsbus; und Deaktivieren eines vierten Hochspannungsreglers, der mit dem Flash-Leistungsversorgungs-Spannungsbus gekoppelt ist.
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11487343B2 (en) * 2020-05-26 2022-11-01 Winbond Electronics Corp. Semiconductor storing apparatus and flash memory operation method
US11949377B2 (en) * 2022-05-20 2024-04-02 Microchip Technology Incorporated Modifiable oscillator circuit for operating modes

Family Cites Families (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7343504B2 (en) * 2004-06-30 2008-03-11 Silicon Labs Cp, Inc. Micro controller unit (MCU) with RTC
US8065545B2 (en) * 2007-05-03 2011-11-22 Microchip Technology Incorporated Interrupt/wake-up of an electronic device in a low power sleep mode when detecting a sensor or frequency source activated frequency change
US8598854B2 (en) * 2009-10-20 2013-12-03 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. LDO regulators for integrated applications
US8225123B2 (en) * 2010-05-26 2012-07-17 Freescale Semiconductor, Inc. Method and system for integrated circuit power supply management
US20120161746A1 (en) * 2010-12-22 2012-06-28 Atmel Corporation Low-power operation for devices with circuitry for providing reference or regulated voltages
US9009517B2 (en) * 2011-11-16 2015-04-14 Infineon Technologies Ag Embedded voltage regulator trace
US9252774B2 (en) * 2013-05-27 2016-02-02 Freescale Semiconductor, Inc. Integrated circuit wake-up control system
KR102138936B1 (ko) * 2013-11-11 2020-07-28 삼성전자주식회사 전력 공급 장치 및 그것을 이용한 전력 공급 방법
US9329611B2 (en) * 2013-12-02 2016-05-03 Nxp B.V. Power control
US9395797B2 (en) * 2014-07-02 2016-07-19 Freescale Semiconductor, Inc. Microcontroller with multiple power modes
DE102015104654B3 (de) * 2014-10-20 2016-02-04 Fujitsu Technology Solutions Intellectual Property Gmbh Energieversorgungsanordnung und deren Verwendung
US10539997B2 (en) * 2016-09-02 2020-01-21 Qualcomm Incorporated Ultra-low-power design memory power reduction scheme
US11068018B2 (en) * 2016-10-25 2021-07-20 Dolphin Design System and method for power management of a computing system with a plurality of islands
US10254823B2 (en) * 2017-03-28 2019-04-09 Qualcomm Incorporated Power management using duty cycles
US10248558B2 (en) * 2017-08-29 2019-04-02 Qualcomm Incorporated Memory leakage power savings
US10754414B2 (en) * 2017-09-12 2020-08-25 Ambiq Micro, Inc. Very low power microcontroller system
US10707753B2 (en) * 2017-09-19 2020-07-07 Qualcomm Incorporated Power regulation with charge pumps
US10664006B2 (en) * 2018-01-11 2020-05-26 Qualcomm Incorporated Method and apparatus for automatic switch to retention mode based on architectural clock gating
CN109196783B (zh) * 2018-04-12 2020-04-24 深圳市汇顶科技股份有限公司 具有低电压开关的多模式可配置的收发器及其配置方法
US11112849B2 (en) * 2018-10-26 2021-09-07 Silicon Laboratories Inc. Method and apparatus for selectable high performance or low power processor system
WO2020231014A1 (en) * 2019-05-16 2020-11-19 Samsung Electronics Co., Ltd. Electronic device for performing power management and method for operating the same

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