功率控制与切换电轨分析电路、电源连接电轨的控制方法

摘要

本发明涉及功率控制与切换电轨分析电路、电源连接电轨的控制方法，该功率控制电路用于控制具有源电压电平的电源至切换电轨的连接，以提供电力至相关电路块。所述功率控制电路包含开关块，用于选择性地连接所述切换电轨至所述电源；及开关控制器，用于控制所述开关块的操作。环式振荡器电路由所述切换电轨供电且产生振荡输出信号，且分析电路接着用以分析在当所述切换电轨不在源电压电平处的时间周期期间内由环式振荡器电路所产生的振荡输出信号的频率改变。所述开关控制器接着配置以根据所述分析来控制所述开关块的至少一个操作方面。本发明提供一种用于观察切换电轨上的电压改变的简单及有效的数字技术。

说明书

技术领域

本发明涉及功率控制电路、芯片上切换电轨分析电路，以及电源连 接至芯片上切换电轨的控制方法。

背景技术

提供包括经由开关块连接至切换电轨(power rail)的电轨的电路 已为人已知。电路块则可配置以从切换电轨汲取其电力。开关块可提供 作为标头(header)开关块，用于连接供应电压轨至切换供应电压轨；或 可为标尾(footer)开关块，用于连接接地电压轨与切换接地电压轨。确 实，一些电路可包括标头开关块及标尾开关块两者。开关块典型地使用 高阈值晶体管构成，且可用来将切换电轨与主电轨隔离，且因此将相关 电路块与电源隔离。这在减少电路内的功率消耗方面有用，例如通过减 少通过其的静态泄漏电流。

各种开关块的操作典型地受开关控制器控制，且所述开关控制器典 型地将控制具有关于开关块的预期特征的开关块的操作，例如预期开启 时间、关闭时间等等。然而，开关块的实际特征将取决于制造中的工艺 变动、局部温度、供应电压中的变动等等。若开关块的实际特征可原处 (in situ)决定，其将能够更有效率地管理开关块的操作，可允许更 快速的开启及关闭特征、较少功率消耗等等。

然而，为决定开关块的实际特征，有用的是观察出现在切换电轨上 的模拟电压的一个或多个性质，但难以以不侵入的方式进行这种模拟电 压测量。模拟电压测量典型地需要暴露切换电轨于芯片外，接着加上电 容负载且其本身影响开启特征。另一可能性将是寻求以发展用于布署在 芯片上的混合信号模拟至数字转换器，但这种直接存取技术可能倾向于 比间接方法更危及测量。

除了使用开关块来连接切换电轨至电源以使得相关电路块正常操 作，或当电路块被关闭时将切换电轨从电源解耦合以减少功率消耗外， 开关控制器亦可以更复杂的方式控制开关块来实现操作的其它模式。例 如，共同受让待审中的美国专利申请案第11/797,497号，其全数内容通 过引用并入本文，描述了将状态保持模态用于电路块，其中开关控制器 通过开关块调制导通以将所述切换电轨维持在中间电压电平处。为了改 进这种机构的效率，有利地将易于在特定时间点处决定关于切换电轨上 的模拟电压的信息，因为那将会协助执行所需调制。

因此，需要提供一种用于观察切换电轨的简单、有效的机构，以使 用耦合在电源及切换电轨间的开关块来改进功率控制。

发明内容

从第一方面看，本发明提供功率控制电路，用于控制具有源电压电 平的电源至用以向相关电路块提供电力的切换电轨的连接，所述功率控 制电路包含：开关块，其用于选择性地连接所述切换电轨至所述电源； 开关控制器，其用于控制所述开关块的操作；环式振荡器电路，其由所 述切换电轨供电且产生振荡输出信号；以及分析电路，其用于分析当所 述切换电轨不在源电压电平的时间周期期间内由环式振荡器电路产生 的振荡输出信号的频率的改变，以及使得所述开关控制器根据所述分析 控制所述开关块的至少一个操作方面。

根据本发明提供环式振荡器电路，其配置成由所述切换电轨供电。 环式振荡器电路为已知数字电路，其可由标准单元组件形成且已在现存 电路中用于各种目的。例如，可将环式振荡器用于电压/工艺/温度及一 般硅特征的稳态分析。确实，ARM公司已赞助由T.Burd于1990年代中期 在美国加州柏克莱大学的研究工作，其使用ARM810微处理器核，电压及 频率定标围绕着此环式振荡器方法被控制，参考例如2002年由Kluwer Academic Press出版、第7.5.1段及第7.20图中所明确指出的由TD Burd 等人的“能量效率微处理器设计”。

这种环式振荡器典型地仅在它们被供应正常操作电压的正常操作 模式期间使用。然而，根据本发明，环式振荡器电路被配置以在当切换 电轨未在源电压电平时的时间周期期间内产生振荡输出信号，如在开启 操作、关闭操作、当实施先前所提操作的状态保持模式期间等等时的情 况。分析电路接着用以分析环式振荡器电路所产生的振荡输出信号的频 率的改变。因为环式振荡器电路由切换电轨供电，频率的这种改变将取 决于切换电轨上的电压且因此分析电路可通过分析振荡输出信号的频 率，来推理关于在任何特定时间点处的切换电轨的状态信息。因此，通 过所述分析可决定可用以控制开关块的至少一个操作方面的信息。

然而在一具体实施例中，振荡输出信号的绝对频率由分析电路决 定，例如参考系统时钟信号，在一替代具体实施例中，振荡输出信号的 相对频率可通过与附加环式振荡器电路比较来决定。尤其，在一具体实 施例中，功率控制电路更包含：附加环式振荡器电路，其由所述电源供 电且产生附加振荡输出信号；所述分析电路通过比较振荡输出信号的频 率与附加振荡输出信号的频率来执行所述分析，且根据所述比较控制所 述开关块的至少一个操作方面。以这种方式使用附加环式振荡器电路可 自动地补偿工艺及温度变动。

同时环式振荡器电路可配置以在特定供应电压的不同速率处操作， 在一具体实施例中，所述附加环式振荡器电路及所述环式振荡器电路具 有相同的构造。这进一步改进了在执行分析时的工艺和/或温度变动的 容差。

在一具体实施例中，所述开关块为标头块，所述电源为供应电压轨 且所述切换电轨为切换供应电压轨。在一替代具体实施例中，所述开关 块为标尾块，所述电源为接地电压轨且所述切换电轨为切换接地电压 轨。在一些具体实施例中，可使用多个开关块，且确实一些开关块可为 标头开关块而其它开关块为标尾开关块。

在一具体实施例中，所述环式振荡器电路经由启动信号门控，在切 换电轨上的电压处于源电压电平，相关电路块正常操作期间，环式振荡 器电路被停用以减少功率消耗。因为在切换电轨不在源电压电平处的时 间周期期间内环式振荡器电路被提供用于分析的目的，故有利的是在正 常操作期间关闭那个环式振荡器电路以减少功率消耗，且通过提供门控 环式振荡器电路这可以很容易实现。

此外，可能即使在切换电轨未在源电压电平处的时间周期期间，所 述环式振荡器电路亦无须永久地启动，相反所述环式振荡器电路仅在所 述时间期间周期性启动即足够，这造成进一步的功率消耗减少。

有一些使用本发明的具体实施例的环式振荡器电路及相关分析电 路可协助控制开关块的状况。在一具体实施例中，当开启开关块的至少 部分以开始将切换电压轨上的电压拉至源电压电平时，分析电路分析振 荡输出信号的频率的改变，以导出表示所述切换电压轨的至少一个模拟 电压性质的信息。

所述至少一个模拟电压性质可采取各种形式，且因此例如可为电压 电平本身，或者可识别电压随时间改变的速率。虽然使用此具体实施例， 环式振荡器电路在电压稳定前的初始启动，通过来自环式振荡器电路的 振荡输出信号的频率特性，提供这种模拟电压性质的间接测量，且此可 藉由分析电路分析以产生用以控制开关块的操作的信息。

开关块受取决于由分析电路所产生的信息控制的方式可采取各种 形式。例如，通常开关块由多个开关块部分组成且那些开关块部分在开 启操作期间可依序开启。所使用的特定序列可取决于从分析电路导出的 信息来控制。藉由一特定实例说明，在开启阶段期间来自环式振荡器电 路的输出频率的改变可用来决定切换电压轨上电压改变的速率，且其可 用以控制如何使用多个开关块部分以便维持切换电压轨的改变所需的 速率。

至于另一实例，在一个具体实施例中，所述开关块包含多个开关块 部分，该多个开关块部分包括至少一个起动器开关块部分和至少一个主 开关块部分，且基于由分析电路执行的分析来控制的开关块的至少一个 操作方面，是关于何时开启所述至少一个主开关块部分的决定。一旦所 述主开关块部分已被开启，所述切换电轨被决定为处于相关电路块的所 需操作电压，并因此可开始相关电路块的正常操作。

然而，环式振荡器电路及相关分析电路的使用不限于其中开关块被 开启的状况。在一个具体实施例中，当关闭所述开关块的至少一部分以 将切换电压轨上的电压与源电压电平解耦合时，分析电路分析振荡输出 信号的频率的改变，以导出表示所述切换电压轨的至少一个模拟电压性 质的信息。因此，根据此具体实施例，分析电路可在切换电轨的崩溃时 间期间执行分析。可将此信息用作许多目的。例如，在一个具体实施例 中，当接着开启开关块以开始将切换电压轨上的电压拉至源电压电平 时，所述信息被用于影响由开关控制器使用的开启操作。例如，取决于 在关闭周期期间切换电压轨上的模拟电压已如何快速地改变，或当开关 块顺序开启时达到的实际模拟电压，开启程序可随着改进与在开启程序 要起动时与切换电压轨的模拟电压性质有关的开启程序的效率的目的 而变化。这可允许比其它情况更快速地回至全功率开启状态。

除了使用由分析电路执行的分析以控制开关块的至少一个操作方 面以外，亦可将所述分析用作其它目的。例如，在一个具体实施例中， 由分析电路执行的分析还提供指示开关块的开启特征的诊断数据。例 如，可随时间决定开关块越来越费时地将切换电压轨上的电压拉至源电 压电平，且此可指示开关块的一个或多个组件的磨损。

除了在开启及关闭程序期间使用本发明的具体实施例的环式振荡 器电路及相关分析电路以外，当执行需要使用开关块的其它操作，例如 先前所提操作的状态保持模式时，可附加或替代地使用所述相同电路。 尤其是，在个一具体实施例中，所述切换控制器通过所述开关块调制导 通以将所述切换电轨维持在中间电压电平，所述分析电路分析所述振荡 输出信号及所述附加振荡输出信号间的频率的差异，以导出指示所述切 换电压轨的至少一个模拟电压性质的信息，且将所述信息输入所述开关 控制器作为反馈信号，以调整所述调制从而将所述中间电压维持在预定 电压范围内。

在一个具体实施例中，所述开关控制器根据反馈信号控制调制的占 空比，以将中间电压维持在所述电压预定范围内。这种具体实施例允许 横跨可能经受明显工艺、电压及温度变动的电路范围的调制的自适应控 制。

在一具体实施例中，反馈信号用以维持中间电压，其具有导致中间 电压的周期性变动的迟滞现象，例如当横跨相关电路块的电压差太低时 通过将开关块切换至导通状态，且当横跨相关电路块的电压差太高时通 过将开关块切换至非导通状态，其中这些触发电平被隔开。

在一个具体实施例中，附加环式振荡器电路及环式振荡器电路系相 同构造，所述功率控制电路还包含除法器电路，用于在频率的差异由分 析电路决定前，修改由环式振荡器电路产生的振荡输出信号。通过将由 环式振荡器电路产生的振荡输出信号进行除法以实际上减少频率，这便 于更精确地侦测到两环式振荡器电路的输出间的频率差异的改变。

在一个具体实施例中，来自所述环式振荡器电路对的输出可在正常 操作期间附加地使用以提供附加诊断信息。例如，在一个具体实施例中， 在相关电路块的正常操作期间，切换电轨上的电压由于横跨所述开关块 的电压降而与源电压电平不同，且分析电路持续比较振荡输出信号的频 率与附加振荡输出信号的频率，以导出指示所述电压降的信息。此信息 可用于诊断目的，例如在测试硅阶段以识别横跨开关块的电压降。此外， 例如若电压降变成大于可接受电平时通过减少操作频率，可用于生产硅 以影响电路操作。

同时本发明的具体实施例的技术可用以针对各种不同目的提供中 间电压电平，例如用于相关电路块在处理期间提供动态电压定标操作， 以将相关电路块的供应电压与所需时钟频率匹配，当相关电路块为静态 时本技术亦可用于数据保持的良好效应。根据此技术，可认为当静态时 所述相关电路块可使用低于当所述电路块用于执行其预期处理动作时 可接受的横跨电路块的电压差，来保持状态信号值。这通过使用开关控 制器以调制通过所述开关块的导通以将切换电轨电压维持在足以保持 状态信号值，但低于正常操作电压的电平处，其以与当使用正常操作电 压时若静态的其功率消耗相比减少用于电路块的功率消耗的方式。因 此，可减少静态功率消耗(泄漏)而无须使用附加气球锁存器，且转变回 至启用的处理可通过在切换电轨的电压相当快速增加回至能支持启用 处理后再起动所述时钟的值来进行。

同时所述环式振荡器及相关分析电路可用于控制开关块的至少一 个操作方面，来自分析电路的输出亦可用于其它目的。因此，从第二方 面看，本发明提供用以分析切换电轨的电路，所述切换电轨用以提供电 力至相关电路块，所述切换电轨可连接至具有源电压电平的电源，所述 电路包含：开关块，用于选择性地连接所述切换电轨至所述电源；开关 控制器，用于控制所述开关块的操作；环式振荡器电路，由所述切换电 轨供电且产生振荡输出信号；及分析电路，用于分析在当切换电轨不在 源电压电平的时间周期的期间内由环式振荡器电路所产生的振荡输出 信号的频率的改变，以产生特征化所述切换电轨的至少一个模拟电压性 质的信息。在此具体实施例中，分析电路可设置在芯片上或芯片外。分 析所产生的信息例如可用作实施验证，或用于分析功率开关电路的老化 特征(开启特征可能因开关经受长期使用的一些形式的磨损而恶化)。

从第三方面看，本发明提供一种连接具有源电压电平的电源至用以 提供电力至相关电路块的切换电轨的控制方法，所述方法包含以下步 骤：经由开关块选择性地连接所述切换电轨至所述电源；从所述切换电 轨操作环式振荡器电路以产生振荡输出信号；分析当切换电轨不在源电 压电平的时间周期期间内由所述环式振荡器电路产生的振荡输出信号 的频率改变；以及根据所述分析控制所述开关块的至少一个操作方面。

从第四方面看，本发明提供功率控制逻辑，用于控制具有源电压电 平的电源装置至用以提供电力至相关电路块装置的切换电轨装置的连 接，所述功率控制逻辑包含：开关块装置，用于选择性地连接所述切换 电轨装置至电源装置；开关控制器装置，用于控制所述开关块装置的操 作；环式振荡器装置，由所述切换电轨装置供电，用于产生振荡输出信 号；及分析装置，用于分析在当切换电轨装置不在源电压电平处的时间 周期期间内由环式振荡器装置产生的振荡输出信号的频率的改变，且造 成开关控制器装置根据所述分析控制所述开关块装置的至少一个操作 方面。

附图说明

本发明将参考如附图中说明的其具体实施例仅通过举例进一步描 述，其中：

图1概要地说明根据本发明的一个具体实施例的集成电路；

图2更详细地说明可用于分析来自根据图1的一具体实施例的诊断 环式振荡器的输出的组件；

图3说明根据本发明的一个具体实施例来自图1的具体实施例的诊 断环式振荡器的振荡输出信号的频率如何随切换电轨上的电压变化；

图4为一说明根据本发明的一个具体实施例使用图1的电路所执行 的分析操作的流程图；

图5为一概要地说明根据本发明的一个具体实施例由图1的电平分 析电路所执行的分析的时序图；

图6概要地说明一根据本发明的第二具体实施例的集成电路；

图7概要地说明根据本发明的一个具体实施例用以在图6的两个环 式振荡器的输出间执行差分分析的组件；

图8为一说明可使用图6的电路执行的反馈控制过程的流程图，以根 据本发明的一个具体实施例调制主电轨至切换电轨的连接；

图9是一说明根据本发明的一个具体实施例由图6的差分分析电路 所执行的分析的时序图；

图10为一概要地说明来自门控环式振荡器的输出信号的频率如何 随用于慢、典型且快电路的操作电压变化的图表；

图11是一说明由图6的差分分析电路产生的差分计数值如何在一用 于慢、典型且快电路的特定具体实施例中变化的图表；

图12概要地说明一使用主电轨、虚拟电轨、标头开关及标尾开关的 集成电路，连同调制在主电轨及虚拟电轨间的连接；

图13是一概要地说明用于调制主供应轨及虚拟供应轨间的连接的 标头开关及开关控制器的实例具体实施例的电路框图；

图14为一概要地说明作为图13中所示的变化的第二具体实施例的 电路方框图；

图15是一说明随着图13的实例具体实施例中的时间变化的电压电 平信号图；以及

图16为一概要地说明可用于执行主电轨至虚拟电轨的连接的调制 的反馈控制的流程图。

具体实施方式

图1说明根据本发明的一个具体实施例的集成电路100。集成电路 100具有电路125，用于执行由所述集成电路所需的数据处理操作，其中 电路125连接至接地轨(ground rail)115并从切换电轨110接收其供应 电压。切换电轨110通过开关块120耦合至主供应电压轨105，所述开关 块120的操作由功率切换控制器130控制。

开关块120可由多个分离的开关块部分构成，其可在开启序列期间 独立地启动。在一个特定具体实施例中，开关块120包括起动器开关块 122，其本身可由多个开关块部分组成，起动器开关块122能够在开启过 程的初始阶段期间启动以将切换电轨110上的电压拉向主电轨105上的 供应电压。一旦切换电轨110上的电压已达到预定电平，主开关块124接 着开启以协助将切换电轨110上的电压向上拉至全操作电压电平，随后 可将时钟信号提供至电路125且可开始电路125的正常操作。

如图1中所示，功率切换控制器130包括起动器开关块控制器135， 用于发出启动信号至起动器开关块122。在起动器开关块122包括多个分 离的起动器开关块部分的状况下，起动器开关块控制器可将启动信号的 序列发出至相关起动器开关块部分，以在开启序列期间选择性地开启个 别开关块部分。同样地，主开关块控制器140被提供用于向主开关块124 供应启动信号。

根据本发明的第一具体实施例，提供诊断环式振荡器165，其从切 换电轨110取得其电力。振荡器启动电路170设置在功率切换控制器130 内，用于提供启动信号至诊断环式振荡器165，所述诊断环式振荡器为 门控环式振荡器从而其无须在电路125启用时永久开启。

如下文中将详述，当开始开启序列以开启开关块120并将切换电轨 110升高至主电轨105的供应电压时，振荡器启动电路170启动诊断环式 振荡器165，其接着开始输出振荡输出信号。所述振荡输出信号通过移 位器145，移位器145将切换电轨域中的电压电平转换成为可应用于功率 切换控制器130的永久供电域的电压电平，功率切换控制器130由横跨主 电轨105及接地轨115连接而永久地供电。电平分析电路150接着分析振 荡输出信号的频率的改变，振荡输出信号的频率在开启过程期间随着切 换电轨110上的电压增加。结果，振荡输出信号直接传输识别标志，该 识别标志传送切换电轨110的上升时间及实际电压电平两者，且电平分 析电路150可因此通过振荡输出信号的频率改变的分析决定有关切换电 轨110上的电压的信息。

根据图1中所说明的具体实施例，一旦所述频率达到某一电平，电 平分析电路150将向主开关块控制器140发出控制信号，以造成主开关块 控制器开启主开关块124来完成开启过程。此时，控制信号亦可用作振 荡器启动电路170的输入，以造成诊断环式振荡器停用，因为来自诊断 环式振荡器的输出不再需要被分析。

视需要，当开关块120被关闭以将切换电轨110与主电轨105解耦合 时，诊断环式振荡器165

亦可在关闭周期期间开启。在此期间，切换电轨110上的电压将会 朝地(ground)下降，且电平分析电路150可通过振荡输出信号的分析 决定切换电轨110上的下降速率及实际电压电平。之后当需要将切换电 轨110再连接至主电轨105以再开启电路125时，其可用以影响开启程序。 尤其，取决于当需要执行开启序列时切换电轨110所在的电压电平，其 可影响开启程序如何执行以最有效率地将切换电轨110升高回至主电轨 105的电压。例如，若切换电轨110上的电压并未下降太多，则可能仅需 要再开启主开关块124而无须使用起动器开关块122。替代地，可能仍需 要起动器开关块122，但组件起动器开关块部分开启所用的实际序列可 变化。

除了由电平分析电路150所执行的芯片上分析以外，可基于振荡输 出信号执行一些芯片外分析，例如用于诊断目的。如图1中的点线所示， 振荡输出信号可经由移位器145路由至接点160，致使信号被传递至芯片 外。通常信号的频率可能太高而不能经由接点160传递离开芯片，且在 所述情况下可在信号被传递离开芯片前将计数器/除法器电路155用于 有效率地减少其频率。这样的过程可启动诊断波形传输用于高速波形采 集或频率扫描分析(分别用于后续分析或实时测量)。

图2为一图表，概要地说明可用于分析来自诊断环式振荡器165的输 出的芯片上及芯片外的机构。诊断环式振荡器包括一系列反相器210、 215、220、225，连同接收来自最后反相器225的输出及由振荡器启动电 路170提供的启动信号两者的NAND门205。一旦启动，诊断环式振荡器将 会产生振荡输出信号，其频率随着切换电轨110上的电压变化，如图3中 概要地显示，其中波形260代表当切换电轨上的电压随着时间增加时， 可由诊断环式振荡器输出的振荡输出信号。

一旦振荡输出信号已通过移位器145，其可经由接点160直接路由至 芯片外，或者替代地经由计数器/除法器电路155路由以产生较低频率的 经相除的输出信号。专用接点160可提供用于在芯片外取得此信号，或 者替代地所述接点可与用于另一目的的现存接点共享。在此后一情况 下，复用器245可提供用以将正常功能输出路由以传递至接点160(其例 如可为由芯片上迹线(trace)模块产生的迹线输出)，或者替代地自诊 断环式振荡器输出振荡输出信号。

亦在图2中显示，图1的电平分析电路150在一具体实施例中可包括 同步器235及脉冲宽度鉴别器电路240。这两组件的操作将由图5的时序 图概要地说明。如可自环式振荡器信号中见到，环式振荡器输出的频率 在开启周期期间随着时间增加。环式振荡器输出信号在同步器235中经 受三个同步取样步骤。同步器接着产生上升边缘侦测信号，其当同步2 (sync 2)信号为高且同步3(sync 3)信号为非高时被设定成高，即 对于每一环式振荡器输出信号的上升边缘其被设定成高达到一时钟周 期。

脉冲宽度鉴别器240维持时隙(slot)计数，其计算在上升边缘侦 测信号间经过的时钟周期的数目。当上升边缘侦测信号变高时，其用以 再初始化在下一时钟周期中的时隙计数，且亦用以在下一时钟周期期间 将目前时隙计数值取样进入周期寄存器。因此，如从图5所说明的实例 可见，周期寄存器将其内容从十二改变，接着至九，而后至六。

频率鉴别接着通过将周期寄存器的内容与预定值比较而在脉冲宽 度鉴别器240内执行，该预定值在图5的实例中为八。一旦周期寄存器中 的该值下降至预定值下，控制信号被设定成高(在图5中此被显示为“少 于8”(“less_than_eight”)信号)，且此控制信号被输出至主开关 块控制器140及振荡器启动电路170。当所述控制信号变高时，主开关块 控制器140开启主开关块124，且振荡器启动电路170停用诊断环式振荡 器165。

图4为一流程图，说明了根据本发明的一个具体实施例执行以使用 图1的电路控制功率切换的步骤。在步骤300处，起动器开关块由自控制 器135发出的启动信号来启动，且在步骤305处诊断环式振荡器165由振 荡器启动电路170发出的启动信号来启动。应了解虽然步骤300与305已 按顺序显示，但是这些步骤可并行地执行。

在步骤310处，由环式振荡器输出的波形使用先前参考图5讨论的方 法取样，随后在步骤315处决定波形的周期是否少于取样时钟周期的预 定数目(在图5的实例中所述预定数目为八)。若否，处理回至步骤310， 在这里持续取样波形且步骤315的比较被再执行。

一旦在步骤315处决定了波形的周期少于取样时钟周期的预定数 目，则在步骤320处所述主开关块由自控制器140发出一启动信号来启 动，且在步骤325处环式振荡器165由解判定(de-assert)来自振荡器 启动电路170的启动信号而停用。步骤320及325在一个具体实施例中被 并行地执行。

通常起动器开关块将由多个开关块部分组成，这些开关块部分在开 启操作期间依序开启。除了或取代如以上参考图4所讨论的使用由环式 振荡器输出的波形以决定何时启动主开关块，波形输出可用以控制如何 使用起动器开关块的单个开关块部分。

例如，在使用起动器开关块的开启操作期间，环式振荡器的频率的 改变可用于追踪切换电轨上的电压上升的速率，即通过振荡器输出的频 率的改变追踪dV/dt，且接着控制起动器开关块的单个开关块部分的使 用，以致切换电轨的电压的变化率如所需地维持。

例如，考虑先前所提的图3，若时点窗T1中的电压的变化率反映在 振荡器的频率的改变(其大于预期的频率改变)，则当侦测到所述条件 时，校正控制可进行以通过减少启动的开关块部分的数目，来减少切换 电轨的电压的上升速率(其导致如周期T2中所示的电压变化率的减少)。

亦可相反地应用以致切换电轨的电压中的不佳上升可通过增加开 启的开关块部分的数目来补偿。

虽然以上已讨论了关于将所述主电源供应轨105耦合至切换电轨 110的标头开关块的具体实施例，但是相同技术亦可应用于与一经由切 换接地轨耦合电路125至接地轨115的标尾开关块的连接。

图6说明了一根据本发明的替代具体实施例的集成电路，其中与参 考系统时钟信号决定振荡输出信号的绝对频率不同的是，所述振荡输出 信号的相对频率通过与附加诊断环式振荡器电路比较来决定。尤其，如 图6中所示，提供了由主电轨105供电的第二诊断环式振荡器400。在此 具体实施例中，诊断环式振荡器400被视为功率切换控制器130的部分， 但其亦可被视为所述功率切换控制器的分离组件。环式振荡器启动电路 被提供用于向环式振荡器165、400两者供应启动信号，其中开关块控制 器410接着用以提供启动信号至开关块120。如使用图1的实例，开关块 120实际上可由起动器开关块和主开关块组成，在所述情况下开关块控 制器410将会具有用于分离开关块的分离控制器。然而，在图6的具体实 施例中，与开关块120的构造细节无关。

根据图6的实例，图1的电平分析电路用差分分析电路405取代，该 差分分析电路接收来自第二环式振荡器400的振荡输出信号及由移位器 145修改的来自诊断环式振荡器165的振荡输出信号两者。

根据图6所示的具体实施例，功率切换控制器130支持操作的状态保 持模式，其中开关控制器130通过开关块120调制导通以将切换电轨维持 在预定电压范围内的中间电压电平处。这使得电路125在其需要执行预 期处理动作时，使用比电路125的正常操作模式期间可接受的更低的电 压差来保持状态信号值。这使得静态功率消耗(泄漏)可减少而无须使用 附加气球锁存器(balloon latch)，且当后续需要重新开始电路125内 的处理时亦能相当快速地回至启用处理状态，因为中间电压电平将会处 于比电路已被完全关闭时更高的电压电平。

因为来自第二诊断环式振荡器400的振荡输出信号的频率是主电压 轨105上的电压的指示，且来自第一环式振荡器165的振荡输出信号的频 率是切换电轨110上的电压的指示，差分分析电路405可监视主电轨105 及切换电轨110间的电压差并根据所述分析控制所述调制。将参考图7详 述讨论该过程。

如图7中所示，一个具体实施例的第二环式振荡器400以与第一环式 振荡器165相同的方式构造，且因此包括四个反相器465、470、475、480， 连同被配置以接收来自最后反相器480的输出以及来自环式振荡器启动 电路415的启动信号的NAND门460。当进入状态保持模式时，两环式振荡 器被启动且开始输出它们各自的振荡输出信号。图6中的差分分析电路 405在图7的具体实施例中由四个组件组成，即计数器/预定标器450、同 步器455、同步累加器485及脉冲密度鉴别器490。这些特定组件的操作 由图9的时序图概要地说明。来自第二环式振荡器400的振荡输出信号提 供图9的第一行中所示的环式振荡器参考信号，而来自第一环式振荡器 165由移位器145修改的输出提供图9的第二行中所示的可变环式振荡器 信号。计数器/预定标器450对来自第一环式振荡器165的输出进行除法 从而能在两振荡输出信号间进行更精确地比较。在图9的实例中，计数 器/预定标器执行除以四的功能，虽然实际上它可能适合执行诸如除以 十六的较大除法。如图5的先前实例，振荡信号接着在同步器455内经受 三个同步化阶段，以将来自第一环式振荡器165的已进行除法的输出与 由第二环式振荡器400产生的参考振荡信号的上升边缘同步化。上升边 缘侦测信号接着以与参考图5讨论的相同方式产生，即在第二同步信号 为高且第三同步信号为低的同时，设定一个时钟周期。此信号接着输出 至同步累加器485，其维持识别在上升边缘侦测信号间已经过的参考周 期的数目的时隙计数。上升边缘侦测信号当设定时被用以再初始化下一 频率周期中的时隙计数，且亦用以在下一时钟周期中将时隙计数值取样 进入周期寄存器。周期寄存器的内容接着从同步累加器485输出至脉冲 密度鉴别器490成为差分计数值。

在一典型具体实施例中，所述脉冲密度鉴别器将维持两个预定值， 即一最大计数值及一最小计数值。在图9中所说明的实例中，最大计数 值为四，且当周期值超过所述最大计数值时，设定了控制信号，其经路 由至开关块控制器410以造成开关块120被开启。这将造成切换电轨110 上的电压上升且相应地环式振荡器165的频率增加。结果，周期值随着 时间将再次开始减少且当所述值变成小于最小计数值时，控制信号将重 设以造成开关块控制器410解判定至开关块的启动信号，且因而关闭开 关块120。该过程可持续整个状态保持模式以调制至开关块的启动信号， 以便将切换电轨110维持在预定范围内的中间电压处。

图8为一更详细地说明操作的状态保持模式的流程图。在步骤500 处，过程开始，随后在步骤505处进入目标电路125的状态保持模式。在 步骤510处，对于目标电路的时钟停止，且在步骤515处两环式振荡器 165、400由自环式振荡器启动电路415发出的启动信号来启动。在步骤 520处，开关块120接着停用，即通过解判定来自开关块控制器410的启 动信号而置于非导通状态。

随后，在步骤525处，来自两环式振荡器的输出被比较以产生先前 讨论的差分计数值，随后在步骤530处，决定所述差分计数值是否大于 最大计数值。若否，且假设所述保持模式在步骤555处未存在，则过程 循环回至步骤525以持续比较过程。

若在步骤530处决定差分计数大于最大计数值，则过程分支至步骤 535，其中开关块120由自开关块控制器410发出的启动信号来启动，从 而将开关块120置于导通状态。随后在步骤540处，来自两环式振荡器的 输出被比较以产生差分计数值，而后在步骤545处决定所述差分计数是 否小于最小计数值。若否，且假设保持模式在步骤550处不存在，则过 程回至步骤540以持续所述比较过程。一旦决定所述差分计数值现在小 于最小计数值，则过程分支回至步骤520以停用开关块120。

一旦所述保持模式存在于步骤555或步骤550，则过程前进至步骤 560，其中开关块被置于其完全导通状态。在步骤565处，环式振荡器因 其不再需要而停用，且在步骤570处决定切换电轨110上的电压是否已达 到所需操作电平。一旦其已达到，对于目标电路125的时钟起动，并重 新开始正常操作，随后过程在步骤580处结束。

虽然在图8的实例实施中，两环式振荡器维持在用于整个状态保持 模式的启动状态中，在替代具体实施例中，环式振荡器无须启动用于全 部周期，而是其周期性地启动以执行所需比较即已足够，从而减少功率 消耗。

如第6图中的环式振荡器的替代用法，他们可被配置以在电路125的 正常操作模式期间启动以产生关于开关块120的操作的诊断数据。尤其 在正常操作期间，由于横跨开关块120的电压降，在主电轨105及切换电 轨110间将有少许电位差。在正常操作期间，在来自两环式振荡器165、 400的振荡输出信号间的频率的任何差异将指示此电压降的值。这可用 于诊断目的。例如，若此电压降超过预期，它可能指示开关块内的组件 的一些失灵。此外，这种测量可用以影响电路操作。如一实例，当电路 使用越来越久，开关块内的组件将会经受磨损，且随着时间的推移这将 会导致横跨开关块的电压降变大。若电压降超过某一安全电平，则此可 能引起电路125的失灵，但失灵的这种可能性可通过减少电路的操作频 率而减少，从而延长所述电路的可用寿命。因此，来自差分分析电路405 的输出可随时间的推移用以改变具有有关横跨开关块120的电压降的集 成电路(尤其是电路125)的操作频率。

图10及11说明来自环式振荡器电路的振荡输出信号的频率如何随 着施加至那些环式振荡器电路的操作电压变化的图表。所示三条线分别 代表慢、典型及快电路。如为人已知，由于例如其上构造电路的硅的质 量的因素，在生产中一些电路比其它电路更快地结束执行，且图10说明 依赖电路速度可观察到的频率的变动。

图11说明对于相同慢、典型及快电路，可由同步累加器485针对横 跨第一环式振荡器165的不同操作电压产生的差分计数值中的变动。在 此实例中，假设正常操作电压为一伏特，此时两环式振荡器在相同频率 产生振荡输出信号，但由于来自环式振荡器165的输出除以十六，这产 生十六的差分计数值。因为电压接着下降，计数值根据电路的速度变化， 如由图11所示的三条线中的发散显示。差分分析电路所使用的最大及最 小计数值可因此根据所述电路为慢、典型或快被调适，或者所述除法器 可加以变化以对于较慢电路应用较大除法。

自本发明的具体实施例的以上描述中，将可见到这种具体实施例提 供一机构，其中数字环式振荡器组件可用以间接地传输识别标志，该识 别标志传送用于标头切换功率的上升时间，或用于标尾切换接地的下降 时间两者，和/或实际模拟电压电平信息，该实际模拟电压电平信息可 用标准时控技术在芯片上或芯片外分析。所述环式振荡器为可使用标准 单元构造的相对较简单的数字电路且因此实施起来较为简单及价廉，且 可被配置以消耗相对较少的功率。通过使用门控环式振荡器，环式振荡 器亦可当不使用时停用以减少功率消耗。

在一个具体实施例中，环式振荡器输出在当切换电轨上的电压不稳 定的周期期间于开关块的开启或关闭操作期间被分析，以致基本上允许 间接测量电压随着时间的改变，连同提供实际模拟电压电平的指示。在 另一具体实施例中，在耦合至切换电轨的环式振荡器及耦合至永久电轨 的环式振荡器间执行差分分析，以提供两电轨间电压的差异的间接测 量，该信息可用于各种状况。这种信息的一特定用法支持如先前参考图 6至9所述的操作的状态保持模式。操作的这种状态保持模式的操作细节 在共同受让的待审美国专利申请案第11/7979,497号中提供，该申请的 全数内容藉由引用在此并入。此外，对于关注本发明的读者，美国专利 申请案的具体实施例描述在此并入作为附录I

附录I

图12说明一包括主供应轨4、主接地轨6、虚拟供应轨8及虚拟接地 轨10的集成电路2。标头开关12选择性地连接主供应轨4至虚拟供应轨8。 同样地，标尾开关14选择性地连接主接地轨6至虚拟接地轨10。逻辑块 16自虚拟供应轨8及虚拟接地轨10获取其电力供应。逻辑块16用时钟信 号c1k时控以执行信息处理操作。

集成电路2可使用不同的制造技术形成，但本技术系充分适于其中 集成电路由CMOS晶体管，尤其是MTCMOS晶体管形成的系统。应理解集成 电路2典型地将由大量功能组件形成且可采取各种不同形式，如微处理 器、SoC、存储器及其它形式的集成电路。

图12中亦说明开关控制器18，其耦合至相应开关且加以控制成为导 通或非导通。开关控制器18亦耦合至相应虚拟电轨8、10且响应于其上 的电压，以调制由它们相关的标头及标尾开关12、14提供在主供应轨4 与虚拟供应轨8，及在主接地轨6至虚拟接地轨10间的连接。与其中开关 为永久导通或永久非导通的状况相比，此调制将虚拟轨电压维持在中间 电平。此调制在一些具体实施例中可用以提供动态电压定标的形式，其 中提供至逻辑块16的电源供应电压设定至需要在目前启用时钟频率处 支持逻辑块16的时控的中间电平。一般说来，横跨逻辑块16的电压差愈 低，则其内的功率消耗愈低。当逻辑块16为静态且功率消耗由于静态泄 漏电流时此亦为真。

本技术认知当逻辑块16未经时控时，其可用以保持静态信号值而无 须依靠提供最小保持电压的气球锁存器维持为横跨逻辑块16。此最小保 持电压将小于所述逻辑块16内的启用处理所需的电压。因此，与当逻辑 块16启用时所用相比，功率消耗可通过降低横跨逻辑块16的电压差而减 少，而状态信号值可维持如其内部所保持且准备用于要再起动的处理。 处理的再起动可通过将横跨逻辑块16的电压差恢复至操作电平而后再 起动时钟信号。这可相对较快速且因此支持在低功率保持状态及操作状 态间的快速切换。

图13说明一第一实例具体实施例，其中标头开关12经受控制器18的 调制控制。标头开关12由具有高电导的强晶体管20及具有低电导的弱晶 体管22形成。当逻辑块16在其启用状态时，强晶体管20被开启以提供在 主供应轨4及虚拟供应轨8间的低阻抗路径，以致可满足所述启用逻辑块 16的功率消耗需求。当要将逻辑块16置于其中其静态地保持状态信号值 的保持模式时，至其的时钟信号c1k停止且控制器18用以在导通状态及 非导通状态间调制弱晶体管22。强晶体管20在此调制(脉动)操作期间被 关闭。窗比较器24用来决定虚拟供应轨8上的电压何时下降至最小电平 之下或上升至最大电平之上。当虚拟供应轨电压下降至最小电平之下 时，则弱晶体管开启。弱晶体管22维持开启直至虚拟供应电压达到最大 电平，此时弱晶体管22关闭。与逻辑块16相关的泄漏电流接着逐渐地将 虚拟供应轨8上所储存的电荷放电直至虚拟供应轨电压再次下降至最小 值之下。接着弱晶体管22被再次开启以恢复虚拟供应轨电压。依此方法， 主供应轨4及虚拟供应轨8间的连接经由在窗比较器24及触发电路26的 控制下启用的弱晶体管22调制成开或关。定义虚拟供应轨电压的下限及 上限的信号电平在窗比较器24中内部产生(如由适合的分压器网络)。

图14说明一替代具体实施例。在该具体实施例中，开关控制器18由 所示的两晶体管M1及M2提供。这些晶体管使用定义电压Vref1及Vref2的 范围供应其栅极。晶体管M1及M2提供虚拟供应轨电压的模拟反馈控制， 以将此维持在对于在逻辑块16内的状态信号保持而言足够的中间电平。

在图13及图14两图中将可见到开关控制器18提供虚拟供应轨电压 的反馈控制。因此，开关块16及其相关的开关控制器18为自调节。应理 解集成电路2典型将包含开关块12、14及相关控制器18的许多情况。并 非所有的这些皆需使用在此描述的调制技术。可能仅集成电路2的某些 部分适于置于低功率数据保持模式中，或者替代地在低功率数据保持模 式中可能标头开关12和/或标尾开关14可服务多个逻辑块16，而在启用 模式中由于较高的功率需求需要个别标头及标尾开关12、14。

图15为一概要说明与图13的实例具体实施例的操作相关的信号电 平中周期性变动的信号图。信号v(weak_ctrl)为控制开启及关闭弱晶体 管22的信号。当此信号低时弱晶体管22开启(即导通)。将可见到，弱晶 体管22用对应于短周期的相对较低的占空比(low on duty cycle)调 制，在所述短周期期间弱晶体管22的栅极电压被拉低以将弱晶体管22切 换成为导通状态。信号vvdd(虚拟供应轨电压)显示为具有稍高于700nv 及具有一周期性变动的值。当弱晶体管22关闭时，此虚拟供应轨电压由 于通过逻辑块16的泄漏电流而逐渐衰减。当弱晶体管22开启时，虚拟供 应轨电压快速恢复上升至其预定最大电平。虚拟供应轨电压因此在所说 明的最小及最大电平间变化并维持在此范围中。虚拟供应轨电压的这个 范围在最小保持电压之上，最小保持电压是逻辑块16的特征且对应于所 述最小电压，在最小电压处当未时控时逻辑块16将维持状态信号值。

图16根据一个实例具体实施例概要地说明开关控制器18的操作的 流程图。应理解图16的流程图视需要将所述控制表示为处理操作的一序 列。本技术领域技术人员应理解，在实现中这些操作的一些或所有可由 一电路实施并行地执行。然而，图16的流程图可用于理解开关控制器18 的操作。

在步骤28处，开关控制器18等待直至接收指示要进入状态保持模式 的信号(retn)。当接收到此信号时，则过程前进至步骤30处，在步骤30 处时钟信号c1k停止且时钟信号电平保持静态。逻辑块16的处理逻辑的 静态特性致使这些容忍这种频率停止及维持提供横跨逻辑块16施加的 电压差的状态信号值不下降至最小保持电压以下。

在步骤32处，标头块12切换至非导通状态。在此实例中仅使用标头 块，尽管应了解也可使用标尾块，或标头块与标尾块可组合使用。当标 头块已在步骤32关闭时，处理前进环绕包含步骤34及36的循环，其分别 检查虚拟供应轨18上的电压电平未曾下降太低，且未接收到指示要离开 保持模式的信号(pwr_req)。若在步骤34处侦测到电压电平已下降至低， 则处理前进至步骤36，在步骤36处标头开关12(更明确地弱晶体管22)切 换成为其导通状态。强晶体管20在此调制期间可维持在其非导通状态 中。这引起虚拟供应轨电压上升。

步骤38及40接着监视以检视虚拟供应轨电压是否已上升至目标最 大值之上，且是否已接收到执行保持模式的信号。若虚拟供应轨电压确 实超过目标最大值，则回至步骤32，在步骤32处标头块呈现完全非导通 (如弱晶体管22再次关闭且强晶体管20保持关闭)。

若在步骤36或步骤40处指明已接收离开保持模式的信号 (pur-req)，则处理前进至步骤42，在该处标头块被切换回至其完全导 通状态(如强晶体管20及弱晶体管22两者均开启)。接着步骤44监视直至 虚拟供应轨电压的操作电平已达到足以支持逻辑块16的启用处理。当已 达到虚拟供应轨电压的该操作电平时，则步骤46再起动所述时钟信号。 以上所述电路可具有各种形式，包括CMOS晶体管、MTCMOS晶体管及绝缘 体上的硅装置，它们充分适于低功率高密度实施。

尽管已在此描述本发明的一特定具体实施例，应了解本发明不受限 于此，且许多修改及增加可在本发明的范畴中进行。例如，以下附属权 利要求的特征的各种组合可与独立权利要求的特征组合而不脱离本发 明的范畴。