一种SOC芯片的低功耗电源网络设计方法

摘要

本发明公开一种SOC芯片低功耗电源网络设计方法。该方法通过控制电源器件，完成芯片不同电源网络开启和关断的控制，有效的降低了芯片复位电流，优化了芯片正常工作功耗，同时，本发明给出一种硬模块的低功耗设计方法，该方法方便了系统电源网络设计，简化了芯片正常工作和测试过程中的电源控制。

说明书

技术领域

本发明涉及低功耗SOC芯片的电源网络设计方法与实现结构。

背景技术

在当今消费类SOC芯片设计中，功耗正逐渐成为成功芯片的衡量标准，系统的待机时间 也在逐渐成为关乎产品成败的决定性因素之一。

随着集成电路生产向深亚微米工艺的迈进，泄漏功耗所占芯片总功耗的比例逐渐增加， 这也使得越来越多的设计使用关断电源网络的方式来降低泄漏功耗。针对这一情况，本文提 出了一种低功耗电源网络设计方法与结构，通过这种设计方法来有效降低芯片泄漏功耗，并 且提高设计效率。

发明内容

本发明提出了一种SOC低功耗电源网络设计结构，该结构采用一个PMU模块在芯片切换 过程中，通过控制LDO使能来控制开启和关断各电源网络的方式，来减小SOC芯片的泄漏功 耗。

芯片中PMU使用一个常开的电源网络供电，除PMU外其它core电源都使用片内LDO供电， IO电压来自芯片外部常开电源，LDO输入电源来自片外DC-DC输出。芯片根据不同的LDO供 电网络划分为多个电源域。PMU通过控制片内LDOO使能来控制开启和关断各电源网络。

在芯片测试模式下，为了方便各种测试顺利进行，片内各LDO处于开启状态，使各电源 域的电源网络全部开启，完成芯片测试。这些测试包括扫描链测试，存储器BIST测试，模拟 电路BIST测试等。

在芯片工作模式下，芯片复位时，芯片内所有LDO处于关断状态，即除PMU外的所有电 源域电源网络的电源都被关断，同时通过芯片管脚关闭片外的DC-DC输出，即关闭LDO输入 电源，以保证芯片在复位时具有极低的泄漏功耗。复位被释放后，PMU逐步使能个电源网络 的LDO，为其它电源域电源网络的开启供电，并将芯片切换至进入正常工作状态。

工作过程中，PMU根据软件配置，切换芯片工作状态，同时控制其它电源网络的LDO使 能，关断不需要工作的电路电源，开启需要工作的电路电源，从而达到优化SOC芯片功耗的 目的。此时被关断电源域的IO单元的core电源也被关闭，但PMU不能关闭IO单元的I/O电 源，因此需要使用特殊的IO单元避免这种情况下出现大的crowbar电流。

PMU在控制各电源域电源网络关断时，注意为没有被关断的电源域模块输入提供隔离使 能信号，当存在关断电源域信号输入到未关断电源域的数字信号时，未关断电源域的隔离使 能信号被设置为有效。

为了使一个复杂的包含多电源域子模块硬模块集成后，可以通过PMU控制其不同电源域 子模块分别关断，每个子模块对其输入数字信号做好隔离，隔离使能控制端从模块顶层引出， 并最终由PMU控制。

附图说明

图1是芯片电源网络示意图。

图2是一个存在多电源域的硬模块电路内部实现隔离的电路示意图。

具体实施方式

以下以一个无线局域网SOC芯片低功耗电源网络设计结构为例，说明本发明方法与结构。 芯片外部输入常开3.3V电压为芯片IO以及模拟模块供电，输入常开1.2V电压单独为PMU供电， DC-DC输出1.5V电压为芯片内部LDO供电，当所有LDO使能置为无效时，该1.5V电压也被关断以 降低LDO漏电。芯片内部LDO输出1.2V电源为除PMU外其它电源域的电源网络供电。

芯片电源域划分

根据LDO供电的不同，芯片划分为4个电源域(见图1)，各部分分别说明如下：

PMU电源域(PD1)：常开电源域，包括Power Management Unit模块。该电源域电源工 作中一直保持开启，并在工作中根据不同的工作状态可以控制其它电源域电源网络的开启与 关断。

HOST_IF电源域(PD2)：可关断数字电源域，包括Host Interface与Clock Gating Control 模块；

BBP电源域(PD3)：可关断数字电源域，包括Processor与Baseband Subsystem模块；

RF电源域(PD4)：可关断模拟电源域，包括RF & AD/DA subsystem模块。

对于RF & AD/DA subsystem模块，其设计复杂度较高，内部存在多个电源域，分别使用不 同的LDO供电。在设计中，作为一个硬模块集成到SOC芯片中。在芯片不同的工作状态中， RF内部各电源域对应的模块不需要同时工作，因此PMU可以通过控制开关各电源域的LDO来 控制是否开启对应模块电源网络，来降低芯片工作功耗。

不同电源域之间接口信号的处理

当某电源域电源关断时，其输出数字信号会处于浮空状态，如果此信号输入到任意开启 电源域，会在开启电源域内产生较大的漏电，因此应该在该开启电源域做信号隔离，隔离使 能信号由PMU提供。

为了避免RF & AD/DA subsystem模块内部不同电源域子模块之间在电源关断时浮空信号 的相互影响，使用如下方式处理子模块之间的信号(如图2)：

如果子模块A到子模块B存在输出信号，假设可能存在A电源关断，B电源开启的状态， 则在B中对从A输入的信号进行隔离，该隔离使能信号将受B端口信号控制；反之亦然。集成 时，由于隔离信号已经存在于模块的顶层，因此PMU可以在控制开启和关断A或B模块电源的 同时，控制是否需要使能隔离信号。

芯片正常工作时的电源网络设计

在芯片工作模式下，芯片复位时，芯片内所有LDO处于关断状态，除PMU外的所有电源 域电源网络的电源都被关断。为保证芯片在复位时具有低的泄漏功耗，进一步通过输出控制 端口关闭片外的1.5V电源输入，以消除此状态下LDO的漏电。片外1.5V电源来自DC-DC电 源器件的输出，复位情况下，芯片通过控制该DC-DC使能端，来关闭1.5V电源输入。复位被 释放后，PMU逐步打开片内LDO，为其它电源域电源网络的开启供电，芯片进入正常工作模式。

PMU根据芯片所处的工作状态，选择关闭部分LDO，降低功耗。此时被关断电源域的IO 单元的core电源也被关闭，但PMU不能关闭IO单元的IO电源(3.3V电源)，因此需要使用 特殊的IO单元，避免该IO单元在core电源关闭，IO电源开启的情况下出现大的crowbar 电流。

PMU在控制各电源域电源网络关断时，注意为没有被关断的电源域模块输入提供隔离使 能信号，当存在关断电源域信号输入到未关断电源域的数字信号时，未关断电源域的隔离使 能信号被设置为有效。

芯片测试过程中的电源网络设计

芯片测试过程中，保证被测试电路处于电源开启状态以顺利完成测试，因此当测试使能 信号有效时，PMU输出的LDO使能信号被置有效，电源域之间的隔离信号被置无效。

以上公开的仅为本发明的一个具体实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何本 领域的技术人员能思之的变化都应落在本发明的保护范围内。