[发明专利]电源门控单元及电源

说明书

本发明提供了一种电源门控单元及电源，包括：门控管，用于向电源轨提供第一控制信号，门控管开启时，控制电源轨开启，门控管关闭时，控制电源轨关闭；衬底偏压缓冲器，用于接收第一电源电压和第二电源电压，同时向门控管提供衬底偏压信号，衬底偏压信号的取值在第一电源电压和第二电源电压之间进行切换，门控管关闭时，衬底偏压信号跟随第一电源电压变化，以使得门控管处于反偏状态，解决前向偏置漏电的问题，门控管开启时，衬底偏压信号跟随第二电源电压变化，以使得门控管处于零偏状态；信号传播缓冲器，用于提供第二控制信号和第三控制信号，第二控制信号用于控制门控管的开启和关闭，第三控制信号用于控制衬底偏压信号的切换。

技术领域

本发明涉及电子技术领域，尤其是涉及一种电源门控单元及电源。

背景技术

随着数字集电路的发展，数字电路的功耗也剧烈变大，增加了芯片运行的能源费用和散热成本。因此，从降低芯片的运行成本、增长芯片在电池供电时的工作时间、降低芯片温度以提高芯片性能和发展绿色环保技术等角度而言，都需要尽可能地降低芯片的功耗开销。动态调压调频技术(dynamic voltage and frequency scaling，DVFS)，简称为DVFS技术，就是其中最常用的方法，该方法是根据电路需求来调整负载电路的电压和频率，达到节省功耗的目的。对于数字集成电路而言，随着电压降低，功耗存在一个最小能耗点，此时电压点在近阈值或者亚阈值电压附近。因此，当DVFS的调压范围从近阈值或亚阈值电压到工艺的标准电源电压时，如从0.3V到1.1V或更广电压范围，此时该DVFS系统称为宽电压DVFS系统。而调压范围的增大导致电压调节需要更长时间，尤其是使用电感或者电容电压调节器的时候，通常需要几十微秒或毫秒级的时间才能完成调压，使宽电压DVFS切换代价提高了数倍到数十倍。

针对宽电压DVFS调压缓慢且切换代价大的问题，近些年发展出多电源轨切换来快速调节电压的技术。多电源轨切换技术指对于需要调节电压和频率的电路模块，设计多条电源轨以提供多个电压点，使用电源门控单元来选择和控制电源轨开断的一种技术。当负载电路需要从当前电压调到其它电压时，DVFS控制器首先会关断当前电源轨的电源门控单元，然后打开目标电源轨的电源门控单元。这个过程通常只需要几十纳秒到几百纳秒时间，以此来达到快速调压的目标。

但是，当处理器性能需求较高时，需调节负载电路电压到高电平电压，此时高电压电源轨打开而低电压电源轨被关闭；低电压电源轨的电源门控管的漏端(P型掺杂)是高电平而其衬底端(N型掺杂)是低电平，从而使得漏端到衬底端形成的PN结被正向偏置，导致高电压电源轨向低电压电源轨漏电。该现象被称为前向偏置漏电现象，在一些设计中，该漏电的功耗占据整体功耗的30％以上，严重降低了宽电压DVFS设计的能耗收益。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电源门控单元及电源，电源门控单元可以控制电源轨的开启或关闭，从而控制输出电压在不同电源轨之间进行切换。进一步的，电源门控单元的主要器件门控管在开启时，可以处于零偏状态，以使得电源门控单元能更好地工作，在门控管在关闭时，可以处于反偏状态，防止高电平的电源轨向低电平的电源轨漏电，防止前向偏置漏电的问题发生。

为了达到上述目的，本发明提供了一种电源门控单元，用于控制电源轨的开启或关闭，包括：

门控管，用于向所述电源轨提供第一控制信号，所述门控管开启时，所述第一控制信号控制所述电源轨开启，所述门控管关闭时，所述第一控制信号控制所述电源轨关闭；

衬底偏压缓冲器，用于接收第一电源电压和第二电源电压，同时向所述门控管提供衬底偏压信号，所述衬底偏压信号的取值在所述第一电源电压和所述第二电源电压之间进行切换，所述门控管关闭时，所述衬底偏压信号跟随所述第一电源电压变化，以使得所述门控管处于反偏状态，所述门控管开启时，所述衬底偏压信号跟随所述第二电源电压变化，以使得所述门控管处于零偏状态；以及

信号传播缓冲器，用于提供第二控制信号和第三控制信号，所述第二控制信号用于控制所述门控管的开启和关闭，所述第三控制信号用于控制所述衬底偏压信号的切换。