《自适应功率管理方法和系统的制作方法》由会员分享，可在线阅读，更多相关《自适应功率管理方法和系统的制作方法（5页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、自适应功率管理方法和系统的制作方法专利名称：自适应功率管理方法和系统的制作方法技术领域：本发明 一般地涉及电子电路，更具体地涉及集成电路的自适应功率管理方法和系统，其中，集成电路包括增强型JFET集成电路。技术背景作为过去数十年科技快速发展的结果，晶体管和其它半导体器件已经 成为各种不同电子组件的基础构造块。晶体管的一个或多个操作特性可能 受温度变化和工艺变化(process variation)的影响。在一些应用中，晶体 管可能在整个操作温度和工艺变化范围内呈现不一致的性能。这种不一致 性能可能导致过大的功耗和/或其它操作缺陷。改进型晶体管器件相对于驱动电流可能具有很大的正温度系数。这在 利
2、用固定电源方案的高性能芯片设计方面可能是缺点。在驱动电流最低的 最低温度处可能发生最低性能。如果使用较高的供给电压(supply voltage)，例如0.55V而不是0.5V，则可在低温下提高性能。但是在高温 下，这可能不必要地浪费功率，并且潜在地导致热问题。在增强模式结型 场效应晶体管(JFET)技术方面，栅极pn结二极管将由于负温度系数 ( -2mV每摄氏度)而被更强地正向偏置，这可能导致栅极泄漏问题。利用自适应供给电压方案，可以解决以上问题。此外，可将很大 的和正的温度系数转换为改进型晶体管电路设计中的优点。可以使 用温度传感来自适应地调整供给电压。在高芯片温度下，可以降低供给电 压。
3、而在低芯片温度下，可以提高供给电压，以使得可以在整个温度范围 内将驱动电流保持相对恒定。因为针对给定性能目标，在较高温度下供给 电压可以较低，所以较高温度下的功率耗散较低，从而得到在芯片的热设 计和封装方面的优点。发明内容根据本发明一个实施例， 一种系统包括集成电路，该集成电路包括接 收供给电压的一个或多个晶体管。该系统还包括基准晶体管，该基准晶体 管可操作来接收恒定电流，并产生根据温度或工艺变化而变化的基准电 压，其中，基准晶体管相对于温度或工艺变化与一个或多个晶体管中的至 少一个相似地运作(动作)。该系统还包括比较器，该比较器可操作来对 基准电压与所接收的供给电压进行比较，并至少部分基于基
4、准电压与所接 收的供给电压之间的差异来产生输出。该系统还包括控制器，该控制器可 操作来至少部分基于比较器的输出来调整所接收的供给电压。根据本发明另一个实施例， 一种方法包括向基准晶体管提供恒定电 流。该方法还包括将与基准晶体管相关联的电压和集成电路的供给电压进 行比较，其中，与基准晶体管相关联的电压在与基准晶体管相关联的温度 降低时增大，而在与基准晶体管相关联的温度升高时减小，并且其中，与 基准晶体管相关联的电压根据温度以近似2毫伏每摄氏度的速率变化。该 方法还包括响应于与基准晶体管相关联的电压的变化而调整供给电压。根据本发明各个实施例提供了许多技术优点。本发明的特定实施例可 以取决于实施方式
5、而展现以下优点中的一些或全部，或者不展现任何以下 优点。在某些实施例中，可以在整个宽广温度范围内为一个或多个晶体管 维持基本恒定的性能。在某些其它实施例中，可以使用片上结构来测量温 度。在一些实施例中，可以降低功率耗散。从以下附图、描述和权利要求中，本领域技术人员将很容易明了本发 明的其它技术优点。此外，虽然上面列举了具体优点，但是各个实施例可 以包括所列举的优点的全部或一些，或者不包括所列举的优点。为了更加完整地理解本发明及其优点，现在结合附图来参考以下描 述，在附图中图1图示了用于自适应功率管理的示例系统的框图； 图2图示了 pn结在不同温度下的电流和电压特性；图3图示了可在数字逻辑电路中
6、使用的示例JFET器件；图4图示了用在自适应功率管理系统中的温度传感设备的一个示例实 施例；图5图示了一个示例功率管理系统；以及图6是图示出用于自适应功率管理的一个示例方法的流程图。具体实施方式图1图示了用于自适应功率管理的示例系统10的框图。系统10的组 件可以以任何合适的配置来放置或连接。在某些数字逻辑电路中， 一个或 多个改进型晶体管器件可以具有正温度系数。在较低温度下可能出现较低 性能，而在较高温度下可能出现较高性能。自适应功率管理系统10可用 来感测与这一个或多个器件中的至少一个相关联的温度，并自适应地调整 电压供给以在整个温度范围内维持一致性能。在高芯片温度下可以降低供 给电压，而
7、在低芯片温度下可以提高供给电压。系统10包括数字逻辑 12、电压源14、温度传感器16、控制器18和反馈环路20。数字逻辑12可位于集成电路中，或者位于任何合适的位置。数字逻 辑12可以包括可操作来执行一个或多个功能的一个或多个晶体管或者其 它半导体组件。在某些实施例中，数字逻辑12可包括一个或多个结型场 效应晶体管(JFET)。 一些JFET可以具有低操作电压和低阈值电压。在 一些实施例中，操作电压可以是0.5V或更低。系统可被用于在温度变化或发生工艺变化时增大或减小供给电压，以 确保晶体管在整个宽广的温度或工艺变化范围内的一致性能。像系统10 一样的自适应功率管理系统可用来在数字逻辑12处
8、或数字逻辑12附近的 温度升高时减小供给电压，以及在数字逻辑12处或数字逻辑12附近的温 度降低时增大供给电压。该系统还可在降低功耗的同时在整个温度范围内 维持一致性能，例如， 一致的操作速度和驱动电流。可使用片上结构来读 取数字逻辑12附近的温度。电压源14包括可操作来向数字逻辑12提供一个或多个电压的任何合 适电路。在某些实施例中，电压源14可以向数字逻辑12提供大约0.3至0.7V的电压，以为一个或多个晶体管或其它半导体组件供电。在一些实施 例中，电压源14向数字逻辑12内的诸如增强模式JFET之类的一个或多 个晶体管的栅极端子提供电压。在某些其它实施例中，电压源14可以向 数字逻辑12
9、提供一电压，并且数字逻辑12内的适当电路可以将该电压转 换为更高和/或更低电压以供在数字逻辑12内使用。温度传感器16包括可操作来检测、传感数字逻辑12处或数字逻辑12 附近的一个或多个温度变化或者以其他方式对温度变化作出响应的任何合 适组件或组件集合。在一些实施例中，温度传感器16可以包括片上半导 体结构，例如用于感测目的的晶体管或二极管。例如，温度传感器16可 以包括对温度变化起反应的二极管。二极管pn结两端的电压可能随温度 变化而变化，该电压可以在诸如反馈环路20之类的反馈环路中用于调整 由电压源14提供的电压。温度传感器16还可以包括对温度变化作出响应 的基准晶体管。基准晶体管的响应可
10、被感测并用于调整由电压源14提供 的电压。在某些实施例中，基准晶体管可以与数字逻辑12中的至少一个 晶体管相同。在某些实施例中，基准晶体管可以包括以大约0.5V的操作 电压操作的增强模式JFET。控制器18包括对电压源14所提供的电压进行调整的硬件、软件和固 件的任何合适组合。控制器18可以响应于来自温度传感器16的一个或多 个信号来调整电压源14。在某些实施例中，控制器18可以包括反馈环路 的一部分。反馈环路20包括温度传感器16、控制器18和电压源14。反馈环路 20可用于在温度变化时，测量并随后调整与数字逻辑12相关联的一个或 多个电压。反馈环路20可实时地或者以设定间隔周期性地调整电压
11、。在某些实施例中，系统10还可对工艺和电压变化进行补偿。例如， 由电压源14提供的电压可能由于器件缺陷或限制而轻微波动。这些波动 进而可能提高或降低数字逻辑12内的一个或多个器件的温度。温度传感 器16可以检测这些温度变化，并且控制器18可以使用该信息来更改电压 源14所提供的电压。系统IO因而可以补偿电压源14中的波动和变化。在某些实施例中，系统10还可以补偿一个或多个半 体器件内的工艺变化。工艺变化可能导致半导体器件的一个或多个特性因器件不同而不 同，例如电压阈值。系统IO可以采用包括与数字逻辑12内的那些器件相 似的一个或多个半导体器件的传感器，其可用于减小工艺变化的影响。图2图示了低功
12、率JFET器件的pn结在两个示例温度下的电流和电压 特性。在某些实施例中，当电流恒定时，pn结二极管电压减小大约2 mV/。C。恒定电流在图上通过虚线表示。如图所示，在更高温度下，电流/ 电压曲线向左移动，从而导致电压降低(在恒定电流的情况下)。在恒定 电流的情况下，温度越高则电压越低。该电压可被监控并用于热管理。图3图示了可用在数字逻辑电路中的示例JFET器件90。 JFET器件 90并不按比例绘制，并且可以包括其它结构，但仍然落在本发明的范围 内。器件90包括p型衬底93和n型衬底98、源极94、漏极95、栅极92 和pn结二极管96。当使用pn结二极管96的电流进行控制时，可以防止 二极
13、管的正向偏压(forward biasing)。在诸如增强模式JFET技术之类的 某些低压技术中，栅极92和源极94之间(或者背栅极和源极94之间)的 pn结的强正向偏压可能导致器件不操作。通过pn结二极管96来进行控制 可以防止这个问题。同时，高温操作与低温操作之间的速度差可以变得更 小。图4图示了用于在自适应功率管理系统10中使用的温度传感器16的 一个示例实施例。传感器16可以包括可操作来测量一个或多个半导体器 件处或其附近的温度的任意的一个或多个组件。在某些实施例中，多个传 感器可被实现为在芯片上的不同特定位置处具有不同最佳供给电压。传感器16包括基准晶体管54。在此实施例中，基准晶体
14、管54包括与 接地节点56相连的源极端子72和漏极端子74。基准晶体管54还包括与 恒定电流源52相连的栅极端子70。虽然未在图4中示出，但是基准晶体 管54还可以包括可连接到地的本体端子(body terminal)。在图示实施例 中，基准晶体管54是p型JFET。在某些实施例中，基准晶体管54应当与 包括数字逻辑12的一个或多个晶体管中的至少一个相似。如果基准晶体 管54与数字逻辑12中的晶体管相似地对温度变化起反应，则基准晶体管 54可被监控并被用作反馈环路20的一部分来调整电压源14。与基准晶体管54相关联的电压，例如在栅极pn结两端的电压，可以随着温度变化而 变化，并且该变化可在反馈
15、环路20中用于修正电压源14以补偿这些温度 变化。恒定电流源52操作来向基准晶体管54的栅极端子70提供恒定电流。 恒定电流源52包括可操作来执行该功能的任何组件或组件系统，例如， 简单的晶体管电流源。恒定电流源52可连接到一个或多个电压节点，例 如节点58，其向恒定电流源52供电。传感器16还可以包括比较器60。比较器60可用作(正或负)反馈环 路的一部分，反馈环路对电压源14进行调整以补偿一个或多个温度变 化。在此示例实施例中，比较器60包括输入节点66，输入节点66接收基 准晶体管54的栅极端子70处的电压作为输入。比较器60还包括输入节点 64，输入节点64接收由数字逻辑电路12内的一
16、个或多个晶体管使用的供 给电压62作为输入。在某些实施例中，该供给电压62被施加于数字逻辑 12内的一个或多个JFET的栅极端子。供给电压62可从电压源14输出 (如图4所示)，或者可以来自数字逻辑12内部。比较器60对供给电压 62与耦合到输入节点66的、基准晶体管54的栅极端子70处的电压进行 比较。比较器60至少部分基于供给电压62与输入节点66处的基准电压之 间的差异来向节点68输出电压。节点68处的输出电压按照比较器的两个 输入节点64与66处的电压之间的差异而改变。节点68处的输出电压可被 馈送给控制器18，并在反馈环路20中用于更改供给电压62，直到(输入 节点64与66处的)比较器的两个输入电压落在相互可接受的范围内为 止。控制器18可接收节点68处的输出电压，并至少部分基于节点68处的 电压值来向上或向下调整电压源14。在某些实施例中，该调整对供给电压 62进行更改直到其近似等于基准晶体管54的栅极端子70处的电压为止。在操作时，传感器16如下所示地工作。基准晶体管54接收来自恒定 电流源52的恒定电
