用于电池无关紧要的或纯能量采集系统的多模式标准单元逻辑和自启动的制作方法

本发明广泛地涉及固态电路与系统(cmos)领域，尤其涉及用于电池无关紧要的或纯能量采集系统的多模式单元逻辑和自启动。

背景技术：

整个说明书中对现有技术的任何提及和/或讨论都不应以任何方式被认为是承认该现有技术是众所周知的或形成了本领域公知常识的一部分。

电池无关(battery-indifferent)的系统，例如但不限于传感器节点，需要连续运行，尽管电池能量间歇性可用，因此，需要低峰值功率运行，以适应在电池电量耗尽时采集器提供的波动功率。图1显示了一个图表，该图表示出了具有集成式采集器的电池无关的传感器节点的运行在电池电量耗尽时需要达到亚纳瓦(sub-nw)级的功率(最小功率)，参见纯采集运行模式100，然而当电池在各种电池运行模式101-103下供电时能量(最小能量)降低。在毫米级的极小型化的系统中，这种采集的功率可能非常有限(例如，nw级及以下)，并且通常远低于被供电电路的泄漏功耗。

近来，使用具有亚泄漏sub-nw级最小功率的片上采集器的纯采集连续运行模式已经被证明是无电池运行[1]，其代价是性能大幅降低(即，时钟频率在hz级范围内)和更大的能量。另一方面，传统的小型传感器节点追求每次运行的最小能量以最大化电池寿命[2-6]，但无法在亚泄漏状态下运行，因此不适合纯采集运行。

冷砖半导体公司(coldbricksemiconductor,inc.)2013年的us20130107651a1，具有降低的泄泄漏流的半导体器件及其制造方法(semiconductordevicewithreducedleakagecurrentandmethodformanufacturethesame)，提出了基于标头(header)和脚标(footer)的单独方法来减少定制标准单元中的泄漏，但是每个标准单元中需要8个附加晶体管，因此面积更大。

天主教鲁汶大学(universitecatholiquedelouvain(ucl))的us8294492b2，超低功耗电路(ultra-low-powercircuit)，提出了集成通过定制标准单元的输出来控制的一个标头和一个脚标，以减少泄漏电流，但是定制标准单元的速度严重降低。

本发明的实施例试图解决以上问题中的至少一个。

技术实现要素：

根据本发明的第一方面，提供了一种用于电池无关紧要的或纯能量采集的多模式系统的单元逻辑结构，所述单元门结构包括：

cmos门电路；

标头电路，其耦合到所述cmos门电路，并且包括用于并联耦合在电源电压和所述cmos门电路之间的第一和第二标头晶体管；和

脚标电路，其耦合到所述cmos门电路，并且包括用于并联耦合在所述cmos门电路和接地电压之间的第一和第二脚标晶体管；

其中，所述标头电路和所述脚标电路被配置为用于在所述多模式系统的不同运行模式之间进行切换，所述不同运行模式从正常模式和泄漏抑制模式的范围中选择，在所述正常模式下，从所述cmos门电路的输出到所述第二标头晶体管的栅极以及到所述第二脚标晶体管的栅极的反馈路径基本上或完全被禁用，以实现所述cmos门电路的输出电压的全摆幅，而在所述泄漏抑制模式下，所述反馈路径基本上或完全启用。

根据本发明的第二方面，提供了一种电池无关紧要的或纯能量采集的多模式系统，包括：

能量采集电路，其用于为所述多模式系统发电；

根据第一方面所述的一个或多个单元逻辑结构；以及

功率管理电路，其用于在所述多模式系统的不同运行模式之间切换。

根据本发明的第三方面，提供了一种运行用于电池无关紧要的或纯能量采集的多模式系统的单元逻辑结构的方法，所述方法包括以下步骤：

控制耦合到cmos门电路的标头电路，所述标头电路包括用于并联耦合在电源电压和所述cmos门电路之间的第一和第二标头晶体管，以及

控制耦合到所述cmos门电路的脚标电路，所述脚标电路包括用于并联耦合在所述cmos门电路和接地电压之间的第一和第二脚标晶体管；

使得所述多模式系统可在不同运行模式之间切换，所述不同运行模式从正常模式和泄漏抑制模式的范围中选择，在所述正常模式下，从所述cmos门电路的输出到所述第二标头晶体管的栅极以及到所述第二脚标晶体管的栅极的反馈路径基本上或完全被禁用，以实现所述cmos门电路的输出电压的全摆幅，而在所述泄漏抑制模式下，所述反馈路径基本上或完全启用。

根据本发明的第四方面，提供了一种运行电池无关紧要的或纯能量采集的多模式系统的方法，包括以下步骤：

使用能量采集电路为所述多模式系统发电；

执行第三方面所述的方法；以及

在所述多模式系统的不同运行模式之间切换。

附图简要说明

仅作为示例，通过以下书面描述并结合附图，本领域的普通技术人员将更好地理解本发明的实施例，并且发明的实施例对本领域的普通技术人员来说是明显的。其中：

图1示出了传感器节点的电池无关的运行，其中，集成的采集器需要在电池电量耗尽时达到sub-nw级的功率(最小功率)，而在电池供电时降低能量(最小能量)。

图2示出了根据示例性实施例的双模系统架构的示意图，该双模系统架构包括微控制器和功率管理器(powermanagement)，并且其可以优选地在正常(最小能量)或泄漏抑制(最小功率)模式下运行。

图3示出了根据示例性实施例的用于电池无关的双模系统的单元逻辑结构的电路图，这里是双模逆变器及其在正常(normalmode)和泄漏抑制模式(leakagesuppressionmode)下的运行。

图4示出了在图3的双模逆变器的正常模式运行和正常模式运行下的功率/频率与调谐电压(δv)的关系曲线图。

图5示出了根据示例性实施例的双模35-级环形振荡器的测量能量与vdd的关系曲线图(左)，测量频率与vdd的关系曲线图(中)，以及测量功率与vdd的关系曲线图(右)。

图6示出了在运行计算通过gpio获得的输入的移动平均值的程序(整个2kb存储器处于活动状态，t＝25℃)时根据示例性实施例的微控制器系统在lsm(泄漏抑制模式，左)和nm(正常模式，右)下的测量功率的曲线图(顶部)和测量能量的曲线图(底部)。

图7示出了根据示例性实施例的具有纹波自启动(rippleself-startup)的功率管理器的框图，该纹波自启动包括用于电源域的顺序激活的级联功率门控级(cascadedpowergatingstages)。

图8示出了根据示例性实施例的在自启动期间的测量电流的曲线图(左)和激活纹波自启动级的使能信号(enablesignal)序列的图(右)。

图9示出了根据示例性实施例的用于电池无关紧要的或纯能量采集的多模式系统的单元逻辑结构的示意图。

图10示出了根据示例性实施例的电池无关紧要的或纯能量采集的多模式系统的示意图。

图11示出了根据示例性实施例的用于电池无关紧要的或纯能量采集的多模式系统的单元逻辑结构的运行方法的流程图。

图12示出了根据示例性实施例的运行电池无关紧要的或纯能量采集的多模式系统的方法的流程图。

详细说明

本发明的实施例基于双模逻辑(dual-modelogic,dml)和纹波功率门控自启动(ripplepowergatingself-startup,rpg)的概念，提供了用于半导体集成芯片(ic)的新的逻辑系列和自启动方案，包括但不限于用于数字集成电路的标准单元设计。dml允许数字系统在正常(nm)和泄漏抑制模式(lsm)下运行。在nm模式下，它允许系统以相当高的速度以非常高效的方式工作。在lsm模式下，系统仅使用亚泄漏功率(即低于1nw)工作，即使没有电池也可以运行。rpg自启动方案可在降低的采集功率下实现冷启动，从而克服了[1]中启动时对大采集功率峰值的需求。在示例性实施例中，代替pmos标头，每个单元使用nmos标头和pmos脚标，可以在休眠模式下超截止(负栅极过载)运行，并且可以完全切断电源的泄漏路径。

在一实施例中，呈现了使用dml标准单元和rpg自启动的微控制器的示例。在nm模式下，标准单元被构造成传统的cmos门，而在lsm模式下，标准单元被构造成动态泄漏抑制(dynamicleakage-suppression,dls)逻辑[1]，使得它们的电流被推到泄漏以下。当电池或采集的功率足够时，根据示例性实施例的系统以高能效和性能在nm模式下运行。当电池电量耗尽并且在有限的采集功率下(例如，昏暗的光下的太阳能电池)，根据示例性实施例的系统被配置为在lsm模式下以亚泄漏功率运行。在rpg自启动中，根据示例性实施例，不是一次给整个系统通电，而是将系统划分在较小的电源域中，这些电源域由纹波自启动顺序供电，从而逐渐打开相关的标头休眠晶体管。已经制造出原型实施例并通过硅测量结果进行了验证。

所描述的dml和rpg是针对微控制器而讨论的，但是应当理解，它们不限于微控制器，而是可以应用于其他数字集成电路(例如，数字信号处理器)。

如上所述，在一实施例中，dml和纹波功率门控自启动在由微控制器单元(mcu)201和功率管理(pm)子系统202组成的典型数字系统200中实现，如图2所示。根据该示例性实施例的微控制器单元201具有处理器核204、基于1kb锁存器的指令存储器(imem)205和数据存储器(dmem)207(每个具有四个单独的功率门控部分，例如205a，207a)、128b合成引导rom206、片上时钟发生器208，和用于与传感器和其他外围设备通信的gpio接口210。mcu单元201被设计为具有多种模式，例如以下将参考图3进行详细描述的双模标准单元库209，其基于电池214的状况，根据由功率模式配置块212生成的模式信号211配置为nm或lsm模式。值得注意的是，使用术语“标准单元”(standardcell)是因为电子设计自动化(eda)工具可以将这些单元用于布局和布线。pm子系统202包括纹波自启动电路216、dc-dc转换器218和功率模式配置块212。功率模式配置块212生成信号以打开/关闭自启动电路216、dc-dc转换器218，并生成基于模式信号211的功率门控信号至单元库209。

当电池214可用时，系统200以高能量效率和性能在正常模式下运行。当电池214耗尽能量并且在有限的采集功率下(例如，昏暗的光下的太阳能电池222)，系统200被配置为在lsm模式下以亚泄漏功率运行。休眠晶体管组，例如224、226，被设置为mp子系统202的一部分。具体地，如下面将更详细地描述的，诸如224的下组pmos标头用于在纯采集模式下顺序打开电源域。在一示例性实施例中，诸如226的上组pmos标头用于在电池供电模式下关闭任何未使用的电源域，以进一步降低能耗。

图3示出了用于单元库209(图2)的所提出的双模单元300的运行。其中，四个额外的晶体管(m1，m2，m5，m6)被添加到传统cmos门302(在该示例性实施例中为逆变器门)。当模式(mode)＝0(即nm模式)时，m1和m5导通并提升δv，以将节点n1上拉至vdd(将n2下拉至接地)，这禁用了来自晶体管m2和m6的反馈路径，并允许传统cmos门运行，对照nm配置304。

在该示例性实施例中，发现在nm模式下δv＝0.4v的电压提升足以补偿m1和m5的阈值电压降，并且由dc-dc转换器218(图2)交付，该dc-dc转换器218在该模式下由电池214(图2)供电。此外，δv可以用作调节旋钮，用于在给定的vdd下权衡功率以获得更高的工作频率和更好的能效。如图4所示，对于vdd＝0.4v，通过将δv设置为–vdd至0.4v，可以在频率(曲线400)和功率(曲线402)上实现近5个数量级的调节。值得注意的是，本发明的实施例还有利地具有实现所有/任何中间功率性能权衡的能力。也就是说，除了定义从最小能量到最小功率运行模式的连续范围的两个(非常远的)设计点之外，本发明的实施例还能够通过调节δv来实现任何中间的权衡，参见图4。就这一点而言，对于双模实施例所描述的处于最小能量和最小功率的两个设计点仅是示例性的，而非限制性的。在不同的实施例中，可以从连续的设计点范围内为多模式系统的不同模式选择两个或多个设计点，如图4所示。回到图3，当模式＝1(即lsm模式)时，m1和m5均关断(δv＝-vdd)，并且逆变器作为dls逻辑运行[1]，对照lsm配置306，由于m1-m6的反向栅极偏置(即超截止)，有利地确保了最小(亚泄漏)功率。更一般而言，当δv>0v时，m1和m5的栅极被过驱动以逐渐恢复out(输出)的全摆幅。另一方面，当δv≤0v时，m1和m5逐渐关断以作为dls逻辑运行[1]。

在根据示例实施例(图5)的35-级环形振荡器的测量中，显示在0.4v处，lsm模式(曲线500)与nm模式(曲线502)相比功率降低了750倍，而nm模式(曲线504)与lsm模式(曲线506)相比加速了3800倍，且nm模式(曲线508)与lsm模式(曲线510)相比能量降低了5倍。基于该原理，根据示例性实施例设计了双模标准单元库209(图2)。

在图6中，对根据使用上述双模标准单元库和自动设计流程设计的示例性实施例的双模微控制器系统进行的测量显示，lsm模式下的最小功率点出现在0.45v处，最小功率为595pw，如曲线600所示，比曲线602所示的正常模式下的最小功率点低198倍。运行移动平均程序时，如曲线604所示，在完全启用了存储器组的情况下，在0.45v处，nm模式下的最小能量点为33pj/cycle(在使用512b存储器时为14pj/cycle，对其他存储器组进行功率门控)，与如曲线606所示的lsm模式下相比能量低8.2倍(19.4倍)。在相同的最小能量点处，如曲线604所示，根据该示例性实施例的mcu系统以19khz的频率运行，这比如曲线606所示的lsm模式下的频率快7755倍。根据图6所示的结果，根据该示例性实施例的双模重配置可以有利地打破传统单模系统中遇到的在最小功率和最小能量之间的权衡。与传统cmos设计相比，根据该示例性实施例的双模重配置系统的lsm模式将功耗降低至sub-nw范围，如dls逻辑[1]。相反且有利地，根据该示例性实施例的双模重配置系统的nm模式避免了dls的急剧的速度(7,755x)和能量(8.2x)下降。

一旦自举，在lsm模式下的运行将根据示例性实施例的mcu系统所汲取的电流减小到na级范围，但是，当采集器电压逐渐升高时吸收的dc电流要大得多，如在[1]中针对dls逻辑所观察到的那样。例如，如图6中的曲线图600和606所示，在lsm模式下vdd＝0.2v时的电流(功率)比最小功率点vdd＝0.45v时的值大17.1倍(7.6倍)。dls单元中的晶体管在较低的vdd处的栅极负偏压较小，因此所消耗的电流要比最小功率点大得多[1]。在[1]中，通过要求在加电时显著提高采集器的功率，然后在现场运行期间允许其较小，来解决此问题。然而，这限制了系统在采集功率中断后再次启动的能力，因为在重新获得大的采集功率之前它不会启动。

为了解决这个问题，根据示例性实施例，引入了纹波功率门控自启动机制，以有利地允许在有限的采集功率下冷启动。不是一次全部给整个微控制器系统加电，而是将微控制器系统划分为较小的电源域，这些电源域由纹波自启动块216(图2)顺序供电，该纹波自启动块216逐渐打开相关的标头休眠晶体管。每个电源域中的门数优选地小到足以保持其加电峰值电流低于由应用设置的最小目标采集功率(例如，图2中太阳能电池222中的低照度)。每个纹波功率门控级，例如图7中的700b，包含一个滞后电压检测器vd1，在该示例性实施例中，当纹波功率门控级，例如700，的输入电压达到250mv触发电平时，该滞后电压检测器vd1在延迟后导通下一级休眠晶体管，在该示例中为6位可编程延迟电路704(可调用于测试目的)。

具体地，在第一纹波功率门控级700a中，当在自启动期间在vd1处检测到的采集器电压vsc达到250mv触发电平时，可编程延迟vd2被启用，继而，vd2上拉vout，vd2，结果，反相电压检测器(ivd)将sleep702a下拉以导通下一个休眠晶体管，这里是mcu核心域706。在下一个纹波功率门控级700b中，在vd1处检测到的mcu核心域电压vcore达到250mv触发电平时，可编程延迟vd2被启用，继而，vd2上拉vout，vd2，结果，ivd将sleep702b下拉以导通下一个休眠晶体管，这里是membank0&1708。在最后一个纹波功率门控级700c中，在vd1处检测到的vdm67电压达到250mv触发电平时，可编程延迟vd2被启用，继而，vd2上拉vout，vd2，结果，ivd将sleep702c下拉以导通下一个休眠晶体管，这里是时钟发生器710。值得注意的是，在根据示例性实施例的该自启动展示中不使用指令存储器(即使根据示例性实施例将其作为附加特征提供)，但是使用rom(对照图2中206，包含启动程序)。

图8中的图800示出了根据示例性实施例的在自启动期间逐步激活电源域的信号的测量波形，例如802a、802b、802c，由片上0.54mm²太阳能电池在55lux照度下供电(作为典型的黄昏)。在图804中，曲线806示出了根据示例性实施例的纹波启动(即，一次接通并添加一个域，前一个域保持接通，而下一个域功率门控)所吸收的电流，由片上0.54mm²太阳能电池在55lux照度下供电。如图804中的曲线808所示，如果没有传统的“全开”启动(“allon”start-up)，则安全启动(明亮的办公室照明)需要超过380lux。

与现有技术相比，本发明的实施例提供了一种双模架构，与[1]相比，该双模架构可以将每个门的最小能量提高5.5倍，速度提高五个数量级，同时获得与[2-3]相当并低于[5-6]的能量/门。在亚泄漏运行中，与[2-6]相比，根据示例性实施例的双模架构可在最小功率/门方面提供超过780倍的改进，从而允许根据示例性实施例的系统在55lux的光强度下使用0.54mm²片上太阳能电池充分工作。

图9示出了根据示例性实施例的用于电池无关紧要的或纯能量采集的多模式系统的单元逻辑结构900的示意图。单元逻辑结构900包括cmos门电路902；标头电路904，其耦合到cmos门电路，并且包括用于并联耦合在电源电压909和cmos门电路902之间的第一和第二标头晶体管906、908；脚标电路910，其耦合到cmos门电路902，并且包括用于并联耦合在cmos门电路902和接地电压916之间的第一和第二脚标晶体管912、914；其中，标头电路904和脚标电路910被配置成用于在多模式系统900的不同运行模式之间进行切换，这些不同运行模式从正常模式和泄漏抑制模式的范围中选择。在正常模式下，从cmos门电路902的输出到第二标头晶体管908的栅极以及到第二脚标晶体管914的栅极的反馈路径被基本上或完全被禁用，以实现cmos门电路902的输出电压的全摆幅；在泄漏抑制模式下，反馈路径基本上或完全启用。

第一和第二标头晶体管906、908可以包括nmos晶体管。

第一和第二脚标晶体管912、914可以包括pmos晶体管。

标头电路904和脚标电路910可以被配置为用于通过使第一标头晶体管906和第一脚标晶体管912的栅极过驱动来禁用反馈。

图10示出了根据示例性实施例的电池无关紧要的或纯能量采集的多模式系统1000的示意图。系统1000包括用于为双模系统发电的能量采集电路1002；如上参考图9所述的一个或多个单元逻辑结构900；以及在多模式系统1000的不同运行模式之间切换的功率管理电路1006。

功率管理电路1006可以包括自启动电路部分1008，其用于在由采集电路1002产生的电力中断之后逐渐地为多模式系统1000加电。

自启动电路部分1008可以被配置为顺序地给多模式系统1000的分区加电。

自启动电路部分1008可以包括用于在各个分区的加电之间引入延迟的延迟电路1010。

双模系统还可以进一步包括被配置为从采集电路再充电的电池1004，并且第一级电力可以至少部分地由电池1004提供，第二级电力可以仅由采集电路1002提供。

第一级和第二级电力可以仅由采集电路1002的不同输出电平提供。

图11示出了流程图1100，其示出了根据示例性实施例的用于电池无关紧要的或纯能量采集的多模式系统的单元逻辑结构的运行方法。在步骤1102，控制耦合到cmos门电路的标头电路，该标头电路包括用于并联耦合在电源电压和cmos门电路之间的第一和第二标头晶体管，并且在步骤1104，控制耦合到cmos门电路的脚标电路，该脚标电路包括用于并联耦合在cmos门电路和接地电压之间的第一和第二脚标晶体管。使得多模式系统可在不同的运行模式之间切换，这些不同运行模式从正常模式和泄漏抑制模式的范围中选择。在正常模式下，从cmos门电路的输出到第二标头晶体管的栅极以及到第二脚标晶体管的栅极的反馈路径被基本上或完全被禁用，以实现cmos门电路的输出电压的全摆幅；在泄漏抑制模式下，反馈路径基本上或完全启用。

第一和第二标头晶体管可以包括nmos晶体管。

第一和第二脚标晶体管可以包括pmos晶体管。

该方法可以包括控制标头电路和脚标电路，以通过使第一标头晶体管和第一脚标晶体管的栅极过驱动来禁用反馈。

图12示出了流程图1200，其示出了根据示例性实施例的运行电池无关紧要的或纯能量采集的多模式系统的方法。在步骤1202，使用能量采集电路产生用于双模系统的电力。在步骤1204，执行运行单元逻辑结构的方法1100。在步骤1206，多模式系统在不同的运行模式之间切换。

该方法可以包括在由采集电路产生的电力中断之后逐渐地给多模式系统加电。

该方法可以包括顺序地给多模式系统的分区加电。

该方法可以包括在各个分区的加电之间引入延迟。

本发明的实施例可以具有以下一个或多个特征以及相关的益处/优点：

作为示例而非限制，本发明的实施例可以具有以下应用：

-提供一种既可以在最小能量模式又可以在最小功率模式下运行的解决方案，弥合了电池供电系统和纯采集系统之间的差距；

-提供了一种以有限采集功率实现冷启动的解决方案，不同于[1]中的突跳启动。

本文描述的系统和方法的各方面可以被实现为编程到各种电路中的任何一种的功能，包括可编程逻辑器件(plds)，例如现场可编程门阵列(fpgas)、可编程阵列逻辑(pal)器件、电可编程逻辑和存储器件以及标准单元基器件，以及专用集成电路(asics)。用于实现该系统各方面的一些其他可能性包括：具有存储器的微控制器(例如电可擦除可编程只读存储器(eeprom))、嵌入式微处理器、固件、软件等。此外，系统的各方面可以体现在具有基于软件的电路仿真、离散逻辑(顺序和组合)、定制器件、模糊(神经)逻辑、量子器件以及上述任意器件类型的混合的微处理器中。当然，可以以各种组件类型提供基础器件技术，例如，诸如互补金属氧化物半导体(cmos)的金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)技术、诸如发射极耦合逻辑(ecl)的双极技术、聚合物技术(例如，硅共轭聚合物和金属共轭聚合物金属结构)、模拟和数字混合等。

以上对系统和方法的所示实施例的描述并不旨在穷举或将系统和方法限制为所公开的精确形式。尽管本文出于说明性目的描述了系统组件和方法的特定实施例和示例，但是正如相关领域的技术人员将认识到的，在系统、组件和方法的范围内可以进行各种等效的修改。本文提供的系统和方法的教导可以应用于其他处理系统和方法，而不仅仅适用于上述系统和方法。

可以将上述各种实施例的元件和动作组合以提供其他实施例。可以根据上述详细描述对系统和方法进行这些和其他改变。

例如，本发明的实施例所解决的自启动问题也适用于dls系统，如[1]中描述的dls系统。通常，在以下权利要求书中，所使用的术语不应被解释为将系统和方法限制在说明书和权利要求书中公开的特定实施例中，而应该解释为包括根据权利要求书运行的所有处理系统。因此，系统和方法不受本公开的限制，而是完全由权利要求书确定系统和方法的范围。

此外，尽管在上述实施例中存在电池和电池充电器，但即使在仅具有能量采集(没有电池充电)的系统中，本发明也可以应用于调整频率-功率权衡。在这些实施例中，可以适应来自采集器的非常不同的可用/输送功率水平，正如本领域技术人员将认识到的，这是有用的。

除非上下文清楚地另外要求，否则在整个说明书和权利要求书中，词语“包括”、“包含”等应理解为包含性含义，而不是排他性或穷举性含义。也就是说，从某种意义上说的“包括但不限于”。使用单数或复数的词也分别包括复数或单数。另外，词语“在此”、“在此之下”、“以上”、“以下”，以及类似含义的词语是指本申请整体，而不是本申请的任何特定部分。当词语“或”用于指两个或多个项目的列表时，该词涵盖其以下所有解释：列表中的任一项目、列表中的所有项目、列表中的项目的任意组合。

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