專利名稱：片內(nèi)電流測量方法和半導(dǎo)體集成電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體芯片(以下簡稱為"芯片")的工作時的電路 塊的電流的測量技術(shù)。
背景技術(shù)：
近年來，隨著半導(dǎo)體處理技術(shù)的提高，最小加工尺寸的微細(xì)化正 漸漸發(fā)展。結(jié)果，安裝在1個芯片中的晶體管數(shù)量增多，在l個芯片
中嵌入了計算機的主要功能的SoC (System On a Chip)已經(jīng)普及。 SoC是指在1個芯片中集成了微處理器、接口控制器、多媒體信號處 理處理器、存儲器等功能塊(電路塊)的器件，縮小了安裝所需要的 面積，與具有同等功能的多個芯片構(gòu)成的系統(tǒng)相比大幅抑制了成本。
另一方面，高集成化進展下的SoC，隨著晶體管數(shù)量的增加產(chǎn)生消耗 電流增大的問題。消耗電流的增加使芯片的發(fā)熱量增加、芯片的可靠 度降低。另外，在便攜式設(shè)備等中使電池驅(qū)動時間降低。芯片中集成 的晶體管數(shù)量增加和隨著微細(xì)化晶體管的漏電流增大，是使消耗電流 增大的原因。消耗電流的種類可以分為DC電流和AC電流兩種。DC 電流是所謂的漏電流，是即使在電路沒有工作的狀態(tài)下只要提供了電 源電壓就產(chǎn)生的電流。而AC電流是晶體管的充放電電流，是在電路 工作時消耗的電流(工作時電流)。以往，為了降低消耗電流，致力 于如何降低漏電流。以下，舉例說明SoC中的漏電流的降低方法。
SoC是按功能分割的電路塊的集合體。如果觀察某個瞬間的SoC 的工作狀態(tài)，則并非所有的電路都工作。這是由于僅是滿足所要求的 功能的電路塊工作即可。因此，通過切斷對未使用的電路的電源提供， 能夠消除該電路塊的漏電流。本方法例如在專利文獻l中說明過。
另外，為了分析、測試、或?qū)刂频姆答?，需要測量在哪個電路塊流經(jīng)了多少電流的技術(shù)。這些在專利文獻2、 3中說明過。在專利 文獻2中記載了這樣的方法，在電源線與各電路間和接地線與各電路 間的至少任意一方設(shè)置開關(guān)裝置，在測量各電路的消耗電流時，使上 述開關(guān)裝置處于切斷狀態(tài)，在設(shè)置于開關(guān)裝置兩端的焊盤間連接測量 設(shè)備來測量消耗電流。在專利文獻3中記載了這樣的裝置，包括設(shè)置 于各子電路的切斷該子電路的電流的開關(guān)裝置、檢觀該子電路的電源 電流的檢測裝置、以及根據(jù)該檢測裝置的輸出控制上述開關(guān)裝置的觀'J 試裝置。
近來，對SoC要求的功能增多，在觀察某個瞬間的時候正在工作 的晶體管數(shù)量增加，結(jié)果，工作時的電流不斷增大以至于不可小視。
尤其是在便攜式設(shè)備等中，要求哪怕是一點也要降低消耗電流，因此 工作時電流的降低與漏電流的降低同樣重要。另外，測量在哪個電路 塊消耗了多少工作時電流的方法也同樣重要。日本特開200孓218682號公報日本特昭63-93M2號公報日本特開平5-288"8號公才艮

發(fā)明內(nèi)容
在以前的工作時電流的測量中，大多用外部測量儀器測量流入芯 片的電源管腳的電流。但是，該方法雖然能夠測量芯片整體的工作時 電流，卻不能測量芯片測試模式以外的工作(正常工作)中的電路塊 的電流(稱為"片內(nèi)電流")。關(guān)于這點，上述專利文獻l-3均沒有 解決。
本發(fā)明的目的在于，提供一種測量在芯片正常工作的狀態(tài)下的電 路塊的電流的技術(shù)。
本發(fā)明的上述及其他目的和新特征，將通過說明書的描述和附圖 來得到明確。
在本申請所公開的發(fā)明中有代表性的技術(shù)，簡單說明如下。 即，當(dāng)包括具有預(yù)定功能的電路塊、和能對上述電路塊提供工作 用電源的電源開關(guān)時，算出上述電源開關(guān)被接通狀態(tài)下的上述電源開 關(guān)的端子間電壓，根據(jù)上述電源開關(guān)的端子間電壓和上述電源開關(guān)的 導(dǎo)通電阻，計算流入上述電路塊的電流。
在本申請所公開的發(fā)明中有代表性的技術(shù)所取得的效果，簡單說 明如下。
即，能夠測量在芯片正常工作狀態(tài)下的電路塊的電流。


圖1是作為本發(fā)明的半導(dǎo)體集成電路的一例的SoC中內(nèi)部邏輯電
路的結(jié)構(gòu)例框圖。
圖2是表示圖1所示的內(nèi)部邏輯電路的放大器的結(jié)構(gòu)例電路圖。
圖3是說明上述SoC的主要部分的布局的圖。
圖4是說明上述SoC的電源開關(guān)周圍的布局的圖。
圖5是圖4的主要部分的剖視圖。
圖6是上述SoC的電流測量的步驟的流程圖。
圖7是上述SoC的主要部分的另一結(jié)構(gòu)例框圖。
圖8是圖7的放大器的結(jié)構(gòu)例電路圖。
圖9是上述SoC的主要部分的另一結(jié)構(gòu)例框圖。
圖IO是圖9的電壓頻率轉(zhuǎn)換電路的結(jié)構(gòu)例電路圖。
圖11是圖9的頻率電壓轉(zhuǎn)換電路的結(jié)構(gòu)例電路圖。
圖12是上述SoC的主要部分的另一結(jié)構(gòu)例框圖。
圖13是圖12所示的調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)例電路圖。
圖14是圖12所示的放大器的結(jié)構(gòu)例電路圖。
圖15是包括作為本發(fā)明的半導(dǎo)體集成電路的一例的SoC的用戶 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)例框圖。
圖16是包括作為本發(fā)明第二實施方式的半導(dǎo)體集成電路的一例 的SoC中內(nèi)部邏輯電路的結(jié)構(gòu)例框圖。
圖17是本發(fā)明第二實施方式的最大功率控制的示意圖。
圖18是圖16的SoC的反饋的步驟的流程圖。
具體實施例方式
1.代表性的實施方式。
首先，說明本申請中公開的發(fā)明的代表性的實施方式的概要。在 對代表性的實施方式的概要說明中，附加括號來參照的附圖標(biāo)記只不 過例示出賦予該附圖標(biāo)記的結(jié)構(gòu)要素的概念中所包括的結(jié)構(gòu)要素。本發(fā)明的代表性的實施方式的片內(nèi)電流測量方法如下在包 括具有預(yù)定功能的電路塊(Cl )、和能對上述電路塊提供工作用電源 的電源開關(guān)(PSW1 )的半導(dǎo)體集成電路(SoC)中，設(shè)置第一處理和 第二處理，其中，上述第一處理算出上述電源開關(guān)被接通狀態(tài)下的上
述電源開關(guān)的端子間電壓；上述第二處理根據(jù)上述電源開關(guān)的端子間 電壓和上述電源開關(guān)的導(dǎo)通電阻計算流入上述電路塊的電流。
根據(jù)上述結(jié)構(gòu)，算出上述電源開關(guān)被接通狀態(tài)下的上述電源開關(guān)
通電阻，計算流入上述電路塊的電流。由此，能夠在芯片為正常工作 的狀態(tài)下進行電路塊的電流測量。此時，經(jīng)由上述半導(dǎo)體集成電路的外部端子將在上述第二處理 中得到的電流計算結(jié)果輸出到外部，使得能夠進行上述電流計算結(jié)果 的外部監(jiān)視。根據(jù)另一觀點，構(gòu)成半導(dǎo)體集成電路，該半導(dǎo)體集成電路包括 具有預(yù)定功能的電路塊(Cl );能對上述電路塊提供工作用電源的電 源開關(guān)(PSW1);以及根據(jù)上述電源開關(guān)被接通的狀態(tài)下的上述電 源開關(guān)的端子間電壓、和上述電源開關(guān)的導(dǎo)通電阻，算出流入上述電 路塊的電流的電流測量電路(100)。
根據(jù)上述結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體集成電路，電流測量電路根據(jù)上述電源開 關(guān)被接通的狀態(tài)下的上述電源開關(guān)的端子間電壓、和上述電源開關(guān)的 導(dǎo)通電阻，算出流入上述電路塊的電流。此時，上述電流測量電路包括放大器(Ampl)，用于將上
與
其相應(yīng)的電流；AD轉(zhuǎn)換器(ADC1),用于將上述放大器的輸出信號 轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；以及運算電路(DSP1 ),能根據(jù)上述AD轉(zhuǎn)換器的 轉(zhuǎn)換輸出，計算出流入上述電路塊的電流。設(shè)置多組上述電路塊和與其對應(yīng)的上述電源開關(guān)時，上述放大 器與上述電源開關(guān)對應(yīng)地配置有多個。上述放大器與上述電源開關(guān)對應(yīng)地配置有多個時，上述電流 測量電路還包括多路轉(zhuǎn)換器(MUX1)，該多路轉(zhuǎn)換器能將上述多個 放大器的輸出信號選擇性地輸出到上述AD轉(zhuǎn)換器。另外，為了能夠使上述多個放大器共用上述AD轉(zhuǎn)換器、上述 運算電路，上述電流測量電路還包括控制器(CTL2)，該控制器能 通過控制上述多個放大器，將上述多個放大器的輸出信號選擇性地輸 出到上述AD轉(zhuǎn)換器。上述電流測量電路還包括電壓頻率轉(zhuǎn)換電路(VFC1 )，用
換為與其相應(yīng)的振蕩頻率；頻率電壓轉(zhuǎn)換電路(FVC),用于將上述 電壓頻率轉(zhuǎn)換電路的輸出信號轉(zhuǎn)換為與其相應(yīng)的電壓；以及運算電路 (DSP2),能根據(jù)上述頻率電壓轉(zhuǎn)換電路的轉(zhuǎn)換輸出，計算流入上 述電路塊的電 流。設(shè)置多組上述電路塊和與其對應(yīng)的電源開關(guān)時，上述電壓頻率 轉(zhuǎn)換電路，與上述電源開關(guān)對應(yīng)地配置有多個。根據(jù)另一觀點，構(gòu)成半導(dǎo)體集成電路，該半導(dǎo)體集成電路包 括電路塊(Cl),具有預(yù)定功能；調(diào)節(jié)器(Regl)，具有用于降低 電源電壓的晶體管(MP3)，通過根據(jù)基準(zhǔn)電壓控制上述晶體管的導(dǎo) 通電阻來形成上述電路塊的工作用電壓；以及電流測量電路(100)， 在經(jīng)由上述晶體管對上述電路塊提供上述工作用電壓的狀態(tài)下，根據(jù) 上述晶體管的漏極-源極間電壓算出流入上述電路塊的電流。
根據(jù)上述結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體集成電路，電流測量電路在經(jīng)由上述晶體 管對上述電路塊提供了工作用電壓的狀態(tài)下，根據(jù)上述晶體管的漏極
-源極間電壓算出流入上述電路塊的電流。由此，能夠在芯片正常工 作的狀態(tài)下進行電路塊的電流測量。上述電流測量電路包括放大器(Ampnl),用于將經(jīng)由上
管的漏極-源極間電壓轉(zhuǎn)換為與其相應(yīng)的電流；AD轉(zhuǎn)換器(ADC1), 用于將上述放大器的輸出信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；以及運算電路(100)， 能根據(jù)上述AD轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換輸出，計算出流入上述電路塊的電流。設(shè)置多組上述電路塊和與其對應(yīng)的上述調(diào)節(jié)器時，上述放大 器與上述調(diào)節(jié)器對應(yīng)地配置有多個。
2.實施方式的i兌明
下面，進一步詳細(xì)說明實施方式。
在用于說明實施方式的所有圖中，原則上對同 一 部件賦予同 一 標(biāo) 號，省略其反復(fù)說明。另外，構(gòu)成半導(dǎo)體集成電路器件的各結(jié)構(gòu)要素、 各信號名等，有時僅用賦予其的標(biāo)號進行說明。
圖15表示作為本發(fā)明的半導(dǎo)體集成電路的一例的SoC (System On a Chip)。圖1所示的SoC沒有被特別限制，但利用公知的半導(dǎo) 體集成電路制造技術(shù)，形成在例如單晶硅襯底等一個半導(dǎo)體襯底上。 該SoC在用戶系統(tǒng)中與外部存儲器MEM相耦合，能夠利用SoC的內(nèi) 部邏輯電路LC訪問上述外部存儲器MEM。
圖1表示上述內(nèi)部邏輯電路LC的結(jié)構(gòu)例。
上述內(nèi)部邏輯電路LC包括電流測量電路100,該電流測量電路
用于測量流入多個電源區(qū)Areal、 Area2........ AreaN、和上述多個
電源區(qū)Areal、 Area2、 ....... AreaN所包含的電i 各塊Cl的電流。上
述多個電源區(qū)Areal、 Area2........ AreaN所包含的電^各塊Cl,沒
有被特別限制，但分別是具有預(yù)定功能的功能模塊，如CPU(中央處 理裝置)、基帶處理器、應(yīng)用程序處理器、存儲器、或中斷處理控制 器等。
電源區(qū)Areal、 Area2........ AreaN被彼此獨立地提供高電位側(cè)
電源(VDD)和與在其他電源區(qū)使用的電源分別不相同的接地電源vss。另外，在這些電源區(qū)，通過分別單獨控制設(shè)置于各電源區(qū)的電 源開關(guān)(在Areal中為PSW1 ),能夠切斷每個電路塊Cl的電源。 電源開關(guān)沒有被特別限制，但取為n溝道型MOS晶體管。上述電流 測量電路100包括放大器Ampl ~ AmpN、多路轉(zhuǎn)換器MUX1、 MUX 控制器CTL1、 AD(模擬/數(shù)字)轉(zhuǎn)換器ADC1、數(shù)字信號處理器DSP1、 只讀存儲器R0M1。 一般，上述放大器Ampl ~ AmpN、 ADC1為模擬 電路。上述放大器Ampl ~ AmpN具有如下功能，即在對應(yīng)的電源區(qū)
Areal、 Area2........ AreaN中的電源開關(guān)PSW1接通時，將因漏極
-源極間流過電流I而產(chǎn)生的端子電壓轉(zhuǎn)換為與其相應(yīng)的電流。多路轉(zhuǎn) 換器MUX1選擇性地將上述放大器Ampl ~ AmpN的輸出端子與后級 的AD轉(zhuǎn)換器ADC1耦合。該工作由MUX控制器CTL1控制。上述 AD轉(zhuǎn)換器ADC1的輸出信號被傳輸?shù)胶蠹壍臄?shù)字信號處理器DSP1。 該數(shù)字信號處理器DSP1，根據(jù)上述AD轉(zhuǎn)換器ADC1的輸出信號，
計算流入上述電源區(qū)Areal、 Area2........AreaN中的電源開關(guān)PSW1
的電流、即流入對應(yīng)的電路塊Cl的電流。在R0M1中存儲有設(shè)計時 已知的電源開關(guān)的導(dǎo)通電阻R、設(shè)計時已知的放大器的放大系數(shù)oc的 信息。在計算電流時，根據(jù)需要參考ROMl的存儲信息。R0M1可以 由掩模只讀存儲器等只讀存儲器、或閃速存儲器等非易失性存儲器構(gòu) 成。數(shù)字信號處理器DSP1的輸出信號Doutl能通過SoC的外部端子 Output輸出到外部。另外，數(shù)字信號處理器DSP1的輸出信號Doutl，
能夠根據(jù)需要傳輸?shù)缴鲜鲭娫磪^(qū)Areal、 Area2、 ....... AreaN,用于
反饋控制。例如，如果電源區(qū)AreaN為中斷處理控制器，則當(dāng)流過標(biāo) 準(zhǔn)以上的電流值時，能夠進行控制使得向其他電源區(qū)中安裝的CPU 發(fā)出通知，調(diào)節(jié)芯片整體的電源提供電壓、工作頻率或處理任務(wù)數(shù)等， 將電流值降低到標(biāo)準(zhǔn)以下。
在本例中，在芯片進行正常工作的過程中，也能如以下那樣測量 流入各電^各塊Cl的電 流o
流入電路塊Cl的電流由電源開關(guān)PSW1暫時匯集。因此，通過 測量流經(jīng)電源開關(guān)的電流I，能夠求出流入電路塊C1的電流。在現(xiàn)有
技術(shù)中為了測量流入電路塊的電流而使用了電源開關(guān)。但該電源開關(guān) 終究是作為被測量電路塊的選擇用開關(guān)而發(fā)揮作用的。因此，通過僅 使要測量的電路塊的電源開關(guān)接通或斷開來僅使該電路塊工作。即， 當(dāng)芯片為正常工作(一般正常工作中多個電路塊工作)狀態(tài)時，不能 進行各個電路塊的電流測量。但是，根據(jù)本例，能夠一邊對所有或一 部分電源區(qū)提供電源而使芯片正常工作， 一邊進行單個電路塊C1的 電流測量。
在此，按照圖6的流程圖說明本例中的電流測量的步驟。
首先，接通作為測量對象的電路塊Cl所對應(yīng)的電源開關(guān)PSW1
(ST1)。由此，電源開關(guān)PSW1中流經(jīng)工作電流I,因電源開關(guān)PSW1 的導(dǎo)通電阻而產(chǎn)生電壓降(ST2)。利用該電壓降，電源開關(guān)PSW1 中的電路塊側(cè)的節(jié)點(Vd)和接地電位側(cè)的節(jié)點(Vs)間的電壓被 傳輸?shù)綄?yīng)的放大器Ampl，在該放大器Ampl中進行電壓電流轉(zhuǎn)換
(ST3 )。放大器Ampl的輸出信號由多路轉(zhuǎn)換器MUX1選擇性地傳 輸?shù)紸D轉(zhuǎn)換器ADC1 ( ST4),該信號被轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(ST5 )后 傳輸?shù)綌?shù)字信號處理器DSP1。在數(shù)字信號處理器DSP1中，根據(jù)電 源開關(guān)PSW1的端子電壓和電源開關(guān)PSW1的導(dǎo)通電阻，計算流入電 源開關(guān)PSW1的電流、即流入電路塊Cl的電流(ST6)。電源開關(guān) PSW1的導(dǎo)通電阻的信息被預(yù)先存儲在R0M1中，該信息由數(shù)字信號 處理器DSP1參考。流入電路塊Cl的電流能夠通過用電源開關(guān)的電 路塊側(cè)的節(jié)點(Vd)和接地電位側(cè)的節(jié)點(Vs)間的電壓除以設(shè)計 時已知的電源開關(guān)(PSW1)的導(dǎo)通電阻來求出。在上述電流測量中， 即使所有的電源區(qū)的電源開關(guān)都接通也沒有關(guān)系，因此能夠進行芯片 正常工作時的各電路塊的電流測量。上述數(shù)字信號處理器DSP1中的 運算結(jié)果，被反饋給內(nèi)部電路，或通過外部端子Output輸出到外部
(ST7)。
因為電源開關(guān)PSW1的導(dǎo)通電阻較小，所以預(yù)計實際芯片中的 Vd-Vs間電壓為10mV左右，信號強度較小。因此，如果就這樣使將 該信號在芯片內(nèi)到處傳輸時則有可能混入噪聲。因此，通過將放大器Ampl~AmpN設(shè)置在對應(yīng)的電路塊附近，可以盡量縮短從電源開關(guān) 到所對應(yīng)的放大器Ampl ~ AmpN的信號傳輸路徑的長度。這樣一來， 即使混入少許噪聲，也能夠進行高精度的電流測量。
圖2表示上述放大器Amp 1 ~ AmpN的結(jié)構(gòu)例。
本放大器大致劃分則包括對在Outl輸入的電壓進行電壓轉(zhuǎn)換的 源極跟隨器電路SF1,將電壓轉(zhuǎn)換為電流信號的由p溝道型MOS晶 體管MP1、 MP2形成的電流鏡電路CM。該電^各的》文大率oc大致可用 p溝道型MOS晶體管MP1和MP2的元件尺寸比來表示。Vbiasl是 用于使SF1工作的偏置信號。MN1是用于將SF1的輸出電壓信號轉(zhuǎn) 換為電流信號的N溝道型MOS晶體管。本放大器是模擬電路，因此 被施加比數(shù)字電路的VDD電壓高的電壓VCC (約3V)。
圖3表示上述SoC的主要部分的布局。
電源區(qū)由Areal ~ Area5這5個構(gòu)成。電源開關(guān)(PSW1 ~ PSW5 ) 基本存在于各電路塊的兩側(cè)。各電源區(qū)由所謂的數(shù)字電路構(gòu)成，放大 器Ampl AmpN (模擬電路)設(shè)置在模擬電路(Anl ~ An5 )附近。 由此，能夠縮短在芯片內(nèi)傳輸微弱信號的距離，能夠進行高精度的測 量。由于AD轉(zhuǎn)換器ADC能夠在芯片中共用，所以設(shè)置于芯片的某 一處。DSP1可設(shè)置于電源區(qū)Areal ~ Area5中的任意一個。
圖4表示上述電源開關(guān)周圍的布局。
在圖4中，在x方向延伸的布線用第一金屬層Ml來布線，布置 VDD電源線VDDM1和虛設(shè)接地(VSSM)電源線VSSMM1。 VSSM 是可由后述的電源開關(guān)切斷成真正接地(VSS)的電源線。在y方向 延伸的布線用與在x方向布線的第一金屬層不同的、例如第二金屬層 M2來布線。VDD和VSSM由于在電源區(qū)全局地布線，所以通過連接 規(guī)則的縱干線(VDDM2、 VSSMM2)來謀求電阻降低。在圖4中， 分別只示出一條，但為了將提供了內(nèi)部邏輯電路的工作速度等所需要 量的電流時的電壓降控制在規(guī)定值以內(nèi)，規(guī)則且適當(dāng)?shù)剡M行配置。在 電源區(qū)內(nèi)配置被稱為標(biāo)準(zhǔn)單元的反相電路(INV )、與非電路(NAND )、 或非電路(NOR)、觸發(fā)器(FF)這樣的基本電路的布局。電源開關(guān)
PSW由漏極側(cè)擴散層DINV、柵極GATE1 、源極側(cè)擴散層SINV形成。 PSW通常由NMOS形成。DINV和VSSMM1由觸點連接，SINV和 新的接地VSS由觸點連接。與圖1中Vd節(jié)點相當(dāng)?shù)氖荲SSM，與 Vs節(jié)點對應(yīng)的是VSS。通常，VSS、 VSSM由于與規(guī)則的縱干線連接 所以阻抗低。因此，Vd、 Vs的測試點在VSS、 VSSM中分別有1點 就夠了。另一方面，設(shè)置多點測試點的好處在于能夠吸收電源區(qū)內(nèi)產(chǎn) 生的少量電壓誤差。
一般，電源開關(guān)的柵極氧化膜形成得比電源區(qū)內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)單元厚。 斷開電源開關(guān)時將GATE1設(shè)定為低電平(OV),接通電源開關(guān)時將 GATE1設(shè)定為高電平(1.5V)。由此，控制虛設(shè)接地VSSM與新的 接地VSS的連接關(guān)系。
圖5表示圖4的A-A，、 B-B，的剖面。
圖5的(a)表示圖4的A-A，的剖面。是由形成在P型襯底(Psub) 上的N型阱(Nwell)、形成在Nwell上的P型阱(PW1 、 Pwell)構(gòu) 成的3重阱結(jié)構(gòu)。電源開關(guān)是形成于PW1的N溝道型MOS晶體管。 隔著元件分離區(qū)(ST1)而形成相當(dāng)于電源區(qū)內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)單元的一部分 的PMOS。 GP、 DP、 SP分別相當(dāng)于4冊極、漏極、源極。
圖5的(b)表示圖4中B-B，的剖面。與前面所說的相同，是3 重阱結(jié)構(gòu)，電源開關(guān)的結(jié)構(gòu)也相同。隔著ST1形成的是相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)單 元的一部分的NMOS。 GN、 DN、 SN分別相當(dāng)于柵極、漏極、源極。
根據(jù)上述例子，能夠取得以下作用效果。
(1) 在按功能分割的電路塊的集合體SoC中，能夠在芯片的正 常工作狀態(tài)下，評價、測量和分析各電路塊所消耗的電流值。另外， 基于測量出的電流值，能夠?qū)π酒刂七M行反饋，從而能夠提高芯片 的可靠度。
(2) 因為電源開關(guān)PSW1的導(dǎo)通電阻較小，所以預(yù)計實際芯片中 的Vd-Vs間電壓為10mV,信號強度較小，但通過將放大器Amp1 AmpN設(shè)置在對應(yīng)的電路塊附近，盡可能縮短從電源開關(guān)到與其對應(yīng) 的放大器Ampl ~ AmpN的信號傳輸路徑的長度，則即使混入少許噪聲，也能夠進行高精度的電流測量。
(3)當(dāng)在電路塊中持續(xù)流經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)以上的電流時，芯片的發(fā)熱量將 增大，將使芯片的可靠度降低，因此，如以上那樣測量正常工作時的 電路塊的電流將有助于提高芯片的可靠度。另外，由于能夠測量正常 工作時的各電路塊的電流，所以容易評價分析芯片。
圖7表示上述SoC中主要部分的其他結(jié)構(gòu)例。
圖7所示的結(jié)構(gòu)與圖1所示的結(jié)構(gòu)的最大差別在于，省略了多路 轉(zhuǎn)換器MUX，由控制器CTL2利用控制線SIG直接控制放大器 Ampcl AmpcN，從而省略了多路轉(zhuǎn)換器MUX這一點。例如，在要 使Ampcl工作時，僅將輸入到Ampcl的SIG取為高電平，將其他控 制線SIG取為低電平即可。
圖8表示圖7中的放大器Ampcl的結(jié)構(gòu)例。其他放大器結(jié)構(gòu)相同。
從電源區(qū)Areal輸出的Vd、 Vs電壓信號的Outl 、 Out2被輸入到 放大器，這與圖2所示的相同。另外，放大器主體AMP的結(jié)構(gòu)與圖 2所示的相同。在圖7所示的結(jié)構(gòu)中，在放大器的電源VCC與接地之 間新增設(shè)置電源開關(guān)(PSWAD、 PSWAS),并設(shè)有放大器的開關(guān) (SW1)。例如在選擇了 Areal時，信號線SIG1為高電平，n溝道型 MOS晶體管PSWAD、 PSWAS導(dǎo)通，對放大器AMP提供電源。另 外此時，開關(guān)SW1接通，放大器AMP的輸出信號從輸出端子AoutX 輸出。另一方面，信號線SIG1為低電平，n溝道型MOS晶體管 PSWAD、 PSWAS截止，不對放大器AMP提供電源。另夕卜，開關(guān)SW1 斷開，防止不確定信號輸出到輸出端子AoutX。
根據(jù)這樣的結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)只有與被測量電源區(qū)連接的放大器AMP 工作的狀態(tài)，能夠抑制其他放大器所消耗的電流，因此能夠?qū)崿F(xiàn)SoC 中的功耗降低。
圖9表示上述SoC中主要部分的其他結(jié)構(gòu)例。
圖9所示的結(jié)構(gòu)與圖1所示的結(jié)構(gòu)的最大差別在于，代替圖1中的放大器設(shè)置電壓頻率轉(zhuǎn)換電路VFC1、 VFC2.......、 VFCN,削減了各電源區(qū)所需要的模擬電路區(qū)這一點。從各電壓頻率轉(zhuǎn)換電路 VFC1、 VFC2.......、 VFCN輸出信號Aoutfl、 Aoutf2，該信號#1后
級的多路轉(zhuǎn)換器MUX2選擇性地提供給頻率電壓轉(zhuǎn)換電路FVC。多 路轉(zhuǎn)換MUX2的工作由控制器CTL3控制。電壓頻率轉(zhuǎn)換電路VFC1、
VFC2........ VFCN以分別被輸入的電壓相應(yīng)的頻率進行振蕩。頻
率電壓轉(zhuǎn)換電路FVC根據(jù)所輸入的信號的頻率將其轉(zhuǎn)換為電壓。頻 率電壓轉(zhuǎn)換電路FVC的輸出電壓被提供給后級的DSP2。
使用電壓頻率轉(zhuǎn)換電路VFC時，從各電源區(qū)輸入的信號為3個系 統(tǒng)。即來自高電位側(cè)電源VDD的電壓電平信號Out3、和電源開關(guān) PSW1的兩端信號Out4、 Out5。需要電壓電平信號Out3的理由是， 作為電壓頻率轉(zhuǎn)換電路的特性在Vd-Vs間程度的小電壓下不工作。這 3個系統(tǒng)的信號的處理方式將在后面說明。
圖IO表示上述電壓頻率轉(zhuǎn)換電路VFC1的結(jié)構(gòu)例。其他電源區(qū)的 電壓頻率轉(zhuǎn)換電路的結(jié)構(gòu)也相同。
上述電壓頻率轉(zhuǎn)換電路VFC1具有2個環(huán)形振蕩器。該環(huán)形振蕩 器由奇數(shù)個反相器INV連接而成。已知該環(huán)形振蕩器以與被提供的電 源電壓(p溝道型MOS晶體管的源極電位)和4妾地電壓(n溝道型 MOS晶體管的源極電位)之差大致成比例的頻率進行振蕩。因此， 將高電位側(cè)電源VDD和節(jié)點Vd電壓、高電位側(cè)電源VDD和節(jié)點 Vs電壓作為輸入，將各自的電壓差轉(zhuǎn)換為頻率輸出。最終，從其頻 率差計算Vd-Vs的電壓差，從而求出流入電源開關(guān)PSW1的電流。
圖10中上級環(huán)形振蕩器的輸入是Out3 (VDD) 、 Out4 ( Vd )， 圖10中下級環(huán)形振蕩器的輸入是Out3 (VDD) 、 Out5 (Vs)。對 Aoutf 1 Aoutf2輸出以與各自的電壓差大致成比例的頻率進行振蕩的 波形。從電壓頻率轉(zhuǎn)換電路VFC1輸出的信號是環(huán)形振蕩器的振蕩信 號，因此即使稍微混入噪聲，也由于對該頻率的影響小而能夠進行高 精度的電流測量。輸出Aoutfl Aoutf2經(jīng)由多路轉(zhuǎn)換器MUX2被輸入 到頻率電壓轉(zhuǎn)換電路FVC。
圖11表示上述頻率電壓轉(zhuǎn)換電路FVC的結(jié)構(gòu)例。
在上述頻率電壓轉(zhuǎn)換電路FVC中，所輸入的信號Aoutfl、 Aoutf2
由內(nèi)部的頻率電壓轉(zhuǎn)換電路F V C C轉(zhuǎn)換為取決于頻率的電壓。另夕卜， 這些電壓由后級的放大器AMP轉(zhuǎn)換為電流，進一步由后級的AD轉(zhuǎn) 換器ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。即，輸出到DSPinl的信號是VDD-Vd 間的電壓信息，輸出到DSPin2的信息是VDD-Vs間的電壓信息。數(shù) 字信號處理器DSP2根據(jù)這些信息計算Vd-Vs間的電壓，以后與圖1 所示的情況相同，計算流入被測量對象的電源開關(guān)的電流值。
根據(jù)上述結(jié)構(gòu)，能夠用標(biāo)準(zhǔn)單元形成與各電源區(qū)一起設(shè)置的VFC 電路，能夠減小芯片的面積。另外，從VFC輸出的信息是頻率，因 此不易受噪聲的影響，能夠進行高精度的電流測量。
圖12表示上述SoC中主要部分的其他結(jié)構(gòu)例。
圖12所示的結(jié)構(gòu)與圖1所示的結(jié)構(gòu)的最大差別在于，利用調(diào)節(jié)器 Regl進行對各電源區(qū)的電路塊CI的電源提供，通過該調(diào)節(jié)器Regl 進行電路塊CI的電流測量這一點。當(dāng)使用調(diào)節(jié)器時，使用比邏輯電 路的高電位側(cè)電源電壓VDD高的電源電壓VCC。
圖13表示電源區(qū)Areal的調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)例。其他電源區(qū)的調(diào)節(jié)器 結(jié)構(gòu)相同。
調(diào)節(jié)器Regl由基準(zhǔn)電壓發(fā)生電路VREFC、運算放大器OPAmp、 p溝道型MOS晶體管MP3耦合而成。運算放大器OPAmp工作，使 得節(jié)點Vrs和基準(zhǔn)電壓發(fā)生電路VREFC的輸出電壓相等。例如，當(dāng) Vrs比基準(zhǔn)值低時，運算放大器OPAmp輸出更低的電壓，要使節(jié)點 Vrs的電壓回到基準(zhǔn)值。由此對電路塊CI提供穩(wěn)定的電源。SoC在 芯片工作狀態(tài)發(fā)生了劇烈變化時(尤其是復(fù)位時)，有時電路會因芯 片內(nèi)部發(fā)生的電壓降而誤工作。與此不同，如果使用調(diào)節(jié)器Regl則 能緩解這樣的問題。對于流入電路塊C1的電流，測量流入p溝道型 MOS晶體管MP3的電流即可，與圖1所示的電源開關(guān)的情況相同， 分別將p溝道型MOS晶體管MP3的漏極側(cè)節(jié)點電壓(Vrd)、源極 側(cè)節(jié)點電壓(Vrs )輸出到Out6、Out7。該輸出被傳輸?shù)椒糯笃鰽mpnl ~ AmpnN,在那里轉(zhuǎn)換為電流。
圖14表示上述放大器Ampnl的結(jié)構(gòu)例。其他放大器的結(jié)構(gòu)相同。
圖14所示的結(jié)構(gòu)與圖2所示的結(jié)構(gòu)的最大差別在于輸入初級的源 極跟隨器SF2的結(jié)構(gòu)。從各電源區(qū)輸出的信號Out6、 Out7是接近高 電壓電源的值，因此，除了與如圖2所示的SF1那樣由p溝道型MOS 晶體管構(gòu)成不同以外，該源極跟隨器SF2以后的電路結(jié)構(gòu)、電路工作 等與圖2所示的相同。
能在各電源區(qū)設(shè)置電源開關(guān)PSW1。另外，在設(shè)置了調(diào)節(jié)器Regl 和電源開關(guān)PSW1 二者時，也可以使用任意一方進行電路塊Cl的電 流測量。
圖16表示本發(fā)明第二實施方式的半導(dǎo)體集成電路的主要部分。在 本實施例中，記載以在芯片內(nèi)測量出的電流值為觸發(fā)對芯片控制進行 反饋的機構(gòu)。反饋的目的例如有將芯片的溫度即芯片的最大電流抑制 到某個值以下。半導(dǎo)體集成電路在溫度上升到某個值以上時，功能被 破壞的概率提高。另外，芯片的發(fā)熱量有時也受到封裝的放熱特性、 使用環(huán)境的制約。基于這樣的理由，實施芯片的溫度控制非常重要。 下面，說明通過測量芯片內(nèi)的電流將芯片的最大電流控制為某個值以 下的枳4勾。
片內(nèi)系統(tǒng)SoC包括資源管理器RM、 CPU1、 CPU2、功能塊FB1、 FB2、計時器TMR、RAM、ROM、總線仲裁器ARB、中斷控制器INTA、 效率檢測電路14、效率計數(shù)器PPC、時鐘頻率控制部CLK、內(nèi)部總 線BUS、電源開關(guān)28、放大器Amp、以及電流測量電路CD。資源管 理器RM包括指令解碼器DEC、控制部CTL、電流管理部CWM、任 務(wù)管理部TSKM、以及中斷控制器INTC。電流測量電路CD例如如 上述實施例的圖l所示，包括多路轉(zhuǎn)換器MUX1、控制器CTL1、模 擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器ADC1、只讀存儲器ROMl、數(shù)字信號處理器DSP1。 在本實施例中，CPU1、 CPU2、 FB1、 FB2被分別設(shè)置在單個電源區(qū)。
圖17表示本發(fā)明第二實施方式的最大電流控制的示意。橫軸表示 時間，縱軸表示電流值。功能塊FB0、 FB1、 FB2分別以處理時間和 電流的矩形來表示。各自的處理設(shè)有截止時間(deadline)。在此， 為了簡略設(shè)為相同時間。電流值用某時間下的功能塊的合計值來表
示。芯片電流用矩形的合計面積來表示。(a)是沒有最大電流管理 的情況，功能塊FB0、 FB1、 FB2同時執(zhí)行因此最大電流值為各自電 流的合計值，較大。(b)是進行了基于延遲的最大電流控制的情況， 通過使功能塊FBI 、FB2的執(zhí)行開始延遲，能夠使它們不與功能塊FB0 同時執(zhí)行，因此能夠減小最大電流值。這是通過控制執(zhí)行開始以符合 所確定的電流預(yù)算、截止時間來實現(xiàn)的。(c)是通過控制頻率來進 行最大電流控制的情況，通過使功能塊FBO、 FB1、 FB2都以低時鐘 頻率工作以符合電流預(yù)算、截止時間，從而減小最大電流值。(b)、 (c)要進一步減少電流預(yù)算，就不能滿足截止時間。因此，進行控 制以使電流預(yù)算和截止時間都得到滿足。滿足截止時間的處理，由于 在要求時間之前結(jié)束了處理，因此稱為實時處理。
圖18表示通過降低時鐘頻率來將芯片的最大電流控制為某個值 以下時的流程圖。以下詳細(xì)說明該流程圖。TMR以數(shù)ms等的預(yù)定的 時間間隔向資源管理器RM的INTC通知中斷。接受了中斷的資源管 理器RM，從CD取得流入CPU1、 CPU2、 FB1、 FB2各電路塊的電 流值。同時，資源管理器RM內(nèi)的TSKM,更新CPU功能塊的任務(wù) 信息，把握是哪個功能單位正在執(zhí)行哪個任務(wù)。另外，從效率計數(shù)器 PPC取得各電路塊的任務(wù)進展程度。接著，資源管理器RM計算流入 各電路塊的電流值的總和I一sum。此時，在電流管理部CWM預(yù)先設(shè) 定了芯片容許的最大電流值I—max 。將小于等于芯片容許的最大電流 值的值設(shè)定為I—max。當(dāng)I—sum小于I_max時，再次等待來自TMR 的中斷。當(dāng)I—sum大于I_max時，根據(jù)從PPC得到的各電路塊的任 務(wù)進展程度、和由TSKM管理的任務(wù)信息，選則1個以上任務(wù)進展程 度有富余且正在執(zhí)行優(yōu)先級低的任務(wù)的電路塊。資源管理器RM對時 鐘頻率控制部CLK發(fā)送降低選擇出的電路塊的時鐘頻率的信號。然 后，時鐘頻率控制部CLK降低提供給選擇出的電路塊的時鐘頻率。 結(jié)果，流入芯片的電流值降低，能夠抑制芯片的溫度上升，提高半導(dǎo) 體集成電路的可靠度。當(dāng)I_sum小于I一max時，能夠增加時鐘頻率， 使任務(wù)處理在短時間內(nèi)結(jié)束。
以上具體說明了本發(fā)明者進行的發(fā)明，但本發(fā)明不限于此，顯然 在不脫離其主旨的范圍內(nèi)可以進行種種變更。
背景的應(yīng)用領(lǐng)域的SoC的情況，但本發(fā)明不限于此，能夠廣泛應(yīng)用于 各種半導(dǎo)體集成電路。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體集成電路的片內(nèi)電流(on-chip current)測量方法，該半導(dǎo)體集成電路包括具有預(yù)定功能的電路塊、和能對上述電路塊提供工作用電源的電源開關(guān)，該片內(nèi)電流測量方法的特征在于包括第一處理，算出上述電源開關(guān)被接通的狀態(tài)下的上述電源開關(guān)的端子間電壓；和第二處理，根據(jù)上述電源開關(guān)的端子間電壓和上述電源開關(guān)的導(dǎo)通電阻，計算流入上述電路塊的電流。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的片內(nèi)電流測量方法，其特征在于 經(jīng)由上述半導(dǎo)體集成電路的外部端子將在上述第二處理中得到的電流計算結(jié)果輸出到外部，使得能夠進行上述電流計算結(jié)果的外部 監(jiān)視。
3. —種半導(dǎo)體集成電路，其特征在于包括 具有預(yù)定功能的電路塊；能對上述電路塊提供工作用電源的電源開關(guān)；以及壓、和上述電源開關(guān)的導(dǎo)通電阻，算出流入上述電路塊的電流的電流 測量電路。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的半導(dǎo)體集成電路，其特征在于 上述電流測量電路包括端子間電壓轉(zhuǎn)換為與其相應(yīng)的電流；AD轉(zhuǎn)換器，用于將上述放大器的輸出信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；以及運算電路，能根據(jù)上述AD轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換輸出，計算出流入上述 電路塊的電 流。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的半導(dǎo)體集成電路，其特征在于 設(shè)置有多組上述電路塊和與其對應(yīng)的上述電源開關(guān)，上述放大器，與上述電源開關(guān)對應(yīng)地配置有多個。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的半導(dǎo)體集成電路，其特征在于上述電流測量電路還包括多路轉(zhuǎn)換器，該多路轉(zhuǎn)換器能將上述多 個放大器的輸出信號選擇性地輸出到上述AD轉(zhuǎn)換器。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的半導(dǎo)體集成電路，其特征在于上述電流測量電路還包括控制器，該控制器能通過控制上述多個 放大器，將上述多個放大器的輸出信號選擇性地輸出到上述AD轉(zhuǎn)換 器。
8. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的半導(dǎo)體集成電路，其特征在于 上述電流測量電路還包括電壓頻率轉(zhuǎn)換電路，用于將上述電源開關(guān)被接通的狀態(tài)下的上述 電源開關(guān)的端子間電壓轉(zhuǎn)換為與其相應(yīng)的振蕩頻率；頻率電壓轉(zhuǎn)換電路，用于將上述電壓頻率轉(zhuǎn)換電路的輸出信號轉(zhuǎn) 換為與其相應(yīng)的電壓；以及運算電路，能根據(jù)上述頻率電壓轉(zhuǎn)換電路的轉(zhuǎn)換輸出，計算流入 上述電路塊的電 流。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的半導(dǎo)體集成電路，其特征在于 設(shè)置有多組上述電路塊和與其對應(yīng)的電源開關(guān)， 上述電壓頻率轉(zhuǎn)換電路，與上述電源開關(guān)對應(yīng)地配置有多個。
10. —種半導(dǎo)體集成電路，其特征在于包括 電路塊，具有預(yù)定功能；調(diào)節(jié)器，具有用于降低電源電壓的晶體管，通過根據(jù)基準(zhǔn)電壓控 制上述晶體管的導(dǎo)通電阻，來形成上述電路塊的工作用電壓；以及電流測量電路，在經(jīng)由上述晶體管對上述電路塊提供工作用電壓 的狀態(tài)下，根據(jù)上述晶體管的漏極-源極間電壓算出流入上述電路塊 的電流。
11. 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的半導(dǎo)體集成電路，其特征在于 上述電流測量電路包括放大器，用于將經(jīng)由上述晶體管對上述電路塊提供了上述工作用電壓的狀態(tài)下的上述晶體管的漏極-源極間電壓轉(zhuǎn)換為與其相應(yīng)的電流;AD轉(zhuǎn)換器，用于將上述放大器的輸出信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；以及運算電路，能根據(jù)上述AD轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換輸出，計算出流入上述 電流塊的電 流o
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的半導(dǎo)體集成電路，其特征在于 設(shè)置有多組上述電路塊和與其對應(yīng)的上述調(diào)節(jié)器， 上述放大器，與上述調(diào)節(jié)器對應(yīng)地配置有多個。
13. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的半導(dǎo)體集成電路，其特征在于 上述半導(dǎo)體集成電路，還具有控制上述電路塊的工作時鐘頻率的資源管理器，上述資源管理器，根據(jù)上述電流測量電路的測量結(jié)果和預(yù)先確定 的最大電流值，確定上述工作時鐘頻率。
14. 一種半導(dǎo)體集成電路，其特征在于包括 多個電路塊，該電路塊具有預(yù)定功能；多個電源開關(guān)，該電源開關(guān)設(shè)置于上述多個電路塊的每一個中， 能提供工作用電源；多個電流測量電路，該電流測量電路設(shè)置于上述多個電源開關(guān)的 每一個中，根據(jù)上述多個電源開關(guān)中對應(yīng)的電源開關(guān)的端子間電壓、 和上述電源開關(guān)的導(dǎo)通電阻，算出流入上述多個電路塊中對應(yīng)的電路 塊的電流；以及資源管理器，控制提供到上述多個電路塊的每一個的工作時鐘頻率，上述資源管理器具有保持任務(wù)信息的任務(wù)管理部，該任務(wù)信息表 示由上述多個電路塊執(zhí)行的多個任務(wù)的進度，上述資源管理器比較由 上述多個電流測量電路所測量的電流值之和與預(yù)先確定的最大電流 值，當(dāng)由上述多個電流測量電路所測量的電流值之和超過最大電流值 時，根據(jù)存儲在上述任務(wù)管理部中的上述任務(wù)信息，確定是否降低對上述多個電路塊的每一個提供的工作時鐘中的任意一個工作時鐘的 頻率。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的半導(dǎo)體集成電路，其特征在于 上述資源管理器還具有計量由上述多個電路塊執(zhí)行的多個任務(wù)的進度的效率計數(shù)器、和計量預(yù)定時間的計時器，上述任務(wù)管理部，在上述計時器的計時時間達到了預(yù)定時間時，利用上述運行計數(shù)器取入上述任務(wù)的進度。
全文摘要
本發(fā)明提供一種片內(nèi)電流測量方法和半導(dǎo)體集成電路，用于測量芯片在正常工作狀態(tài)下的電路塊的電流。該半導(dǎo)體集成電路包括具有預(yù)定功能的電路塊(C1)；能對上述電路塊提供工作用電源的電源開關(guān)(PSW1)；以及根據(jù)上述電源開關(guān)被接通狀態(tài)下的電源開關(guān)的端子間電壓和電源開關(guān)的導(dǎo)通電阻，算出流入上述電路塊的電流的電流測量電路(100)。根據(jù)上述電源開關(guān)被接通狀態(tài)下的上述電源開關(guān)的端子間電壓和上述電源開關(guān)的導(dǎo)通電阻，算出流入上述電路塊的電流，從而能夠測量芯片在正常工作狀態(tài)下的電路塊的電流。
文檔編號G01R31/28GK101201388SQ200710199829
公開日2008年6月18日 申請日期2007年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月13日
發(fā)明者大津賀一雄, 山田哲也, 菅野雄介, 長田健一 申請人:株式會社瑞薩科技