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Dokumentenidentifikation DE102004016920B4 02.03.2006
Titel Verfahren zum Schalten einer Spannungsversorgung von Spannungsdomänen einer Halbleiterschaltung und entsprechende Halbleiterschaltung
Anmelder Infineon Technologies AG, 81669 München, DE
Erfinder Just, Knut, Dr., 85716 Unterschleißheim, DE;
Krüger, Thomas, 81545 München, DE;
Möhring, Thomas, 81827 München, DE
Vertreter Patent- und Rechtsanwälte Kraus & Weisert, 80539 München
DE-Anmeldedatum 06.04.2004
DE-Aktenzeichen 102004016920
Offenlegungstag 27.10.2005
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 02.03.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 02.03.2006
IPC-Hauptklasse H01L 23/525(2006.01)A, F, I, ,  ,  ,   
IPC-Nebenklasse H01L 23/58(2006.01)A, L, I, ,  ,  ,      

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schalten einer Spannungsversorgung von Spannungsdomänen einer Halbleiterschaltung und eine Halbleiterschaltung, welche Spannungsdomänen enthält, deren Spannungsversorgung mit so genannten Mikroschaltern abgeschaltet werden kann.

Nach momentanem Stand der Technik wird die Spannungsversorgung eines Bereiches (im Folgenden Spannungsdomäne genannt) einer Halbleiterschaltung durch einen Schalter außerhalb der Halbleiterschaltung oder durch einzelne große auf der Halbleiterschaltung befindliche Schalter abgeschaltet. Dabei wird unter einer Spannungsdomäne ein Bereich der Halbleiterschaltung verstanden, welcher dieselbe Spannungsversorgung mit einheitlichem Wert der Spannung besitzt. Die Halbleiterschaltung kann dann eine oder mehrere Spannungsdomänen umfassen.

Wenn die Spannungsversorgung einer Spannungsdomäne einer Halbleiterschaltung durch den Schalter außerhalb der Halbleiterschaltung an- beziehungsweise abgeschaltet wird, ist ein Versorgungspotenzial für die Halbleiterschaltung über den Schalter mit einem Versorgungspin beziehungsweise Versorgungsanschluss der Halbleiterschaltung verbunden. Das heißt, je nach Schalterstellung ist der Versorgungspin mit dem Versorgungspotenzial verbunden beziehungsweise liegt auf dem Versorgungspotenzial oder nicht. Außerdem ist eine Versorgungsspannungsleitung der Spannungsdomäne mit dem Versorgungspin verbunden. Wenn ein Steuersignal zur Steuerung der Spannungsversorgung der Spannungsdomäne innerhalb der Halbleiterschaltung erzeugt wird, wird ein Steuerpin der Halbleiterschaltung benötigt, um das Steuersignal zu dem Schalter außerhalb der Halbleiterschaltung zu führen. Dabei kann das Steuersignal nicht innerhalb der zu schaltenden Spannungsdomäne erzeugt werden, da diese bisweilen abgeschaltet wird. Es werden in diesem Fall also zwei Pins der Halbleiterschaltung pro Spannungsdomäne benötigt, wodurch die Anzahl der Spannungsdomänen bei einem Konzept, bei welchem sich der Schalter außerhalb der Halbleiterschaltung befindet, stark eingeschränkt wird. Des Weiteren ist bei diesem Konzept nachteilig, dass eine Verbindungsleitung für das Steuersignal durch die Halbleiterschaltung zu dem Steuerpin und eine Versorgungsspannungsleitung von dem Versorgungspin durch die Halbleiterschaltung zu der jeweiligen Spannungsdomäne gelegt werden müssen, was für den Fall dass die Spannungsdomäne weit entfernt von entsprechenden Pins der Halbleiterschaltung liegt, zu einer im Verhältnis der Halbleiterschaltung langen Leitung führt. Neben dem dabei benötigten Flächenbedarf führt eine lange Versorgungsspannungsleitung zu einem entsprechend der Leitungslänge großen Spannungsabfall auf der Versorgungsspannungsleitung. Des Weiteren gibt es bei diesem Konzept zwar für jede Spannungsdomäne ein Versorgungsspannungsnetz, aber kein globales über die ganze Halbleiterschaltung reichendes regelmäßiges Versorgungsspannungsnetz.

Wenn die Spannungsversorgung einer Spannungsdomäne der Halbleiterschaltung durch den Schalter innerhalb der Halbleiterschaltung an- beziehungsweise abgeschaltet wird, wird nach dem Stand der Technik ein im Verhältnis zu weiteren auf der Halbleiterschaltung befindlichen Bauelementen großer Schalter eingesetzt, damit sichergestellt ist, dass der Schalter die von ihm geschalteten Ströme ohne großen Spannungsabfall treiben kann. Gerade bei mittels Standardzellendesign erstellten Halbleiterschaltungen befindet sich solch ein Schalter außerhalb von Bereichen der Halbleiterschaltung, welche mittels Standardzellen aufgebaut sind. Deshalb besitzt nicht nur eine Versorgungsspannungsleitung, welche das Versorgungspotenzial zu dem Schalter bringt, sondern auch eine Versorgungsspannungsleitung, welche das durch den Schalter geschaltete Versorgungspotenzial zu der entsprechenden Spannungsdomäne bringt, eine nicht zu vernachlässigende Länge. Aufgrund der Länge entsteht der bereits vorab beschriebene Nachteil eines großen Spannungsabfalls auf diesen Versorgungsspannungsleitungen.

Die Druckschrift US 6,684,377 B2 offenbart einen Entwurf einer Zugangszelle und ein Verfahren zum automatischen Einfügen solcher Zugangszellen in einen Entwurf einer integrierten Schaltung. Dabei hat die Zugangszelle die Aufgabe das Entfernen bzw. das Hinzufügen von einer oder mehrerer Logikzellen innerhalb der integrierten Schaltung zu ermöglichen. Dazu müssen durch mechanische Eingriffe von außen Stromleitungen innerhalb der integrierten Schaltung entsprechend manipuliert werden.

Das Verfahren wird zum Beispiel eingesetzt, wenn nach der Fabrikation einer Halbleiterschaltung noch Fehler entdeckt werden, um dann fehlerhafte Zellen durch noch nicht verwendete Zellen zu ersetzen.

Daher ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Schalten einer Spannungsversorgung von Spannungsdomänen einer Halbleiterschaltung und eine entsprechende Halbleiterschaltung bereitzustellen, wobei die vorab genannten Nachteile überwunden oder zumindest gemindert werden und wobei kein mechanischer Eingriff von außen notwendig ist.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und Anspruch 28 und durch eine Halbleiterschaltung nach Anspruch 12 gelöst. Die abhängigen Ansprüche definieren bevorzugte und vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Schalten einer Spannungsversorgung von mindestens einer Spannungsdomäne einer Halbleiterschaltung bereitgestellt, wobei zum Schalten der Spannungsversorgung mindestens ein Schalter eingesetzt wird, welcher im Standardzellendesign entworfen und nachfolgend als "Mikroschalter" bezeichnet wird.

Da der Mikroschalter im Standardzellendesign entworfen wird, passt sich ein Entwurf des Mikroschalters gut in ein Entwurfsverfahren einer im Standardzellendesign entworfenen Halbleiterschaltung ein. Anders ausgedrückt, stellt der Entwurf des Mikroschalters keine Besonderheit mehr dar, wodurch das Entwurfsverfahren stark automatisiert werden kann. Außerdem kann eine Halbleiterschaltung, welche ausschließlich im Standardzellendesign entworfen wird, homogener und damit flächensparender entworfen werden, als dies bei einer Halbleiterschaltung der Fall ist, bei welcher der Schalter nicht im Standardzellendesign entworfen wird.

Ein Mikroschalter zum Schalten der Spannungsversorgung unterscheidet sich von nach dem Stand der Technik eingesetzten Schaltern zum Schalten der Spannungsversorgung dadurch, dass die Abmessungen des Mikroschalters den Abmessungen einer Standardzelle entsprechen, wodurch die Abmessungen des Mikroschalters wesentlich kleiner als die Abmessungen eines nach dem Stand der Technik eingesetzten Schalters sind. Außerdem wird der Mikroschalter im Gegensatz zu den nach dem Stand der Technik eingesetzten Schaltern im Standardzellendesign mit den entsprechenden Vorteilen, wie z.B. bessere Automatisierung, entworfen, wie es bereits vorab erwähnt wurde.

Der Mikroschalter kann erfindungsgemäß innerhalb jeder Spannungsdomäne platziert werden, deren Spannungsversorgung zu schalten ist.

Dadurch ist vorteilhafter Weise gewährleistet, dass eine Versorgungsspannungsleitung, welche ein Versorgungspotenzial der Halbleiterschaltung von dem Mikroschalter zu der entsprechenden Spannungsdomäne bringt, nahezu optimal kurz ist.

Des Weiteren können mehrere Mikroschalter gleichmäßig verteilt über Bereichen der Halbleiterschaltung platziert werden, in denen eine Spannungsdomäne liegt, deren Spannungsversorgung zu schalten ist.

Dadurch ist erfindungsgemäß gewährleistet, dass mehrere Mikroschalter gleichmäßig in jeder Spannungsdomäne platziert sind, deren Spannungsversorgung zu schalten ist. Indem mehrere Mikroschalter, welche zusätzlich gleichmäßig verteilt sind, in jeder Spannungsdomäne platziert sind, ist das Versorgungspotenzial, für den Fall dass die Mikroschalter das Versorgungspotenzial zu der entsprechenden Spannungsdomäne leiten, gleichmäßig in der entsprechenden Spannungsdomäne verteilt, wodurch längere Leitungswege für das Versorgungspotenzial vermieden werden. Außerdem führt die aufgrund der gleichmäßigen Verteilung der Mikroschalter gleichmäßigere Verteilung des Versorgungspotenzials auch zu einem geringeren Widerstand als eine ungleichmäßige Verteilung des Versorgungspotenzials. Ein weiterer Vorteil der gleichmäßigen Verteilung der Mikroschalter innerhalb der Spannungsdomäne ist, dass eine Belastung des einzelnen Mikroschalters auf Grund des von ihm geschalteten Stroms geringer ist, als wenn die Mikroschalter ungleichmäßig über der Spannungsdomäne verteilt wären. Durch die geringe Belastung des einzelnen Mikroschalters können die Mikroschalter kleiner beziehungsweise flächensparender dimensioniert werden. Außerdem lässt sich eine gleichmäßige Verteilung der Mikroschalter besser in einem Entwurfsverfahren automatisieren.

Jede Spannungsdomäne kann durch eine nicht schaltbare Versorgungsspannungsleitung mit einem ersten Versorgungspotenzial der Halbleiterschaltung versorgt werden. Zusätzlich kann jede Spannungsdomäne, deren Spannungsversorgung zu schalten ist, durch eine lokale Versorgungsspannungsleitung mit einem zweiten Versorgungspotenzial der Halbleiterschaltung versorgt werden, wobei das zweite Versorgungspotenzial mittels Mikroschaltern auf die lokale Versorgungsspannungsleitung geschaltet wird.

Zum Abschalten der Versorgungsspannung der Spannungsdomäne ist es ausreichend, wenn eine Verbindung der Spannungsdomäne zu einem Versorgungspotenzial unterbrochen wird. Deshalb ist es vorteilhaft, wenn die eine Versorgungsspannungsleitung schaltbar und die andere Versorgungsspannungsleitung nicht schaltbar ist. Selbstverständlich gehört aber auch ein Verfahren, bei welchem mehr als eine Versorgungsspannungsleitung der Spannungsdomäne durch Mikroschalter geschaltet wird, zum Umfang der vorliegenden Erfindung. Indem eine Spannungsdomäne, deren Spannungsversorgung zu schalten ist, durch zwei Versorgungsspannungsleitungen versorgt wird, wovon eine schaltbar ist, ähnelt eine Spannungsdomäne, deren Spannungsversorgung zu schalten ist, vom Aufbau her stark einer Spannungsdomäne, welche von zwei nicht schaltbaren Versorgungsspannungsleitungen versorgt wird, wodurch sich ein Entwurfsverfahren für diese beiden Arten von Spannungsdomänen vorteilhafter Weise ebenfalls sehr ähnelt.

Eine Zuordnung von Mikroschaltern zu einer Spannungsdomäne kann über ein Steuersignal zum Schalten der Spannungsversorgung dieser Spannungsdomäne erfolgen. Dabei gehören diejenigen Mikroschalter zur selben Spannungsdomäne, welche mit demselben Steuersignal geschaltet werden.

Erfindungsgemäß gehören dadurch diejenigen Bereiche der Halbleiterschaltung zur selben Spannungsdomäne, deren Spannungsversorgung mit demselben Steuersignal, durch dass bestimmte Mikroschalter geschaltet werden, gesteuert wird, deren Spannungsversorgung also jeweils aufgrund des Wertes des Steuersignals zur selben Zeit an- oder abgeschaltet ist. Umgekehrt gehören Bereiche der Halbleiterschaltung, deren Spannungsversorgung mit unterschiedlichen Steuersignalen gesteuert wird, zu unterschiedlichen Spannungsdomänen.

Während nach dem Stand der Technik Bereiche zu einer Spannungsdomäne zusammengefasst werden, indem dieselbe zu schaltende Versorgungsspannungsleitung zu diesen Bereichen verschaltet wird, werden bei der vorliegenden Erfindung Bereiche zu einer Spannungsdomäne zusammengefasst, indem dasselbe Steuersignal zu den Bereichen und zu den dort platzierten Mikroschalter verdrahtet wird. Vorteilhafter Weise ist ein Verdrahten einer Leitung, welche ein Steuersignal trägt, wesentlich flächensparender durchzuführen als das Verdrahten einer Versorgungsspannungsleitung.

Erfindungsgemäß können mehrere lokale Versorgungsspannungsleitungen derselben Spannungsdomäne über eine weitere Leitung miteinander verbunden werden.

Diese weitere Leitung, welche natürlich nur lokale Versorgungsspannungsleitungen derselben Spannungsdomäne verbindet, ist eine weitere Maßnahme, um vorteilhafter Weise einen ungleichen Spannungs- beziehungsweise Strombedarf innerhalb derselben Spannungsdomäne auszugleichen.

Jedes Versorgungspotenzial der Halbleiterschaltung kann über nicht schaltbare Versorgungsspannungsleitungen gleichmäßig über der Halbleiterschaltung verteilt werden.

Im Gegensatz zum Stand der Technik kann dadurch ein optimales Gitter eines Versorgungsspannungsnetzes, welches Versorgungspins und Mikroschalter verbindet, ohne Einschränkung durch die verschiedenen Spannungsdomänen verwendet werden, wodurch die geringste Beeinträchtigung des Versorgungspotenzials erreicht wird. Außerdem ist dadurch gewährleistet, dass Bereiche beziehungsweise Spannungsdomänen in der Halbleiterschaltung, deren Spannungsversorgung nicht zu schalten ist, einfach an eine benötigte Versorgungsspannung gelegt werden können. Weiterhin kann dadurch das Entwurfsverfahren vereinfacht werden. Außerdem kann dadurch das Versorgungspotenzial, dessen Zuführung von den Mikroschaltern unterbrochen werden kann, einfach zu den Mikroschaltern geführt werden. Dabei werden die Mikroschalter vorteilhafter Weise in der Nähe der entsprechenden nicht schaltbaren Versorgungsspannungsleitungen platziert. Vorzugsweise werden die Mikroschalter an Kreuzungspunkten, an welchen sich die nicht schaltbaren Versorgungsspannungsleitungen mit den lokalen Versorgungsspannungsleitungen der Spannungsdomänen kreuzen, platziert. Bei Spannungsdomänen, deren Spannungsversorgung nicht zu schalten ist, werden an Stelle der Mikroschalter leitende Kontakte (Vias) platziert, welche die nicht schaltbaren Versorgungsspannungsleitungen mit den lokalen Versorgungsspannungsleitungen unschaltbar verbinden. Das heißt, dass eine Anbindung an die Spannungsversorgung für eine Spannungsdomäne, deren Spannungsversorgung schaltbar ist, einer Anbindung an die Spannungsversorgung für eine Spannungsdomäne, deren Spannungsversorgung nicht schaltbar ist, vorteilhafter Weise sehr ähnlich ist, wodurch automatisierte Entwurfsverfahren einfach implementiert werden können.

Eine Anpassung an einen Stromverbrauch jeder Spannungsdomäne kann über eine Anzahl der Mikroschalter, welche die Spannungsversorgung der entsprechenden Spannungsdomäne schalten, erfolgen.

Vorzugsweise gibt es eine oder mehrere Standardgrößen für die Mikroschalter, welche entweder von Hand oder automatisch mit einem Standardentwurfsverfahren erstellt, platziert und verdrahtet werden können. Es wird also nicht ein einzelner Mikroschalter individuell an einen Stromverbrauch angepasst, wie das bei Schaltern zur Spannungsversorgung nach dem Stand der Technik üblich ist, sondern die Anpassung beziehungsweise Dimensionierung erfolgt vorteilhafter Weise über eine entsprechende Anzahl der Mikroschalter. Das heißt, je größer die Spannungsdomäne ist oder je höher der Stromverbrauch der Spannungsdomäne ist, desto größer ist die Anzahl der zur Schaltung der Spannungsversorgung für die Spannungsdomäne eingesetzten Mikroschalter.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird ebenfalls eine Halbleiterschaltung mit einer schaltbaren Spannungsversorgung einer Spannungsdomäne der Halbleiterschaltung bereitgestellt, wobei die Halbleiterschaltung mindestens einen Mikroschalter zum Schalten der Spannungsversorgung der Spannungsdomäne umfasst. Dabei ist der Mikroschalter als eine Standardzelle der Halbleiterschaltung entworfen und kann einen oder mehrere Transistoren umfassen beziehungsweise als Transistor aufgebaut sein.

Der Entwurf eines Transistors mit den Abmessungen einer Standardzelle kann sehr gut in das Entwurfsverfahren einer Halbleiterschaltung, welche hauptsächlich im Standardzellendesign entworfen wird, integriert werden.

Eine Spannungsdomäne, deren Spannungsversorgung zu schalten ist, kann durch eine oder mehrere lokale schaltbare Versorgungsspannungsleitungen versorgt sein. Dabei kann auf jede dieser lokalen Versorgungsspannungsleitungen mit jeweils einem oder mehreren Mikroschaltern ein Versorgungspotenzial aufgeschaltet werden. Es ist aber auch möglich, dass diese Spannungsdomäne durch eine oder mehrere erste lokale schaltbare Versorgungsspannungsleitungen und eine oder mehrere zweite lokale schaltbare Versorgungsspannungsleitungen versorgt ist. In diesem Fall kann derselbe Mikroschalter sowohl auf eine erste lokale schaltbare Versorgungsspannungsleitung ein erstes Versorgungspotenzial als auch auf eine zweite lokale schaltbare Versorgungsspannungsleitung ein zweites Versorgungspotenzial schalten. Natürlich können auch in diesem Fall mehrere Mikroschalter die entsprechenden Versorgungspotenziale auf die ersten und zweiten lokalen schaltbaren Versorgungsspannungsleitungen schalten.

Der Mikroschalter ist also erfindungsgemäß in der Lage, zwei verschiedene Versorgungspotenziale auf zwei verschiedene Leitungen zu schalten, wobei er dabei nur von einem Steuersignal angesteuert wird.

Vorzugsweise werden ein erster Anschluss des Transistors mit einem Versorgungspotenzial der Halbleiterschaltung und ein zweiter Anschluss des Transistors mit der lokalen Versorgungsspannungsleitung der Spannungsdomäne verbunden. Je nach dem, welchen Wert ein Steuersignal zum Schalten der Spannungsversorgung besitzt, welches mit einem Steueranschluss des Transistors verbunden ist, wird die lokale Versorgungsspannungsleitung mit dem Versorgungspotenzial beaufschlagt oder nicht.

Die Spannungsversorgung mit dem Transistor zu schalten, bietet einen sehr einfachen Mechanismus, die Spannungsversorgung einer Spannungsdomäne zu steuern beziehungsweise zu schalten.

Wenn das zu schaltende Versorgungspotenzial VSS ist, ist der Transistor vorteilhafter Weise vom NMOS- beziehungsweise NFET-Leitungstyp, d. h. zum Beispiel ein NMOS-Transistor. Dagegen ist der Transistor vorteilhafter Weise vom PMOS- beziehungsweise PFET-Leitungstyp, d. h. zum Beispiel ein PMOS-Transistor, wenn das zu schaltende Versorgungspotenzial VDD ist.

Bei gleicher Stromtreiberfähigkeit besitzt ein Transistor vom Leitungstyp PMOS beziehungsweise PFET einen zwei- bis dreifachen Flächenbedarf im Vergleich zu einem Transistor vom Leitungstyp NMOS beziehungsweise NFET. Deshalb wird im Normalfall VSS als zu schaltendes Versorgungspotenzial eingesetzt.

Erfindungsgemäß wird die Halbleiterschaltung, bei welcher die Spannungsversorgung mindestens einer Spannungsdomäne der Halbleiterschaltung schaltbar ist, im Standardzellendesign entworfen.

Dadurch ist die vorliegende Erfindung sehr gut für ein Entwurfsverfahren, welches zum Beispiel mit automatischen Algorithmen beziehungsweise Skripten arbeitet, geeignet. Dadurch ist dieses Entwurfsverfahren einfacher zu handhaben als ein Entwurfsverfahren, bei welchem nur ein Teil der Schaltung im Standardzellendesign erstellt wird oder bei welchem keine Standardzellen eingesetzt werden. Natürlich kann die Erfindung auch eingesetzt werden, wenn die Halbleiterschaltung mittels einer manuellen Platzierung (von Hand) erstellt wird.

Obwohl bei der vorliegenden Erfindung die Anzahl der Mikroschalter in der Regel höher ist als die Anzahl der Schalter bei einer Halbleiterschaltung nach dem Stand der Technik, ist der zur Abschaltung der Spannungsversorgung notwendige zusätzliche Flächenbedarf bei der vorliegenden Erfindung wesentlich geringer als bei der Halbleiterschaltung nach dem Stand der Technik. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Mikroschalter im Standardzellendesign erstellt werden können, wodurch sie zum einen von den Abmessungen sehr klein sind und zum anderen nahezu optimal flächensparend zusammen beziehungsweise integriert mit dem Rest der Halbleiterschaltung entworfen werden können. Des Weiteren wird nahezu keine zusätzliche Fläche benötigt, um zum einen die Versorgungsspannung zu dem einzelnen Mikroschalter und zum anderen die von dem Mikroschalter geschaltete Versorgungsspannung zu der entsprechenden Spannungsdomäne zu führen.

Durch die vorliegende Erfindung lassen sich nahezu beliebig viele Spannungsdomänen auf der Halbleiterschaltung einrichten, ohne dass dies mit besonderen Nachteilen (z.B. zusätzliche Pins, übermäßiger zusätzlicher Flächenbedarf, Spannungseinbruch) verbunden ist. Für eine erfindungsgemäße Halbleiterschaltung, welche aus sehr vielen Spannungsdomänen besteht, kann ein wesentlich feineres Konzept bezüglich der Versorgungsspannungsabschaltung eingesetzt werden, so dass im Mittel bei einem im Vergleich zu einer herkömmlichen Halbleiterschaltung, welche aus wenigen Spannungsdomänen besteht, größeren Teil der Halbleiterschaltung die Versorgungsspannung abgeschaltet ist. Dadurch verbraucht die erfindungsgemäße Halbleiterschaltung vorteilhafter Weise weniger Energie.

Die vorliegende Erfindung eignet sich vorzugsweise für alle Halbleiterschaltungen, deren Spannungs- beziehungsweise Stromversorgung durch eine Batterie oder einen Akkumulator vorgenommen wird, wie beispielsweise Mobiltelefone, Laptops usw.. Selbstverständlich ist die vorliegende Erfindung nicht auf diesen bevorzugten Anwendungsbereich beschränkt, sondern kann im Prinzip bei allen Halbleiterschaltungen eingesetzt werden, um den Stromverbrauch zu minimieren.

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend näher unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen erläutert.

1 zeigt schematisch die Funktionsweise eines erfindungsgemäßen Mikroschalters zur Abschaltung eines Versorgungspotenzials.

2 zeigt schematisch drei Reihen von Standardzellen mit jeweils einem erfindungsgemäßen Mikroschalter.

Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen erläutert.

In 1 ist eine Standardzellenreihe abgebildet, welche Teil einer Spannungsdomäne ist, deren Spannungsversorgung durch einen NMOS-Transistor 1 zu schalten ist. Die Spannungsdomäne besitzt eine erste unschaltbare Versorgungsspannungsleitung 5, welche die Spannungsdomäne mit VDD versorgt, und eine lokale schaltbare Versorgungsspannungsleitung 3, welche die Spannungsdomäne mit VSS versorgt, wenn der Transistor 1 eine zweite unschaltbare Versorgungsspannungsleitung 6 mit der lokalen schaltbaren Versorgungsspannungsleitung 3 zusammenschaltet. Der Transistor 1 besitzt drei Anschlüsse 11, 12, 13. Mit einem ersten Anschluss 11 ist die zweite unschaltbare Versorgungsspannungsleitung 6 und mit einem zweiten Anschluss 12 ist die lokale schaltbare Versorgungsspannungsleitung 3 der Spannungsdomäne verbunden. Wenn der Wert eines Steuersignals, welches mit einem Steueranschluss 13 des Transistors 1 verbunden ist, einen bestimmten Pegel überschreitet, sind der erste 11 und der zweite 12 Anschluss des Transistors 1 nahezu widerstandsfrei miteinander verbunden, wodurch die lokale schaltbare Versorgungsspannungsleitung 3 der Spannungsdomäne auf dem Versorgungspotenzial VSS liegt, wodurch die Spannungsversorgung der Spannungsdomäne eingeschaltet ist. Wenn dagegen der Wert des Steuersignals unterhalb des bestimmten Pegels liegt, ist die elektrische Verbindung zwischen dem ersten 11 und dem zweiten 12 Anschluss unterbrochen, wodurch die Spannungsversorgung der Spannungsdomäne abgeschaltet ist. Die Spannungsversorgung der Spannungsdomäne wird also durch das Steuersignal und mit Hilfe des Transistors 1 gesteuert.

2 stellt eine Spannungsdomäne 4 dar, welche aus drei Standardzellenreihen aufgebaut ist. Dabei weist jede Standardzellenreihe einen Mikroschalter 1, vorzugsweise in Form eines Transistors, auf. Eine erste globale unschaltbare Versorgungsspannungsleitung 5, welche VDD trägt, und eine zweite globale unschaltbare Versorgungsspannungsleitung 6, welche VSS trägt, queren alle drei Standardzellenreihen. In jeder Standardzellenreihe befindet sich eine erste lokale Versorgungsspannungsleitung 2, welche unschaltbar mit der ersten globalen unschaltbaren Versorgungsspannungsleitung 5 verbunden ist und dadurch die entsprechende Standardzellenreihe der Spannungsdomäne 4 unschaltbar mit VDD versorgt. Zusätzlich befindet sich in jeder Standardzellenreihe eine zweite lokale Versorgungsspannungsleitung 3, welche jeweils über einen Mikroschalter 1 mit der zweiten globalen unschaltbaren Versorgungsspannungsleitung 6 verbunden ist. Durch die Verbindung mit dem Mikroschalter 1 ist jede zweite lokale Versorgungsspannungsleitung 3 durch den entsprechenden Mikroschalter 1 schaltbar, wodurch die Versorgungsspannung der Spannungsdomäne 4 durch die drei in 2 dargestellten Mikroschalter anbeziehungsweise abgeschaltet werden kann. Die Steueranschlüsse 13 der drei Mikroschalter 1 sind mit demselben Steuersignal (nicht dargestellt) verbunden, wodurch die drei Mikroschalter 1 entweder alle leiten oder alle nicht leiten. Es ist anzumerken, dass eine Spannungsdomäne 4 gerade dadurch definiert ist, dass alle ihr zugeordneten Mikroschalter 1 von demselben Steuersignal gesteuert werden, damit in der Spannungsdomäne 4 entweder alle ihr zugeordneten Mikroschalter 1 die Spannungsdomäne 4 mit VSS versorgen oder alle Mikroschalter 1 die Spannungsversorgung der Spannungsdomäne 4 unterbrechen.

Mit Hilfe einer weiteren lokalen Versorgungsspannungsleitung 7 sind alle zweiten lokalen Versorgungsspannungsleitungen 3 der Spannungsdomäne 4 miteinander verbunden. Dadurch wird die Spannungsbelastung beziehungsweise der Stromverbrauch, welcher in bestimmten Standardzellen der Spannungsdomäne 4 zu bestimmten Zeitpunkten auftreten kann und damit eine bestimmte zweite lokale Versorgungsspannungsleitung 3 belastet, durch die anderen zweiten lokalen Versorgungsspannungsleitungen 3 der Spannungsdomäne 4 ausgeglichen. Indem die zweiten lokalen Versorgungsspannungsleitungen 3 der Spannungsdomäne 4 durch die weitere lokale Versorgungsspannungsleitung 7 verbunden sind, muss bei der Auslegung der Mikroschalter 1 nicht von einer Spitzenbelastung eines Mikroschalters 1 ausgegangen werden, sondern es reicht aus, eine über alle Mikroschalter 1 der Spannungsdomäne gemittelte durchschnittliche Belastung bei der Auslegung der Mikroschalter 1 zugrunde zu legen, wodurch die Mikroschalter 1 vorteilhafter Weise relativ klein ausgelegt werden können. Der bereits vorab kurz beschriebene Grund für die relativ kleine beziehungsweise Platz sparende Auslegung der Mikroschalter soll im Folgenden nochmals genauer erklärt werden.

Es sei angenommen, dass die zweite lokale Versorgungsspannungsleitung 3 in der obersten Standardzellenreihe der 2 zu einem bestimmten Zeitpunkt überdurchschnittlich stark belastet wird, da z. B. mehrere Bauelemente gleichzeitig Strom ziehen. Ohne die Existenz der weiteren Versorgungsspannungsleitung 7 würde der Mikroschalter 1 in der obersten Standardzellenreihe ebenfalls überdurchschnittlich stark belastet werden, weshalb er entsprechend dieser Belastung groß ausgelegt werden müsste. Aufgrund der weiteren Versorgungsspannungsleitung 7 verteilt sich die Belastung der zweiten lokalen Versorgungsspannungsleitung 3 in der obersten Standardzellenreihe aber auch auf die beiden zweiten lokalen Versorgungsspannungsleitungen 3 in der zweiten und dritten Standardzellenreihe und damit auf die beiden Mikroschalter 1 in der zweiten und dritten Standardzellenreihe. Dadurch wird eine Spannungs- beziehungsweise Strombelastung des Mikroschalters 1 in der obersten Standardzellenreihe durch die beiden anderen Mikroschalter 1 in der zweiten und dritten Standardzellenreihe abgefedert, wodurch alle drei Mikroschalter 1 wesentlich kleiner beziehungsweise Platz sparender ausgelegt werden können, als wenn die weitere Versorgungsspannungsleitung 7 nicht vorhanden wäre. Daneben sorgt die weitere Versorgungsspannungsleitung 7 dafür, dass es zu einem geringeren Spannungsabfall kommt, als wenn die weitere Versorgungsspannungsleitung 7 nicht vorhanden wäre, da z. B. ein Spannungsabfall an der zweiten Versorgungsspannungsleitung 3 in der obersten Standardzellenreihe durch die zweiten Versorgungsspannungsleitungen 3 in den unteren Standardzellenreihen aufgefangen wird.

Es sei darauf hingewiesen, dass ein Aufbau der zweiten Standardzellenreihe an einer horizontalen Achse gespiegelt gegenüber dem Aufbau der ersten und dritten Standardzellenreihe ist. Dies ist im Standardzellenentwurf ein bekanntes Vorgehen, damit zwei benachbarte Standardzellenreihen dichter aneinander angrenzen können.

Natürlich kann eine Spannungsdomäne auch durch mehr oder weniger als drei Standardzellenreihen aufgebaut sein. Des Weiteren kann eine Spannungsdomäne auch von mehreren ersten und zweiten Versorgungsspannungsleitungen 5, 6 versorgt werden. Außerdem können die zweiten lokalen Versorgungsspannungsleitungen 3 einer Spannungsdomäne auch durch mehrere weitere lokale Versorgungsspannungsleitungen 7 verbunden sein oder es können nur bestimmte zweite lokale Versorgungsspannungsleitungen durch eine oder mehrere weitere Versorgungsspannungsleitungen 7 verbunden sein. Ebenso können die Standardzellen und Mikroschalter in vertikalen statt in horizontalen Reihen angeordnet sein.

Bei einem automatisierten Entwurfsverfahren kann automatisch aufgrund der angenommenen Belastung einzelner Bereiche der Spannungsdomäne 4 entschieden werden, wie viele weitere Versorgungsspannungsleitungen und wie viele Mikroschalter wo platziert werden.

Wie bereits vorab beschrieben, kann die vorliegende Erfindung bei mobilen Einrichtungen wie Mobiltelefonen, z. B. für eine GSM-Basisband-Halbleiterschaltung eingesetzt werden. Die begrenzte Energiemenge einer mobilen mit einer Batterie ausgestatteten Einrichtung erfordert dabei ein anspruchsvolles Abschaltungskonzept. Dabei wird die gesamte Halbleiterschaltung in eine Vielzahl von Spannungsdomänen unterteilt, welche individuell abhängig von der Verwendung der Spannungsdomänen bei verschiedenen Betriebsmodi der Halbleiterschaltung abgeschaltet, d. h. von der Spannungsversorgung unterbrochen, werden können.

Die Abschaltung der Spannungsversorgung von Spannungsdomänen zu Zeiten, in denen die Spannungsdomänen nicht betrieben werden, reduziert den Energiebedarf der Halbleiterschaltung drastisch und erhöht die Bereitschaftszeit der Halbleiterschaltung und damit der mobilen mit der Batterie ausgestatteten Einrichtung entsprechend.


Anspruch[de]
  1. Verfahren zum Schalten einer Spannungsversorgung von mindestens einer Spannungsdomäne einer Halbleiterschaltung,

    dadurch gekennzeichnet,

    dass zum Schalten der Spannungsversorgung mindestens ein Schalter (1) eingesetzt wird, welcher im Standardzellendesign entworfen wird, und

    dass das Schalten der Spannungsversorgung durch eine Pegeländerung an einem Steueranschluss des mindestens einen Schalters (1) verursacht wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Schalter (1) innerhalb jeder Spannungsdomäne (4) platziert wird, deren Spannungsversorgung zu schalten ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Schalter (1) gleichmäßig verteilt über Bereichen der Halbleiterschaltung platziert werden, in denen mindestens eine Spannungsdomäne (4) liegt, deren Spannungsversorgung zu schalten ist.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass jede Spannungsdomäne (4) durch mindestens eine nicht schaltbare Versorgungsspannungsleitung (2; 5) versorgt wird, welcher ein Versorgungspotenzial (VDD) der Halbleiterschaltung zuführbar ist.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass jede Spannungsdomäne (4), deren Spannungsversorgung zu schalten ist, durch mindestens eine lokale schaltbare Versorgungsspannungsleitung (3) versorgt wird, auf welche mit mindestens einem Schalter (1) ein Versorgungspotenzial (VSS) der Halbleiterschaltung aufschaltbar ist.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-5,

    dadurch gekennzeichnet,

    dass jede Spannungsdomäne (4) durch eine nicht schaltbare Versorgungsspannungsleitung (2; 5) versorgt wird, welcher ein erstes Versorgungspotenzial (VDD) der Halbleiterschaltung zuführbar ist, und

    dass jede Spannungsdomäne (4), deren Versorgungsspannung schaltbar ist, durch eine lokale schaltbare Versorgungsspannungsleitung (3) versorgt wird, auf welche mit mindestens einem Schalter (1) ein zweites Versorgungspotenzial (VSS) der Halbleiterschaltung aufschaltbar ist.
  7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6,

    dadurch gekennzeichnet,

    dass einem ersten Anschluss (11) des mindestens einen Schalters (1) ein Versorgungspotenzial (VSS) der Halbleiterschaltung zugeführt wird,

    dass ein zweiter Anschluss (12) des Schalters (1) mit der lokalen schaltbaren Versorgungsspannungsleitung (3) der Spannungsdomäne (4) verbunden wird,

    dass eine elektrische Verbindung zwischen dem ersten (11) und dem zweiten Anschluss (12) nur dann durch den Schalter (1) unterbrochen wird, wenn ein Pegel eines Steueranschlusses (13) des Schalters (1) unterhalb bzw. oberhalb eines vorbestimmten Wertes liegt.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Schalter (1) einer bestimmten Spannungsdomäne (4) zugeordnet werden, indem ihre Steueranschlüsse (13) mit demselben Steuersignal zum Schalten der Spannungsversorgung dieser Spannungsdomäne (4) verbunden werden, so dass jeder Steueranschluss der mehreren Schalter jeweils mit demselben Wert beaufschlagt wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die lokalen Versorgungsspannungsleitungen (3) der bestimmten Spannungsdomäne über mindestens eine weitere Leitung (7) miteinander verbunden werden.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Versorgungspotenzial (VDD; VSS) der Halbleiterschaltung über nicht schaltbare Versorgungsspannungsleitungen (5; 6) gleichmäßig über der Halbleiterschaltung verteilt wird.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anpassung an einen Stromverbrauch jeder Spannungsdomäne über eine Anzahl des mindestens einen Schalters, welche die Spannungsversorgung der entsprechenden Spannungsdomäne schalten, erfolgt.
  12. Halbleiterschaltung mit einer schaltbaren Spannungsversorgung mindestens einer Spannungsdomäne der Halbleiterschaltung,

    dadurch gekennzeichnet,

    dass die Halbleiterschaltung mindestens einen Schalter (1) mit einem Steueranschluss zum Schalten der Spannungsversorgung der mindestens einen Spannungsdomäne (4) umfasst, wobei der mindestens eine Schalter (1) als eine Standardzelle der Halbleiterschaltung entworfen ist, und

    dass die Halbleiterschaltung derart ausgestaltet ist, dass die Halbleiterschaltung die Spannungsversorgung durch eine Pegeländerung an dem Steueranschluss des mindestens einen Schalters (1) schaltet.
  13. Halbleiterschaltung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Schalter (1) innerhalb jeder Spannungsdomäne (4) platziert ist, deren Spannungsversorgung zu schalten ist.
  14. Halbleiterschaltung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Schalter (1) gleichmäßig verteilt in Bereichen der Halbleiterschaltung platziert sind, in denen mindestens eine Spannungsdomäne (4) liegt, deren Spannungsversorgung zu schalten ist.
  15. Halbleiterschaltung nach einem der Ansprüche 12-14, dadurch gekennzeichnet, dass in jeder Spannungsdomäne (4) mindestens eine nicht schaltbare Spannungsleitung (2; 5) platziert ist, welcher ein Versorgungspotenzial (VDD) der Halbleiterschaltung zuführbar ist.
  16. Halbleiterschaltung nach einem der Ansprüche 12-15, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Schalter einen Transistor (1) umfasst.
  17. Halbleiterschaltung nach einem der Ansprüche 12-16,

    dadurch gekennzeichnet,

    dass jede Spannungsdomäne (4), deren Spannungsversorgung zu schalten ist,

    entweder durch mindestens eine lokale schaltbare Versorgungsspannungsleitung (3) versorgt ist, auf welche mit dem mindestens einen Schalter (1) ein Versorgungspotenzial (VSS) der Halbleiterschaltung aufzuschalten ist,

    oder durch mindestens eine erste lokale schaltbare Versorgungsspannungsleitung und eine zweite lokale schaltbare Versorgungsspannungsleitung versorgt ist, wobei sowohl auf die mindestens eine erste lokale schaltbare Versorgungsspannungsleitung mit dem mindestens einen Schalter (1) ein erstes Versorgungspotenzial (VDD) als auch auf die mindestens eine zweite lokale schaltbare Versorgungsspannungsleitung mit demselben mindestens einen Schalter (1) ein zweites Versorgungspotenzial (VSS) aufzuschalten ist.
  18. Halbleiterschaltung nach Anspruch 17,

    dadurch gekennzeichnet,

    dass einem ersten Anschluss (11) des mindestens einen Schalters (1) ein Versorgungspotenzial (VSS) zugeführt ist,

    dass ein zweiter Anschluss (12) des mindestens einen Schalters (1) mit der lokalen schaltbaren Versorgungsspannungsleitung (3) verbunden ist, und

    dass ein Steueranschluss (13) des mindestens einen Schalters (1) mit einem Steuersignal zum Schalten der Spannungsversorgung der Spannungsdomäne (4) beaufschlagt ist.
  19. Halbleiterschaltung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass diejenigen lokalen schaltbaren Versorgungsspannungsleitungen (3), auf welche durch Schalter (1), die mit demselben Steuersignal verbunden sind, dasselbe Versorgungspotenzial (VDD; VSS) aufzuschalten ist, über mindestens eine weitere Leitung (7) miteinander verbunden sind.
  20. Halbleiterschaltung nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Schalter (1) vom NMOS- bzw. NFET-Leitungstyp ist.
  21. Halbleiterschaltung nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Schalter vom PMOS- bzw. PFET-Leitungstyp ist.
  22. Halbleiterschaltung nach einem der Ansprüche 12-21, dadurch gekennzeichnet, dass nicht schaltbare Leitungen (5; 6), welchen ein Versorgungspotenzial (VDD; VSS) der Halbleiterschaltung zuführbar ist, gleichmäßig über der Halbleiterschaltung platziert sind.
  23. Halbleiterschaltung nach einem der Ansprüche 12-22, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Zeilen oder Spalten der Halbleiterschaltung, deren Spannungsversorgung jeweils durch den mindestens einen Schalter (1) zu schalten ist und welche in der Halbleiterschaltung benachbart angeordnet sind, bezüglich von Versorgungsspannungsleitungen (5; 6) und bezüglich des mindestens einen Schalters (1) zueinander spiegelsymmetrisch angeordnet sind.
  24. Halbleiterschaltung nach einem der Ansprüche 12-23, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschaltung Standardzellen umfasst, wobei die mindestens eine Spannungsdomäne und der mindestens eine Schalter (1) aus Standardzellen aufgebaut sind.
  25. Halbleiterschaltung nach einem der Ansprüche 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Standardzellen in mindestens einer Reihe oder Spalte angeordnet sind, wobei jede der mindestens einen Reihe oder Spalte mit einem ersten Versorgungspotenzial (VDD) und einem zweiten Versorgungspotenzial (VSS) der Halbleiterschaltung verbunden ist.
  26. Halbleiterschaltung nach einem der Ansprüche 12-25, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschaltung derart ausgestaltet ist, dass eine Anpassung an einen Stromverbrauch jeder Spannungsdomäne über eine Anzahl des mindestens einen Schalters (1), welche die Spannungsversorgung der entsprechenden Spannungsdomäne schalten, erfolgt ist.
  27. Halbleiterschaltung nach einem der Ansprüche 12-26, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschaltung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-11 ausgestaltet ist.
  28. Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterschaltung, dadurch gekennzeichnet, dass eine die Halbleiterschaltung nach einem der Ansprüche 12-27 im Standardzellenentwurfsverfahren entworfen wird.
Es folgen 2 Blatt Zeichnungen






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