一种低功耗电路生成系统技术方案

本发明专利技术公开了一种用于低功耗电路的设计方法及系统，包括时钟管理电路、频率自适应电路、电压检测电路、过流检测电路、低功耗系统控制电路。其中时钟管理电路用于整个系统时钟选择、时钟门控、时钟分频、时钟生成、时钟使用等；频率自适应电路用于实时动态平衡系统的功耗，能实时检测当前系统非接触电压或接触电流报警信号，若当前场景下系统负载能力大于驱动能力，硬件采到电压或电流报警信号，则通过动态调整时钟频率来实现功耗平衡。在电池供电便携式设备和无源芯片类（非接触卡）领域，功耗意味着电池寿命和工作距离。因此该种低功耗电路的设计方法及系统对设计一款高安全的低功耗芯片，保证芯片可靠性和兼容性，解决芯片低功耗问题具有重要意义。

【技术实现步骤摘要】
一种低功耗电路生成系统
本专利技术涉及低功耗电路设计领域，其可适用于非接触卡、双界面卡、接触卡、安全芯片、支付终端、指纹芯片等各个领域。
技术介绍
信息产业是当今世界经济发展中最快和最富活力的新兴产业，随着信息技术的快速发展和信息产品的快速普及应用，特别是金融银行卡、居民健康卡、金融社保卡、居住证、电子护照、支付类芯片的问世，芯片功耗问题越来越引起重视。对于电池供电便携式设备和无源芯片类（非接触卡）来说，功耗则意味着电池寿命和工作距离。随着集成电路快速发展，芯片的集成度越来越高，规模甚至达到百万、千万门级，最顶级芯片总功耗可接近上百瓦，单位面积功耗和局部热点功耗很大，这就产生了芯片封装成本、电源成本、稳定性等问题。如何设计一款高安全的低功耗芯片，直接决定芯片使用过程中的可靠性和兼容性，因此芯片低功耗问题成为芯片厂商关注的焦点。如何设计一款低功耗的芯片，主要取决于芯片的静态功耗和动态功耗。其中静态功耗主要是指逻辑门开关不活动情况下功耗消耗，主要由泄露电流造成，随工艺和温度变化而变化；动态功耗主要是指逻辑门开关活动时的功耗消耗，主要由电路信号变换时造成的瞬态开路电流和负载电流叠加而成。低功耗电路可以从系统级、RTL级、门级等角度考虑和优化，越在高层次进行功耗优化效果越明显。如图1所示，为传统的非低功耗电路生成系统示意图。该电路实现方法有以下几种：方法1：等占空比时钟分频法：将OSC、PLL等时钟源等占空比分为2、4、8、16、32等分频，分频时钟作为生成时钟的可选时钟源；优点：1)分频方式简单；2)分频类型较少；缺点：1)若时钟源较多，分频时钟也多，时钟树功耗较大；2)分频不够精细，无法任意整数N分频或1~2之间的小数分频；3)等占空比分频灵活度不够，无法保证时钟频率线性变化。方法2：先分频、后门控方式：先各时钟源进行时钟分频、后对各分频时钟选择、时钟门控、时钟生成；优点：分频方式简单；缺点：时钟源与时钟门控之间组合路径长，存在时钟树功耗浪费。方法3：软件时钟门控方式：软件配置门控寄存器控制模块的时钟开启或关闭；优点：软件操作简单、方便；缺点：1)存在功耗叠加风险；2)门控范围受限、不够灵活。方法4：有源应用场景：芯片工作的时钟频率固定，无法自动调节功能，全速运行时无法满足不同电压等级的功耗要求；优点：实现起来简单；缺点：1)易发热发烫；2)比较浪费电池；3)工作场景受限。方法5：无源应用场景：芯片工作的时钟频率固定，无法自动调节功能，全速运行时无法满足卡机在不同距离的适应性，不同卡机兼容性也比较差；优点：实现起来简单；缺点：1)易发热发烫；2)兼容性差；3)适应性差。传统的电路生成系统方案采用的低功耗技术比较少，或者说低功耗设计方案不够优化，导致芯片平均功耗较大，从而芯片易产生过度发热、发烫、工作稳定性等问题。某些电路的功耗平衡化处理不够优化，导致芯片在某些期间出现峰值功耗，从而影响了无源芯片的卡机兼容性问题。某些工作场景平均功耗比较大，从而导致有源芯片无法满足某些电压等级的功耗要求，这些都严重制约了芯片的适用性与易用性。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种低功耗电路生成系统，该低功耗电路生成系统可极大地降低芯片的平均功耗，且使芯片功耗分布更加均匀化，解决了上述芯片过度发热问题、可靠性问题、非接触芯片的兼容性问题、以及接触芯片的适用性问题。为了解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案是：一种低功耗电路生成系统，包括时钟管理电路、频率自适应电路、电压检测电路、过流检测电路、低功耗系统控制电路，其中，所述时钟管理电路外接时钟源，相互连接频率自适应电路和低功耗系统控制电路，用于整个系统的时钟选择、时钟门控、时钟分频、时钟生成、时钟使用等功能；所述频率自适应电路相互连接时钟管理电路、过流检测电路、电压检测电路和低功耗系统控制电路，外接子系统，用于实时接收非接触界面的当前电压值和接触界面的当前电流值，并检测非接触电压报警信号或接触电流报警信号，通过动态调整时钟频率来实现功耗平衡；所述过流检测电路相互连接频率自适应电路，用于检测接触界面的当前电流值，并将当前电流值传送给频率自适应电路；所述电压检测电路相互连接频率自适应电路，用于检测非接触界面的当前电压值，并将当前电压值传送给频率自适应电路；所述低功耗系统控制电路相互连接时钟管理电路和频率自适应电路，外接时钟源和子系统，用于智能控制时钟管理电路和频率自适应电路，降低和平衡整个系统功耗。优选地，所述时钟管理电路采用非等占空比分频方法，软件配置1~N任意分频，软件若配置为N分频，硬件则门控掉(N-1)个时钟脉冲实现时钟N分频。优选地，所述时钟管理电路配置为(N+1)/N分频方法，实现0~1之间任意小数分频。优选地，所述时钟管理电路采用先时钟门控、后时钟分频方法。优选地，所述频率自适应电路的报警信号，通过一级或两级同步锁存方式来报警，保证系统降频的及时性。优选地，所述频率自适应电路的报警电压或电流有效期间设定1~N分频或者(N+1)/N分频。优选地，所述频率自适应电路的频率自适应具备一键使能功能和自由运行特性。优选地，所述电压检测电路设定不同档位报警电压值，同一个档位值通过TRIM微调报警范围。优选地，所述过流检测电路配置不同电流档位，通过TRIM位来进行调整电流档位，以保证不同卡片间一致性。优选地，所述低功耗系统控制电路中，时钟门控采用软硬相结合的方案，软件时钟门控在上层时钟模块集中管理，硬件智能门控在下层模块实现。优选地，所述低功耗系统控制电路具备存储控制低功耗处理功能。优选地，所述低功耗系统控制电路具备功耗错峰处理功能。优选地，所述低功耗系统控制电路具备浅休眠和深休眠两种功耗模式。优选地，所述低功耗系统控制电路具备低功耗存储系统，能够定制化设计低功耗存储器，保证存储器读、写、擦功耗在可控功耗范围内。本专利技术低功耗电路生成系统的有益效果是，该低功耗电路生成系统结合芯片的各种低功耗方案，包含但不局限于工艺优化、多电压域、电源关断、多电压阈值等方案，对降低系统功耗有很大帮助，能够极大地减小芯片的平均功耗、显著提升芯片可靠性和适用性、提高非接触卡片的兼容性，对低功耗芯片的设计与开发具有积极的指导意义。下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步说明。附图说明图1是现有的非低功耗电路生成系统结构图。图2是本专利技术的低功耗电路生成系统结构图。图3是本专利技术具体实施的非等占空比时钟生成电路图。图4是本专利技术具体实施的等占空比与非等占空比分频对比电路图。图5是本专利技术具体实施的功耗平衡化对比图。图6是本专利技术具体实施的频率自适应电路时序图。图7是本专利技术具体实施低功耗控制电路的功耗错峰防叠加示意图。具体实施方式为了便于本领域技术人员的理解，下面结合附图对本专利技术做进一步描述，但不能用来限制本专利技术的保护范围。如图2所示，为本专利技术的低功耗电路生成系统结构图。首先，时钟管理电路包含时钟选择、时钟门控、时钟分频等功能。其中，时钟选择可参数化设定时钟源，根据实际情况参数化设定，为方便理解，以8路时钟源为例的非等占空比分频方式。其中，时钟门控在时钟源近端进行时钟门控，保证未被选择的时钟源处于关闭状态，防止不必要的时钟树功耗损耗，具体门控电路可以采用非等占空比时钟生成电路来实现，如图3所示，为本专利技术具体本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种低功耗电路生成系统，包括时钟管理电路、频率自适应电路、电压检测电路、过流检测电路、低功耗系统控制电路，其特征在于，所述时钟管理电路外接时钟源，相互连接频率自适应电路和低功耗系统控制电路，用于整个系统的时钟选择、时钟门控、时钟分频、时钟生成、时钟使用等功能；所述频率自适应电路相互连接时钟管理电路、过流检测电路、电压检测电路和低功耗系统控制电路，外接子系统，用于实时接收非接触界面的当前电压值和接触界面的当前电流值，并检测非接触电压报警信号或接触电流报警信号，通过动态调整时钟频率来实现功耗平衡；所述过流检测电路相互连接频率自适应电路，用于检测接触界面的当前电流值，并将当前电流值传送给频率自适应电路；所述电压检测电路相互连接频率自适应电路，用于检测非接触界面的当前电压值，并将当前电压值传送给频率自适应电路；所述低功耗系统控制电路相互连接时钟管理电路和频率自适应电路，外接时钟源和子系统，用于智能控制时钟管理电路和频率自适应电路，降低和平衡整个系统功耗。

【技术特征摘要】
1.一种低功耗电路生成系统，包括时钟管理电路、频率自适应电路、电压检测电路、过流检测电路、低功耗系统控制电路，其特征在于，所述时钟管理电路外接时钟源，相互连接频率自适应电路和低功耗系统控制电路，用于整个系统的时钟选择、时钟门控、时钟分频、时钟生成、时钟使用等功能；所述频率自适应电路相互连接时钟管理电路、过流检测电路、电压检测电路和低功耗系统控制电路，外接子系统，用于实时接收非接触界面的当前电压值和接触界面的当前电流值，并检测非接触电压报警信号或接触电流报警信号，通过动态调整时钟频率来实现功耗平衡；所述过流检测电路相互连接频率自适应电路，用于检测接触界面的当前电流值，并将当前电流值传送给频率自适应电路；所述电压检测电路相互连接频率自适应电路，用于检测非接触界面的当前电压值，并将当前电压值传送给频率自适应电路；所述低功耗系统控制电路相互连接时钟管理电路和频率自适应电路，外接时钟源和子系统，用于智能控制时钟管理电路和频率自适应电路，降低和平衡整个系统功耗。2.如权利要求1所述的时钟管理电路，其特征在于，所述时钟管理电路采用非等占空比分频方法，软件配置1~N任意分频，软件若配置为N分频，硬件则门控掉(N-1)个时钟脉冲实现时钟N分频。3.如权利要求1所述的时钟管理电路，其特征在于，所述时钟管理电路配置为(N+1)/N分频方法，实现0~1之间任意小数分频。4.如权利要求1所述的时钟管理电路，其特征在于，所述时钟管理电路采用先时钟门控、后时钟分频方法。5.如权利要求1所述的频率自适应电路，其特征在于，所述频率...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭耀华，岳超，丁义民，李冰，
申请(专利权)人：北京同方微电子有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11