基于數(shù)字負載最小能耗的自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)技術(shù)研究.pdf

1、隨著集成電路工藝特征尺寸的減小,集成電路功率密度越來越大,散熱器體積龐大且價格昂貴。降低集成電路的能耗成為降低電子產(chǎn)品能耗的重要方面。動態(tài)電壓調(diào)節(jié)(Dynamic Voltage Scaling,DVS)技術(shù)可以通過降低數(shù)字集成電路的供電電壓使其消耗的能量平方倍地降低。但是,為了使數(shù)字負載在不同的工藝偏差、電壓波動和溫度變化(Process, Voltage,Temperature,PVT)情況下都能正常工作,DVS提供給負載的電壓留有

2、較大裕度,這勢必造成能量的浪費。而自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)(Adaptive Voltage Scaling,AVS)技術(shù)可以根據(jù)數(shù)字負載PVT的變化自適應(yīng)地調(diào)節(jié)供電電壓,減小電壓裕度,實現(xiàn)相比DVS技術(shù)更大程度的節(jié)能。
　　本論文對AVS技術(shù)進行了研究,包括脈沖跨周期調(diào)制(Pulse Skip Modulation,PSM)自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)技術(shù)、基于二分頻率搜索(Binary Frequency Searching,BFS)的全數(shù)字鎖相環(huán)(

3、All-Digital Phase-Locked Loop,ADPLL)、功率變換器的自適應(yīng)占空比跨周期(Adaptive Duty ratio with Pulse Skip,ADPS)調(diào)制技術(shù)、ADPS自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)技術(shù)、亞閾區(qū)最小能量追蹤(Minimum Energy Point Tracking,MEPT)電壓調(diào)節(jié)技術(shù)幾個方面,提出了相應(yīng)解決方案,以更小芯片面積、更低功耗的控制電路,實現(xiàn)數(shù)字負載的低功耗工作與高效率供電。本論文的

4、主要工作和創(chuàng)新包括:
　　(1)提出PSM自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)技術(shù)。給出了PSM自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)變換器的工作原理、電路參數(shù)設(shè)計及仿真結(jié)果。PSM自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)變換器通過比較關(guān)鍵路徑延遲時間和工作時鐘周期,實現(xiàn)數(shù)字負載的自適應(yīng)供電。PSM自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)變換器具有控制電路結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)速度快、輕負載下效率高、可全數(shù)字實現(xiàn)等優(yōu)點。在0.13μm CMOS工藝下的仿真結(jié)果顯示,當數(shù)字負載工作頻率在25MHz-100MHz范圍內(nèi)變化時,PSM自適應(yīng)

5、電壓調(diào)節(jié)變換器的輸出電壓可以在0.7V-1.5V范圍內(nèi)自適應(yīng)地調(diào)節(jié)。本論文同時提出了一種基于BFS的全數(shù)字鎖相環(huán),給PSM自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)變換器系統(tǒng)提供頻率可變的時鐘。本論文分析了數(shù)字控制振蕩器(Digitally Controlled Oscillator,DCO)延遲粗調(diào)和細調(diào)對鎖相環(huán)輸出時鐘頻率的影響。在DCO時鐘頻率的粗調(diào)和細調(diào)過程中,使用了二分頻率搜索方法,復(fù)用了同樣的控制電路。在0.13μm CMOS工藝下,所實現(xiàn)的基于BFS

6、的全數(shù)字鎖相環(huán)芯片面積僅為0.043mm2,輸出頻率為115.8MHz時功耗為2.7mW。
　　(2)提出功率變換器的ADPS調(diào)制技術(shù)。ADPS調(diào)制技術(shù)根據(jù)開關(guān)周期開始時輸出電壓與參考電壓的誤差自適應(yīng)地改變控制脈沖的占空比:出現(xiàn)較大的電壓誤差時,變換器使用較大占空比的控制脈沖;出現(xiàn)較小的電壓誤差時,變換器使用較小占空比的控制脈沖。能使變換器工作于斷續(xù)導(dǎo)通模式( Discontinuous Conduction Mode,DCM)的

7、所有占空比均可用于控制。與傳統(tǒng)PSM技術(shù)相比,ADPS控制的DC-DC變換器能實現(xiàn)更小的輸出電壓紋波;與PWM(Pulse Width Modulation,脈沖寬度調(diào)制)技術(shù)相比,由于輕負載下可以產(chǎn)生跨周期,ADPS控制的DC-DC變換器能實現(xiàn)更高的功率變換效率。同時,ADPS調(diào)制技術(shù)具有優(yōu)異的快速瞬態(tài)響應(yīng)特性。
　　(3)提出ADPS自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)技術(shù)。通過對數(shù)字負載關(guān)鍵路徑延遲的監(jiān)控,在 ADPS控制電路作用下,產(chǎn)生不同占空

8、比的控制脈沖,實現(xiàn)對變換器輸出電壓的調(diào)節(jié)。在0.13μm CMOS工藝下,設(shè)計并實現(xiàn)了一款A(yù)DPS自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)控制器,芯片面積僅為0.003mm2。在變換器開關(guān)頻率為1.5MHz,負載時鐘頻率為40MHz時,AVS控制器功耗為17.2μW。當數(shù)字負載工作頻率在25.6MHz-112.6MHz范圍內(nèi)變化時,其供電電壓可以在0.84V-1.95V范圍內(nèi)自適應(yīng)地調(diào)節(jié),最高可以實現(xiàn)節(jié)能81％。ADPS自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)控制器具有電路結(jié)構(gòu)簡單、占用

9、芯片面積小、功耗低、可全數(shù)字實現(xiàn)等優(yōu)點。
　　(4)提出基于功率管導(dǎo)通時間控制的亞閾區(qū)最小能量追蹤電壓調(diào)節(jié)技術(shù)。該技術(shù)同時考慮數(shù)字負載消耗的動態(tài)能量和漏能量,實現(xiàn)負載電路總能量消耗最小化。在0.13μm CMOS工藝下設(shè)計了一款最小能量追蹤電壓調(diào)節(jié)DC-DC變換器。仿真結(jié)果顯示,變換器能在0.2V-0.9V電壓范圍內(nèi)找到負載的最小能量消耗點工作電壓。使用數(shù)字電路實現(xiàn)能量采樣,具有更好的工藝兼容性;隨著集成電路工藝特征尺寸的減小,所