具有負載最小能耗點追蹤的自適應電壓調(diào)節(jié)電路的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及電子電路【技術領域】，具體的說是涉及一種具有負載最小能量消耗點追蹤的自適應電壓調(diào)節(jié)功能的降壓式穩(wěn)壓電路。本發(fā)明由Buck功率變換器和邏輯控制電路構成；所述Buck功率變換器由PMOS管MP、二極管D、電感L和電容C構成；其中，MP的源極接直流偏置電壓Vin，其漏極接二極管D的負極，其漏極通過電感L后接負載，其漏極還依次通過電感L和電容C后接地；二極管D的正極接負載。本發(fā)明的有益效果為，可以很好的滿足數(shù)字集成電路對調(diào)頻調(diào)壓、低壓和低功耗的要求。本發(fā)明尤其適用于降壓式穩(wěn)壓電路。
【專利說明】具有負載最小能耗點追蹤的自適應電壓調(diào)節(jié)電路
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于電子電路【技術領域】，具體的說是涉及一種具有負載最小能耗點追蹤的自適應電壓調(diào)節(jié)電路。
【背景技術】
[0002]隨著技術的發(fā)展數(shù)字集成電路(如片上系統(tǒng)SoC、中央處理器CPU和數(shù)字信號處理器DSP)的集成度越來越高，由于功耗、散熱和應用對象的變化，越來越趨向于低壓低功耗，同時根據(jù)系統(tǒng)要求可以在不同頻率和電壓下工作。當前低功耗技術中的最小能量點追蹤技術和自適應電壓調(diào)節(jié)技術可以很好地改善數(shù)字芯片的上述問題。最小能量點追蹤技術可以根據(jù)數(shù)字集成電路在不同電壓下的能耗自動地追蹤數(shù)字集成電路功耗最低時的工作電壓；自適應電壓調(diào)節(jié)技術根據(jù)數(shù)字集成電路的不同工作頻率自適應地搜索到該頻率下數(shù)字集成電路正常工作時的最小電壓。
[0003]其中最小能量點追蹤技術是根據(jù)數(shù)字集成電路在不同電壓下工作時能耗Et存在一個最小點。數(shù)字集成電路功耗Et包括兩部分:動態(tài)功耗Ed和靜態(tài)功耗Es。動態(tài)功耗是由數(shù)字集成電路在工作時(高地電平轉換或是開關動作)對等效負載電容充放電引起的，Ed = KNCJdd2,其中K是數(shù)字集成電路的活動因子，N是完成給定任務需要工作的時鐘周期個數(shù)，C是數(shù)字集成電路的等效負載電容，Vdd是數(shù)字集成電路的工作電壓；靜態(tài)功耗是由數(shù)字集成電路的各種漏電機制引起的，Es = NTmIJdd,其中是數(shù)字集成電路的等效漏電流，Tm是數(shù)字集成電路工作的時鐘周期。由動態(tài)功耗和靜態(tài)功耗的表達式知，當工作電壓升高時，數(shù)字集成電路完成給定任務的動態(tài)能耗增加；但是Vdd升高使Tm減小，減小的Tm會引起漏電能耗減小。所以數(shù)字集成電路工作時總的能耗存在最小點，當數(shù)字集成電路工作在該最小點對應的電壓時，完成任務給定的任務能耗最小。最小能量點追蹤技術可以自動追蹤最小能量消耗點對應的電壓。
[0004]自適應電壓調(diào)節(jié)技術根據(jù)數(shù)字集成電路工作頻率的不同自適應的搜索到該頻率下數(shù)字集成電路正常工作時的最小電壓?，F(xiàn)有的很多電子部件，如CPU和DSP都可以在不同時鐘頻率下工作。當數(shù)字集成電路工作在高頻時，集成電路功耗的主要部分是門電路的開關功耗，門電路的開關功耗P = fCV2，門電路的開關功耗與電路工作的頻率成正比，與電路的工作電壓的平方成正比。當數(shù)字集成電路完成一個給定的任務時,數(shù)字集成電路完成任務所需要的時鐘周期個數(shù)是確定的，只降低數(shù)字集成電路的工作頻率而不改變工作的電壓，完成該任務消耗的總能量是不變的。但是當工作頻率固定時，適當?shù)慕档蛿?shù)字集成電路的工作電壓，根據(jù)門電路的功耗的表達式，其完成任務消耗的能量會明顯降低。根據(jù)不同地工藝偏差、溫度和數(shù)字集成電路工作頻率實時的調(diào)節(jié)其供電電壓，使其能量消耗最小的方法即是自適應電壓調(diào)節(jié)技術。
[0005]在現(xiàn)有的低功耗技術中，最小能量點追蹤技術在追蹤數(shù)字負載的最小能耗點時會改變負載的工作頻率；自適應電壓調(diào)節(jié)技術可以保證負載在某一固定頻率下正常工作的前提下，通過調(diào)節(jié)Buck變換器的輸出電壓使數(shù)字負載的能耗降低，但是該工作電壓不一定是負載在該固定頻率下正常工作時的最小能耗電壓。本發(fā)明具有負載最小能耗點追蹤的自適應電壓調(diào)節(jié)電路則是對最小能量點追蹤技術和自適應電壓調(diào)節(jié)技術的結合，可以使負載在固定頻率下正常工作時，追蹤到負載的最小能耗點。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的，就是針對上述問題，提出一種具有負載最小能耗點追蹤自適應電壓調(diào)節(jié)電路。該調(diào)節(jié)電路能夠自適應的降壓搜尋負載在給定的頻率下正常工作時的最小工作電壓，在該電壓的基礎上追蹤負載最小能量消耗的電壓點。采用延遲線擬合負載的關鍵路徑，以負載工作的時鐘信號在一個周期內(nèi)能否通過延遲線作為自適應調(diào)壓信號，搜尋到該工作時鐘頻率下負載能夠正常工作的最低電壓。在該最低電壓的基礎上，利用負載在亞閾值和超閾值下特有的能量消耗曲線，通過控制降壓式穩(wěn)壓電路的輸出電壓以及功率管的導通時間使功率管每次導通輸出到負載的能量相同，通過檢測和比較負載在不同的輸出電壓下工作時，功率管在一定時間內(nèi)的導通次數(shù)，根據(jù)比較結果實現(xiàn)追蹤負載最小能量消耗點電壓的功能。
[0007]本發(fā)明的技術方案，具有負載最小能耗點追蹤的自適應電壓調(diào)節(jié)電路，包括Buck功率變換器和邏輯控制電路；
[0008]所述Buck功率變換器由PMOS管MP、二極管D、電感L和電容C構成；其中，MP的源極接直流偏置電壓Vin，其漏極接二極管D的負極，其漏極通過電感L后接負載，其漏極還依次通過電感L和電容C后接地；二極管D的正極接地；
[0009]所述邏輯控制電路包括動態(tài)比較器、數(shù)控振蕩器、數(shù)模轉換器、數(shù)字邏輯控制模塊、導通時間產(chǎn)生模塊；其中，動態(tài)比較器同相輸入端接BUCK功率變換器的輸出端電壓VO，其反相輸入端接數(shù)模轉換器的輸出端，其輸出端接分別導通時間產(chǎn)生模塊的第一輸入端和數(shù)字邏輯控制模塊的第一輸入端；；數(shù)控振蕩器產(chǎn)數(shù)字邏輯控制模塊的時鐘信號端接外部時鐘信號，其電源輸入端接BUCK功率變換器的輸出端電壓V0，其第一輸出端接導通時間產(chǎn)生模塊、第二輸出端接數(shù)模轉換器的輸入端；導通時間產(chǎn)生模塊的輸出接MP的柵極。
[0010]具體的，所述數(shù)字邏輯控制模塊包括自適應電壓調(diào)節(jié)模塊、最小能耗點模塊、數(shù)據(jù)選擇器、可逆計數(shù)器和存儲器；其中，自適應電壓調(diào)節(jié)模塊的電源輸入端接BUCK功率變換器的輸出端電壓V0，其時鐘信號端接外部時鐘信號，其輸入端接可逆計數(shù)器的第一輸出端；最小能耗點模塊的時鐘信號端分別接外部時鐘信號、其第一輸入端接動態(tài)比較器的輸出端，其第二輸入端接可逆計數(shù)器的第一輸出端；數(shù)據(jù)選擇器的第一輸入端接自適應電壓調(diào)節(jié)模塊的輸出端，其第二輸入端接最小能耗點模塊的輸出端，其第三輸入端接可逆計數(shù)器的第一輸出端，其輸出端接可逆計數(shù)器的輸入端；；存儲器的輸入接可逆計數(shù)器的第二輸出端，其第一輸出端接導通時間產(chǎn)生模塊、第二輸出端接數(shù)模轉換器的輸入端。
[0011]具體的，所述自適應電壓調(diào)節(jié)模塊包括延遲檢測模塊和計數(shù)器，延遲檢測模塊的時鐘信號端接外部時鐘信號，其電源輸入端接BUCK功率變換器的輸出端電壓V0，其輸入端接動態(tài)比較器的輸出端；計數(shù)器的時鐘信號端接時外部鐘信號，其第一輸入端接動態(tài)比較器的輸出端，其第二輸入端接延遲檢測模塊的輸出端，其輸出端接數(shù)據(jù)選擇器的第一輸入端。
[0012]具體的，所述最小能耗點模塊由第一計數(shù)器1、第二計數(shù)器2、比較器和寄存器組成；其中第一計數(shù)器I的時鐘信號端接外部時鐘信號，其輸入端接動態(tài)比較器的輸出端，其輸出端接第二計數(shù)器2的第一輸入端；第二計數(shù)器2的電源端接BUCK功率變換器的輸出端電壓VO,其第二輸入端接動態(tài)比較器的輸出端,其輸出端接寄存器的輸入端；寄存器的輸出端接比較器的第一輸入端，其第二輸入端第二接計數(shù)器2的輸出端，其輸出端接數(shù)據(jù)選擇器的第二輸入端。
[0013]本發(fā)明的有益效果為，可以很好的滿足數(shù)字集成電路對調(diào)頻調(diào)壓、低壓和低功耗的要求。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1是具有負載最小能耗點追蹤的自適應電壓調(diào)節(jié)電路的邏輯結構圖；
[0015]圖2是數(shù)字邏輯控制模塊的結構示意圖；
[0016]圖3是自適應電壓調(diào)節(jié)模塊的結構示意圖；
[0017]圖4是最小能耗點|吳塊的結構不意圖；
[0018]圖5是最小能量消耗點追蹤算法流程圖。
【具體實施方式】
[0019]下面結合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】進行描述
[0020]如圖1所示，本發(fā)明的具有負載最小能耗點追蹤的自適應電壓調(diào)節(jié)電路由BUCK功率變換器和邏輯控制電路構成。
[0021]所述Buck功率變換器由PMOS管MP、二極管D、電感L和電容C構成；其中，MP的源極接直流偏置電壓Vin，其漏極接二極管D的負極，其漏極通過電感L后接負載，其漏極還依次通過電感L和電容C后接地；二極管D的正極接地。
[0022]所述邏輯控制電路包括動態(tài)比較器、數(shù)控振蕩器、數(shù)模轉換器、數(shù)字邏輯控制模塊、導通時間產(chǎn)生模塊；Buck功率變換器的輸出電壓Vo和數(shù)模轉換器輸出的基準電壓同時加到動態(tài)比較器同相輸入端和反相輸入端；數(shù)控振蕩器產(chǎn)生的時鐘信號同時加到動態(tài)比較器和數(shù)字控制邏輯模塊；動態(tài)比較器在時鐘信號的控制下將Buck功率變換器的輸出電壓Vo和數(shù)模轉換器產(chǎn)生的基準電壓進行比較，比較器的輸出信號Do分別施加到數(shù)字邏輯控制模塊和導通時間產(chǎn)生模塊；同時比較器的輸出信號Do作為Buck功率變換器工作的時鐘信號，其頻率也是功率管的開關頻率，外部系統(tǒng)施加的時鐘信號是外部系統(tǒng)要求負載工作的時鐘信號，時鐘信號同時加到數(shù)字邏輯控制模塊；所述的數(shù)字邏輯控制模塊具有兩個輸出信號，一個輸出信號PT加到導通時間產(chǎn)生模塊產(chǎn)生不同的占空比控制信號PG，另一個輸出信號DT輸入到數(shù)模轉換器以控制數(shù)模轉換器產(chǎn)生不同的基準電壓；導通時間產(chǎn)生模塊產(chǎn)生的導通時間控制信號PG作為Buck功率變換器中功率PMOS管MP的柵控信號接Buck功率變換器中功率PMOS管MP的柵極，控制功率PMOS管MP的導通時間。
[0023]如圖2所示，所述數(shù)字邏輯控制模塊在外部施加時鐘信號CLK下，檢測外接負載在其時鐘信號CLK下，在Buck功率變換器輸出電壓為Vo時能否正常工作，據(jù)此自適應的搜尋在負載時鐘信號CLK下負載能正常工作的最小電壓Vomin。在此Buck功率變化器輸出的最小電壓Vomin下，數(shù)字邏輯控制模塊對負載工作M個周期時間內(nèi)Buck功率變換器中PMOS功率管MP導通的周期個數(shù)計數(shù)，并且與上一個輸出電壓Vomin下負載工作M個周期的時間內(nèi)Buck功率變換器中PMOS功率管MP導通的周期個數(shù)進行比較，根據(jù)比較結果來追蹤在負載時鐘信號CLK下負載最小能量消耗點的電壓；數(shù)字邏輯控制模塊輸出的不同控制信號PT對應著Buck功率變換器中功率PMOS管MP不同的導通時間；數(shù)字邏輯控制模塊輸出的不同控制信號DT對應著數(shù)模轉換器輸出不同的基準電壓VKEF。
[0024]所述數(shù)字邏輯控制模塊包括自適應電壓調(diào)節(jié)模塊、最小能耗點模塊、數(shù)據(jù)選擇器、可逆計數(shù)器、存儲器。Buck功率變換器的輸出電壓Vo、外部系統(tǒng)施加的時鐘信號CLK和可逆計數(shù)器的輸出信號Co同時施加到自適應電壓調(diào)節(jié)模塊，自適應電壓調(diào)節(jié)模塊在Co為低電平時開始判斷外接負載Load在此時的Buck功率變換器的輸出電壓Vo下能否正常工作，同時其輸出信號施加到數(shù)據(jù)選擇器；外部系統(tǒng)施加時鐘信號CLK、動態(tài)比較器的輸出信號Do、可逆比計數(shù)器的輸出信號Co同時施加到最小能耗點模塊，最小能耗點模塊在Co為高電平時開始工作，檢測外接負載在時鐘信號CLK下，對外接負載在Buck功率變換器不同的輸出電壓Vo下工作M個周期的時間內(nèi)Buck功率變換器中的功率PMOS管MP的導通周期個數(shù)(也就是對比較器的輸出信號Co)相比較，輸出比較結果cmp_reSult到數(shù)據(jù)選擇器；數(shù)據(jù)選擇器在可逆計數(shù)器的輸出信號Co的作用下對最小能耗點模塊的輸出信號cmp_reSult和自適應電壓調(diào)節(jié)模塊的輸出信號avS_out進行選擇，當Co為低電平時選擇自適應電壓調(diào)節(jié)模塊的輸出信號avs_0Ut作為輸出信號mUX_0Ut施加到可逆計數(shù)器；可逆計數(shù)器根據(jù)mux_out的值將輸出信號a加I或是減1，同時輸出Co的值為高電平或是低電平，可逆計數(shù)器的輸出信號Co同時施加到自適應電壓調(diào)節(jié)模塊、最小能耗點模塊和數(shù)據(jù)選擇器，可逆計數(shù)器輸出信號a施加到存儲器模塊；存儲器根據(jù)可逆計數(shù)器的輸出信號a的不同輸出不同的控制信號DT和PT。
[0025]如圖3所示，所述自適應電壓調(diào)節(jié)模塊包括延遲檢測模塊和計數(shù)器。延遲檢測模塊中的延遲鏈長度與外接負載的關鍵路徑長度相同，以便延遲檢測模塊中的延遲鏈對負載的關鍵路徑進行擬合。延遲檢測模塊在外部施加的時鐘信號CLK下，檢測此時Buck功率變換器的輸出電壓Vo能否使延遲檢測模塊中的延遲鏈正常工作，可以正常工作延時檢測模塊輸出信號out_delay為高電平,否則為低電平,延時檢測模塊的輸出信號out_delay施加到計數(shù)器；可逆計數(shù)器的輸出信號Co和時鐘信號CLK同時施加到計數(shù)器，當可逆計數(shù)器的輸出信號Co為低電平時開始對時鐘信號CLK計數(shù)，計數(shù)達到設定值N時將延遲檢測模塊的輸出信號out_delay作為自適應電壓調(diào)節(jié)模塊的輸出信號avs_out。
[0026]如圖4所示，所述最小能耗點模塊由計數(shù)器1、計數(shù)器2、比較器和寄存器組成。外部系統(tǒng)施加的時鐘信號CLK和可逆計數(shù)器的輸出信號Co同時施加到計數(shù)器1，計數(shù)器I在可逆計數(shù)器的輸出信號Co為高電平時開始對時鐘信號CLK計數(shù)，計數(shù)達到設定值M時停止計數(shù)同時輸出信號out_cntl到計數(shù)器2 ;計數(shù)器2在Co為高電平時開始對動態(tài)比較器的輸出信號Do計數(shù)，當信號out_cntl到來時停止計數(shù),計數(shù)器2的計數(shù)結果cmp_b施加到寄存器和比較器；寄存器的輸出信號cmp_a也施加到比較器，比較器將cmp_a和cmp_b相比較，輸出比較結果cmp_reSult ;在每次比較器比較結束時，寄存器內(nèi)寄存的內(nèi)容更新為計數(shù)器2的輸出信號cmp_b。
[0027]所述自適應電壓調(diào)節(jié)模塊，通過改變延遲檢測模塊中延遲鏈的長度，可以對不同的外接負載的關鍵路徑擬合，使具有負載最小能耗點追蹤的自適應電壓調(diào)節(jié)電路對于不同的負載，通過自適應電壓模塊輸出的調(diào)壓信號avS_out經(jīng)過可逆計數(shù)器和存儲器的邏輯變化輸出控制信號DT和PT，自適應的搜尋到負載在時鐘信號CLK下正常工作的最小電壓Vo，以此電壓為起點，通過最小能耗點模塊來追蹤負載在時鐘信號CLK下正常工作的最小能量消耗點電壓Vo。
[0028]所述的具有負載最小能耗點追蹤的自適應電壓調(diào)節(jié)電路，當數(shù)字負載的時鐘信號CLK發(fā)生改變時，該調(diào)節(jié)電路通過自適應電壓調(diào)節(jié)模塊、可逆計數(shù)器以及存儲器自適應地搜尋到負載在時鐘信號CLK下正常工作的最小電壓Vo，以此電壓為起點，通過最小能耗點模塊、可逆計數(shù)器以及存儲器模塊來追蹤負載在時鐘信號CLK下正常工作的最小能量消耗點電壓Vo。
[0029]下面介紹MEPT算法實現(xiàn)模塊工作的基本原理。Buck功率變換器的能量平衡模型為
[0030]AEm = A Ee+ Δ Ec+ Δ El (I)
[0031]其中，Λ EinS—個開關周期內(nèi)電源提供給Buck輸入端的能量、Λ Ek為一個開關周期內(nèi)負載消耗的能量、為一個開關周期內(nèi)電容儲能的變化量、為一個開關周期內(nèi)電感儲能的變化量。在DCM模式下ΛΕ。和Λ Ej亙?yōu)榱?。而在具有負載最小能量消耗點追蹤的自適應電壓調(diào)節(jié)功能的降壓式穩(wěn)壓電路的負載工作M個周期內(nèi)，如果Buck功率變換器工作了 K個時鐘周期，其中輸入能量η個，跨過m個周期。那么如果忽略電容消耗的能量，負載消耗的能量就等于η個周期一共輸入的能量。式(I)經(jīng)過變化得:
【權利要求】
1.具有負載最小能耗點追蹤的自適應電壓調(diào)節(jié)電路，包括Buck功率變換器和邏輯控制電路； 所述Buck功率變換器由PMOS管MP、二極管D、電感L和電容C構成；其中，MP的源極接直流偏置電壓Vin，其漏極接二極管D的負極，其漏極通過電感L后接負載，其漏極還依次通過電感L和電容C后接地；二極管D的正極接地； 所述邏輯控制電路包括動態(tài)比較器、數(shù)控振蕩器、數(shù)模轉換器、數(shù)字邏輯控制模塊、導通時間產(chǎn)生模塊；其中，動態(tài)比較器同相輸入端接Buck功率變換器的輸出端電壓V0，其反相輸入端接數(shù)模轉換器的輸出端，其輸出端接分別導通時間產(chǎn)生模塊的第一輸入端和數(shù)字邏輯控制模塊的第一輸入端；數(shù)控振蕩器產(chǎn)數(shù)字邏輯控制模塊的時鐘信號端接外部時鐘信號，其電源輸入端接BUCK功率變換器的輸出端電壓V0，其第一輸出端接導通時間產(chǎn)生模塊、第二輸出端接數(shù)模轉換器的輸入端；導通時間產(chǎn)生模塊的輸出接MP的柵極。
2.根據(jù)權利要求1所述的具有負載最小能耗點追蹤的自適應電壓調(diào)節(jié)電路，其特征在于，所述數(shù)字邏輯控制模塊包括自適應電壓調(diào)節(jié)模塊、最小能耗點模塊、數(shù)據(jù)選擇器、可逆計數(shù)器和存儲器；其中，自適應電壓調(diào)節(jié)模塊的電源輸入端接Buck功率變換器的輸出端電壓V0，其時鐘信號端接外部時鐘信號，其輸入端接可逆計數(shù)器的第一輸出端；最小能耗點模塊的時鐘信號端分別接外部時鐘信號、其第一輸入端接動態(tài)比較器的輸出端，其第二輸入端接可逆計數(shù)器的第一輸出端；數(shù)據(jù)選擇器的第一輸入端接自適應電壓調(diào)節(jié)模塊的輸出端，其第二輸入端接最小能耗點模塊的輸出端，其第三輸入端接可逆計數(shù)器的第一輸出端，其輸出端接可逆計數(shù)器的輸入端；；存儲器的輸入接可逆計數(shù)器的第二輸出端，其第一輸出端接導通時間產(chǎn)生模塊、第二輸出端接數(shù)模轉換器的輸入端。
3.根據(jù)權利要求2所述的具有負載最小能耗點追蹤的自適應電壓調(diào)節(jié)電路，其特征在于，所述自適應電壓調(diào)節(jié)模塊包括延遲檢測模塊和計數(shù)器，延遲檢測模塊的時鐘信號端接外部時鐘信號，其電源輸入端接Buck功率變換器的輸出端電壓V0，其輸入端接動態(tài)比較器的輸出端；計數(shù)器的時鐘信號端接時外部鐘信號，其第一輸入端接動態(tài)比較器的輸出端，其第二輸入端接延遲檢測模塊的輸出端，其輸出端接數(shù)據(jù)選擇器的第一輸入端。
4.根據(jù)權利要求2所述的具有負載最小能耗點追蹤的自適應電壓調(diào)節(jié)電路，其特征在于，所述最小能耗點模塊由第一計數(shù)器(I)、第二計數(shù)器(2)、比較器和寄存器組成；其中第一計數(shù)器(I)的時鐘信號端接外部時鐘信號，其輸入端接動態(tài)比較器的輸出端，其輸出端接第二計數(shù)器(2)的第一輸入端；第二計數(shù)器(2)的電源端接BUCK功率變換器的輸出端電壓V0，其第二輸入端接動態(tài)比較器的輸出端，其輸出端接寄存器的輸入端；寄存器的輸出端接比較器的第一輸入端，其第二輸入端第二接計數(shù)器(2)的輸出端，其輸出端接數(shù)據(jù)選擇器的第二輸入端。
【文檔編號】H02M3/156GK104038063SQ201410299520
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年6月27日 優(yōu)先權日:2014年6月27日
【發(fā)明者】羅萍, 王東俊, 孫建勇, 白春蕾, 陳劍洛, 彭宣霖, 李航標 申請人:電子科技大學