CN101452299B - 自动电压控制电路与相关方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种自动电压控制电路，用来控制一供电单元所提供的一供电电压。该电路包含有：一振荡单元，耦接于该供电单元，用来产生一振荡信号；一频率比较单元，耦接于该振荡单元，用来比较该振荡信号的振荡频率与至少一预设阈值频率；以及一控制单元，耦接于该频率比较单元以及该供电单元，用来依据该频率比较单元比较该振荡频率与该至少一预设阈值频率的结果，控制该供电单元调整该供电电压。

Description

自动电压控制电路与相关方法
技术领域
本发明相关于数字电路的电压控制，尤其指一种可视电路运作状况，动态地调整一供电电压的自动电压控制电路与相关方法。
背景技术
在数字电路的设计上，常会使用一个至数个时钟来管理触发器(例如D型触发器(DFF))之间的同步。而在时钟触发触发器的时候，触发器的数据输入端上的值必须已经稳定，如此一来，在时钟触发的时候触发器才能够取样到正确的值。因此，数字电路所使用的时钟的频率会受限于触发器之间信号传递的速度。换句话说，在数字电路的设计上，必须确保时钟的周期不小于触发器之间信号传递所需的时间。
然而，在数字电路中，影响信号传递速度的因素有很多，包括制造工艺、环境温度、供电电压等等。受制造工艺变化的影响，数字电路中信号传递速度可能会变慢。而环境温度升高、或供电电压下降，也常会造成信号传递速度变慢。为了让电路能在不同的环境的下都能正确地运作，在设计电路时，一般会将最糟的状况考虑进去，此种电路设计方式常可称为“最糟状况分析法”(worst case analysis)。然而，此种作法的代价是会让电路的面积变大，运作时的功耗(power consumption)也会变高。
而功耗的大小，对于电子产品而言是非常重要的，尤其是便携式(portable)电子装置，其电源主要来自于电池的供电，而过高的功耗会使可携式电子装置快速地消耗掉电池中的电能，并缩短可携式电子装置的待机/使用时间，导致使用者必须常常更换电池或为电池充电，而造成使用者的不便。因此，电子产品的设计者无不费心思考能降低功耗的方法。
发明内容
因此，本发明的目的之一，在于提供一种可视电路运作状况，动态地调整一供电电压的自动电压控制电路与相关方法。
本发明的实施例公开一种自动电压控制电路，用来控制一供电单元所提供的一供电电压。该电路包含有：一振荡单元，耦接于该供电单元，用来产生一振荡信号；一频率比较单元，耦接于该振荡单元，用来比较该振荡信号的振荡频率与至少一预设阈值频率；以及一控制单元，耦接于该频率比较单元以及该供电单元，用来依据该频率比较单元比较该振荡频率与该至少一预设阈值频率的结果，控制该供电单元调整该供电电压。
本发明的实施例还公开一种自动电压控制方法，用来控制一供电单元调整其所提供的一供电电压。该方法包含有：产生一振荡信号；比较该振荡信号的振荡频率与至少一预设阈值频率；以及依据比较该振荡频率与该至少一预设阈值频率的结果，控制该供电单元调整该供电电压。
附图说明
图1为本发明的自动电压控制电路的一实施例示意图。
图2为图1所示的振荡单元的一实施例示意图。
图3为图2所示的环形振荡器中的反相器的三个例子。
图4为本发明的自动电压控制电路的另一实施例示意图。
主要元件符号说明
100、400                 芯片
120、420                 供电单元
122、422                 电源装置
124、424                 电压调节器
160、460                 自动电压控制电路
162、462a、462b、462c    振荡单元
164、464a、464b、464c    频率比较单元
165、465a、465b、465c    计数器
166、466a、466b、466c    比较单元
168、468                 控制单元
210                      与非门
220                      反相器
310                      CMOS反相器
320                      或非门
330                  与非门
具体实施方式
图1所示为本发明的自动电压控制电路的一实施例示意图。本实施例中的自动电压控制电路160设置于一芯片100之中，一供电单元120用来产生一供电电压VDD，通过供电电压VDD来提供芯片100内部的元件(包含自动电压控制电路160以及其他未表示的元件)运作所需的电能。而于本实施例中，供电单元120包含有位于芯片100外部的一电源装置122以及位于芯片100内部的一电压调节器(regulator)124；自动电压控制电路160则包含有一振荡单元162、一频率比较单元164、以及一控制单元168。
振荡单元162用来产生一振荡信号SOSC，由于振荡单元162运作所需的电能由供电电压VDD所提供，因此，供电电压VDD的大小将会影响振荡信号SOSC的振荡频率fOSC。一般而言，供电电压VDD越大，芯片100内部的元件的运作速度就会越快，故振荡频率fOSC将会越大；供电电压VDD越小，芯片100内部的元件的运作速度就会越慢，故振荡频率fOSC将会越小。因此，藉由检测振荡频率fOSC的大小，本实施例的自动电压控制电路160将可据以控制电压调节器124将供电电压VDD调整至适当的大小，以于运作状况允许时，适当地降低芯片100运作时的功耗。
频率比较单元164用来比较振荡频率fOSC与至少一预设阈值频率fTH以产生一比较结果；控制单元168则用来依据频率比较单元164比较振荡频率fOSC与至少一预设阈值频率fTH的比较结果，控制电压调节器124将供电电压VDD调整至适当的大小。为了让频率比较单元164具有比较频率的功能，本实施例中的频率比较单元164包含有一计数器165以及一比较单元166，其中计数器165用来于一计数时段内计算振荡信号SOSC振荡的次数以产生一计数值CV；比较单元166则用来比较计数值CV与至少一预设阈值TH(此处所述的至少一预设阈值TH与前述的至少一预设阈值频率fTH相互对应)。如此一来，控制单元168即可依据比较单元166比较计数值CV与至少一预设阈值TH的比较结果(此即相当于频率比较单元164比较振荡频率fOSC与至少一预设阈值频率fTH的比较结果)，来控制电压调节器124将供电电压VDD调整至适当的大小。当然，供电电压VDD的大小将不能超出一预设范围之外。
举例来说，若计数值CV大于一第一预设阈值TH1，可以得知振荡信号SOSC的振荡频率fOSC大于一第一预设阈值频率fTH1，表示芯片100的运作速度已比所需的运作速度更快，此时，控制单元168可控制电压调节器124调降供电电压VDD的大小，如此一来，于可允许的状况内，将可适度减低芯片100的功耗，且因芯片100运作所累积的热能也会降低。若计数值CV小于一第二预设阈值TH2，则可以得知振荡信号SOSC的振荡频率fOSC小于一第二预设阈值频率fTH2，表示芯片100的运作速度并未达到系统需求的运作速度，此时控制单元168则必须控制电压调节器124调升供电电压VDD的大小，以确保芯片100能正常运作。而前述的第一、第二预设阈值TH1、TH2是两个可经由实地测试(field try)得出的值，其中，第一预设阈值TH1大于第二预设阈值TH2。
图2所示为振荡单元162的一实施例示意图。于图2中，振荡单元162由一环形振荡器(ring oscillator)所实现，其包含有一与非门(NAND)210以及偶数个串联的反相器220(inverter)。与非门210的一输入端耦接于图中最右侧的反相器220的输出端，与非门210的另一输入端则耦接于一振荡致能信号ENABLE。于振荡单元162不需振荡时，振荡致能信号ENABLE处于′0′的逻辑状态，于计数器165需进行计数运作的该计数时段中，振荡致能信号ENABLE则处于′1′的逻辑状态。而与非门210以及任一反相器220的所输出的信号，皆可提供作为图1所示的振荡信号SOSC。
而实现环形振荡器162中的反相器220的作法中，一个例子是图3所示的互补金属氧化物半导体(CMOS)反相器310。然而，对于CMOS反相器310而言，其运作受P型金属氧化物半导体(PMOS)的影响与受N型金属氧化物半导体(NMOS)的影响各半，换句话说，由CMOS反相器310所构成的环形振荡器162的振荡频率fOSC，不见得能确实反应出芯片100中受PMOS所主导(dominate)的路径的运作速度，也不见得能确实反应出芯片100中受NMOS所主导的路径的运作速度。因此，实现环形振荡器162中的各反相器220的作法中还可有其他的例子。举例来说，图3中两输入端相互耦接的或非门(NOR)320，以及两输入端相互耦接的与非门(NAND)330都可用来实现环形振荡器162中的反相器220。由或非门320所构成的环形振荡器162的振荡频率fOSC将较能确实反应出芯片100中受PMOS所主导的路径的运作速度；由与非门330所构成的环形振荡器162的振荡频率fOSC则较能确实反应出芯片100中受NMOS所主导的路径的运作速度。
图4所示为本发明的自动电压控制电路的另一实施例示意图。本实施例中的自动电压控制电路460设置于一芯片400之中，一供电单元420用来产生一供电电压VDD，以通过供电电压VDD来提供芯片400内部的元件(包含自动电压控制电路460以及其他未表示的元件)运作所需的电能。而于本实施例中，供电单元420包含有位于芯片400外部的一电源装置422以及位于芯片400内部的一电压调节器424；自动电压控制电路460则包含有三个振荡单元462a、462b、与462c、三个频率比较单元464a、464b、与464c、以及一控制单元468。
举例来说，振荡单元462a为由CMOS反相器310所构成的环形振荡器，用来产生一第一振荡信号SOSC1；振荡单元462b为由或非门320所构成的环形振荡器，用来产生一第二振荡信号SOSC2；振荡单元462c则为由与非门330所构成的环形振荡器，用来产生一第三振荡信号SOSC3。
关于三个频率比较单元464a、464b、与464c，以频率比较单元464a为例，其可包含有一计数器465a以及一比较单元466a，其中计数器465a用来于一计数时段内计算第一振荡信号SOSC1振荡的次数以产生一第一计数值CV1；比较单元466a则用来比较第一计数值CV1与一第一组预设阈值(此即相当于比较第一振荡信号SOSC1的第一振荡频率fOSC1与一第一组预设阈值频率，其中第一组预设阈值频率与第一组预设阈值相对应)。由于频率比较单元464b以及464c的功能与结构相似于频率比较单元464a的功能与结构，故在此不多做赘述。
而控制单元468可由一逻辑单元来实现。若第一计数值CV1大于一第一预设阈值TH1、且第二计数值CV2大于一第二预设阈值TH2、且第三计数值CV3大于一第三预设阈值TH3，则表示芯片100中，不论是一般的路径、由PMOS所主导的路径、或是由NMOS所主导的路径，其运作速度都已经够快了，因此，控制单元468可控制电压调节器424调降供电电压VDD的大小，如此一来，于可允许的状况内，将可适度减低芯片400的功耗，且因芯片400运作所累积的热能也会降低。若第一计数值CV1小于一第四预设阈值TH4、或第二计数值CV2小于一第五预设阈值TH5、或第三计数值CV3小于一第六预设阈值TH6，则表示芯片400中可能有特定的路径的运作速度并未达到系统的需求，此时控制单元468则必须控制电压调节器424调升供电电压VDD的大小，以确保芯片400能正常运作。而前述的第一、第四预设阈值TH1、TH4是比较单元466a所使用的两个阈值，且TH1大于TH4；第二、第五预设阈值TH2、TH5是比较单元466b所使用的两个阈值，且TH2大于TH5；第三、第六预设阈值TH3、TH6是比较单元466c所使用的两个阈值，且TH3大于TH6。而TH1～TH6六个预设阈值都是可经由实地测试(field try)所得出的值。
当然，图1所示包含一个振荡单元以及一个频率比较单元的实施例，以及图4所示包含三个振荡单元以及三个频率比较单元的实施例仅为举例说明，在依据本发明所设计出的自动电压控制电路中，亦可包含有其他数量的振荡单元以及其他数量频率比较单元。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求所进行的等效变化与修改，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (10)

1.一种自动电压控制电路，用来控制一供电单元所提供的供电电压，该电路包含有：
一振荡单元，耦接于该供电单元，用来产生一振荡信号；
一频率比较单元，耦接于该振荡单元，用来比较该振荡信号的振荡频率与至少一预设阈值频率以产生一比较结果；以及
一控制单元，耦接于该频率比较单元以及该供电单元，用来依据该比较结果，控制该供电单元调整该供电电压。
2.如权利要求1所述的电路，其中该频率比较单元包含有：
一计数器，耦接于该振荡单元，用来于一时段内计算该振荡信号振荡的次数以产生一计数值；以及
一比较单元，耦接于该计数器以及该控制单元，用来比较该计数值与至少一预设阈值，其中该预设阈值对应于该预设阈值频率。
3.如权利要求1所述的电路，其中若该振荡频率大于多个预设阈值频率中的一第一预设阈值频率，该控制单元控制该供电单元调降该供电电压。
4.如权利要求1所述的电路，其中若该振荡频率小于多个预设阈值频率中的一第二预设阈值频率，该控制单元控制该供电单元调升该供电电压。
5.如权利要求1所述的电路，其中该振荡单元为一环型振荡器。
6.如权利要求5所述的电路，其中若该环型振荡器中包含有多个反相器，该多个反相器中的至少一者由一或非门(NOR)所实现；或者若该环型振荡器中包含有多个反相器，该多个反相器中的至少一者由一与非门(NAND)所实现。
7.一种自动电压控制方法，用来控制一供电单元所提供的一供电电压，该方法包含有：
根据所述供电电压产生一振荡信号；
比较该振荡信号的振荡频率与至少一预设阈值频率；以及
依据比较该振荡频率与该至少一预设阈值频率的结果，控制该供电单元调整该供电电压。
8.如权利要求7所述的方法，其中比较该振荡信号的振荡频率与该至少一预设阈值频率的步骤包含有：
于一时段内计算该振荡信号振荡的次数以产生一计数值；以及
比较该计数值与至少一预设阈值，其中该至少一预设阈值对应于该至少一预设阈值频率。
9.如权利要求7所述的方法，其中依据比较该振荡频率与该至少一预设阈值频率的结果控制该供电单元调整该供电电压的步骤包含有：
若该振荡频率大于多个预设阈值频率中的一第一预设阈值频率，则控制该供电单元调降该供电电压。
10.如权利要求7所述的方法，其中依据比较该振荡频率与该至少一预设阈值频率的结果控制该供电单元调整该供电电压的步骤包含有：
若该振荡频率小于多个预设阈值频率中的一第二预设阈值频率，该控制该供电单元调升该供电电压。
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