CN102063144A - 一种面向低功耗应用的动态电压调节系统及实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种面向低功耗应用的动态电压调节系统，其特征在于：该系统包括监测误差的片上监测模块（1）、根据系统实时参数自适应调节电压的自适应电源电压调节模块（2）、直流—直流转换器（3）、确定系统初始电压和缓冲器级数的动态电压调节初值模块（4）、主电路（5）。该方法和系统降低了芯片的工作电压，减小了电压裕度，扩大了芯片工作电压的范围，减小了芯片的功耗。

Description

一种面向低功耗应用的动态电压调节系统及实现方法

技术领域

本发明属于嵌入式芯片设计领域，特别是一种面向低功耗应用的动态电压调节体系和实现方法，可应用于低功耗嵌入式系统芯片设计中功耗优化。

背景技术

在现有的低功耗芯片中，动态电压调节有效的解决了功耗的问题，随着集成电路工艺尺寸向着超深亚微米级甚至纳米级进一步缩小，芯片单位面积上的功耗密度也成指数级上升，这使功耗成为集成电路设计中除了工作速度外还必须考虑的重要问题。尤其近年来各类电池供电的手持式设备、无线传感器网络节点芯片等芯片对低功耗要求越来越高，因而如何最大限度的降低芯片功耗已成为集成电路设计领域的关键技术。但是传统的面向低功耗应用的动态电压调节技术采用开环系统，不能对系统的实时运行情况做出迅速准确的反应，从而使得调节存在盲目性，控制性差，精度差等不足。

传统动态电压调节采用开环控制方法调节电压值，即通过查找预先建立好的电压与频率f的关系表格来确定电压值，其值一旦确定就无法根据工艺偏差、温度变化、电源电压波动等因素的干扰而及时调整，如果各类扰动使得电路延时超过当前工作频率下能容忍的值，就会造成电路出错。因此传统动态电压调节方法将增大电压值使其留有充足的余量来避免各类扰动带来的延迟特性变坏，这样就无法使芯片工作在最合适的低电压，也就无法达到功耗最优化。

此外，在同步系统中，如果触发器的setup time / hold time（建立时间/保持时间）不满足，就可能产生亚稳态，亚稳态是指触发器无法在某个规定时间段内达到一个可确认的状态。当一个触发器进入亚稳态引时，既无法预测该单元的输出电平，也无法预测何时输出才能稳定在某个正确的电平上。在这个稳定期间，触发器输出一些中间级电平，或者可能处于振荡状态，并且这种无用的输出电平可以沿信号通道上的各个触发器级联式传播下去，其传播扩大了电路故障面。

发明内容

技术问题：本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的问题，提供一种面向低功耗应用的动态电压调节系统及实现方法，采用该系统和方法降低了芯片的工作电压，减小了电压裕度，扩大了芯片工作电压的范围，减小了芯片的功耗，同时引入了亚稳态监测技术，最大程度的减小了亚稳态的传播。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：一种面向低功耗应用的动态电压调节系统，该系统包括监测误差的片上监测模块、根据系统实时参数自适应调节电压的自适应电源电压调节模块、直流—直流转换器、确定系统初始电压和缓冲器级数的动态电压调节初值模块、主电路；

其中，片上监测模块的告警信号输出端与关键路径信号输入端分别与自适应电源电压调节模块的告警信号输入端和主电路关键路径输出端连接，动态电压调节初值模块的电压输出端和自适应电源电压模块的电压输入端对应连接，自适应电源电压调节模块通过电压调节接口与直流—直流转换器的电压输入端连接，直流—直流转换器的电压输出端连接到主电路的电源端。

优选的，所述片上监测电路包括时序监测模块或亚稳态监测模块或纠错模块。

优选的，所述片上监测模块包括时序监测模块、亚稳态监测模块和纠错模块，时序监测模块的异或门的第一信号输入端和第二信号输入端分别与纠错模块的第三信号输入端和第四信号输入端相连接，亚稳态监测模块的第一信号输出端通过滤波器与时序监测模块的第二信号输出端连接到或门的第五信号输入端，或门的输出端连接到纠错模块的信号选择端。 

本发明还提供了一种面向低功耗应用的动态电压调节的实现方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：片上监测模块在电压减小或者其他扰动影响下发生时序违规或者亚稳态时，会发出告警信号，通过片上监测模块来监视可能出现问题的各个关键路径，将各类扰动的影响综合在时序延迟特性中；当出现违规时，向自适应电源电压调节模块发出告警信号，同时，通过控制时钟来使得主电路停止工作一个周期，并通过片上监测模块保持数据的正确性；

步骤2：自适应电源电压调节模块据此将电压值调高直至告警信号消除；当没有出现告警信号时，自适应电源电压调节模块根据内置算法持续的降低电压直至出现告警信号；其中，电压初值和初始的缓冲器级数是由传统动态电压调节得到的开环控制值，通过内置的查找表可以查出频率和电压以及缓冲器级数一一对应的关系；电压调节的策略由自适应电源电压调节模块中的内置算法决定；结合上述步骤1中的主动控制，可迅速的将电压在有工艺偏差和环境干扰的情况下调整到最适合的临界电压值，从而使功耗最优化；

步骤3：自适应电源电压调节模块通过电压调节接口控制直流—直流转换器，使得系统在避免错误的情况下，工作在临界电压。

优选的，片上监测模块通过监控主电路关键路径的时序违规情况和亚稳态发生状况产生告警信号，当电路发生时序违规时，片上监测模块的触发器因为时钟不同，所采集的数据也会有所差异，后采到的数据较先前采到的数据正确率更高；同时对系统亚稳态进行监控，当出现亚稳态时，片上监测模块中的反相器因为工艺不同，会将告警信号置高。

优选的，片上监测模块中触发器的延时可通过缓冲器的级数来控制，而缓冲器的级数又由自适应电源电压调节模块产生的控制信号来控制。

优选的，自适应电源电压调节的具体策略综合告警信号和内置算法产生，控制信号由内置算法决定。

有益效果：

（1）本发明的面向低功耗应用的动态电压调节结构，通过在传统动态电压调节的结构上增加一个反馈装置，采用主动和被动相结合的调节方法，实现了控制电压方便高效的管理机制。

（2）根据本发明的面向低功耗应用的动态电压调节实现方法，使得电路可以在各种扰动下始终保持正确的工作状态，消除电压空白，扩大了电路的工作电压范围。

（3）根据本发明的面向低功耗应用的动态电压调节实现方法，使得电压调节的工作过程具有灵活可控的特点，提高了电压调节对于不同应用的适应能力。

附图说明

图1为动态电源电压调节系统结构框图。

图2为本发明的一种面向低功耗应用的动态电源电压调节实现方法的流程图。

图3为本发明的一种面向低功耗应用的片上监测电路的电路结构图。

图4为本发明的一种面向低功耗应用的片上监测电路和自适应电压调节模块协同工作的电路结构图。

图5为本发明的一种面向低功耗应用的片上监测电路和自适应电压调节模块，DVS初值模块协同工作的流程图。

图中标号说明：片上监测模块1、自适应电源电压调节模块2、输出可调直流—直流转换器3、动态电压调节初值模块4，主电路5。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

图1为动态电压调节系统结构框图。该调节系统包括片上监测模块1、自适应电源电压调节模块2、DC-DC（直流－直流）转换器 3、DVS（动态电压调节）初值模块4，主电路5。

其中，片上监测模块1的告警信号输出端与关键路径信号输入端分别与自适应电源电压调节模块2的告警信号输入端和主电路5关键路径输出端连接，动态电压调节初值模块4的电压输出端和自适应电源电压模块2的电压输入端对应连接，自适应电源电压调节模块2通过电压调节接口与直流—直流转换器3的电压输入端间接连接，直流—直流转换器3的电压输出端连接到主电路5的电源端。

本发明的工作流程如下，参见图2。

第一步，片上监测模块1对主电路中的各关键路径进行实时监测，当电压降低或者其他电路扰动导致电路时序违规或者出现亚稳态时，发出告警信号至自适应电源电压调节模块2。

第二步，自适应电源电压调节模块2产生初始电压和buffer（缓冲器）级数由 DVS（动态电压调节）初值模块4提供。

第三步，根据第一步得到的告警信号，自适应电源电压调节模块2中内置的相关算法生成电压调节的策略。

第四步，根据上一步得到的电压调节策略，当产生告警信号时，自适应电源电压模块2升高电压并同时产生新的buffer（缓冲器）级数，当未产生告警信号时，自适应电源电压调节模块2降低电压同时产生新的buffer（缓冲器）级数。

第五步，自适应电源电压调节模块通过控制电压调节接口控制DC-DC（直流—直流）转换器 4，使其动态地控制主电路的工作电压。

下面分别介绍本发明的自适应电源电压调节实现方法涉及的两个关键模块。

一、片上监测模块1：

利用综合工具对电路进行静态时序分析（STA），获得电路的关键路径，在关键路径的输出端批量插入片上监测模块，用来分析和记录运行中的电路的各种时序状况，作为调节电压的重要参考和数据来源。包括三个子模块，参见图3：

a)时序监测模块6；

b)亚稳态监测模块8；

c)纠错模块7。

时序监测模块6用于监测记录电路中各种时序违规情况，关键路径输出直接接入其D触发器的输入端，两个D触发器的输出接入到两输入异或门的输入端，两个D触发器的时钟端不同，其中一个采用主电路的时钟，另一个则采用经过一段延时的时钟。这样，两触发器采集的数据将会有一定的时间差，当两个D触发器的输出不一样时，异或门的输出置高。因为两触发器时钟上升沿不同，当DFF1（D触发器1）采到数据时，DFF2（D触发器2）还未来得及更新数据，两触发器输出可能不同，所以必须在Detect（检测）信号后加一个判断逻辑来规避这种情况所造成的错误假象，当异或门的高电平信号持续并超过主电路时钟的下降沿时，触发Error1（错误1）信号。

亚稳态监测模块8用于监测并记录电路中亚稳态的情况，下面一路两个反相器均为具有较小栅氧厚度，较大宽长比的NMOS与普通PMOS的组合，上面一路的反相器为具有较小栅氧厚度，较大宽长比的PMOS与普通NMOS的组合。当关键路径的输出出现亚稳态情况时，根据MOS管特性，下面一路的反相器下拉能力强，上面一路的反相器上拉能力强。如此，亚稳态的信号经过下面一路单级反相器后将拉到低电平，再经过一级相同的反相器之后信号被拉到高电平；而当亚稳态的信号经过上面一路单级反相器后将拉到高电平，然后两路的输出信号经过与门输出高电平。因此，电路只有在出现非亚稳态输入时，与门输出为高电平。

时序监测模块6中的异或门的输出和亚稳态监测模块8 的与门的输出接入两输入或门，当任何一输出为高，则或门输出置高，发出告警信号。

纠错模块7用于当主电路因电压降低或者出现环境扰动出现时序违规时，通过数据通道选择器选择正确的数据作为输出。当告警信号为低时，输出信号选择触发器1的输出信号，当告警信号为高时，输出信号选择触发器2的输出信号。

二、自适应电源电压调节模块2：

 自适应电源电压调节模块2用于调节电路中的电压，根据片上时序监测模块所得到的时序参数以及告警信号，产生相应的电压调节策略，对电路电压进行调整。

片上时序监测模块1和自适应电源电压调节模块2协同工作的电路图，参见图4：

DFF2（D触发器2）的时钟端经过多级延时，级数经由数据通路选择器控制，可通过自适应电源电压调节模块中的算法对延时进行控制。

DVS（动态电压调节）初值模块4，片上监测模块1和自适应电源电压调节模块2协同工作的工作流程，参见图5：

DVS（动态电压调节）初始电压和初始buffer（缓冲器）级数N由DVS（动态电压调节）初值模块通过查找表给出，经过N级延迟的D触发器的输出和未经延迟的D触发器的输出进行比较，当两个触发器的输出不一样时，异或门将会探知，Detect（检测）信号变高，当Detect（检测）信号的高电平持续时间超过时钟的下降沿时，产生Error1（错误1）信号。当出现亚稳态时，亚稳态监测电路产生Error2（错误2）信号，Error1(错误1)和Error2(错误2)通过或门和判断逻辑产生一个时钟周期的clock gating(时钟门控)，主电路停止工作。同时DFF2(D触发器2)保存了正确的关键路径输出，当告警信号置高时，第二级的数据通路选择器将会选择DFF2(D触发器2)的输出，保证了主电路的输出正确。

Ctrl(控制)信号由自适应电源电压调节模块产生，通过控制延时buffer(缓冲器)的级数来控制时钟的延时，同时根据内置算法对电压进行调节。

上述所谓内置算法，可以这样理解。例如，当电路产生告警信号时，当前的延时buffer(缓冲器)级数为N，首先，将电压升高xN，x为内置算法拟定的系数，其次，将延时buffer的级数改为N-1；这两个步骤都将减小出现告警信号的几率。当电路布产生告警信号时，当前的延时buffer级数若为N，首先，将电压降低xN，x为内置算法拟定的系数，其次，将延时buffer级数改为N+1，这两个步骤都将增大出现告警信号的概率。如上所述，电压将会在告警信号出现与否的最合适电压处徘徊，电路也会工作在一个比较合适的电压范围内，有效的减小了电压裕度。  

所谓x是内置算法拟定系数，即可以任意修改x，具体根据实际情况在芯片投产前确定即可。

以上所谓查找表的一个出处使用AVS技术实现多媒体手机处理器的节能最大化，网址http://www.66wen.com/06gx/dianqi/tongxin/20100429/100313.html。

Claims (6)

1.  一种面向低功耗应用的动态电压调节系统，其特征在于：该系统包括监测误差的片上监测模块（1）、根据系统实时参数自适应调节电压的自适应电源电压调节模块（2）、直流—直流转换器（3）、确定系统初始电压和缓冲器级数的动态电压调节初值模块（4）、主电路（5）；

其中，片上监测模块（1）的告警信号输出端和关键路径信号输入端分别与自适应电源电压调节模块（2）的告警信号输入端和主电路（5）关键路径输出端连接，动态电压调节初值模块（4）的电压输出端与自适应电源电压模块（2）的电压输入端对应连接，自适应电源电压调节模块（2）通过电压调节接口与直流-直流转换器（3）的电压输入端连接，直流-直流转换器（3）的电压输出端连接到主电路（5）的电源端。

2.根据权利要求1所述的面向低功耗应用的动态电压调节的系统，其特征在于：所述片上监测模块（1）包括时序监测模块（6）、亚稳态监测模块（8）和纠错模块（7），时序监测模块（6）的异或门的第一信号输入端和第二信号输入端分别与纠错模块的第三信号输入端和第四信号输入端相连接，亚稳态监测模块（8）的第一信号输出端通过滤波器与时序监测模块（6）的第二信号输出端连接到或门的第五信号输入端，或门的输出端连接到纠错模块（7）的信号选择端。

3.一种用于权利要求1所述系统的面向低功耗应用的动态电压调节的实现方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤1：片上监测模块（1）在电压减小或者其他扰动影响下发生时序违规或者亚稳态时，会发出告警信号，通过片上监测模块（1）来监视可能出现问题的各个关键路径，将各类扰动的影响综合在时序延迟特性中；当出现违规时，向自适应电源电压调节模块（2）发出告警信号，同时，通过控制时钟来使得主电路（5）停止工作一个周期，并通过片上监测模块（1）保持数据的正确性；

步骤2：自适应电源电压调节模块（2）据此将电压值调高直至告警信号消除；当没有出现告警信号时，自适应电源电压调节模块（2）根据内置算法持续的降低电压直至出现告警信号；其中，电压初值和初始的缓冲器级数是由传统动态电压调节得到的开环控制值，通过内置的查找表可以查出频率和电压以及缓冲器级数一一对应的关系；电压调节的策略由自适应电源电压调节模块中的内置算法决定；结合上述步骤1中的主动控制，可迅速的将电压在有工艺偏差和环境干扰的情况下调整到最适合的临界电压值，从而使功耗最优化；

步骤3：自适应电源电压调节模块（2）通过电压调节接口控制直流-直流转换器（3），使得系统在避免错误的情况下，工作在临界电压。

4.根据权利要求3所述的面向低功耗应用的动态电压调节的实现方法，其特征在于，片上监测模块（1）通过监控主电路关键路径的时序违规情况和亚稳态发生状况产生告警信号，当电路发生时序违规时，片上监测模块（1）的触发器因为时钟不同，所采集的数据也会有所差异，后采到的数据较先前采到的数据正确率更高；同时对系统亚稳态进行监控，当出现亚稳态时，片上监测模块（1）中的反相器因为工艺不同，会将告警信号置高。

5.根据权利要求3或4所述的面向低功耗应用的动态电压调节的实现方法，其特征在于，片上监测模块（1）中触发器的延时可通过缓冲器的级数来控制，而缓冲器的级数又由自适应电源电压调节模块（2）产生的控制信号来控制。

6.根据权利要求3或4所述的面向低功耗应用的动态电压调节的实现方法，其特征在于，自适应电源电压调节的具体策略综合告警信号和内置算法产生，控制信号由内置算法决定。

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