CN103576734B - 一种双环控制自适应电压调节方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电子电路技术，具体的说是涉及一种双环控制自适应电压调节方法及装置。本发明所述的双环控制自适应电压调节方法，主要为：根据负载的工作频率，设置输出电压目标值，启动电压粗调环路对基准电压进行粗调，所述粗调环路对基准电压以较大间隔值进行快速调节，并实时对电压调节器的输出电压进行采样，通过比较器判断电压采样值是否达到预设的粗调目标电压范围，达到目标电压范围后，启动电压精调环路对基准电压进行精调，使自适应电压调节电路的输出电压稳定在输出电压目标值。本发明的有益效果为，具有调压速度快的优点，并可以使输出电压在满足负载正常工作的情况下最低。本发明尤其适用于自适应电压调节器。

Description

一种双环控制自适应电压调节方法及装置

技术领域

本发明涉及电子电路技术，具体的说是涉及一种双环控制自适应电压调节方法及装置。

背景技术

近年来，随着半导体工艺的不断发展，器件的特征尺寸越来越小，集成电路在规模、运行速度和功耗等方面都有较大的提升，使得我们能够在一块芯片上把多块芯片集成在同一芯片(SoC)，在减少芯片的占用面积和电子系统体积的同时提升系统的性能，极大地推动了便携式电子设备的发展。

对于便携式消费类电子产品评价的最重要的一个标准是其耗电量的大小或者待机时间的长短，但由于电池技术的发展速度严重滞后于系统能耗需求的增长速度，使得仅仅增加电池的电量或提高功率变换的效率越来越不能满足芯片集成规模与速度日益提升对电能的需要。

很多复杂的电子部件，如中央处理器(CPU)和数字信号处理器(DSP)，都能在不同的时钟频率下工作。高频工作的数字电路中，门电路的开关功耗是功耗的主要组成部分，开关功耗与工作频率成正比，与工作电压的平方成正比。对于给定的工作任务，CPU或DSP完成任务所需的时钟周期个数是确定的，只降低CPU或DSP的工作频率而不改变其工作电压，完成此任务消耗的总能量是不变的。而在工作频率固定时，适当降低CPU或DSP的电源电压，其消耗的能量将明显减小。根据不同的工艺偏差、温度和负载工作频率实时自适应地调节负载供电电压，使其能量消耗最小化，这种低功耗方法称为自适应电压调节(AVS，AdaptiveVoltage Scaling)。

现有的自适应电压调节方法主要有以下几种。1)Mukti Barai等人利用ADC、DPID、DPWM构成控制环路做成自适应DC-DC变换器(见文献“Dual-Mode Multiple-Band DigitalController for High-Frequency DC-DC Converter”,Power Electronics,IEEETransactions on Volume 24,Issue 3,March 2009Page(s):752-766)，但此法需要数字环路补偿；2)Shidhartha Das等人根据电压调节过程中负载电路(CPU或DSP)的运行出错率来调节电压，同时用错误校正机制来纠正错误来实现自适应电压调节(见文献“RazorⅡ:In Situ Error Detection and Correction for PVT and SER Tolerance”,Solid-StateCircuits,IEEE Journal of Volume 44,Issue 1,Jan.2009Page(s):32-48)，但此法实现复杂，且系统纠错耗费时间。3)Dae Woon Kang等人基于有限状态机设计了全数字的不需要PID补偿的自适应Buck功率变换器(见文献“A High-Efficiency Fully DigitalSynchronous Buck Converter Power Delivery System Based on a Finite-State Machine”,Very Large Scale Integration(VLSI)Systems,IEEE Transactions on Volume 14,Issue3,March 2006Page(s):229-240)，但其电路实现较本发明所述方法更为复杂。

本发明中，电压的调压过程是先对输出电压进行粗调，当输出电压调节到接近目标值时再进行精调。粗调可以提高调压的速度，精调可以使最终的输出电压更低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，就是针对上述问题，提出一种双环控制自适应电压调节方法及装置。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种双环控制自适应电压调节方法，其特征在于，包括以下步骤：

a.根据负载的工作频率，设置输出电压目标值；

b.启动电压粗调环路对基准电压进行粗调，所述粗调环路对基准电压以较大间隔值进行快速调节，并实时对电压调节器的输出电压进行采样，通过比较器判断电压采样值是否达到预设的粗调目标电压范围，若是，则进入步骤c，若否，则重复步骤b；

c.启动电压精调环路对基准电压进行精调，所述精调环路对基准电压以较小间隔值进行高精度调节，使自适应电压调节电路的输出电压稳定在输出电压目标值。

本发明总的技术方案，提供一种基于双环(粗调环路和精调环路)控制的自适应电压调节方法，调压时，先将精调电路关闭，通过频率—电压(f—V)关系曲线先将其输出电压预调节到一个初始值附近，此时粗调响应速度较快，当粗调值达到所需值附近的一个范围(Vref-ΔV，Vref+ΔV)内时，开启精调电路。精调电路包含延迟线检测模块以及对应的控制模块，调压时结合延迟检测进行反馈控制，从而将输出电压进一步减低。

进一步的，所述粗调的具体方法为：

通过对负载的预估算以及设定的频率电压关系，给数字模拟转换器初始控制码以产生初始基准电压，利用该基准电压通过反馈环路对自适应电压调节电路的输出电压进行调节。

进一步的，所述精调的具体方法为：

通过信号发生器接收来根据频率电压关系产生的控制码，并产生振荡信号，将该振荡信号同时供给时钟计数模块和延迟线检测模块，时钟计数模块用于统计在一定时间内信号发生器产生频率信号的周期个数；

振荡信号通过延迟线检测模块后的延迟信号作为使能信号对高电平计数，并通过错误计数模块统计该计数结果；

通过数字比较器模块比较时钟计数模块和错误计数模块的统计结果，并将比较的结果通过校正模块产生相应的新的控制字，利用新的控制字来精确调节数字模拟转换器的输出电压。

在本方案中，延迟线检测模块是数字负载的关键路径的复制，精调时，通过检测测试信号在延迟线检测模块中的传输延迟，由此确定该输出电压下负载能否正常工作，通过精调DC-DC的基准电压来达到精调其输出电压的目的，保证数字负载在给定的工作时钟频率下工作电压最低，有效地降低数字负载的功耗。

一种双环控制自适应电压调节装置，包括自适应电压调节电路，其特征在于，还包括粗调环路、精调环路、频率电压查找模块、D触发器、第一比较器、第二比较器、延迟单元、逻辑或门和逻辑与门，所述粗调环路包括采样电路、数字模拟转换器、环路控制模块和驱动及死区控制模块，所述精调环路包括信号发生器、延迟线检测模块、时钟计数模块、错误计数模块、数字比较器和校正模块；

采样电路连接自适应电压调节电路的输出电压、环路控制模块、第一比较器的反向输入端和第二比较器的同向输入端，第一比较器和第二比较器的输出端分别连接逻辑与门的两个输入端；

数字模拟转换器分别与频率电压查找模块、校正模块和环路控制模块连接，驱动及死区控制模块连接自适应电压调节电路和环路控制模块；

校正模块连接D触发器的输出端、逻辑与门的输出端、数字比较器和数字模拟转换器；

数字比较器连接外部时钟信号、错误计数模块、时钟计数模块和校正模块；

延迟单元连接外部时钟信号和逻辑或门的一个输入端，逻辑或门的另一个输入端连接D触发器的输出端，逻辑或门的输出端连接时钟计数模块和错误计数模块；

延迟线检测模块连接自适应电压调节电路的输出电压、错误计数模块和信号发生器，信号发生器与频率电压查找模块和时钟计数模块连接。

本发明提出的装置的工作原理为：自适应电压调节装置的输出电压V_O经过采样电路后采样电路的的输出电压为Vfb，将Vfb与根据不同调频状态预设置的两个精确信号Vref﹣ΔV与Vref﹢ΔV相比较，判断启动过程是否由粗调节过程转换为细调节过程，最后开启由时钟计数、错误计数以及校正算法模块等构成的精调环路。

该自适应电压调节装置的调压过程为首先提供上升沿的粗调启动信号C_en。完成由数字控制、校正等模块组成的数字精调部分进行初始的复位工作，此时电压调节器的输出电压出于粗调节状态。粗调过程仅采用主环路工作，根据频率电压(f—V)查找模块查找频率对应的电压需求，将输出电压通过由环路控制以及驱动及死区时间控制模块到BUCK变换器拓扑结构组成主控制回路预设置在一个初始值。

当通过粗调节后，采样网络的输出电压处于(Vref﹣ΔV，Vref﹢ΔV)区间内时，控制信号F_EN电平由低电平翻转为高电平，此时开启精调控制模式，精调环路开始工作。时钟计数和错误计数模块分别对信号发生器的振荡信号在一定时间内的周期个数计数以及将信号发生器的振荡信号通过延迟线检测模块后生成检测结果信号作为使能信号对高电平进行计数，在负载正常工作的状态下，时钟计数和错误计数的计数结果的比值保持一致。当输出电压低于负载实际工作需要的输出电压时，信号发生器的振荡信号在延迟线检测模块中传输的延迟时间增加，使得错误计数的计数结果小于负载正常工作时的其相应计数结果，将两者结果相比较并通过校正算法模块精确调整DAC的控制字进而调节DAC的输出电压值，再通过环路控制中的调制信号产生器增加调制信号的占空比，使得输出电压逐步上升，直到负载所需要的工作电压为止。当输出电压高于负载实际工作需要的输出值时，信号发生器的振荡信号在延迟线检测模块中传输的延迟时间减小，使得错误计数的计数结果大于负载正常工作时的其相应计数结果，同样将两者结果相比较并通过校正算法模块精确调整DAC的输出电压值，再通过环路控制模块将调制信号的占空比减小，使得输出电压逐步下降，直到输出电压稳定在负载正常工作需要的输出值。在本方案中我们将数字比较器的两个输入端的比值以N1为界，当比值大于或者小于N1时即改变的输出结果。

当电路正常工作后，该自适应电压调节装置将仅采用由拓扑结构、DAC、环路控制以及驱动及死区控制模块组成的主环路调节该电源管理芯片的输出电压。同时采用延迟线检测模块是负载的关键路径的复制，这样，自适应电压调节器根据处理器所请求的工作时钟频率的不同自适应地调节处理器负载的供电电压，保证处理器负载在给定的工作时钟频率下工作电压最低，有效地降低处理器负载的功耗。

本发明的有益效果为，通过采用粗调，具有调压速度快的优点，当输出电压接近目标值时，采用精调，并用延迟检测的结果确定最终的输出电压，可以使输出电压在满足负载正常工作的情况下最低。

附图说明

图1为本发明的自适应电压调节装置的结构示意图；

图2为本发明的频率电压查找曲线示意图；

图3为本发明的自适应电压调节方法的流程示意图；

Delay-DT为包含一串延迟单元的延迟线检测模块；DAC为数字模拟转换器；D0为D端接高电平的D触发器；T为提供时序控制的延迟单元；CMP1为第一比较器，CMP2为第二比较器；OR2是两输入端逻辑或门；AND2是两输入端逻辑与门；Digital_cmp为数字比较器；VIN为自适应电压调节器的输入电压；V_O为自适应电压调节器的输出电压；F_EN为使能信号；F_RST为复位信号。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，详细描述本发明的技术方案：

本发明所述的双环控制自适应电压调节方法，主要为将自适应电压调节器的输出电压V_O经过采样模块后采样的输出电压为Vfb，将Vfb与根据不同调频状态预设置的两个精确信号Vref﹣ΔV与Vref﹢ΔV相比较，判断启动过程是否由粗调节过程转换为细调节过程，最后开启由时钟计数、错误计数以及校正算法模块等构成的精调环路。

实施例：

以BUCK功率变换器为例，如图1所示，VIN为该自适应电压调节器的输入电压；V_O是该自适应电压调节器的输出电压；Vfb为对输出电压进行采样后的电压信号，Vref是DAC的输出电压；信号发生器模块是一个可根据外围控制字产生相应频率时钟信号的电路；Delay-DT部分为延迟线检测模块；L是储能电感；C是滤波电容；频率电压(f—V)查找模块为负载在正常工作时所需的工作频率与电压关系图，具体如图2所示。C_en是粗调使能信号，与D触发器(D0)的时钟信号端连接；osc_clk是由外部提供的系统时钟信号，给数字误差比较器Digital_cmp提供时钟信号，osc_clk同时通过一个延迟单元T给两输入或逻辑门OR2提供时钟信号；F_RST为两输入端或逻辑门OR2的输出信号，用以给校正算法、错误计数以及时钟计数模块提供置位信号。Vref﹣ΔV和Vref﹢ΔV为根据调节过程预先设置的两个精确比较信号，CMP1与CMP2的输出信号连接到两输入端与逻辑门AND2的输入端产生输出信号F_EN，F_EN给校正算法、错误计数以及时钟计数模块提供开启的使能信号；校正算法模块输入端连接到F_EN、F_RST以及Digital_cmp的输出端，该模块的输出端连接到DAC的控制端口。Vfb和Vref连接到环路控制模块输入端给该模块提供控制信号；环路控制模块输出信号连接到驱动及死区控制模块。

本例中，驱动及死区控制模块给功率管提供足够的驱动能力，同时严格控制功率NMOS管和PMOS关的开启与关断，避免二者同时导通；环路控制模块包含了环路补偿和调制信号产生电路等电路；Delay-DT为延迟线检测模块，时钟计数模块统计在一定周期内信号发生器产生的振荡信号的周期个数。错误计数模块通过使用在该一定周期内，信号发生器产生的信号经过Delay-DT延迟检测模块后的输出信号作为计数器的使能信号对高电平进行计数，将此计数结果作为错误计数结果；数字误差比较器Digital_cmp比较时钟计数和错误计数的结果，并产生对算法校正的控制信号。Vfb通过比较器CMP1和CMP2分别与Vref﹢ΔV、Vref﹣ΔV信号相比较后通过逻辑与门AND2后产生为是否开启精调模式的反馈信号F_EN，通过F_EN信号决定是否开启精调模式。

本例的工作流程如图3所示：

负载的工作频率确定时，查找频率—电压对照表，通过设定DAC的控制字，改变DC-DC的基准电压Vref，设置输出电压的粗调目标值。然后通过比较器CMP1和CMP2判断该电压调节器的输出电压V_O经采样后的值Vfb是否达到(Vref﹣ΔV，Vref﹢ΔV)范围内，若输出电压V_O经采样后的值Vfb在此范围内，则开启精调，精调过程中Vref调节的步长更小。同时用延迟检测的结果确定电压调节的最终值。

本例的工作原理为：

当需要调节负载工作频率时，先启动粗调电路，关闭精调电路，对输出电压进行粗调节使输出电压调节到预设的范围。当对输出端的采样信号Vfb值调整到进入(Vref﹣ΔV，Vref﹢ΔV)范围内时，通过F_EN信号的变化开启时钟计数、错误计数以及校正算法模块等模块组成的精调节环路，对DAC的输出电压实施精确的控制，用延迟检测的结果确定最终的输出电压。

其中，粗调使能信号C_en信号的上升沿作用于D触发器D0，由于D0的D端始终接至高电平，因此当粗调启动信号C_en的上升沿到达时，D0的Q端输出电平由低电平跳变为高电平，D0的Q端的高电平作用于两输入逻辑或门OR2使得F_RST为高电平，该高电平使得始终计数、错误计数以及校正模块均处于复位阶段，即在需要进行下一次调压操作时，都能保证在调压开始时对数字细调环路进行复位清零操作。

粗调的回路为功率管、电感、电容、负载、采样电路、DAC、环路控制模块以及驱动及死区时间控制部分。当进行粗调时，首先根据对负载的预估算通过查频率—电压(f—V)关系曲线给定一个初始的DAC的N位(例如，N＝5)控制码产生一个初始的电压Vref，通过反馈环路使得自适应电压调节器的输出电压调节至预设值的一个大致范围内。此时该自适应电压调节器的输出电压经过采样模块后的输出电压处于大于Vref﹢ΔV或者小于Vref﹣ΔV，此时F_EN信号为低电平，关闭数字精调环路的时钟计数、错误计数以及校正算法等模块。

当粗调的过程使得电压调节器的输出电压经过采样模块后的电压在(Vref﹣ΔV，Vref﹢ΔV)范围内时，逻辑与门AND2的输出信号F_EN端由低电平翻转为高电平，此高电平使得时钟计数、错误计数以及校正算法模块开启开始工作，此时该自适应电压调节器进入精调过程。

精调控制部分的工作情况如下：

信号发生器接收来自f—V关系的N位控制码产生特定频率的振荡信号，该振荡信号同时供给时钟计数模块和Delay-DT模块。时钟计数模块统计在一定时间内的信号发生器产生频率信号的周期个数；Delay-DT模块为延迟线检测模块，振荡信号通过该模块的延迟时间与Delay-DT的电源电压成反比，而供给该延迟线检测模块的电源电压为自适应电压调节器的输出电压。错误计数模块统计将振荡信号传输过Delay-DT模块后的延迟信号作为使能信号对高电平计数产生的计数结果。然后数字比较器Digital_cmp模块比较这两个计数器的结果，通过将比较的结果通过校正模块后产生相应的控制字来精确调制DAC的输出电压，使得自适应电压调节器的输出电压稳定在实际负载工作所需要的供电电压值。

当输出电压高于负载所需电压时，振荡信号通过Delay-DT模块受到的延迟较小，从输入到输出产生的有效计数使能信号个数增多，因而错误计数模块的输出结果大于负载正常工作时的计数结果值，此时数字比较器Digital_cmp模块输出信号的值改变，进而使得校正模块输出的DAC精确控制字信号相应变化，从而通过DAC、环路控制模块以及驱动及死区控制模块来降低调制信号的占空比使得该AVS电源管理芯片的输出电压降低。

同理，当输出电压低于负载所需电压时，振荡信号通过Delay-DT模块受到的延迟增加，因而错误计数模块的计数结果小于负载正常工作时该模块的计数结果，同样通过Digital_cmp和校正模块精确控制DAC输出电压，再通过环路控制模块以及驱动及死区控制模块来提高调制信号的占空比使得该AVS电源管理芯片的输出电压上升。

在本发明中，数字比较器比较错误计数和时钟计数的结果，两者相除的值以N1为界，当比值大于或者小于N1时即改变Digital_cmp的输出结果。

本发明在调压过程中采用粗调节与精调节相配合的两个过程，粗调节时仅采用粗调环路工作，将电压调节器的输出电压调节到一个预估值。当输出电压达到预估值的一个范围后，开启精调节部分电路，使输出电压最终稳定在作为负载关键路径复制的延迟线检测结果所确定的值，精调节部分包含了计数器、数字比较器、校正算法等数字控制模块。

本方案中所用的CPU、功率开关管(NMOS和PMOS)、采样模块、延迟线检测模块、信号发生器、D触发器D0、与门AND2、或门OR2、DAC、时钟计数、错误计数、数字比较器Digital_cmp、校正算法、环路控制模块以及驱动及死区控制部分均可以集成在同一个芯片中。

本方案中的延迟线检测模块的基本延迟单元可以由或非门构成，也可以由其它基本逻辑门构成，也可以由基本逻辑门和电容结合构成。

本方案中的自适应电压调节器适用于各种开关电源拓扑，包括隔离式、非隔离式、Boost、Buck、Buck-Boost、Flyback、Forward、Cuk等电路。

Claims (2)

1.一种双环控制自适应电压调节方法，其特征在于，包括以下步骤：

a.根据负载的工作频率，设置输出电压目标值；

b.启动电压粗调环路对基准电压进行粗调，所述粗调环路对基准电压以较大间隔值进行快速调节，并实时对电压调节器的输出电压进行采样，通过比较器判断电压采样值是否达到预设的粗调目标电压范围，若是，则进入步骤c，若否，则重复步骤b；所述粗调的具体方法为：

通过对负载的预估算以及设定的频率电压关系，给数字模拟转换器初始控制码以产生初始基准电压，利用该基准电压通过反馈环路对自适应电压调节电路的输出电压进行调节；

c.启动电压精调环路对基准电压进行精调，所述精调环路对基准电压以较小间隔值进行高精度调节，使自适应电压调节电路的输出电压稳定在输出电压目标值；所述精调的具体方法为：

通过信号发生器接收来自根据频率电压关系产生的控制码，并产生振荡信号，将该振荡信号同时供给时钟计数模块和延迟线检测模块，时钟计数模块用于统计在一定时间内信号发生器产生频率信号的周期个数；

振荡信号通过延迟线检测模块后的延迟信号作为使能信号对高电平计数，并通过错误计数模块统计该计数结果；

通过数字比较器模块比较时钟计数模块和错误计数模块的统计结果，并将比较的结果通过校正模块产生相应的新的控制字，利用新的控制字来精确调节数字模拟转换器的输出电压。

2.一种双环控制自适应电压调节装置，包括自适应电压调节电路，其特征在于，还包括粗调环路、精调环路、频率电压查找模块、D触发器、第一比较器、第二比较器、延迟单元、逻辑或门和逻辑与门，所述粗调环路包括采样电路、数字模拟转换器、环路控制模块和驱动及死区控制模块，所述精调环路包括信号发生器、延迟线检测模块、时钟计数模块、错误计数模块、数字比较器和校正模块；

采样电路连接自适应电压调节电路的输出电压、环路控制模块、第一比较器的反向输入端和第二比较器的同向输入端，第一比较器和第二比较器的输出端分别连接逻辑与门的两个输入端；

数字模拟转换器分别与频率电压查找模块、校正模块和环路控制模块连接，驱动及死区控制模块连接自适应电压调节电路和环路控制模块；

校正模块连接D触发器的输出端、逻辑与门的输出端、数字比较器和数字模拟转换器；

数字比较器连接外部时钟信号、错误计数模块、时钟计数模块和校正模块；

延迟单元连接外部时钟信号和逻辑或门的一个输入端，逻辑或门的另一个输入端连接D触发器的输出端,逻辑或门的输出端连接时钟计数模块和错误计数模块；

延迟线检测模块连接自适应电压调节电路的输出电压、错误计数模块和信号发生器，信号发生器与频率电压查找模块和时钟计数模块连接。