CN104038063B - 具有负载最小能耗点追踪的自适应电压调节电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电子电路技术领域，具体的说是涉及一种具有负载最小能量消耗点追踪的自适应电压调节功能的降压式稳压电路。本发明由Buck功率变换器和逻辑控制电路构成；所述Buck功率变换器由PMOS管MP、二极管D、电感L和电容C构成；其中，MP的源极接直流偏置电压Vin，其漏极接二极管D的负极，其漏极通过电感L后接负载，其漏极还依次通过电感L和电容C后接地；二极管D的正极接负载。本发明的有益效果为，可以很好的满足数字集成电路对调频调压、低压和低功耗的要求。本发明尤其适用于降压式稳压电路。

Description

具有负载最小能耗点追踪的自适应电压调节电路

技术领域

本发明属于电子电路技术领域，具体的说是涉及一种具有负载最小能耗点追踪的自适应电压调节电路。

背景技术

随着技术的发展数字集成电路(如片上系统SoC、中央处理器CPU和数字信号处理器DSP)的集成度越来越高，由于功耗、散热和应用对象的变化，越来越趋向于低压低功耗，同时根据系统要求可以在不同频率和电压下工作。当前低功耗技术中的最小能量点追踪技术和自适应电压调节技术可以很好地改善数字芯片的上述问题。最小能量点追踪技术可以根据数字集成电路在不同电压下的能耗自动地追踪数字集成电路功耗最低时的工作电压；自适应电压调节技术根据数字集成电路的不同工作频率自适应地搜索到该频率下数字集成电路正常工作时的最小电压。

其中最小能量点追踪技术是根据数字集成电路在不同电压下工作时能耗E_t存在一个最小点。数字集成电路功耗E_t包括两部分：动态功耗E_d和静态功耗E_s。动态功耗是由数字集成电路在工作时(高地电平转换或是开关动作)对等效负载电容充放电引起的，E_d＝KNC_LV_DD ²，其中K是数字集成电路的活动因子，N是完成给定任务需要工作的时钟周期个数，C是数字集成电路的等效负载电容，V_DD是数字集成电路的工作电压；静态功耗是由数字集成电路的各种漏电机制引起的，Es＝NT_CLKI_LV_DD，其中I_L是数字集成电路的等效漏电流，T_CLK是数字集成电路工作的时钟周期。由动态功耗和静态功耗的表达式知，当工作电压升高时，数字集成电路完成给定任务的动态能耗增加；但是V_DD升高使T_CLK减小，减小的T_CLK会引起漏电能耗减小。所以数字集成电路工作时总的能耗存在最小点，当数字集成电路工作在该最小点对应的电压时，完成任务给定的任务能耗最小。最小能量点追踪技术可以自动追踪最小能量消耗点对应的电压。

自适应电压调节技术根据数字集成电路工作频率的不同自适应的搜索到该频率下数字集成电路正常工作时的最小电压。现有的很多电子部件，如CPU和DSP都可以在不同时钟频率下工作。当数字集成电路工作在高频时，集成电路功耗的主要部分是门电路的开关功耗，门电路的开关功耗P＝fCV²，门电路的开关功耗与电路工作的频率成正比，与电路的工作电压的平方成正比。当数字集成电路完成一个给定的任务时，数字集成电路完成任务所需要的时钟周期个数是确定的，只降低数字集成电路的工作频率而不改变工作的电压，完成该任务消耗的总能量是不变的。但是当工作频率固定时，适当的降低数字集成电路的工作电压，根据门电路的功耗的表达式，其完成任务消耗的能量会明显降低。根据不同地工艺偏差、温度和数字集成电路工作频率实时的调节其供电电压，使其能量消耗最小的方法即是自适应电压调节技术。

在现有的低功耗技术中，最小能量点追踪技术在追踪数字负载的最小能耗点时会改变负载的工作频率；自适应电压调节技术可以保证负载在某一固定频率下正常工作的前提下，通过调节Buck变换器的输出电压使数字负载的能耗降低，但是该工作电压不一定是负载在该固定频率下正常工作时的最小能耗电压。本发明具有负载最小能耗点追踪的自适应电压调节电路则是对最小能量点追踪技术和自适应电压调节技术的结合，可以使负载在固定频率下正常工作时，追踪到负载的最小能耗点。

发明内容

本发明的目的，就是针对上述问题，提出一种具有负载最小能耗点追踪自适应电压调节电路。该调节电路能够自适应的降压搜寻负载在给定的频率下正常工作时的最小工作电压，在该电压的基础上追踪负载最小能量消耗的电压点。采用延迟线拟合负载的关键路径，以负载工作的时钟信号在一个周期内能否通过延迟线作为自适应调压信号，搜寻到该工作时钟频率下负载能够正常工作的最低电压。在该最低电压的基础上，利用负载在亚阈值和超阈值下特有的能量消耗曲线，通过控制降压式稳压电路的输出电压以及功率管的导通时间使功率管每次导通输出到负载的能量相同，通过检测和比较负载在不同的输出电压下工作时，功率管在一定时间内的导通次数，根据比较结果实现追踪负载最小能量消耗点电压的功能。

本发明的技术方案，具有负载最小能耗点追踪的自适应电压调节电路，包括Buck功率变换器和逻辑控制电路；

所述Buck功率变换器由PMOS管MP、二极管D、电感L和电容C构成；其中，MP的源极接直流偏置电压Vin，其漏极接二极管D的负极，其漏极通过电感L后接负载，其漏极还依次通过电感L和电容C后接地；二极管D的正极接地；

所述逻辑控制电路包括动态比较器、数控振荡器、数模转换器、数字逻辑控制模块、导通时间产生模块；其中，动态比较器同相输入端接BUCK功率变换器的输出端电压V0，动态比较器反相输入端接数模转换器的输出端，动态比较器输出端接分别导通时间产生模块的第一输入端和数字逻辑控制模块的第一输入端；数控振荡器产生的时钟信号同时加到动态比较器和数字控制逻辑模块，数字逻辑控制模块的时钟信号端接外部时钟信号，数字逻辑控制模块的电源输入端接BUCK功率变换器的输出端电压V0，数字逻辑控制模块的第一输出端接导通时间产生模块、第二输出端接数模转换器的输入端；导通时间产生模块的输出接MP的栅极。

具体的，所述数字逻辑控制模块包括自适应电压调节模块、最小能耗点模块、数据选择器、可逆计数器和存储器；其中，自适应电压调节模块的电源输入端接BUCK功率变换器的输出端电压V0，自适应电压调节模块的时钟信号端接外部时钟信号，自适应电压调节模块的输入端接可逆计数器的第一输出端；最小能耗点模块的时钟信号端分别接外部时钟信号、最小能耗点模块的第一输入端接动态比较器的输出端，最小能耗点模块的第二输入端接可逆计数器的第一输出端；数据选择器的第一输入端接自适应电压调节模块的输出端，数据选择器的第二输入端接最小能耗点模块的输出端，数据选择器的第三输入端接可逆计数器的第一输出端，数据选择器的输出端接可逆计数器的输入端；存储器的输入接可逆计数器的第二输出端，存储器的第一输出端接导通时间产生模块、第二输出端接数模转换器的输入端。

具体的，所述自适应电压调节模块包括延迟检测模块和计数器，延迟检测模块的时钟信号端接外部时钟信号，延迟检测模块的电源输入端接BUCK功率变换器的输出端电压V0，其输入端接可逆计数器的第一输出端；计数器的时钟信号端接时外部钟信号，计数器的第一输入端接可逆计数器的第一输出端，计数器的第二输入端接延迟检测模块的输出端，计数器的输出端接数据选择器的第一输入端。

具体的，所述最小能耗点模块由第一计数器1、第二计数器2、比较器和寄存器组成；其中第一计数器1的时钟信号端接外部时钟信号，第一计数器1输入端接动态比较器的输出端，第一计数器1输出端接第二计数器2的第一输入端；第二计数器2的电源端接BUCK功率变换器的输出端电压V0，第二计数器2第二输入端接可逆计数器的第一输出端，第二计数器2输出端接寄存器的输入端；寄存器的输出端接比较器的第一输入端，寄存器的第二输入端第二接计数器2的输出端，比较器的输出端接数据选择器的第二输入端。

本发明的有益效果为，可以很好的满足数字集成电路对调频调压、低压和低功耗的要求。

附图说明

图1是具有负载最小能耗点追踪的自适应电压调节电路的逻辑结构图；

图2是数字逻辑控制模块的结构示意图；

图3是自适应电压调节模块的结构示意图；

图4是最小能耗点模块的结构示意图；

图5是最小能量消耗点追踪算法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述

如图1所示，本发明的具有负载最小能耗点追踪的自适应电压调节电路由BUCK功率变换器和逻辑控制电路构成。

所述Buck功率变换器由PMOS管MP、二极管D、电感L和电容C构成；其中，MP的源极接直流偏置电压Vin，其漏极接二极管D的负极，其漏极通过电感L后接负载，其漏极还依次通过电感L和电容C后接地；二极管D的正极接地。

所述逻辑控制电路包括动态比较器、数控振荡器、数模转换器、数字逻辑控制模块、导通时间产生模块；Buck功率变换器的输出电压Vo和数模转换器输出的基准电压同时加到动态比较器同相输入端和反相输入端；数控振荡器产生的时钟信号同时加到动态比较器和数字控制逻辑模块；动态比较器在时钟信号的控制下将Buck功率变换器的输出电压Vo和数模转换器产生的基准电压进行比较，比较器的输出信号Do分别施加到数字逻辑控制模块和导通时间产生模块；同时比较器的输出信号Do作为Buck功率变换器工作的时钟信号，其频率也是功率管的开关频率，外部系统施加的时钟信号是外部系统要求负载工作的时钟信号，时钟信号同时加到数字逻辑控制模块；所述的数字逻辑控制模块具有两个输出信号，一个输出信号PT加到导通时间产生模块产生不同的占空比控制信号PG，另一个输出信号DT输入到数模转换器以控制数模转换器产生不同的基准电压；导通时间产生模块产生的导通时间控制信号PG作为Buck功率变换器中功率PMOS管MP的栅控信号接Buck功率变换器中功率PMOS管MP的栅极，控制功率PMOS管MP的导通时间。

如图2所示，所述数字逻辑控制模块在外部施加时钟信号CLK下，检测外接负载在其时钟信号CLK下，在Buck功率变换器输出电压为Vo时能否正常工作，据此自适应的搜寻在负载时钟信号CLK下负载能正常工作的最小电压Vomin。在此Buck功率变化器输出的最小电压Vomin下，数字逻辑控制模块对负载工作M个周期时间内Buck功率变换器中PMOS功率管MP导通的周期个数计数，并且与上一个输出电压Vomin下负载工作M个周期的时间内Buck功率变换器中PMOS功率管MP导通的周期个数进行比较，根据比较结果来追踪在负载时钟信号CLK下负载最小能量消耗点的电压；数字逻辑控制模块输出的不同控制信号PT对应着Buck功率变换器中功率PMOS管MP不同的导通时间；数字逻辑控制模块输出的不同控制信号DT对应着数模转换器输出不同的基准电压V_REF。

所述数字逻辑控制模块包括自适应电压调节模块、最小能耗点模块、数据选择器、可逆计数器、存储器。Buck功率变换器的输出电压Vo、外部系统施加的时钟信号CLK和可逆计数器的输出信号Co同时施加到自适应电压调节模块，自适应电压调节模块在Co为低电平时开始判断外接负载Load在此时的Buck功率变换器的输出电压Vo下能否正常工作，同时其输出信号施加到数据选择器；外部系统施加时钟信号CLK、动态比较器的输出信号Do、可逆比计数器的输出信号Co同时施加到最小能耗点模块，最小能耗点模块在Co为高电平时开始工作，检测外接负载在时钟信号CLK下，对外接负载在Buck功率变换器不同的输出电压Vo下工作M个周期的时间内Buck功率变换器中的功率PMOS管MP的导通周期个数(也就是对比较器的输出信号Co)相比较，输出比较结果cmp_result到数据选择器；数据选择器在可逆计数器的输出信号Co的作用下对最小能耗点模块的输出信号cmp_result和自适应电压调节模块的输出信号avs_out进行选择，当Co为低电平时选择自适应电压调节模块的输出信号avs_out作为输出信号mux_out施加到可逆计数器；可逆计数器根据mux_out的值将输出信号a加1或是减1，同时输出Co的值为高电平或是低电平，可逆计数器的输出信号Co同时施加到自适应电压调节模块、最小能耗点模块和数据选择器，可逆计数器输出信号a施加到存储器模块；存储器根据可逆计数器的输出信号a的不同输出不同的控制信号DT和PT。

如图3所示，所述自适应电压调节模块包括延迟检测模块和计数器。延迟检测模块中的延迟链长度与外接负载的关键路径长度相同，以便延迟检测模块中的延迟链对负载的关键路径进行拟合。延迟检测模块在外部施加的时钟信号CLK下，检测此时Buck功率变换器的输出电压Vo能否使延迟检测模块中的延迟链正常工作，可以正常工作延时检测模块输出信号out_delay为高电平，否则为低电平，延时检测模块的输出信号out_delay施加到计数器；可逆计数器的输出信号Co和时钟信号CLK同时施加到计数器，当可逆计数器的输出信号Co为低电平时开始对时钟信号CLK计数，计数达到设定值N时将延迟检测模块的输出信号out_delay作为自适应电压调节模块的输出信号avs_out。

如图4所示，所述最小能耗点模块由计数器1、计数器2、比较器和寄存器组成。外部系统施加的时钟信号CLK和可逆计数器的输出信号Co同时施加到计数器1，计数器1在可逆计数器的输出信号Co为高电平时开始对时钟信号CLK计数，计数达到设定值M时停止计数同时输出信号out_cnt1到计数器2；计数器2在Co为高电平时开始对动态比较器的输出信号Do计数，当信号out_cnt1到来时停止计数，计数器2的计数结果cmp_b施加到寄存器和比较器；寄存器的输出信号cmp_a也施加到比较器，比较器将cmp_a和cmp_b相比较，输出比较结果cmp_result；在每次比较器比较结束时，寄存器内寄存的内容更新为计数器2的输出信号cmp_b。

所述自适应电压调节模块，通过改变延迟检测模块中延迟链的长度，可以对不同的外接负载的关键路径拟合，使具有负载最小能耗点追踪的自适应电压调节电路对于不同的负载，通过自适应电压模块输出的调压信号avs_out经过可逆计数器和存储器的逻辑变化输出控制信号DT和PT，自适应的搜寻到负载在时钟信号CLK下正常工作的最小电压Vo，以此电压为起点，通过最小能耗点模块来追踪负载在时钟信号CLK下正常工作的最小能量消耗点电压Vo。

所述的具有负载最小能耗点追踪的自适应电压调节电路，当数字负载的时钟信号CLK发生改变时，该调节电路通过自适应电压调节模块、可逆计数器以及存储器自适应地搜寻到负载在时钟信号CLK下正常工作的最小电压Vo，以此电压为起点，通过最小能耗点模块、可逆计数器以及存储器模块来追踪负载在时钟信号CLK下正常工作的最小能量消耗点电压Vo。

下面介绍MEPT算法实现模块工作的基本原理。Buck功率变换器的能量平衡模型为

ΔE_IN＝ΔE_R+ΔE_C+ΔE_L (1)

其中，ΔE_IN为一个开关周期内电源提供给Buck输入端的能量、ΔE_R为一个开关周期内负载消耗的能量、ΔE_C为一个开关周期内电容储能的变化量、ΔE_L为一个开关周期内电感储能的变化量。在DCM模式下ΔE_C和ΔE_L恒为零。而在具有负载最小能量消耗点追踪的自适应电压调节功能的降压式稳压电路的负载工作M个周期内，如果Buck功率变换器工作了K个时钟周期，其中输入能量n个，跨过m个周期。那么如果忽略电容消耗的能量，负载消耗的能量就等于n个周期一共输入的能量。式(1)经过变化得：

${\mathrm{\ΔE}}_{IN}={\mathrm{\ΔE}}_R=n\frac{1}{2L}{T_{on}}^2(V_I-V_O)V_I---\left(2\right)$

其中，L为电感值，Ton为功率导通时间，V_I为电源电压，Vo为变换器的输出电压。

V_I固定时，通过调节T_on和V_O，可以使每次功率PMOS管MP开启时送给负载的能量是恒定的，所以负载工作的M个周期的时间内消耗的能量就可以通过对n的检测进行判断。

本发明使用的最小能量点追踪算法(即MEPT算法实现模块使用的追踪算法)如下：如图5所示，在环路检测开始时，设置开始的输出电压以及相应的导通时间控制字。通过设置可逆计数器的初始值可以设定数模转换器的初始输出电压Vo及功率管的初始导通时间，以保证每个周期输入能量恒定。同时设定功率管在一个M·T_CLK时间内的导通次数P(即E_old)并存入寄存器。启动之后，自动将Buck功率变换器的输出电压减小一个固定步进X毫伏，同时改变功率管的导通时间T_on与此时Buck功率变换器的输出电压相对应，以保证功率PMOS管MP每次导通送入的能量相同。然后检测负载工作M个周期的时间内功率PMOS管MP导通周期个数Q(即E_new)，将P和Q相比较，如果Q小于P，那么将寄存器中的值更新为Q，同时将Buck功率变换器的输出电压减小一个步进X毫伏和调整功率管的导通时间，然后重复上述过程。当出现Q比P大时，则将Buck功率变换器的输出电压增加一个步进X毫伏，同时调整功率管的导通时间和结束整个环路的循环。此时Buck功率变换器的输出电压就是负载能量消耗最小点时对应的电压。

本发明所提出的具有负载最小能量消耗点追踪的自适应电压调节功能的降压式稳压电路利用延迟链拟合数字负载的关键路径，通过检测负载的工作时钟在一个周期内是否可以通过延迟链作为调压信号，使Buck功率变换器自适应调节降低输出电压，搜寻负载在该工作频率下可以正常工作的最小电压。

在该最小电压基础上，通过改变Buck功率变换器的功率PMOS管MP的导通时间与其输出电压相对应以保证每次功率管导通送入负载的能量恒定，通过计数和比较在Buck功率变换器不同的输出电压下负载工作M个周期的时间内功率管PMOS管MP导通的周期个数，根据比较结果来追踪负载能量消耗最小点时的工作电压。使数字集成电路的能量消耗再次降低一个层次，同时该电路更多的采用数字方法实现逻辑关系和算法，节省了芯片面积，更有利于集成。

Claims (3)

1.具有负载最小能耗点追踪的自适应电压调节电路，包括Buck功率变换器和逻辑控制电路；

所述Buck功率变换器由PMOS管MP、二极管D、电感L和电容C构成；其中，MP的源极接直流偏置电压Vin，其漏极接二极管D的负极，其漏极通过电感L后接负载，其漏极还依次通过电感L和电容C后接地；二极管D的正极接地；

所述逻辑控制电路包括动态比较器、数控振荡器、数模转换器、数字逻辑控制模块、导通时间产生模块；其中，动态比较器同相输入端接Buck功率变换器的输出端电压V0，动态比较器的反相输入端接数模转换器的输出端，动态比较器的输出端分别接导通时间产生模块的第一输入端和数字逻辑控制模块的第一输入端；数控振荡器产生的时钟信号同时加到动态比较器和数字逻辑控制模块，数字逻辑控制模块的时钟信号端接外部时钟信号，数字逻辑控制模块的电源输入端接BUCK功率变换器的输出端电压V0，数字逻辑控制模块的第一输出端接导通时间产生模块、数字逻辑控制模块的第二输出端接数模转换器的输入端；导通时间产生模块的输出端接MP的栅极；所述数字逻辑控制模块包括自适应电压调节模块、最小能耗点模块、数据选择器、可逆计数器和存储器；其中，自适应电压调节模块的电源输入端接Buck功率变换器的输出端电压V0，自适应电压调节模块的时钟信号端接外部时钟信号，自适应电压调节模块的输入端接可逆计数器的第一输出端；最小能耗点模块的时钟信号端接外部时钟信号、最小能耗点模块的第一输入端接动态比较器的输出端，最小能耗点模块的第二输入端接可逆计数器的第一输出端；数据选择器的第一输入端接自适应电压调节模块的输出端，数据选择器的第二输入端接最小能耗点模块的输出端，数据选择器的第三输入端接可逆计数器的第一输出端，数据选择器的输出端接可逆计数器的输入端；存储器的输入接可逆计数器的第二输出端，存储器的第一输出端接导通时间产生模块、存储器的第二输出端接数模转换器的输入端。

2.根据权利要求1所述的具有负载最小能耗点追踪的自适应电压调节电路，其特征在于，所述自适应电压调节模块包括延迟检测模块和计数器，延迟检测模块的时钟信号端接外部时钟信号，延迟检测模块的电源输入端接Buck功率变换器的输出端电压V0，延迟检测模块的输入端接可逆计数器的第一输出端；计数器的时钟信号端接时外部钟信号，计数器的第一输入端接可逆计数器的第一输出端，计数器的第二输入端接延迟检测模块的输出端，计数器的输出端接数据选择器的第一输入端。

3.根据权利要求1所述的具有负载最小能耗点追踪的自适应电压调节电路，其特征在于，所述最小能耗点模块由第一计数器(1)、第二计数器(2)、比较器和寄存器组成；其中第一计数器(1)的时钟信号端接外部时钟信号，第一计数器(1)的输入端接可逆计数器的第一输出端，第一计数器(1)的输出端接第二计数器(2)的第一输入端；第二计数器(2)的电源端接BUCK功率变换器的输出端电压V0，第二计数器(2)的第二输入端接动态比较器的输出端，第二计数器(2)的输出端接寄存器的输入端；寄存器的输出端接比较器的第一输入端，寄存器的第二输入端第二接计数器(2)的输出端，比较器的输出端接数据选择器的第二输入端。