CN104076855B - 一种基于psm调制模式的自适应电压调节器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电子电路技术领域，具体的说涉及一种基于PSM调制模式的自适应电压调节器，用于数字负载电源电压的自适应在线调节。该调节器采用延迟线拟合数字负载的关键路径，以负载的工作时钟信号作为延迟测试信号，以延迟检测模块检测延迟测试信号在延迟线中的传输速度是否达到要求作为自适应调压信号，通过改变功率变换器的基准电压以及PSM调制信号的占空比来保持恒定的导通能量，自适应的调节输出电压实现负载在给定的频率下工作电压最低。本发明的有益效果为，在功率变换器中使用了PSM调制模式，改善了输出电压纹波；负载的工作电压最低，有效降低了负载的功耗；节省了芯片面积，更有利于集成。本发明尤其适用于自适应电压调节器。

Description

一种基于PSM调制模式的自适应电压调节器

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基于PSM调制模式的自适应电压调节器。

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。

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地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(AVS，Adaptive Voltage Scales)。

脉冲跨周期(PSM，Plus Skip Modulation)调制模式是功率变换系统中一种新型的调制模式，通过跳过一定的时钟周期调节输出电压，当功率变换系统的输出电压高于设定值时，本周期跳过功率管控制信号，不导通功率管；当功率变换系统的输出电压低于设定值时，本周功率管控制信号有脉冲来导通功率管。PSM调制模式在轻负载下具有响应速度快、效率高、抗干扰能力强、电磁兼容特性好和鲁棒性强等优点。

在现有的技术中，在使用自适应电压调节技术的DC-DC变换器中存在DC-DC变化器中功率管的占空比固定，输出电压纹波较大等问题。

发明内容

本发明的目的，就是针对上述问题，提出一种基于PSM调制模式的自适应电压调节器。

本发明的技术方案是，一种基于PSM调制模式的自适应电压调节器，由导通时间产生模块、数模转换器、动态比较器和数字逻辑控制模块构成；其中，动态比较器的正向输入端接外部输入电压，其负相输入端接数模转换器的输出端,动态比较器的输出端接导通时间产生模块的第一输入端；数模转换器的输入端接数字逻辑控制模块的第一输出端；数字逻辑控制模块的第一输入端接外部输入电压，其第二输出端接导通时间产生模块的第二输入端；

所述数字逻辑控制模块由延迟检测模块、计数器、可逆计数器和查找表构成；其中，延迟检测模块的第一输入端接外部输入电压，其第二输入端接可逆计数器的第一输出端，其输出端接计数器；计数器的输出端接可逆计数器，其输入端接可逆计数器的第一输出端；可逆计数器的第二输出端接查找表；延迟检测模块和计数器采用相同的时钟信号；

所述延迟检测模块由多个带反向输入端的或非门级联构成。

本发明的有益效果为，使Buck功率变换器能够自适应降压调节输出电压，同时保证了Buck变换器恒定的导通能量；在Buck功率变换器输出稳定电压时使用了PSM调制模式以及在输出电压不同时使功率管的占空比不同，改善了输出电压纹波；由于数字负载工作电压的减小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。

附图说明

图1为本发明的一种基于PSM调制模式的自适应电压调节器的结构示意图；

图2是数字逻辑控制模块的结构示意图；

图3是延迟检测模块的结构示意图。

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

本发明的自适应电压调节器通过与功率变换器相互协调配合能够根据负载当前工作频率的不同自适应调节负载的工作电压，使负载在当前工作频率下正常工作时工作电压最低，有效降低了负载的功耗。同时保证在不同的输出电压下而每次功率管导通输入到负载的能量相同，而功率管导通的时间不同，从而改善了输出电压的纹波。同时利用PSM调制模式在轻负载下具有响应速度快、效率高、抗干扰能力强、电磁兼容特性好和鲁棒性强等优点作为该自适应电压调节器的控制模式。

对于以负载处理器为代表的各种大规模数字集成电路，当其关键路径的延迟小于一个时钟周期时数字负载可以正常工作。而关键路径的延迟与其工作电压成反比，当工作电压过低时将使关键路径的延迟大于一个时钟周期，使负载不能正常工作。在本发明中采用延迟线拟合负载的关键路径，以负载的工作时钟信号在一个时钟周期内能否通过延迟线作为自适应的调压信号，搜寻负载在该工作时钟频率下正常工作的最低电压。

当负载在一定工作频率下，若工作电压Vo(BUCK变换器输出的电压)过高，负载的工作时钟在一个时钟内可以通过延迟线，则设法关断功率变换器中的功率开关管以降低工作电压Vo，同时改变功率变换器的基准电压和PSM调制信号的占空比来改变功率管的导通时间；当负载的工作时钟在一个周期内不能通过延迟线，则设法增加功率变换器的基准电压和PSM调制信号的占空比，使用PSM调制信号导通功率变换器中的功率开关管来提高工作电压Vo。最终实现负载处理器在给定的工作频率下工作电压最低，从而有效的降低负载的功耗。同时由于不同电压下的功率开关管的导通时间不同，改善了功率变换器的输出纹波。

如图1所示，本发明的一种基于PSM调制模式的自适应电压调节器由导通时间产生器、动态比较器、数模转换器和数字逻辑控制模块构成。Buck功率变换器的输出电压Vo和CPU的工作时钟CLK同时施加到数字逻辑控制模块，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，另一个输出信号DT输入到数模转换器；数模转换器根据数字逻辑控制模块的输出信号DT的不同产生不同的基准电压V_REF，数模转换器的输出电压V_REF施加到动态比较器；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V_REF分别施加到动态比较器同相输入端和反相输入端，动态比较器在时钟信号CLK的控制下将功率变换器的输出电压Vo和数模转换器输出电压V_ERF进行比较，比较器的输出信号CMP_OUT施加到导通时间产生模块；当Buck功率变换器的输出电压Vo小于数模转换器输出电压V_REF时，比较器输出信号CMP_OUT为低电平，该低电平使导通时间产生模块输出控制信号PG(PG信号作为PSM调制模式的控制信号接Buck功率变换器中功率PMOS管MP的栅极)导通Buck功率变换器中的功率PMOS管MP，使Buck功率变换器的输出电压Vo升高；若Buck功率变换器的输出电压Vo比数模转换器输出电压V_REF大时，则比较器输出信号CMP_OUT为高电平，导通时间产生模块跳过这个周期不输出PSM调制信号PG，使Buck功率变换器中的功率管不导通使其输出电压Vo降低。最终保证输出电压Vo为基准电压V_REF。

同时比较器的输出信号CMP_OUT作为导通时间产生器工作的时钟信号，也是Buck功率变换器中功率管工作时的开关频率。导通时间产生模块在动态比较器的输出信号CMP_OUT的控制下，根据数字逻辑控制模块输出的不同PT产生不同占空比的PSM控制信号PG，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包括延迟检测模块、计数器、可逆计数器和查找表。CPU的工作时钟CLK、功率变换器的输出电压Vo和可逆计数器的输出信号find同时施加到延迟检测模块，其中延迟检测模块中的延迟链是对负载处理器中关键路径的拟合。在find为低电平时延迟检测模块开始工作，延迟检测模块在Buck功率变换器的输出电压Vo下检测工作时钟CLK在一个时钟周期内是否可以通过延迟链，可以通过延迟链时延时检测模块的输出信号d_out为高电平，否则为低电平，延时检测模块的输出信号d_out施加到计数器；可逆计数器的输出信号find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find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d_out作为计数器的输出信号c_out施加到可逆计数器；可逆计数器根据c_out的值将输出信号cnt加1或是减1，同时输出find的值为高电平或是低电平，可逆计数器的输出信号find同时施加到延迟检测模块和计数器，可逆计数器输出信号a施加到查找表；查找表根据可逆计数器的输出信号cnt的不同输出不同的控制信号DT和PT。

所述的数字逻辑控制模块在搜寻当CPU的工作时钟信为CLK时的最小工作电压Vo过程中，数字逻辑控制模块通过输出信号DT和PT分别控制数模转换器输出的基准电压V_REF和导通时间产生器输出的PSM模式调制信号PG，而基准电压V_REF作为Buck功率变换器输出电压的基准，PSM模式调制信号PG控制Buck功率变换器中功率PMOS管MP的导通时间。因此通过数模转换器、导通时间产生器和数字逻辑控制模块相互协调与配合，使负载的工作电压Vo和Buck功率变换器中功率PMOS管MP的导通时间相对应，保证Buck功率变换器每次传输到负载的能量相同。同时负载在不同的工作电压Vo下，Buck功率变换器中功率PMOS管MP的导通时间不同，改善了Buck功率变换器的输出电压纹波。

所述延迟检测模块，通过改变延迟检测模块中延迟链的长度，可以对不同负载处理器的关键路径拟合，使一种基于PSM调制模式具有固定导通能量的自适应电压调节器对于不同的负载，通过数字逻辑控制模块中延迟检测模块输出调压信号d_out，经过可逆计数器和查找表的逻辑变化输出控制信号DT和PT，通过数模转换模块和导通时间产生模块的协调工作，自适应调节负载的工作电压，使负载在工作时钟CLK下正常工作的电压Vo最小。

如图3所述，延迟检测模块中延长链的长度为负载处理器中关键路径长度L与ΔL(为负载处理器关键路径长度L的5％～30％)之和，且延长链由带反向输入端的或非门级联而成。

本发明所提出的一种基于PSM调制模式具有固定导通能量的自适应电压调节器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CLK在一个时钟周期内是否可以通过延迟链作为自适应调压信号，使Buck功率变换器自适应降压调节输出电压，搜寻负载的工作时钟CLK在一个时钟周期内可以通过延迟链的最小电压。在搜寻过程中，使Buck功率变换器中功率管的导通时间和Buck功率变换器输出电压一一对应，保证了Buck变换器恒定的导通能量。在Buck功率变换器输出稳定电压中使用了PSM调制模式，改善了输出电压纹波。同时由于数字负载工作电压的减小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 (1)

1.一种基于PSM调制模式的自适应电压调节器，由导通时间产生模块、数模转换器、动态比较器和数字逻辑控制模块构成；其中，动态比较器的正向输入端接外部输入电压，其负相输入端接数模转换器的输出端，动态比较器的输出端接导通时间产生模块的第一输入端；数模转换器的输入端接数字逻辑控制模块的第一输出端；数字逻辑控制模块的第一输入端接外部输入电压，其第二输出端接导通时间产生模块的第二输入端；

所述数字逻辑控制模块由延迟检测模块、计数器、可逆计数器和查找表构成；其中，延迟检测模块的第一输入端接外部输入电压，其第二输入端接可逆计数器的第一输出端，其输出端接计数器；计数器的输出端接可逆计数器，其输入端接可逆计数器的第一输出端；可逆计数器的第二输出端接查找表；延迟检测模块和计数器采用相同的时钟信号；

所述延迟检测模块由多个带反向输入端的或非门级联构成。