CN105988493A - 电压调节装置及电压调节方法 - Google Patents

Abstract

一种电压调节装置及其电压调节方法，包括：分配系统，用于根据芯片中各电源域的任务信息，获得相应电源域执行任务所需要使用的预测电压，还用于探测芯片中各电源域的运行电压，获取相应电源域的探测电压，分配系统还用于根据预测电压和探测电压，获得相应电源域电压分配的控制信号；调压系统，与分配系统和芯片中各电源域相连，用于根据分配系统输出的控制信号对芯片中相应电源域的电压进行调节，以使相应电源域在执行任务时的探测电压达到预测电压。本发明通过一个电压调节装置实现了同时控制芯片内多个电源域电压的功能，并且采用数字控制部件替代现有技术中的模拟电路，缩小了芯片内电压调节装置的面积。

Description

电压调节装置及电压调节方法

技术领域

本发明涉及电路设计领域，特别涉及一种电压调节装置及电压调节方法。

背景技术

因此在现今的片上系统(System on Chip，SoC)设计中需要设置许多电压调节装置，用于向不同电源域提供不同电压。

参考图1，示出了现有技术一种电压调节装置的结构示意图。电压调节装置1包括：参考电路11，比较器12，驱动单元13以及反馈单元14；比较器12的两个输入端分别连接参考电路11的输出端和反馈单元14的输出端，比较器12的输出端连接所述驱动单元13的输入端。驱动单元13的输出端连接反馈单元14的输入端和负载单元2。

参考图2，图2示出了图1中电压调节装置的具体电路图。

驱动单元13具体包括PMOS晶体管M1；反馈单元14包括有多个串联电阻R1、R2。反馈单元14的分压作为反馈电压Vfb，比较器12用于比较反馈电压Vfb和参考电路11产生的参考电压Vref。比较器12的比较结果用于决定驱动单元13的导通或者截止，当所述反馈电压Vfb与所述参考电压Vref不相等的时候，所述比较器12控制所述驱动单元13导通，改变所述反馈电压Vref。经历多次反馈之后，直到反馈电压Vfb与参考电压Vref区域相等，从而得到稳定的输出电压Vout。实际应用中，可以通过调整参考电压Vref和反馈单元14中的串联电阻使得输出电压Vout为预定电压值。

继续参考图2，现有技术还会在负载单元2中设置电源门控(Power Gating)21，在负载不工作的时候，断开所述负载，以达到减小漏电的目的。具体的，电源门控21包括PMOS晶体管M2。

但是现有技术中的电压调节装置面积较大，而且在每个需要电压调节的电源域内都需设置电压调节装置，因此需要耗费相当的晶圆面积设置众多的电压调节装置。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种电压调节装置和电压调节方法，以减小电压调节装置的面积。

为解决上述问题，本发明提供一种电压调节装置，用于调节芯片中一个或多个电源域的电压，包括：

分配系统，用于根据所述芯片中各电源域的任务信息，获得相应电源域执行任务所需要使用的预测电压，还用于探测所述芯片中各电源域的运行电压，获取相应电源域的探测电压，所述分配系统还用于根据所述预测电压和所述探测电压，获得相应电源域电压分配的控制信号；

调压系统，与所述分配系统和所述芯片中各电源域相连，用于根据分配系统输出的所述控制信号对所述芯片中相应电源域的电压进行调节，以使相应电源域在执行任务时的探测电压达到所述预测电压。

可选的，所述分配系统包括：探测模块，用于探测所述芯片中各电源域的运行电压，获取相应电源域的探测电压；预测模块，用于根据所述芯片中各电源域的任务信息，获得相应电源域执行任务所需要使用的预测电压；分配模块，用于根据所述预测电压和所述探测电压，获得相应电源域电压分配的控制信号。

可选的，所述探测模块包括：参考电路，用于产生参考电压；模数转换器，与所述参考电路以及所述芯片中各电源域相连，用于输出与所述芯片中各电源域探测电压相对应的数字信号。

可选的，所述参考电路为带隙基准电路。

可选的，所述模数转换器为逐次逼近寄存器型模数转换器。

可选的，所述电压调节装置还包括处理模块，用于控制所述芯片各电源域执行任务；所述预测模块与所述处理模块相连，用于根据所述处理模块提供的所述芯片中各电源域的任务信息，获得相应电源域执行任务所需要使用的预测电压。

可选的，所述处理模块为中央处理器。

可选的，所述调压系统包括一个或多个调压模块，所述调压模块与所述芯片中各电源域对应相连，用于根据分配系统输出的所述控制信号对所述芯片中相应电源域的电压进行调节，以使相应电源域在执行任务时的探测电压达到所述预测电压。

可选的，所述调压模块包括电源门控单元，所述电源门控单元包括与相应电源域相连的一个或多个晶体管；所述一个或多个晶体管用于根据所述分配系统输出的所述控制信号打开或关闭以实现对相应电源域的电压调节。

可选的，所述晶体管的最小尺寸为根据对应电源域的最小工作电流所确定的尺寸。

可选的，所述最小尺寸的晶体管为一倍电源门控单元，所述调压模块包括多个电源门控单元，所述电源门控为所述一倍电源门控单元的倍数。

可选的，所述电压调节装置还包括退耦电容，所述退耦电容与相应电源域相连，用于在相应电源域所对应的调压模块中所有电源门控单元均导通仍无法使探测电压达到预测电压时，与相应电源域相连，以使相应电源域在执行任务时的所述探测电压达到所述预测电压。

可选的，所述电压调节装置还包括存储模块，用于存储不同尺寸晶体管在不同源漏电压下的导通电阻，还用于存储所述芯片中各电源域的探测电容、芯片的系统频率以及各电源域相对应调压模块中晶体管的打开或关闭状态；所述分配模块包括：预测处理单元，与所述存储模块相连，用于根据所述预测电压获得实现所述预测电压所需要的调压模块中晶体管的打开或关闭状态，还用于根据所述预测电压以及所述导通电阻获得相对应电源域的预测电流；探测处理单元，与所述存储模块相连，用于根据所述探测电容、所述预测电压、所述探测电压、所述系统频率、所述导通电阻以及所述调压模块的运行状态获得相对应电源域的探测电流；识别单元，用于根据所述预测电流和探测电流的相对大小，判断相应电源域在执行任务时的探测电压是否为所述预测电压；信号处理单元，与所述识别单元相连，用于在所述识别单元判断相应电源域在执行任务时的探测电压不是所述预测电压时，根据所述预测电流，获得相应电源域电压分配的控制信号，输出所述控制信号。

可选的，所述分配系统按一预设频率获取所述芯片中各电源域的任务信息，获得相应电源域执行任务所需要使用的预测电压；所述分配系统还按所述预设频率获取相应电源域的探测电压；所述分配系统还按所述预设频率根据所述探测电压和所述预测电压，获得相应电源域电压分配的控制信号；所述调压系统，根据所述分配系统按所述预设频率输出的所述控制信号，对所述芯片中相应电源域的电压进行调节，以使相应电源域在执行任务时的探测电压达到所述预测电压。

本发明还提供电压调节方法，用于调节芯片中一个或多个电源域的电压，包括：

获取所述芯片中各电源域的探测电压；

获取所述芯片中各电源域的任务信息，获得相应电源域执行任务所需要使用的预测电压；

根据所述预测电压和所述探测电压，获得相应电源域电压分配的控制信号；

根据所述控制信号，对所述芯片中各电源域的电压进行调节，以使相应电源域在执行任务时的探测电压达到所述预测电压。

可选的，所述电压调节方法还包括额外补偿步骤，当相应电源域无法实现电压调节时，通过额外增加相应电源域的电压，以使相应电源域在执行任务时的所述探测电压能够达到所述预测电压。

可选的，所述获取所述芯片中各电源域的任务信息，获得相应电源域执行任务所需要使用的预测电压的步骤包括：按一预设频率获取所述芯片中各电源域的任务信息，获得相应电源域执行任务所需要使用的预测电压；获取所述芯片中各电源域的探测电压的步骤包括：按所述预设频率获取所述芯片中各电源域的探测电压；根据所述预测电压和所述探测电压，获得相应电源域电压分配的控制信号的步骤包括：按所述预设频率获得相应电源域分配的控制信号。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：

本发明通过一个电压调节装置实现了同时控制芯片内多个电源域电压的功能，即利用一个电压调节装置代替了多个现有技术中的电压调节装置，并且采用面积更小的数字控制部件实现现有技术中模拟反馈电路的功能，缩小了芯片内电压调节装置的面积。此外，由于本发明所提供的电压调节装置，根据所述芯片中各电源域的任务信息，对相应电源域执行任务时所需要使用的电压进行预测，因此在设计中能获知电压调节装置输出电压的浮动范围，因此能够减少甚至省去退耦电容的使用，可以进一步缩小电压调节装置所占据的面积。

可选方案中，本发明所提供的电压调节装置，根据所述芯片中各电源域的任务信息，对相应电源域执行任务时所需要使用的电压进行预测，避免了现有技术中通过反馈电路进行电压调节的调节滞后。而且由于能够预测负载所执行任务的变化，本发明所提供电压调节装置的输出电压能够先于相应电源域所执行任务的变化而变化，因此本发明所提供电压调节装置的输出电压可以避免由于所述电源域执行任务的变化而出现的较大波动，其输出电压更稳定。

可选方案中，本发明所提供的电压调节装置，根据所述芯片中各电源域的任务信息，对相应电源域执行任务时所需要使用的电压进行预测，能够避免相应电源域所执行任务不同而引起的输出电压的较大浮动，能够减少甚至省去退耦电容的使用，可以降低所述电压调节装置的功耗。

可选方案中，本发明所提供的电压调节装置，采用模数转换器获得所述探测电压。因此，本发明所提供的电压调节装置的调节范围更宽、精度更高、幅值更稳定。进一步，由于所述模数转换器的输入和输出是可调的，因此本发明所提供的电压调节装置的对相应电源域的电压调节范围是可调的，可以提供更多的工作模式。

附图说明

图1是现有技术一种电压调节装置的结构示意图；

图2是图1中电压调节装置的具体电路图；

图3是本发明所提供电压调节装置一实施例的功能框图；

图4是图3中探测模块的功能框图；

图5是图3中所述分配模块的功能框图；

图6是本发明所提供电压调节方法一实施例的流程图。

具体实施方式

由背景技术可知，现有技术的电压调节装置具有面积太大的问题，现结合现有技术电压调节装置具体结构分析原因。

但是现有技术中电压调节装置1和电源门控21都需要相当的面积来形成。而且现有技术中1个电压调节装置1只能调节单个电源域的电压，针对芯片中不同的电源域需要设置多个不同的电压调节装置，因此在芯片设计的时候，需要耗费相当的晶圆面积设置众多的电压调节装置1以及电源门控21。此外为了避免由于负载单元2变化而引起的输出电压Vout的浮动，芯片中还需要设置与输出电压Vout的输出端相连的退耦电容3。由于Vout浮动范围的不确定，退耦电容3的电容值通常较大，因此退耦电容3的面积较大，成本较高，而且退耦电容3的数量也较多。另外退耦电容3为了能够稳定输出电压Vout，在整个电路工作过程中，所述退耦电容始终需要保持充电状态，当负载变化的时候，能够及时补偿输出电压Vout的浮动，防止所述电源域出现故障。但是，这样会使电压调节装置的功耗较高。

为解决上述问题，本发明提供一种电压调节装置，用于调节芯片中一个或多个电源域的电压，包括：

分配系统，用于根据所述芯片中各电源域的任务信息，获得相应电源域执行任务所需要使用的预测电压，还用于探测所述芯片中各电源域的运行电压，获取相应电源域的探测电压，所述分配系统还用于根据所述预测电压和所述探测电压，获得相应电源域电压分配的控制信号；调压系统，与所述分配系统和所述芯片中各电源域相连，用于根据分配系统输出的所述控制信号对所述芯片中相应电源域的电压进行调节，以使相应电源域在执行任务时的探测电压达到所述预测电压。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

参考图3，示出了本发明所提供电压调节装置的功能框图。

需要说明的是，本发明所提供的电压调节装置，用于调节芯片中电源域(Power Domain)的电压，所述芯片包括一个或多个电源域的电压：所述芯片包括：第一电源域、第二电源域……第m电源域，其中，m为所述芯片中电源域的数量。

所述电压调节装置包括含有探测模块110、预测模块120以及分配模块130的分配系统100和含有一个或多个调压模模块的调压系统200，所述调压系统包括：第一调压模块、第二调压模块……第m调压模块，所述第一调压模块与所述第一电源域相连，所述第二调压模块与所述第二电源域相连……所述第m调压模块与所述第m相连。本实施例中，在各调压模块内包括有一个或多个晶体管，所述分配系统100通过控制各调压模块内晶体管的开启和关闭，以实现对相应电源域电压的调节。

具体的，所述分配系统100，用于根据所述芯片中各电源域的任务信息，获得相应电源域执行任务所需要使用的预测电压，还用于探测所述芯片中各电源域的运行电压，获取相应电源域的探测电压，所述分配系统还用于根据所述预测电压和所述探测电压，获得相应电源域电压分配的控制信号PG。

参考图3，所述分配系统100包括：探测模块110，用于探测所述芯片中各电源域的运行电压，获取相应电源域的探测电压Vdec。

结合参考图4，图4示出了图3中所述探测模块110的功能框图。

具体的，所述探测模块110包括参考电路111和模数转换器112。

其中，参考电路111用以产生参考电压。本实施例中，所述参考电路111为带隙基准电路(Bandgap Voltage Reference，Bandgap)，理想的带隙基准电路是一种提供稳定基准电压的基本电路，所产生的参考电压值与温度、器件运行快慢无关。需要说明的是，本实施例中采用带隙基准电路作为参考电路仅为一示例，本发明对此不做限定。

模数转换器112与所述参考电路111和所述芯片中各电源域相连，用于接收所述参考电路111产生的参考电压Vref以及所述芯片中各电源域输出的运行电压Vd。所述模数转换器112比较运行电压Vd与所述参考电压Vref，以运行电压Vd和参考电压Vref的差值，表征所述相应电源域的探测电压Vdect，并输出与所述探测电压Vdect相对应的数字信号。所述模数转换器112将所述探测电压Vdect转换为数字信号，使后续处理中可以采用数字控制部件，有利于电压调节装置的面积。具体的，本实施例中，所述模数转换器112为逐次逼近寄存器型(Successive Approximation Register，SAR)模数转换器。

需要说明的是，所述模数转换器112接收的所述芯片中各电源域输出的运行电压为V1、V2……Vm，所述模数转换器122输出的相应电源域的探测电压为Vdect1、Vdect2……Vdectm。

还需要说明的是，所述探测模块110按一预设频率获取相应电源域的探测电压Vdect1、Vdect2……Vdectm。

继续参考图3，所述分配系统100还包括：预测模块120，用于根据所述芯片中各电源域的任务信息，获得相应电源域执行任务所需要使用的预测电压。

需要说明的是，所述电压调节装置还包括处理模块300，用于控制所述芯片各电源域执行相应任务。

所述处理模块300与所述分配系统100中的预测模块120相连，所述预测模块根据所述处理模块100提供的所述芯片中各电源域的任务信息，获得k个周期之后，不同电源域执行任务所需要使用的预测电压Vexp。

需要说明的是，本实施例中，所述电压调节装置采用系统时钟计时，所述预测模块120获得k个周期之后不同电源域执行任务所需要使用的预测电压，是指k个系统时钟周期之后，不同电源域执行任务所需使用的电压。进一步需要说明的是，本实施例中采用系统时钟计时仅为一示例，在本发明其他实施例中，可以选择独立设置电压调节装置的计时设备，本发明对此不作任何限制。

还需要说明的是，本实施例中，所述芯片包括m个电源域，因此，对于每个电源域，所述预测模块120均会获得一个预测电压Vexp。所以，所述预测模块所获得的预测电压与所述电源域相对应的为m个预测电压：Vexp1、Vexp2……Vexpm。

具体的，本实施例中，所述处理模块300为中央处理器(Central ProcessingUnit，CPU)。采用CPU作为所述电压调节装置的控制组件，能够省去外加处理模块的面积，能够进一步缩小所述监测系统的面积。

需要说明的是，所述预测模块120采用与所述探测模块100一样的预设频率获取所述芯片中各电源域的任务信息，获得相应电源域执行任务所需要使用的预测电压。

继续参考图3，所述分配系统100还包括：分配模块130，用于根据所述预测电压Vexp(Vexp1、Vexp2……Vexpm)和所述探测电压Vdect(Vdect1、Vdect2……Vdectm)，获得相应电源域电压分配的控制信号PG。

需要说明的是，所述电压调节装置还包括存储模块400，用于存储所述调压模块中不同尺寸晶体管在不同源漏电压下的导通电阻Ron。所述芯片中各电源域的探测电容Cdect(Cdect1、Cdect2……Cdectm)、芯片的系统频率f_system以及各电源域对应调压模块的运行状态也存储在所述存储模块400中。

结合参考图5，示出了图3中所述分配模块130的功能框图。

具体的，所述分配模块130包括预测处理单元131，所述预测处理单元131与所述预测模块120，接收所述预测模块120获得的预测电压Vexp(Vexp1、Vexp2……Vexpm)，所述预测处理单元131还与所述存储模块400相连，读取存储模块400内存储的不同调压模块的导通电阻Ron。

根据电源域内的电量关系：

$\begin{array}{c}\mathrm{\ΔQ}=\mathrm{Cdect}\×\mathrm{\ΔV}=\mathrm{Cdect}\×(\mathrm{V\; exp}-\mathrm{Vdect})\\ =\mathrm{\ΔI}\×t=(\mathrm{\Σ}\frac{\mathrm{Vexp}}{\mathrm{Ron}\_\exp }-\mathrm{\Σ}\frac{\mathrm{Vdect}}{\mathrm{Ron}\_\mathrm{dect}})\×\frac{k}{f\_\mathrm{system}}\end{array}---\left(1\right)$

其中，Cdect为所述电源域的探测电容；Vexp为相应电源域的预测电压；Vdect为相应电源域的探测电压；Ron_exp为达到预测电压Vexp时，所述电源域相应调压模块的导通电阻；Ron_dect为探测电压Vdect下，所述电源域相应调压模块的导通电阻；f_system为系统时钟的频率；k表示所述预测电压Vexp的是k个系统时钟周期后，相应电源域执行任务所需要使用的电压。

根据公式(1)，可得到当探测电压Vdect达到所述预测电压Vexp的时候，相应电源域内有如下关系：

$\mathrm{\Σ}\frac{\mathrm{Vexp}}{\mathrm{Ron}\_\exp }=\mathrm{Cdect}\×\frac{\mathrm{Vexp}-\mathrm{Vdect}}{k/f\_\mathrm{system}}+\mathrm{\Σ}\frac{\mathrm{Vdect}}{\mathrm{Ron}\_\mathrm{dect}}---\left(2\right)$

因此，所述分配模块130包括预测处理单元131，根据各电源域相对应的所述预测电压Vexp，获得各电源域相对应的实现预测电压Vexp所需要的调压模块的运行状态，即实现所述预测电压Vexp的时候，所述相应调压模块中需要开启的晶体管数量。所述预测处理单元131，还根据各电源域相对应的所述预测电压Vexp，以及实现预测电压Vexp所需要的调压模块的运行状态下，所述对应调压模块的导通电阻Ron，获得相对应的预测电流Iexp，为：Iexp＝∑(Vexp/Ron_exp)。

所述分配模块130还包括探测处理单元132，所述探测处理单元与所述探测模块110相连，接收所述探测模块110获得的探测电压Vdect(Vdect1、Vdect2……Vdectm)，所述探测处理单元132还与所述存储模块400相连，读取存储模块400内存储的不同调压模块的导通电阻Ron_dect，所述探测处理单元132还读取存储模块400中存储的所述各电源域的探测电容Cdect(Cdect1、Cdect2……Cdectm)、芯片的系统频率f_system以及各电源域对应调压模块的运行状态，即探测电压Vdect下，相应调压模块中开启的晶体管数量。所述探测处理单元132根据各电源域相对应的所述探测电压Vdect、探测电容Cdect和相应调压模块运行状态，以及芯片的系统频率f_system，获得相应的探测电流，为：Idect＝[Cdect×(Vexp-Vdect)/(k/f_system)]+∑(Vdect/Ron_dect)。

继续参考图5，所述分配模块130还包括识别单元133，所述识别单元133与所述预测处理单元131以及所述探测处理单元132相连，接收所述预测处理单元131获得的所述预测电流Iexp和所述探测处理单元132获得的所述探测电流Idect，判断相应电源域在执行任务时的探测电压Vdect是否为相应的预测电压Vexp。

具体的，所述识别单元133比较各电源域相对应的探测电流Idect和预测电流Iexp的大小，如果所述探测电流Idect与所述预测电流Iexp相等，则表示相应电源域调压模块的运行状态能够实现所述预测电压Vexp，因此不需要改变现有的调压模块运行状态，所述电压调节装置进入下一次调节。

如果所述探测电流Idect与所述预测电流Iexp不相等，则表示相应电源域调压模块的运行状态无法达到相应的预测电压Vexp。因此需要调整调压模块的运行状态：当所述探测电流Idect比所述预测电流Iexp小时，表示所述电源域的探测电压Vdect小于所述预测电压Vexp，因此需要增加开启的晶体管数量；所述探测电流Idect比所述预测电流Iexp大时，表示所述电源域的探测电压Vdect大于所述预测电压Vexp，因此需要减少开启的晶体管数量。

需要说明的是，本实施例中基于所述探测电压Vdect与所述预测电压Vexp获得探测电流Idect与预测电流Iexp，比较所述探测电流Idect与预测电流Iexp以识别相应电源域是否能在执行任务的时候，达到所述预测电压Vexp的识别方法，仅为一示例，本发明对识别的方法不做任何限制，还可以采用其他基于所述探测电压Vdect与所述预测电压Vexp的量进行比较、识别。

所述分配模块130还包括信号处理单元134，所述信号处理单元134与所述识别单元133相连，根据所述识别单元133的识别结果，判断是否需要改变所述调压系统200中相应调压模块的运行状态，输出相应调压模块的控制信号PG，所述信号处理单元134还与所述预测单元131相连，接收所述预测单元获得的各电源域相对应的实现预测电压Vexp所需要的调压模块的运行状态。

具体的，当所述识别单元133判断相应电源域的探测电压能够达到相应的预测电压Vexp时，即不需要改变现有的相应调压模块运行状态的时候，所述信号处理单元134输出现有调压模块运行状态相对应的所述控制信号PG。

当所述识别单元133判断相应电源域调压模块的运行状态无法达到相应的预测电压Vexp时，即需要改变现有的相应调压模块运行状态的时候，所述信号处理单元根据所述预测单元131获得的实现预测电压Vexp所需要的相应调压模块的运行状态，输出相对应的控制信号PG，改变调压模块的运行状态。

需要说明的是，所述信号处理单元134还与所述存储模块400相连，将所述控制信号PG相对应的所述调压模块的运行状态写入所述存储模块。

还需要说明的是，所述分配模块130根据所述预测电压Vexp(Vexp1、Vexp2……Vexpm)和所述探测电压Vdect(Vdect1、Vdect2……Vdectm)，通过寄存器传输级代码获得相应电源域电压分配的控制信号PG。

需要说明的是，所述预测模块120采用与所述探测模块100一样的预设频率获取所述芯片中各电源域的任务信息，获得相应电源域执行任务所需要使用的预测电压。

继续参考图3，所述电压调节装置还包括调压系统200。

如前所述，所述调压系统200包括一个或多个调压模块，所述调压模块与芯片内各电源域一一对应相连。每个调压模块包括至少一个电源门控单元(Power Gating Cell，PGC)(图中未标示)。所述PGC既能起到电源门控(PowerGating)减少漏电的作用，也能通过开启、关闭状态的改变，实现对相应电源域内电压的调节控制作用。

需要说明的是，本实施例中，所述每个PGC包括1个PMOS晶体管，但是本实施例仅为一示例，本发明对此不做限制。

具体的，所述PGC中晶体管的尺寸，由相应电源域的最小供电电流确定。

需要说明的是，所述PGC中晶体管的导通电阻Ron的大小与所述晶体管导通时，源极和漏极之间的电压差Vds有关。本实施例中，所述存储模块400中存储的为不同源漏电压Vds下，不同尺寸晶体管在的导通电阻Ron，即(Ron，Vds)。

需要说明的是，所述调压模块中每一个PGC均与所述分配系统100中的分配模块130相连，所述分配模块130输出的所述控制信号PG即所述PGC的开关信号，即所述控制信号PG使对应的PGC开启或关闭，通过改变开启的所述PGC数量，实现对相应电源域电压的调节。

所述调压模块中所述PGC的数量，根据所述芯片的设计需要而确定。具体的，在芯片设计、产品制造阶段，通过改变调压模块中PGC的数量，使相应电源域达到设计需要。

具体的，首先设置PGC数量，初始值是当采用单个最小尺寸的晶体管构成PGC时，实现最大供电电流的时候，所述需要的PGC的数量。

接着，按照芯片设计需要，进行测试并调整PGC的数量。具体的，根据芯片设计需要，对所述芯片进行测试，采用配置有上一步中PGC数量的电压调节装置对所述芯片进行电压调节，即所述电压调节装置通过改变开启的PGC数量，进行电压调节。

当电压调节装置能够顺利实现电压调节，即配置有包含上述PGC数量的电压调节装置的芯片能够满足设计需要，实现预定任务，则说明上述PGC数量是合理的。

如果所述电压调节装置无法完成测试，即配置有包含上述PGC数量的电压调节装置的芯片不能满足设计需要，即所述芯片无法完成预定任务，任务运行失败，则说明PGC设计有误，需要修改PGC的设置。

上述测试过程中，当所述电压调节装置通过改变开启的PGC数量，而实现对相应电源域电压的调节：当所有PGC均开启时，预测电流Iexp依旧大于所述探测电流Idect，则表示该电源域设计中所需要使用的电压高于所述电压调节装置的调节范围，即该电源域的设计需要超过了所述电压调节装置调节能力的最大限度，从而导致任务运行失败，则测试过程中会给出电流溢出的信号，并结束测试；当所有PGC均关闭，所述预测电流Iexp依旧小于所述探测电流Idect，所述测试过程会给出相应电源域不需要设置PGC的信号，并结束测试。

需要说明的是，当测试过程给出电流溢出的信号时，即相应电源域的设计需要超过了所述电压调节装置调节能力的最大限度的时候，说明相应电源域的探测电容Cdect不足，需要在对应电源域增大退耦电容(Decoupling Cap)，并通过调整退耦电容的大小，是所述电源域达到芯片设计需要；当芯片中没有足够空间设置退耦电容时，或者无法增大退耦电容的面积时，则需要增加PGC的数量，使相应电源域达到芯片设计需要。

还需要说明的是，本实施例中，所述每个调压模块中的PGC均为最小尺寸的单个晶体管的设计仅为一示例，还可以在单个调压单元内设置多个PGC，PGC数量越多，相关联电源域的电压调节速度越快、越精确，但相应的会使芯片的布局布线(Place and Route，P&R)的复杂程度上升。因此可以以单个最小尺寸的晶体管构成的PGC为基准，调压模块中设置一系列不同大小的PGC，构成不同大小PGC的组合，以提高电压调节的精度和速度，并降低布局布线的复杂程度。具体的，本实施例中，以最小尺寸的PGC为1倍的PGC(PGC1X)，所述调压模块中的PGC设置为2倍PGC(PGC2X)、4倍PGC(PGC4X)、8倍PGC(PCG8X)……。

因此，当芯片通过测试，说明电压调节装置的调节能力以及相应电源域能够满足所述芯片设计的需要。可选的，还可以进一步对所述电压调节装置中调压模块中的PGC组合进行优化：采用不同尺寸的晶体管构成不同倍数的PGC(PGCnX)以替代多个最小尺寸的PGC，从而降低所述芯片布局布线的复杂程度，降低分配模块130中代码的复杂程度。

还需要说明的是，具有相同预测电压Vexp的电源节点(Power Node)可以选择连接在一起，也可以选择分别连接。所述电源节点的连接方式会改变相应电源域的探测电容Cdect大小，与所述退耦电容的设置与否、大小有关，可以根据具体设计需要进行配置。

进一步需要说明的是，所述调压系统200根据分配系统100按照所述预设频率输出的所述控制信号，对所述芯片中相应电源域的电压进行调节，以使相应电源域在执行任务时的探测电压Vdect能够达到所述预测电压Vexp。

综上，本发明通过一个电压调节装置实现了同时控制芯片内多个电源域电压的功能，即利用一个电压调节装置代替了多个现有技术中的电压调节装置，并且采用面积更小的数字控制部件实现现有技术中模拟反馈电路的功能，缩小了芯片内电压调节装置的面积。此外，由于本发明所提供的电压调节装置，根据所述芯片中各电源域的任务信息，对相应电源域执行任务时所需要使用的电压进行预测，因此在设计中能获知电压调节装置输出电压的浮动范围，因此能够减少甚至省去退耦电容的使用，可以进一步缩小电压调节装置所占据的面积。

可选的，本发明所提供的电压调节装置，根据所述芯片中各电源域的任务信息，对相应电源域执行任务时所需要使用的电压进行预测，避免了现有技术中通过反馈电路进行电压调节的调节滞后。而且由于能够预测负载所执行任务的变化，本发明所提供电压调节装置的输出电压能够先于相应电源域所执行任务的变化而变化，因此本发明所提供电压调节装置的输出电压可以避免由于所述电源域执行任务的变化而出现的较大波动，其输出电压更稳定。

可选的，本发明所提供的电压调节装置，根据所述芯片中各电源域的任务信息，对相应电源域执行任务时所需要使用的电压进行预测，能够避免相应电源域所执行任务不同而引起的输出电压的较大浮动，能够减少甚至省去退耦电容的使用，可以降低所述电压调节装置的功耗。

可选的，本发明所提供的电压调节装置，采用模数转换器获得所述探测电压。因此，本发明所提供的电压调节装置的调节范围更宽、精度更高、幅值更稳定。进一步，由于所述模数转换器的输入和输出是可调的，因此本发明所提供的电压调节装置的对相应电源域的电压调节范围是可调的，可以提供更多的工作模式。

相应的，本发明还提供电压调节方法，用于调节芯片中一个或多个电源域的电压，包括：

获取所述芯片中各电源域的探测电压；获取所述芯片中各电源域的任务信息，获得相应电源域执行任务所需要使用的预测电压；根据所述预测电压和所述探测电压，获得相应电源域电压分配的控制信号；根据所述控制信号，对所述芯片中各电源域的电压进行调节，以使相应电源域在执行任务时的探测电压达到所述预测电压。

参考图6，示出了本发明所提供电压调节方法一实施例的流程图。

需要说明的是，本实施例中所述芯片包括一个或多个电源域的电压：所述芯片包括：第一电源域、第二电源域……第m电源域，其中，m为所述芯片中电源域的数量。

步骤S1，获取所述芯片中各电源域的探测电压。

本实施例中，通过电压调节装置的探测模块获取各电源域的探测电压。具体的，所述探测模块包括产生参考电压Vref的参考电路和模数转换器。所述模数转换器与所述芯片各电源域相连，接收各电源域输出的运行电压V1、V2……Vm。所述模数转换器比较运行电压V1、V2……Vm与所述参考电压Vref，以运行电压V1、V2……Vm与所述参考电压Vref的差值，表征各电源域的探测电压Vdect1、Vdect2……Vdectm。

需要说明的是，本实施例中，按照一定的预设频率获取所述芯片中不同电源域的探测电压Vdect1、Vdect2……Vdectm。

步骤S2，获取所述芯片中各电源域的探测电压Vdect后，获取所述芯片中各电源域的任务信息，并根据所述任务信息获得相应电源域执行任务所需要的预测电压Vexp。

本实施例中，通过电压调节装置的预测模块获取所述芯片中各电源域的任务信息，并根据所述任务信息获得相应电源域执行任务所需要的预测电压Vexp。具体的，所述预测模块根据所述芯片中各电源域的任务信息，获得k个周期之后，不同电源域执行任务所需要使用的预测电压Vexp。

需要说明的是，本实施例中，采用系统时钟计时。因此，所述预测电压Vexp是指k个系统时钟周期之后，不同电源域执行任务所需使用的电压Vexp。

还需要说明的是，本实施例中，所述芯片包括m个电源域。因此，所述预测电压与所述电源域相对应的为m个预测电压：Vexp1、Vexp2……Vexpm。

进一步需要说明的是，本实施例中，按所述预设频率获取所述芯片中各电源域的任务信息，获得相应电源域执行任务所需要使用的预测电压。

步骤S3，根据所述探测电压Vdect和所述预测电压Vexp获得相应电源域电压分配的控制信号。

需要说明的是，本实施例中，采用一个或多个调压模块实现对相应电源域的电压调制，通过改变开启的调压模块的数量，实现对相应电源域电压的调节。具体的，所述调压模块的导通电阻为Ron。

具体的，根据所述电源域内的电量关系：

$\begin{array}{c}\mathrm{\ΔQ}=\mathrm{Cdect}\×\mathrm{\ΔV}=\mathrm{Cdect}\×(\mathrm{Vexp}-\mathrm{Vdect})\\ =\mathrm{\ΔI}\×t=(\mathrm{\Σ}\frac{\mathrm{Vexp}}{\mathrm{Ron}\_\exp }-\mathrm{\Σ}\frac{\mathrm{Vdect}}{\mathrm{Ron}\_\mathrm{dect}})\×\frac{k}{f\_\mathrm{system}}\end{array}---\left(3\right)$

其中，Cdect为相应电源域的探测电容；Vexp为相应电源域的预测电压；Vdect为相应电源域的探测电压；Ron_exp为达到预测电压Vexp时，所述电源域相应调压模块的导通电阻；Ron_dect为探测电压Vdect下，所述电源域相应调压模块的导通电阻；f_system为系统时钟的频率；k表示所述预测电压Vexp的是k个系统时钟周期后，相应电源域执行任务所需要使用的电压。

根据公式(3)，可以知道，当探测电压Vdect达到所述预测电压Vexp的时候，相应电源域内有如下关系：

$\mathrm{\Σ}\frac{\mathrm{Vexp}}{\mathrm{Ron}\_\exp }=\mathrm{Cdect}\×\frac{\mathrm{Vexp}-\mathrm{Vdect}}{k/f\_\mathrm{system}}+\mathrm{\Σ}\frac{\mathrm{Vdect}}{\mathrm{Ron}\_\mathrm{dect}}---\left(4\right)$

因此，根据各电源域相对应的所述预测电压Vexp，获得相应电源域实现预测电压Vexp所需要的调压模块运行状态，即所需要开启的调压模块的数量。之后，根据预测电压Vexp，以及实现预测电压Vexp的时候调压模块的电阻Ron_exp，获得相对应的预测电流Iexp，所述预测电流为：Iexp＝∑(Vexp/Ron_exp)。

接着，根据探测电压Vdect，以及探测电压Vdect下调压模块的导通电阻Ron_dect，以及在芯片设计阶段已经获知的所述电源域的探测电容Cdect、芯片的系统频率f_system，结合探测电压Vdect下调压模块的运行状态，即所述调压模块开启、关闭的数量，获得相应的探测电流Idect，所述探测电流为：Idect＝[Cdect×(Vexp-Vdect)/(k/f_system)]+∑(Vdect/Ron_dect)。

比较所述探测电流Idect和所述预测电流Iexp的大小：如果所述探测电流Idect与所述预测电流Iexp相等，则表示相应电源域调压模块的运行状态能够实现所述预测电压值Vexp，因此不需要改变现有的调压模块运行状态，所述电压调节装置进入下一次调节。

如果所述探测电流Idect与所述预测电流Iexp不相等，则表示相应电源域调压模块的运行状态无法达到相应的预测电压值Vexp。因此需要调整调压模块的运行状态：当所述探测电流Idect比所述预测电流Iexp小时，表示所述电源域的探测电压Vdect小于所述预测电压值Vexp，因此需要增加开启的晶体管数量；所述探测电流Idect比所述预测电流Iexp大时，表示所述电源域的探测电压Vdect大于所述预测电压值Vexp，因此需要减少开启的晶体管数量。

执行S4，根据所述控制信号，调节各电源域电压。

需要说明的是，当相应电源域无法实现电压调节的时候，执行步骤S5，通过额外补偿相应电源域的电压，以使相应电源域在执行任务的时候，所述探测电压能够达到所述预测电压。具体的，本实施例中，采用退耦电容对所述电源域进行额外电压补偿。

还需要说明的是，所述获取所述芯片中各电源域的任务信息，获得相应电源域执行任务所需要使用的预测电压的步骤包括：按一预设频率获取所述芯片中各电源域的任务信息，获得相应电源域执行任务所需要使用的预测电压；获取所述芯片中各电源域的探测电压的步骤包括：按所述预设频率获取所述芯片中各电源域的探测电压；根据所述预测电压和所述探测电压，获得相应电源域电压分配的控制信号的步骤包括：按所述预设频率获得相应电源域分配的控制信号。

综上，本发明所提供的电压调节方法，根据所述芯片中各电源域的任务信息，对相应电源域执行任务时所需要使用的电压进行预测，避免了现有技术中通过反馈电路进行电压调节的调节滞后。而且由于能够预测负载所执行任务的变化，本发明所提供电压调节装置的输出电压能够先于相应电源域所执行任务的变化而变化，因此本发明所提供电压调节装置的输出电压可以避免由于所述电源域执行任务的变化而出现的较大波动，其输出电压更稳定。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (17)

1.一种电压调节装置，用于调节芯片中一个或多个电源域的电压，其特征在于，包括：

分配系统，用于根据所述芯片中各电源域的任务信息，获得相应电源域执行任务所需要使用的预测电压，还用于探测所述芯片中各电源域的运行电压，获取相应电源域的探测电压，所述分配系统还用于根据所述预测电压和所述探测电压，获得相应电源域电压分配的控制信号；

调压系统，与所述分配系统和所述芯片中各电源域相连，用于根据分配系统输出的所述控制信号对所述芯片中相应电源域的电压进行调节，以使相应电源域在执行任务时的探测电压达到所述预测电压。

2.如权利要求1所述的电压调节装置，其特征在于，所述分配系统包括：

探测模块，用于探测所述芯片中各电源域的运行电压，获取相应电源域的探测电压；

预测模块，用于根据所述芯片中各电源域的任务信息，获得相应电源域执行任务所需要使用的预测电压；

分配模块，用于根据所述预测电压和所述探测电压，获得相应电源域电压分配的控制信号。

3.如权利要求2所述的电压调节装置，其特征在于，所述探测模块包括：

参考电路，用于产生参考电压；

模数转换器，与所述参考电路以及所述芯片中各电源域相连，用于输出与所述芯片中各电源域探测电压相对应的数字信号。

4.如权利要求3所述的电压调节装置，其特征在于，所述参考电路为带隙基准电路。

5.如权利要求3所述的电压调节装置，其特征在于，所述模数转换器为逐次逼近寄存器型模数转换器。

6.如权利要求2所述的电压调节装置，其特征在于，所述电压调节装置还包括处理模块，用于控制所述芯片各电源域执行任务；

所述预测模块与所述处理模块相连，用于根据所述处理模块提供的所述芯片中各电源域的任务信息，获得相应电源域执行任务所需要使用的预测电压。

7.如权利要求6所述的电压调节装置，其特征在于，所述处理模块为中央处理器。

8.如权利要求1所述的电压调节装置，其特征在于，所述调压系统包括一个或多个调压模块，所述调压模块与所述芯片中各电源域对应相连，用于根据分配系统输出的所述控制信号对所述芯片中相应电源域的电压进行调节，以使相应电源域在执行任务时的探测电压达到所述预测电压。

9.如权利要求8所述的电压调节装置，其特征在于，所述调压模块包括电源门控单元，所述电源门控单元包括与相应电源域相连的一个或多个晶体管；所述一个或多个晶体管用于根据所述分配系统输出的所述控制信号打开或关闭以实现对相应电源域的电压调节。

10.如权利要求9所述的电压调节装置，其特征在于，所述晶体管的最小尺寸为根据对应电源域的最小工作电流所确定的尺寸。

11.如权利要求10所述的电压调节装置，其特征在于，所述最小尺寸的晶体管为一倍电源门控单元，所述调压模块包括多个电源门控单元，所述电源门控为所述一倍电源门控单元的倍数。

12.如权利要求9所述的电压调节装置，其特征在于，所述电压调节装置还包括退耦电容，所述退耦电容与相应电源域相连，用于在相应电源域所对应的调压模块中所有电源门控单元均导通仍无法使探测电压达到预测电压时，与相应电源域相连，以使相应电源域在执行任务时的所述探测电压达到所述预测电压。

13.如权利要求9所述的电压调节装置，其特征在于，所述电压调节装置还包括存储模块，用于存储不同尺寸晶体管在不同源漏电压下的导通电阻，还用于存储所述芯片中各电源域的探测电容、芯片的系统频率以及各电源域相对应调压模块中晶体管的打开或关闭状态；

所述分配模块包括：

预测处理单元，与所述存储模块相连，用于根据所述预测电压获得实现所述预测电压所需要的调压模块中晶体管的打开或关闭状态，还用于根据所述预测电压以及所述导通电阻获得相对应电源域的预测电流；

探测处理单元，与所述存储模块相连，用于根据所述探测电容、所述预测电压、所述探测电压、所述系统频率、所述导通电阻以及所述调压模块的运行状态获得相对应电源域的探测电流；

识别单元，用于根据所述预测电流和探测电流的相对大小，判断相应电源域在执行任务时的探测电压是否为所述预测电压；

信号处理单元，与所述识别单元相连，用于在所述识别单元判断相应电源域在执行任务时的探测电压不是所述预测电压时，根据所述预测电流，获得相应电源域电压分配的控制信号，输出所述控制信号。

14.如权利要求1所述的电压调节装置，其特征在于，所述分配系统按一预设频率获取所述芯片中各电源域的任务信息，获得相应电源域执行任务所需要使用的预测电压；所述分配系统还按所述预设频率获取相应电源域的探测电压；所述分配系统还按所述预设频率根据所述探测电压和所述预测电压，获得相应电源域电压分配的控制信号；

所述调压系统，根据所述分配系统按所述预设频率输出的所述控制信号，对所述芯片中相应电源域的电压进行调节，以使相应电源域在执行任务时的探测电压达到所述预测电压。

15.一种电压调节方法，用于调节芯片中一个或多个电源域的电压，其特征在于，包括：

获取所述芯片中各电源域的探测电压；

获取所述芯片中各电源域的任务信息，获得相应电源域执行任务所需要使用的预测电压；

根据所述预测电压和所述探测电压，获得相应电源域电压分配的控制信号；

根据所述控制信号，对所述芯片中各电源域的电压进行调节，以使相应电源域在执行任务时的探测电压达到所述预测电压。

16.如权利要求15所述的电压调节方法，其特征在于，所述电压调节方法还包括额外补偿步骤，当相应电源域无法实现电压调节时，通过额外增加相应电源域的电压，以使相应电源域在执行任务时的所述探测电压能够达到所述预测电压。

17.如权利要求15所述的电压调节方法，其特征在于，所述获取所述芯片中各电源域的任务信息，获得相应电源域执行任务所需要使用的预测电压的步骤包括：按一预设频率获取所述芯片中各电源域的任务信息，获得相应电源域执行任务所需要使用的预测电压；

获取所述芯片中各电源域的探测电压的步骤包括：按所述预设频率获取所述芯片中各电源域的探测电压；

根据所述预测电压和所述探测电压，获得相应电源域电压分配的控制信号的步骤包括：按所述预设频率获得相应电源域分配的控制信号。