CN107562106A - 一种超低功耗高可靠性电源管理设计及实现方法 - Google Patents

Abstract

一种电压调控器，可以自适应的控制输出电压值。所述电压调控器包括电压提供单元和用于模拟用电单元状况的电压检测电路，所述电压提供单元向用电单元提供第一电压，所述电压提供单元为所述电压检测电路提供第二电压，所述电压提供单元根据所述电压检测电路的反馈，调节所述第一电压的电压值。

Description

一种超低功耗高可靠性电源管理设计及实现方法

技术领域

本发明涉及数字电路，尤其涉及一种超低功耗高可靠性电源管理设计及实现方法。

背景技术

随着IC芯片的规模越来越大，数字电路也相应的越来越多，随之而来的就是功耗会越来越大。对于便携式设备以及使用电池的设备而言，降低IC芯片功耗的需求越来越强烈。随着绿色能源的普及，同样对于IC芯片的低功耗，超低功耗提出了苛刻的挑战。

芯片工作的外部环境以及工艺等都可能对芯片的功耗产生影响。随着技术的发展，各种减小功耗的方法得到尝试。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，克服现有技术中存在的问题，提供一种新型的电压调控器，能够以极低的成本，极大地减低数字电路等用电单元的动态功耗以及静态功耗，并增强芯片工作可靠性。

根据本发明的一个方面，提供一种电压调控器，包括电压提供单元和用于模拟用电单元状况的电压检测电路，所述电压提供单元向用电单元提供第一电压，所述电压提供单元为所述电压检测电路提供第二电压，所述电压提供单元根据所述电压检测电路的反馈，调节所述第一电压的电压值；且，在降低所述第一电压的电压值时，所述第二电压的电压值低于所述第一电压的电压值。

在所述的电压调控器中，先降低所述第二电压的电压值，如果在降压后所述第二电压下，所述电压检测电路的反馈为稳定结果，则将所述第一电压的电压值降低为降压后所述第二电压的电压值；如果在降压后所述第二电压下，所述电压检测电路的反馈为不稳定结果，则升高所述第二电压至所述第一电压的电压值。

在所述的电压调控器中，所述反馈的结果为不稳定结果，所述电压提供单元提高所述第二电压的电压值，如果所述第二电压的电压值等于第一电压的电压值，同时提高所述第一电压的电压值。

在所述的电压调控器中，在降压模式下，如果所述反馈的结果为稳定结果，所述电压提供单元降低所述第一电压。

在所述的电压调控器中，如果所述第一电压为安全电压，进入降压模式；所述降压模式结束后，所述反馈的结果为稳定结果时，进入升压模式。

在所述的电压调控器中，如果所述反馈的结果为稳定结果，所述第一电压和第二电压维持不变。

在所述的电压调控器中，所述电压调控器还包括开关接口和复位电路；所述开关接口接收开启信号，所述开启信号控制所述电压检测电路开始工作；当所述第一电压或/和第二电压的电压超过一预定电压范围时，所述复位电路控制所述电压提供单元的输出电压进行复位。

在所述的电压调控器中，所述电压检测电路在第二电压下的频率变化反映所述电压提供单元在第一电压下的稳定性；在所述第一电压和第二电压相同时，随所述第一电压的变化，所述电压提供单元的频率与所述数字电路的频率具有一一对应关系；所述电压检测电路包括高频振荡器，所述高频振荡器接收所述第二电压以得到第一时钟；一计数器在预定计数周期内对所述第一时钟进行计数，以得到计数值；一比较器比较所述计数值和预定值，如果所述计数值大于预定值，所述反馈的结果为稳定结果；如果所述计数值小于预定值，所述反馈的结果为不稳定结果。

根据本发明的另一面，提供一种电源管理电路，包括如上任意一项所述电压调控器。

根据本发明的又一面，提供一种电压调控方法，包括：

电压检测电路模拟用电单元的状况，所述电压提供单元向用电单元提供第一电压，所述电压提供单元为所述电压检测电路提供第二电压，所述电压提供单元根据所述电压检测电路的反馈，调节所述第一电压的电压值；且，在降低所述第一电压的电压值时，所述第二电压的电压值低于所述第一电压的电压值。

在所述的电压调控方法中，所述电压检测电路在第二电压下的频率变化反映所述电压提供单元在第一电压下的稳定性；在所述第一电压和第二电压相同时，随所述第一电压的变化，所述电压提供单元的频率与所述数字电路的频率具有一一对应关系；

先降低所述第二电压的电压值，如果在降压后所述第二电压下，所述电压检测电路的反馈为稳定结果，则将所述第一电压的电压值降低为降压后所述第二电压的电压值；如果在降压后所述第二电压下，所述电压检测电路的反馈为不稳定结果，则升高所述第二电压至所述第一电压的电压值。

本发明提供一种电压调控器和方法，在保证数字电路高稳定性的情况下，监测电路自动适应外部环境，进而自动调整数字电路电压，极大限度的把数字功耗降低为目标，同时兼顾芯片的可靠性，稳定性。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明：

图1是表示根据本发明一个实施例的电源管理电路向数字电路提供电压的电路结构框图示意图。

图2是表示根据本发明一个实施例的电压检测电路的示意图。

图3是表示根据本发明一个实施例的电压检测电路的工作过程示例性的示意图。

图4是表示根据本发明一个实施例的电压调控器的降压模式中信号变化的示意图。

图5是表示根据本发明一个实施例的电压调控器的升压模式中信号变化的示意图。

图6是表示根据本发明一个实施例的电压调控方法的流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

数字电路的功耗主要包括：开关功耗、短路功耗和漏电功耗，其中，：开关功耗、短路功耗为动态功耗，漏电功耗为静态功耗。发明人经研究发现，开关功耗、短路功耗和漏电功耗均与数字电路的输入电压(即工作电压)成正比，因此，可以通过控制数字电路等用电单元的输入电压，降低数字电路等用电单元的功耗。

图1为电源管理电路向数字电路提供电压的电路结构框图示意图。所述电源管理电路100用于向数字电路200提供第一电压VDD_core，所述第一电压VDD_core为数字电路200的输入电压(即工作电压)，所述数字电路200为用电单元。由于工艺、环境等因素，不同的所述数字电路200的最低工作电压不同，或同一所述数字电路200在不同状态下的最低工作电压不同。其中，最低工作电压指能保证所述数字电路200正常工作的最低电压。

参考图1，所述电源管理电路100包括带隙电压基准BGR 110和电压调控器120，所述带隙电压基准BGR 110的输出连接所述电压调控器120，为所述电压调控器120提供电压，所述电压调控器120用于控制向所述数字电路200输出的第一电压VDD_core。

所述电压调控器120包括电压提供单元121和电压检测电路122，所述电压提供单元121可以为稳压器等，例如低压差线性稳压器LDO，所述电压提供单元121向所述数字电路200提供第一电压VDD_core。所述电压提供单元121向所述电压检测电路122提供第二电压VR，所述电压提供单元121用于模拟所述数字电路200的状况，所以，所述电压检测电路122给所述电压提供单元121的反馈FR能够反映所述数字电路200是否可以正常工作，所述电压提供单元121就可以根据所述电压检测电路122的反馈，改变向所述数字电路200输出的第一电压VDD_core的电压值，以调节所述数字电路200的功率。

可选的，所述电压调控器120还包括复位电路130，所述复位电路130用于对所述电压提供单元121的输出电压进行复位。所述复位电路130监控所述第一电压VDD_core或/和第二电压VR，当所述第一电压VDD_core或/和第二电压VR的电压超过一预定电压范围时，所述复位电路130控制所述电压提供单元121的输出电压进行复位。

其中，为了使所述电压提供单元121可以模拟所述数字电路200的状况，所述电压提供单元121和所述数字电路200在相同的工作电压下，所述电压提供单元121的频率与所述数字电路200的频率具有一一对应关系。可选的，所述电压提供单元121和所述数字电路200在相同的工作电压下，所述电压提供单元121和所述数字电路200的频率相同或频率基本相同(频率的误差不超过±10％，甚至±5％)。

为使得所述电压提供单元121和所述数字电路200的频率相同或频率基本相同，本领域的普通技术人员可以选择不同的方法实现。例如，可以选择所述电压提供单元121中的元件与所述数字电路200中元件的性能相匹配，所述电压提供单元121中的MOS管与所述数字电路200中的MOS管的参数形同或基本相同，或，所述电压提供单元121中的二极管与所述数字电路200中的二极管的参数形同或基本相同，等等，使得所述电压提供单元121和所述数字电路200的频率相同或频率基本相同的方法为本领域的普通技术人员可以理解的，在此不做赘述。其中，所述的频率为振荡频率。

如图2所示，电压检测电路122包括高频振荡器311，所述高频振荡器311接收所述第二电压VR以得到第一时钟T1，计数器312在预定计数周期内对第一时钟进行计数，以得到计数值。可选的，可以通过一低频振荡器提供所述预定计数周期，所述低频振荡器的输入可以为所述第二电压VR。所述高频振荡器311可以为对电压敏感的高频RC振荡器，所述低频振荡器可以为对电压不敏感的低频RC振荡器。

设定一预定值，所述预定值可以存储于所述电压检测电路122内或电压检测电路122外的存储器中。比较器313比较所述计数值和预定值，如果所述计数值大于预定值，所述反馈FR为稳定结果(稳定结果表明所述电压检测电路122在当前第二电压下可以稳定工作)；如果所述计数值小于预定值，所述反馈FR为不稳定结果(不稳定结果表明所述电压检测电路122在当前第二电压下不可以稳定工作)。

在图2中，电压检测电路122中配置有专门的计数器312和比较器313，在其他实施例中，计数器312和比较器313可以设置在电压检测电路122外。

参考图3，所述低频振荡器提供第二时钟T2，第二时钟T2的一个周期为所述预定计数周期，t1-t2、t2-t3、t3-t4均为一个所述预定计数周期。在第一个预定计数周期t1-t2，计数器312对所述第一时钟T1计数得到计数值62，如果所述预定值为60，则所述计数值大于预定值，在t2时刻开始，所述反馈FR为稳定结果Logic_stable；在第二个预定计数周期t2-t3，计数器312对所述第一时钟T1计数得到计数值59，如果所述预定值为60，则所述计数值小于预定值，在t3时刻开始，所述反馈FR为稳定结果Logic_unstable；在第三个预定计数周期t3-t4，计数器312对所述第一时钟T1计数得到计数值62，如果所述预定值为60，则所述计数值大于预定值，在t4时刻开始，所述反馈FR为稳定结果Logic_stable。

参考图4，刚复位后，或刚刚开启所述电源管理电路100后，在t10时刻，可以通过寄存器发出开启信号，所述电压调控器还包括一开关接口，所述开关接口接收开启信号。此时，所述电源管理电路100的输出电压一般为安全电压(安全电压高于最低工作电压，一般安全电压为设定的足够高可以保证所述数字电路200可以正常工作的电压)所述开启信号控制所述电源管理电路100启动自动降压模式，所述电压检测电路122开始工作。

在t10时刻，所述第一电压VDD_core和第二电压VR的电压值相同，且均为A，A的大小可以根据自由设置，在此不做限定。所述电压检测电路122的反馈FR为稳定结果Logic_stable，则在t11时刻，所述第二电压VR的电压值降低一个电压等级，降为B，其中一个电压等级的大小可以根据自由设置，在此不做限定。

所述电压检测电路122的反馈FR仍然为稳定结果Logic_stable，则在t12时刻，所述第一电压VDD_core和所述第二电压VR的电压值均降低一个电压等级，所述第一电压VDD_core降为B，所述第二电压VR降为C。所述电压检测电路122的反馈FR仍然为稳定结果Logic_stable，则在t13时刻，所述第一电压VDD_core和所述第二电压VR的电压值均降低一个电压等级，所述第一电压VDD_core降为C，所述第二电压VR降为D。以此类推，在t14、t15、t16时刻，所述第一电压VDD_core和所述第二电压VR的电压值均降低一个电压等级，所述第一电压VDD_core电压值依次降低为D、E、F，所述第二电压VR电压值依次降低为E、F、G。

直至t17时刻，所述电压检测电路122的反馈FR为不稳定结果Logic_unstable，则所述第二电压VR电压值升高一个电压等级，所述第二电压VR升为F，所述第一电压VDD_core电压值保持不变。在t18时刻，所述电压检测电路122的反馈FR为不稳定结果Logic_unstable，则所述第二电压VR电压值升高一个电压等级，所述第二电压VR升为E，所述第一电压VDD_core电压值升高一个电压等级，所述第一电压VDD_core升为E。

在t19时刻，所述电压检测电路122的反馈FR为稳定结果Logic_stable，则所述第一电压VDD_core和第二电压VR的电压值均保持为E，所述数字电路200可以在电压E下正常工作，且功耗小。电压E可以认为是所述数字电路200的最低工作电压，从而使得所述数字电路200在正常工作的前提下，功耗尽可能地小。

在降压模式下，当所述第一电压VDD_core和第二电压VR的电压值下降时，所述第二电压VR总是高于第一电压VDD_core，所述第二电压VR总是比第一电压VDD_core高出一个电压等级，从而达到一种迟滞效应，保证所述数字电路200总是能够正常工作。降低第一电压VDD_core电压值需要一个等待机制，升高第一电压VDD_core电压值是立即执行，以达到稳定系统的目的。

如图5所示，当所述数字电路200工作在一个相对功耗，性能稳定的条件下，可以通过寄存器发出开启信号，启动所述电源管理电路100，此时，所述电源管理电路100的输出电压一般为低功耗电压(例如低于复位后的电压)，所述电源管理电路100进入自动升压模式，所述电压检测电路122开始工作。

在t20时刻之前，所述第一电压VDD_core和第二电压VR的电压值相同，且均为a，在电压a下，所述电源管理电路100的功耗较低，所述电压检测电路122的反馈FR为稳定结果Logic_stable。

在t20时刻，所述电压检测电路122的反馈FR为不稳定结果Logic_unstable，则所述第一电压VDD_core和第二电压VR的电压值同时升高一个，升为b，其中一个电压等级的大小可以根据自由设置，在此不做限定。

在t21时刻，所述电压检测电路122的反馈FR为不稳定结果Logic_unstable，则所述第一电压VDD_core和第二电压VR的电压值同时升高一个，升为c，其中一个电压等级的大小可以根据自由设置，在此不做限定。以此类推，在t22、t23、t24时刻，所述第一电压VDD_core和所述第二电压VR的电压值均升高一个电压等级，所述第一电压VDD_core电压值依次升高为d、e、f，所述第二电压VR电压值依次降低为d、e、f。

直至t25时刻，所述电压检测电路122的反馈FR为稳定结果Logic_stable，则所述第一电压VDD_core和第二电压VR维持在f电压，所述数字电路200正常工作。

在升压模式下，当所述第一电压VDD_core和第二电压VR的电压值上升时，所述第二电压VR的电压值总是保持与第一电压VDD_core的电压值同步，以保证快速的将所述第一电压VDD_core的电压值调整到适合所述数字电路200正常工作的最低电压值。降低第一电压VDD_core电压值需要一个等待机制，升高第一电压VDD_core电压值是立即执行，以达到稳定系统的目的。

此外，所述电压检测电路并不限于通过频率来模拟用电单元的状况，本领域的普通技术人员可以选择任何可以表征用电单元稳定性的特征属性，在此不做一一赘述。

图6是表示根据本发明一个实施例的电压调控方法的流程示意图。

如图6所示，根据本发明的一个实施例，电压调控方法包括以下步骤：

步骤S801，所述电源管理电路100对数字电路等用电单元输出第一电压，数字电路等用电单元上电启动，全局复位信号(开启信号)有效，芯片(包括数字电路等用电单元)从复位开始运行。

步骤S802，复位运行时，低压差线性稳压器LDO(电压提供单元)给出的第一电压VDD_core是以最安全的电压输出，数字电路是以最安全的电压工作。

步骤S803，软件启动电压检测电路，电源管理电路PMU可以进行自动动态调整第一电压的电压值，以降低数字电路的整体功耗。

步骤S804，启动电压检测电路后，进入降压模式，电压检测电路会给出一个性能稳定的标志信号(稳定结果Logic_stable)，低压差线性稳压器LDO(电压提供单元)会根据这个性能稳定的标志信号(稳定结果Logic_stable)，降低第一电压VDD_core的电压值(例如降低一个等级电压)。如果此时的电压检测电路还可以正常工作，过一个时钟周期后，低压差线性稳压器LDO真正输出到数字电路的第一电压VDD_core就再降低一个电压值。

步骤S805，如果低压差线性稳压器LDO降低第一电压VDD_core，电压检测电路给出不稳定信号(不稳定结果Logic_unstable)，那么低压差线性稳压器LDO真正输出到数字电路的第一电压VDD_core就维持前一个电压值。

步骤S806，同样当外部环境发生变化，电压检测电路给出不稳定的标志信号(不稳定结果Logic_unstable)了，那么电源管理电路PMU就会直接升高VDD_core的电压值。

降低VDD_core电压值需要一个等待机制，升高VDD_core电压值是立即执行，以达到稳定系统的目的。

本发明提供了一种电压调控器和方法，能够解决现有技术中数字电路功耗过大的问题。在保证数字电路高稳定性的情况下，电压调控器自动适应外部环境，进而自动调整输出给数字电路电压，极大限度的把数字电路等用电单元功耗降低为目标，同时兼顾芯片的可靠性，稳定性。本发明能够以极低的成本，极大的减低数字电路的动态功耗以及静态功耗，对于需要超低功耗应用的SOC设计具有极高的价值以及增强芯片工作可靠性。

根据本发明的一个实施例，本发明提供一种电压调控器和方法，电压检测电路模拟用电单元的状况，从而可以根据所述电压检测电路的反馈判断用电单元的稳定性，所述电压检测电路跟着用电单元的需求，来判断用电单元所处的环境、工艺、温度，自动调节电压，使电压调控器输出到数字电路等用电单元的电压达到性能功耗的最佳匹配。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实例的限制，上述实例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (11)

1.一种电压调控器，其特征在于，包括电压提供单元和用于模拟用电单元状况的电压检测电路，所述电压提供单元向用电单元提供第一电压，所述电压提供单元为所述电压检测电路提供第二电压，所述电压提供单元根据所述电压检测电路的反馈，调节所述第一电压的电压值；且，在降低所述第一电压的电压值时，所述第二电压的电压值低于所述第一电压的电压值。

2.如权利要求1所述的电压调控器，其特征在于，所述电压提供单元先降低所述第二电压的电压值，如果在降压后所述第二电压下，所述电压检测电路的反馈为稳定结果，则将所述第一电压的电压值降低为降压后所述第二电压的电压值；如果在降压后所述第二电压下，所述电压检测电路的反馈为不稳定结果，则升高所述第二电压至所述第一电压的电压值。

3.如权利要求1所述的电压调控器，其特征在于，所述反馈的结果为不稳定结果，所述电压提供单元提高所述第二电压的电压值，如果所述第二电压的电压值等于第一电压的电压值，同时提高所述第一电压的电压值。

4.如权利要求1至3中任意一项所述的电压调控器，其特征在于，所述电压调控器在降压模式下，如果所述反馈的结果为稳定结果，所述电压提供单元降低所述第一电压。

5.如权利要求4所述的电压调控器，其特征在于，如果所述第一电压为安全电压，所述电压调控器进入降压模式；所述降压模式结束后，所述反馈的结果为稳定结果时，所述电压调控器进入升压模式。

6.如权利要求5所述的电压调控器，在升压模式下，如果所述反馈的结果为稳定结果，所述第一电压和第二电压维持不变。

7.如权利要求1所述的电压调控器，其特征在于，所述电压调控器还包括开关接口和复位电路；所述开关接口接收开启信号，所述开启信号控制所述电压检测电路开始工作；当所述第一电压或/和第二电压的电压超过一预定电压范围时，所述复位电路控制所述电压提供单元的输出电压进行复位。

8.如权利要求1所述的电压调控器，其特征在于，所述电压检测电路在第二电压下的频率变化反映所述电压提供单元在第一电压下的稳定性；在所述第一电压和第二电压相同时，随所述第一电压的变化，所述电压提供单元的频率与所述数字电路的频率具有一一对应关系；所述电压检测电路包括高频振荡器，所述高频振荡器接收所述第二电压以得到第一时钟；一计数器在预定计数周期内对所述第一时钟进行计数，以得到计数值；一比较器比较所述计数值和预定值，如果所述计数值大于预定值，所述反馈的结果为稳定结果；如果所述计数值小于预定值，所述反馈的结果为不稳定结果。

9.一种电源管理电路，其特征在于，包括如权利要求1至8中任意一项所述电压调控器。

10.一种电压调控方法，其特征在于，包括：

电压检测电路模拟用电单元的状况，所述电压提供单元向用电单元提供第一电压，所述电压提供单元为所述电压检测电路提供第二电压，所述电压提供单元根据所述电压检测电路的反馈，调节所述第一电压的电压值；且，在降低所述第一电压的电压值时，所述第二电压的电压值低于所述第一电压的电压值。

11.如权利要求10所述的电压调控方法，其特征在于，

所述电压检测电路在第二电压下的频率变化反映所述电压提供单元在第一电压下的稳定性；在所述第一电压和第二电压相同时，随所述第一电压的变化，所述电压提供单元的频率与所述数字电路的频率具有一一对应关系；

先降低所述第二电压的电压值，如果在降压后所述第二电压下，所述电压检测电路的反馈为稳定结果，则将所述第一电压的电压值降低为降压后所述第二电压的电压值；如果在降压后所述第二电压下，所述电压检测电路的反馈为不稳定结果，则升高所述第二电压至所述第一电压的电压值。