基于数字负载最小能耗的自适应电压调节技术研究
随着集成电路工艺特征尺寸的减小,集成电路功率密度越来越大,散热器体积庞大且价格昂贵。降低集成电路的能耗成为降低电子产品能耗的重要方面。动态电压调节(Dynamic Voltage Scaling,DVS)技术可以通过降低数字集成电路的供电电压使其消耗的能量平方倍地降低。但是,为了使数字负载在不同的工艺偏差、电压波动和温度变化(Process, Voltage,Temperature,PVT)情况下都能正常工作,DVS提供给负载的电压留有较大裕度,这势必造成能量的浪费。而自适应电压调节(Adaptive Voltage Scaling,AVS)技术可以根据数字负载PVT的变化自适应地调节供电电压,减小电压裕度,实现相比DVS技术更大程度的节能。 本论文对AVS技术进行了研究,包括脉冲跨周期调制(Pulse Skip Modulation,PSM)自适应电压调节技术、基于二分频率搜索(Binary Frequency Searching,BFS)的全数字锁相环(All-Digital Phase-Locked Loop,ADPLL)、功率变换器的自适应占空比跨周期(Adaptive Duty ratio with Pulse Skip,ADPS)调制技术、ADPS自适应电压调节技术、亚阈区最小能量追踪(Minimum Energy Point Tracking,MEPT)电压调节技术几个方面,提出了相应解决方案,以更小芯片面积、更低功耗的控制电路,实现数字负载的低功耗工作与高效率供电。本论文的主要工作和创新包括: (1)提出PSM自适应电压调节技术。给出了PSM自适应电压调节变换器的工作原理、电路参数设计及仿真结果。PSM自适应电压调节变换器通过比较关键路径延迟时间和工作时钟周期,实现数字负载的自适应供电。PSM自适应电压调节变换器具有控制电路结构简单、响应速度快、轻负载下效率高、可全数字实现等优点。在0.13μm CMOS工艺下的仿真结果显示,当数字负载工作频率在25MHz-100MHz范围内变化时,PSM自适应电压调节变换器的输出电压可以在0.7V-1.5V范围内自适应地调节。本论文同时提出了一种基于BFS的全数字锁相环,给PSM自适应电压调节变换器系统提供频率可变的时钟。本论文分析了数字控制振荡器(Digitally Controlled Oscillator,DCO)延迟粗调和细调对锁相环输出时钟频率的影响。在DCO时钟频率的粗调和细调过程中,使用了二分频率搜索方法,复用了同样的控制电路。在0.13μm CMOS工艺下,所实现的基于BFS的全数字锁相环芯片面积仅为0.043mm2,输出频率为115.8MHz时功耗为2.7mW。 (2)提出功率变换器的ADPS调制技术。ADPS调制技术根据开关周期开始时输出电压与参考电压的误差自适应地改变控制脉冲的占空比:出现较大的电压误差时,变换器使用较大占空比的控制脉冲;出现较小的电压误差时,变换器使用较小占空比的控制脉冲。能使变换器工作于断续导通模式( Discontinuous Conduction Mode,DCM)的所有占空比均可用于控制。与传统PSM技术相比,ADPS控制的DC-DC变换器能实现更小的输出电压纹波;与PWM(Pulse Width Modulation,脉冲宽度调制)技术相比,由于轻负载下可以产生跨周期,ADPS控制的DC-DC变换器能实现更高的功率变换效率。同时,ADPS调制技术具有优异的快速瞬态响应特性。 (3)提出ADPS自适应电压调节技术。通过对数字负载关键路径延迟的监控,在 ADPS控制电路作用下,产生不同占空比的控制脉冲,实现对变换器输出电压的调节。在0.13μm CMOS工艺下,设计并实现了一款ADPS自适应电压调节控制器,芯片面积仅为0.003mm2。在变换器开关频率为1.5MHz,负载时钟频率为40MHz时,AVS控制器功耗为17.2μW。当数字负载工作频率在25.6MHz-112.6MHz范围内变化时,其供电电压可以在0.84V-1.95V范围内自适应地调节,最高可以实现节能81％。ADPS自适应电压调节控制器具有电路结构简单、占用芯片面积小、功耗低、可全数字实现等优点。 (4)提出基于功率管导通时间控制的亚阈区最小能量追踪电压调节技术。该技术同时考虑数字负载消耗的动态能量和漏能量,实现负载电路总能量消耗最小化。在0.13μm CMOS工艺下设计了一款最小能量追踪电压调节DC-DC变换器。仿真结果显示,变换器能在0.2V-0.9V电压范围内找到负载的最小能量消耗点工作电压。使用数字电路实现能量采样,具有更好的工艺兼容性;随着集成电路工艺特征尺寸的减小,所提出的最小能量追踪电压调节技术可以用更小的芯片面积实现。
自适应电压调节技术;数字负载;控制电路;功率变换器;能量消耗
电子科技大学
博士
微电子学与固体电子学
张波
2014
中文
TN431.2
100
2014-09-17（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）