電壓調節技術(shù)用于SoC低功耗設計

　　引言

　　SoC即“System on chip”,通俗講為“芯片上的系統”,主要用于便攜式和民用的消費的電子產(chǎn)品。隨著(zhù)便攜式和民用電子產(chǎn)品的高速發(fā)展,廣大用戶(hù)對便攜設備新功能的要求永無(wú)止境。于是要求設計人員在設計小型便攜式消費類(lèi)電子產(chǎn)品時(shí),不僅要縮小產(chǎn)品尺寸、降低成本,更重要的是降低功耗,用戶(hù)都希望便攜式產(chǎn)品的電池充電后的工作時(shí)間越長(cháng)越好。于是,系統設計與SoC 設計人員面臨著(zhù)在增加功能的同時(shí)保證電池的使用時(shí)間的挑戰。要達到這一點(diǎn),就需要使用新的節能技術(shù),比如電壓調節(voltage scaling) 。在SoC 設計中降低功耗可以用兩種方式來(lái)實(shí)現,一種是開(kāi)環(huán)電壓調節(動(dòng)態(tài)) ,另一種是閉環(huán)(自適應) 電壓控制的方法。

　　1 　頻率調節與電壓調節

　　計算系統在實(shí)際期限中執行任務(wù)。當系統為高負載時(shí),系統要在最大頻率下工作。而當系統負載低時(shí),則允許系統在較低頻率下工作。這種頻率調節是一種降低運行功耗的有效方式。電壓調節與頻率調節相互結合,能夠極大地降低功耗,提高能量效率。動(dòng)態(tài)電壓調節(DVS) 是在一個(gè)開(kāi)環(huán)電壓控制系統中用多組頻率、電壓對來(lái)實(shí)現。自適應電壓調節(AVS)

　　用一個(gè)閉環(huán)電壓控制系統來(lái)實(shí)現,它無(wú)需配對的頻率、電壓,能提供更優(yōu)的節能效果。

　　2 　開(kāi)環(huán)動(dòng)態(tài)電壓調節(DVS) 和閉環(huán)自適應電壓調節(AVS)

　　圖1 是一個(gè)DVS 系統。CMOS 數字系統的功率是開(kāi)關(guān)功率(動(dòng)態(tài)) 與泄漏功率的總和,即:P=Pswitch+Pleakage≈CxV2AF + Ileakage 。其中C 表示數字系統中的開(kāi)關(guān)電容,V 為供電電壓, F 則為開(kāi)關(guān)時(shí)鐘頻率,A是開(kāi)關(guān)活動(dòng)因數,而Ileakage則為漏電流。當允許工作在低于最高頻率時(shí),頻率隨電壓的下降而降低。在DVS 系統中,每種工作頻率的供電電壓值都是所有芯片工藝和溫度變化所需的最差值。當系統在降低的頻率工作時(shí),功耗也顯著(zhù)下降,因為功率方程中的F和V’兩項均減小。當系統工作在最高頻率時(shí),DVS 方法對恒定電壓沒(méi)有節能效果。閉環(huán)自適應電壓調節(AVS) 與DVS 系統相比卻有不同。

　　圖2 是采用PowerWiseTM 先進(jìn)電源控制器(APC) 以及集成硬件性能監控器(HPM) 與電源管理單元(PMU) 的一個(gè)閉環(huán)AVS 系統。APC 通過(guò)開(kāi)放標準PowerWise 接口(PWI) 連接到PMU 上。這些組成部分自適應地為多種時(shí)鐘頻率、溫度和芯片工藝提供最低供電電壓。閉環(huán)AVS 系統使用嵌入在電壓調節域中的HPM來(lái)監控芯片的時(shí)序性能,并提供可變電壓系統控制環(huán)路的閉環(huán)機制。由于HPM 與其監控的計算系統位于相同的芯片上,因而可以提供芯片工藝補償以及溫度補償。

　　APC 處理來(lái)自HPM的信息,決定是否需要調節電壓。電壓調節指令通過(guò)PWI 送給PMU。采用低速時(shí)序的芯片工藝,ASIC 設計可以在最高溫度下工作。典型的工作溫度和典型的芯片性能會(huì )有電壓余量(headroom) 。AVS 系統會(huì )檢測這一余量,并調整電壓,使得在所有運行頻率上都有最低的運行功率。

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　　3 　閉環(huán)自適應電壓調節(AVS) 的優(yōu)點(diǎn)

　　通過(guò)在標準芯片上的測試,得出用上面兩種方法來(lái)解決功耗問(wèn)題的結果。如圖3 所示。包括固定電壓開(kāi)環(huán)DVS 和閉環(huán)AVS 供電系統。

　　采用AVS、2級DVS和固定供電電壓的0.13微米設計模擬圖使用了一個(gè)