一種自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及集成電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域，具體涉及一種自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)器。本發(fā)明的主要技術(shù)方案是根據(jù)延遲檢測的結(jié)果，控制模塊對數(shù)字脈寬調(diào)制器(DPWM)的輸入碼進(jìn)行加減操作，這種加減方式對應(yīng)于頻域中的一個(gè)零頻率處的極點(diǎn)，利用了這個(gè)極點(diǎn)來控制環(huán)路。本發(fā)明的有益效果，具有結(jié)構(gòu)簡單、易于實(shí)現(xiàn)，且環(huán)路為PWM調(diào)制模式，輸出電壓紋波較小的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明尤其適用于自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)器。
【專利說明】一種自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于集成電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域，具體涉及到一種自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)器。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著半導(dǎo)體技術(shù)的迅速發(fā)展，越來越多的功能可以集成到一顆芯片里面，這極大 的促進(jìn)了便攜式設(shè)備的發(fā)展。便攜式設(shè)備的功耗決定了其一次充電可使用的時(shí)間，隨著功 能的增加，其功耗也在急劇增加，如何減少便攜式設(shè)備的功耗成為了集成電路領(lǐng)域的熱門 課題。
[0003] 基于流水線結(jié)構(gòu)的數(shù)字負(fù)載，如中央處理器（CPU)和數(shù)字信號處理器（DSP)，都能 在不同的時(shí)鐘頻率下工作。高頻工作的數(shù)字電路中，門電路的開關(guān)功耗是功耗的主要組成 部分，開關(guān)功耗與工作頻率成正比，與工作電壓的平方成正比。對于給定的工作任務(wù)，CPU或 DSP完成任務(wù)所需的時(shí)鐘周期個(gè)數(shù)是確定的，只降低CPU或DSP的工作頻率而不改變其工 作電壓，完成此任務(wù)消耗的總能量是不變的。而在工作頻率固定時(shí)，適當(dāng)降低CPU或DSP的 電源電壓，其消耗的能量將明顯減小。根據(jù)不同的工藝偏差、溫度和負(fù)載工作頻率實(shí)時(shí)自適 應(yīng)地調(diào)節(jié)負(fù)載供電電壓，使其能量消耗最小化，這種低功耗方法稱為自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)（AVS， Adaptive Voltage Scaling)〇
[0004] 在目前，自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)方式主要有以下幾種：1)利用ADC、DPID、DPWM構(gòu)成控制 環(huán)路做成自適應(yīng)DC-DC變換器，但此法需要數(shù)字環(huán)路補(bǔ)償；2)根據(jù)電壓調(diào)節(jié)過程中負(fù)載電 路（CPU或DSP)的運(yùn)行出錯(cuò)率來調(diào)節(jié)電壓，同時(shí)用錯(cuò)誤校正機(jī)制來糾正錯(cuò)誤來實(shí)現(xiàn)自適應(yīng) 電壓調(diào)節(jié)，但此法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，且系統(tǒng)糾錯(cuò)耗費(fèi)時(shí)間。3)基于有限狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)的全數(shù)字的不需 要PID補(bǔ)償?shù)淖赃m應(yīng)Buck功率變換器，但其電路實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的，就是針對上述問題，提出一種采用主極點(diǎn)補(bǔ)償方式的自適應(yīng)電壓 調(diào)節(jié)器。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)方案：如圖1所示，一種自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)器，包括電源模塊、驅(qū)動(dòng)及 死區(qū)控制模塊、數(shù)字脈寬調(diào)制器、工作模塊切換模塊、主極點(diǎn)補(bǔ)償模塊、延遲檢測模塊、軟啟 動(dòng)模塊和數(shù)控振蕩器；其中，驅(qū)動(dòng)及死區(qū)控制模塊的輸出端接電源模塊的輸入端；電源模 塊的電源輸入端接外部電源，其接地端接地電位，其輸出端接延遲檢測模塊的第一輸入端； 延遲檢測模塊的第二輸入端接數(shù)控振蕩器的輸出端，其輸出端接主極點(diǎn)補(bǔ)償模塊的第一輸 入端；數(shù)控振蕩器的輸入端為頻率控制碼；主極點(diǎn)補(bǔ)償模塊的第二輸入端接工作模塊切換 模塊的輸出端，其輸出端接工作模塊切換模塊的第一輸入端；工作模塊切換模塊的第二輸 入端接軟啟動(dòng)模塊的輸出端，其輸出端接數(shù)字脈寬調(diào)制器的輸入端；數(shù)字脈寬調(diào)制器的輸 出端接驅(qū)動(dòng)及死區(qū)控制模塊；主極點(diǎn)補(bǔ)償模塊的時(shí)鐘信號及使能端、軟啟動(dòng)模塊的時(shí)鐘信 號及使能端和數(shù)字脈寬調(diào)制器的時(shí)鐘信號及使能端均接外部時(shí)鐘信號和使能控制信號。
[0007] 具體的，如圖2所述，所述數(shù)字脈寬調(diào)制器由計(jì)數(shù)器、比較器、延遲線、選擇器、分 頻器和RS觸發(fā)器構(gòu)成；其中，計(jì)數(shù)器接外部時(shí)鐘信號和使能控制信號，其輸出端接比較器 的第一輸入端；比較器的使能端接使能控制信號，其第二輸入端接工作切換模塊的輸出端， 其輸出端接延遲線的輸入端和選擇器的第一輸入端；延遲線的輸出端接選擇器的第二輸入 端；選擇器的第三輸入端接工作切換模塊的輸出端，其輸出端接RS觸發(fā)器的R輸入端；分 頻器接外部時(shí)鐘信號和使能控制信號，其輸出端接RS觸發(fā)器的S輸出端；RS觸發(fā)器的輸出 端輸出PWM信號。
[0008] 本發(fā)明的有益效果為，具有結(jié)構(gòu)簡單、易于實(shí)現(xiàn)，且環(huán)路為PWM調(diào)制模式，輸出電 壓紋波較小的優(yōu)點(diǎn)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0009] 圖1為本發(fā)明的自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)框圖；
[0010] 圖2為本發(fā)明的數(shù)字脈寬調(diào)制器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0011] 圖3為本發(fā)明的延遲線結(jié)構(gòu)示意圖；
[0012] 圖4為本發(fā)明的調(diào)壓過程工作流程圖。

【具體實(shí)施方式】
[0013] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述
[0014] 本發(fā)明的主要技術(shù)方案是根據(jù)延遲檢測的結(jié)果，控制模塊對數(shù)字脈寬調(diào)制器 (DPWM)的輸入碼進(jìn)行加減操作，這種加減方式對應(yīng)于頻域中的一個(gè)零頻率處的極點(diǎn)，利用 了這個(gè)極點(diǎn)來控制環(huán)路。
[0015] 本發(fā)明提供一種采用主極點(diǎn)補(bǔ)償方式的自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)器。調(diào)壓時(shí)，首先是延遲 線檢測模塊對延遲時(shí)間進(jìn)行檢測，由于有兩個(gè)檢測節(jié)點(diǎn)，故檢測結(jié)果有三種情況，即〇〇、〇1、 11，然后根據(jù)檢測結(jié)果通過控制模塊對DPWM輸入控制碼進(jìn)行調(diào)節(jié)，當(dāng)檢測結(jié)果表示電壓較 低，則增加 DPWM輸入控制碼，當(dāng)檢測結(jié)果表示電壓剛好滿足，則DPWM輸入控制碼保持不變， 當(dāng)檢測結(jié)果表示電壓較高時(shí)，則減小DPWM輸入控制碼。通過DPWM輸入控制碼的改變來改 變柵控信號的占空比，從而改變功率級輸出電壓，最終使輸出電壓剛好滿足當(dāng)前頻率下負(fù) 載能正常工作。
[0016] 延遲線是數(shù)字負(fù)載的關(guān)鍵路徑的復(fù)制。調(diào)壓時(shí)，通過檢測測試信號在延遲線中的 傳輸延遲，由此確定該輸出電壓下負(fù)載能否正常工作。通過改變柵控信號的占空比來達(dá)到 調(diào)節(jié)其輸出電壓的目的。保證數(shù)字負(fù)載在給定的工作時(shí)鐘頻率下工作電壓最低，有效地降 低數(shù)字負(fù)載的功耗。
[0017] 如圖1所示，以Buck功率變換器為例：Vin為該自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)器的輸入電壓；V_ AVS是該自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)器的輸出電壓；外部時(shí)鐘信號由晶振提供，這里以32MHz為例；數(shù) 控振蕩器可根據(jù)外部頻率控制碼產(chǎn)生相應(yīng)頻率的方波信號；延遲檢測模塊檢測當(dāng)前電壓是 否滿足當(dāng)前的頻率信號，檢測結(jié)果為兩個(gè)檢測節(jié)點(diǎn)處的輸出信號；主極點(diǎn)補(bǔ)償模塊根據(jù)檢 測結(jié)果對DPWM的輸入控制碼進(jìn)行調(diào)節(jié)；軟啟動(dòng)模塊提供軟啟動(dòng)階段的DPWM控制碼；軟啟 動(dòng)控制模塊對軟啟動(dòng)進(jìn)行控制；數(shù)字脈寬調(diào)制器DPWM，通過輸入碼的控制產(chǎn)生相應(yīng)占空比 的方波信號；驅(qū)動(dòng)及死區(qū)時(shí)間控制模塊對功率管柵極信號增加驅(qū)動(dòng)能力，同時(shí)讓gp、gn具 有死區(qū)，防止PPMOS、PNM0S同時(shí)導(dǎo)通；PPM0S為功率PM0S管；PNM0S為功率NM0S管；L是儲 能電感；C是濾波電容。頻率信號為數(shù)控振蕩器輸出的相應(yīng)頻率的方波信號，作為延遲檢測 模塊的輸入；延遲檢測結(jié)果信號為延遲檢測模塊的兩位輸出信號，它有三種取值，代表著輸 出電壓過高、合適、過低三種狀態(tài)；dnext為控制模塊根據(jù)延遲檢測結(jié)果的值對DPWM輸入碼 調(diào)整后的值；d為DPWM輸入碼，PWM為其輸出的對應(yīng)的方波信號；gp、gn分別為增加了驅(qū)動(dòng) 能力和死區(qū)時(shí)間的PPMOS、PNMOS的柵驅(qū)動(dòng)信號。
[0018] 圖1所示為本發(fā)明的采用主極點(diǎn)補(bǔ)償方式的自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)器。其中，DPWM模塊 的基本原理圖如圖2所示，其控制輸入碼d[8:0]是圖1中工作模式切換模塊輸出的9為控 制碼d，其中高4位d[8:5]用于控制計(jì)數(shù)的時(shí)長，低5位用于選擇延遲鏈的長度從而控制延 遲的時(shí)長，兩者的共同作用決定了輸出脈沖的寬度。延遲線的結(jié)構(gòu)如圖3所示，由3部分組 成，分別是關(guān)鍵路勁長度L，安全裕度Λ L和BUF。其調(diào)壓過程工作流程圖如圖4所示：當(dāng)外 部輸入DC0控制碼時(shí)，DC0產(chǎn)生相應(yīng)頻率的方波信號，延遲檢測模塊在給定的頻率信號下檢 測延遲時(shí)間，檢測結(jié)果有00、01、11三種，當(dāng)檢測到01時(shí)，認(rèn)為輸出電壓剛好滿足要求，DPWM 輸入碼保持不變；當(dāng)檢測到〇〇時(shí)，說明電壓過高，DPWM輸入碼減1，然后再對新的電壓值進(jìn) 行延遲檢測，直到檢測到01 ;當(dāng)檢測到11時(shí)，說明電壓過高，DPWM輸入碼加1，然后再對新 的電壓值進(jìn)行延遲檢測，直到檢測到01。這樣，通過若干次檢測、調(diào)節(jié)的過程，輸出電壓就會(huì) 使檢測結(jié)果為01，得到該頻率下負(fù)載正常工作的最低電壓。
[0019] 上述技術(shù)方案中：
[0020] 驅(qū)動(dòng)及死區(qū)控制模塊給功率管提供足夠的驅(qū)動(dòng)能力，同時(shí)嚴(yán)格控制功率NM0S管 和PM0S關(guān)的開啟與關(guān)斷，避免二者同時(shí)導(dǎo)通；環(huán)路控制包含了加減計(jì)數(shù)器構(gòu)成的主極點(diǎn)補(bǔ) 償模塊和數(shù)字脈寬調(diào)制器等電路；延遲檢測模塊對延遲時(shí)間進(jìn)行檢測，判斷當(dāng)前的輸出電 壓是否滿足當(dāng)前的頻率。數(shù)控振蕩器產(chǎn)生的信號經(jīng)過延遲檢測模塊后的輸出信號作為主極 點(diǎn)補(bǔ)償模塊的輸入；主極點(diǎn)補(bǔ)償模塊根據(jù)延遲檢測的結(jié)果對當(dāng)前的DPWM輸入碼進(jìn)行調(diào)節(jié)。 DPWM輸入碼的改變使得輸出方波信號的占空比隨之改變，從而通過柵控信號占空比的改變 來調(diào)節(jié)輸出電壓。
[0021] 本技術(shù)方案中，當(dāng)需要調(diào)節(jié)負(fù)載工作頻率時(shí)（對應(yīng)于數(shù)控振蕩器的輸入頻率控制 碼的改變），首先是延遲檢測模塊對延遲時(shí)間進(jìn)行檢測，決定是需要上調(diào)壓或者需要下調(diào) 壓，當(dāng)需要上調(diào)壓時(shí)，主極點(diǎn)補(bǔ)償模塊對當(dāng)前DPWM輸入碼加1 ;當(dāng)需要下調(diào)壓時(shí)，主極點(diǎn)補(bǔ) 償模塊對當(dāng)前DPWM輸入碼減1 ;然后再進(jìn)行檢測、調(diào)節(jié)，這樣的過程以周期NT進(jìn)行（T是開 關(guān)頻率，N是一整數(shù)），直至延遲檢測模塊檢測到輸出電壓剛好滿足當(dāng)前頻率時(shí)停止這個(gè)過 程。這樣，得到的輸出電壓就是該頻率下負(fù)載恰好正常工作的最低電壓。
[0022] 本發(fā)明的工作原理為：
[0023] 自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)器的輸出電壓V_AVS首先通過延遲線檢測電路進(jìn)行檢測，判斷V_ AVS是否滿足當(dāng)前的工作頻率，此工作頻率在本發(fā)明中是指數(shù)控振蕩器的輸出方波的頻率。
[0024] 延遲檢測模塊是檢測信號能否在一個(gè)數(shù)控振蕩器輸出周期內(nèi)通過延遲線，若能通 過則輸出〇,若不能通過則輸出1，延遲線由三部分組成：L、Λ L、BUF，L是負(fù)載關(guān)鍵路徑的 復(fù)制，Λ L是安全裕度，BUF是一個(gè)提供很小延遲的緩沖，延遲線檢測的節(jié)點(diǎn)有兩個(gè)，第一個(gè) 設(shè)置在L+ Λ L長度處，第二個(gè)設(shè)置在L+ Λ L+BUF長度處，當(dāng)兩個(gè)檢測節(jié)點(diǎn)檢測結(jié)果均為00 時(shí)表示電壓較高，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)檢測節(jié)點(diǎn)檢測結(jié)果為〇而第二個(gè)檢測節(jié)點(diǎn)檢測結(jié)果為1時(shí)表示 電壓剛好滿足要求，當(dāng)兩個(gè)檢測檢點(diǎn)檢測結(jié)果均為11時(shí)表示電壓較低。
[0025] 當(dāng)延遲檢測完畢后，延遲檢測結(jié)果作為主極點(diǎn)補(bǔ)償模塊的輸入，主極點(diǎn)補(bǔ)償模塊 根據(jù)不同的檢測結(jié)果對當(dāng)前DPWM控制碼進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)檢測結(jié)果為00時(shí)，電壓較高，對DPWM 控制碼減1 ;當(dāng)檢測結(jié)果為01時(shí)，電壓剛好滿足，DPWM控制碼保持不變；當(dāng)檢測結(jié)果為11 時(shí)，電壓較低，對DPWM控制碼加1。對DPWM控制碼進(jìn)行調(diào)節(jié)后，經(jīng)過NT (N為一整數(shù)，T為開 關(guān)周期）的時(shí)間，輸出電壓達(dá)到一個(gè)新的值，延遲檢測模塊再次進(jìn)行檢測，主極點(diǎn)補(bǔ)償模塊 根據(jù)檢測結(jié)果再次進(jìn)行調(diào)節(jié)，直到檢測結(jié)果為01，DPWM控制碼保持不變，輸出電壓穩(wěn)定下 來，這時(shí)的輸出電壓值為該頻率下負(fù)載能正常工作的最低電壓。
[0026] 在上述過程中，主極點(diǎn)補(bǔ)償模塊對DPWM控制碼進(jìn)行調(diào)節(jié)，其增量式傳函可表示 為：
[0027] d[n+l] = d[n]+e[n+l]
[0028] 對應(yīng)的Z域傳函為：
[0029]

【權(quán)利要求】
1. 一種自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)器，包括電源模塊、驅(qū)動(dòng)及死區(qū)控制模塊、數(shù)字脈寬調(diào)制器、工 作模塊切換模塊、主極點(diǎn)補(bǔ)償模塊、延遲檢測模塊、軟啟動(dòng)模塊和數(shù)控振蕩器；其中，驅(qū)動(dòng)及 死區(qū)控制模塊的輸出端接電源模塊的輸入端；電源模塊的電源輸入端接外部電源，其接地 端接地電位，其輸出端接延遲檢測模塊的第一輸入端；延遲檢測模塊的第二輸入端接數(shù)控 振蕩器的輸出端，其輸出端接主極點(diǎn)補(bǔ)償模塊的第一輸入端；數(shù)控振蕩器的輸入端為頻率 控制碼；主極點(diǎn)補(bǔ)償模塊的第二輸入端接工作模塊切換模塊的輸出端，其輸出端接工作模 塊切換模塊的第一輸入端；工作模塊切換模塊的第二輸入端接軟啟動(dòng)模塊的輸出端，其輸 出端接數(shù)字脈寬調(diào)制器的輸入端；數(shù)字脈寬調(diào)制器的輸出端接驅(qū)動(dòng)及死區(qū)控制模塊；主極 點(diǎn)補(bǔ)償模塊的時(shí)鐘信號及使能端、軟啟動(dòng)模塊的時(shí)鐘信號及使能端和數(shù)字脈寬調(diào)制器的時(shí) 鐘信號及使能端均接外部時(shí)鐘信號和使能控制信號。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)器，其特征在于，所述數(shù)字脈寬調(diào)制器 由計(jì)數(shù)器、比較器、延遲線、選擇器、分頻器和RS觸發(fā)器構(gòu)成；其中，計(jì)數(shù)器接外部時(shí)鐘信號 和使能控制信號，其輸出端接比較器的第一輸入端；比較器的使能端接使能控制信號，其第 二輸入端接工作切換模塊的輸出端，其輸出端接延遲線的輸入端和選擇器的第一輸入端； 延遲線的輸出端接選擇器的第二輸入端；選擇器的第三輸入端接工作切換模塊的輸出端， 其輸出端接RS觸發(fā)器的R輸入端；分頻器接外部時(shí)鐘信號和使能控制信號，其輸出端接RS 觸發(fā)器的S輸出端；RS觸發(fā)器的輸出端輸出PWM信號。
【文檔編號】G05F1/56GK104156024SQ201410424146
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年8月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月26日
【發(fā)明者】羅萍, 付松林, 白春蕾, 甄少偉, 張波 申請人:電子科技大學(xué)