一種低功耗電源系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

陳婷

（德州市城市園林規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院 山東省德州市 253000）

節(jié)能問題一直是電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域熱衷于討論的問題，其中對(duì)于電源系統(tǒng)的功耗優(yōu)化設(shè)計(jì)近年來也十分火熱。張飛云等以反激拓?fù)潆娐窞榛窘Y(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一款高頻開關(guān)電源，具有高效、節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)[1]。于廣等以反激變換器為主電路、SG6742 為主控芯片設(shè)計(jì)了一款低損耗高功率密度的開關(guān)電源，該設(shè)計(jì)針對(duì)控制電路，以降低空載、輕載損耗以及提高開關(guān)電源效率為設(shè)計(jì)目標(biāo)，使得其待機(jī)損耗滿足了規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)[2]。陳道品等通過低功耗設(shè)計(jì)，構(gòu)建聯(lián)合節(jié)能優(yōu)化策略，提出了一種基于多電源域和自適應(yīng)調(diào)壓技術(shù)的設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)的高頻率使用，減少了電源功耗[3]。鐘倫超等通過半橋逆變的原理設(shè)計(jì)了一種三橋臂的方波產(chǎn)生電路，有效地簡(jiǎn)化了高壓直流電源且降低了功耗[4]。上述研究均能在一定程度上降低電源的功耗，而本設(shè)計(jì)則是以電源各狀態(tài)模式為切入點(diǎn)，利用DVFS和AVS聯(lián)合調(diào)壓對(duì)電源系統(tǒng)的供電電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，在保證系統(tǒng)安全性以及能夠正常運(yùn)行的前提下優(yōu)化關(guān)鍵路徑的時(shí)序信號(hào)，進(jìn)而降低系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)功耗。

1 電源系統(tǒng)整體方案

本研究構(gòu)建的電源系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。針對(duì)電源系統(tǒng)的功耗優(yōu)化主要從電源架構(gòu)和功耗優(yōu)化兩部分入手，前者主要依靠DPM技術(shù)實(shí)現(xiàn)，而后者則是依靠DVFS和AVS技術(shù)達(dá)到功耗優(yōu)化的目的[5]。DPM技術(shù)的主要功能是芯片規(guī)劃，然后以DVFS以及AVS為基礎(chǔ)對(duì)主要電源域的部分電壓以及頻率進(jìn)行優(yōu)化。

圖1中，供電方式采用電源供電（POS）以及電池供電（BAT），然后根據(jù)情況在兩種模式間自動(dòng)切換。對(duì)于電源數(shù)值的調(diào)整主要是通過DVFS以及AVS技術(shù)，在不影響各部分正常運(yùn)行的前提下最大限度地減小功耗。

圖1：系統(tǒng)電源架構(gòu)

2 電源架構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 多電壓域設(shè)計(jì)

多電壓域設(shè)計(jì)的目的是為了滿足系統(tǒng)的不同負(fù)載需求，在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)有針對(duì)性的電源狀態(tài)模式以滿足系統(tǒng)的性能要求以及功耗收益。設(shè)計(jì)采用的電源架構(gòu)如圖2所示。

圖2：電源架構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2 電源控制方案

在電源架構(gòu)設(shè)計(jì)方面，采用多電壓域的設(shè)計(jì)方案。其主要參考DPM技術(shù)，設(shè)計(jì)中不同的邏輯域被劃分成了能夠滿足性能以及功耗需求的電源域，如圖3所示。

圖3中，邏輯域1和邏輯4通過在系統(tǒng)低負(fù)載模式下進(jìn)入低電流模式來減少損耗，而邏輯域2、3則是通過在非工作狀態(tài)下直接斷電來實(shí)現(xiàn)。電源域的設(shè)計(jì)應(yīng)同時(shí)滿足電壓需求和功耗收益需求，為穩(wěn)定電源電壓可以選用線性穩(wěn)壓器(LDO)以及帶隙基準(zhǔn)源(BGP)是必要的[6]。

圖3：多電壓域設(shè)計(jì)

2.3 電源模式優(yōu)化設(shè)計(jì)

為在電路基礎(chǔ)功耗優(yōu)化的基礎(chǔ)上進(jìn)一步全面優(yōu)化系統(tǒng)總功耗，將電源分類為不同的功耗模式進(jìn)行設(shè)計(jì)。而數(shù)字電路的能耗主要分成兩部分：動(dòng)態(tài)功耗和靜態(tài)功耗。系統(tǒng)從工作狀態(tài)切換為待機(jī)狀態(tài)時(shí)，主要功耗也由動(dòng)態(tài)功耗切換為靜態(tài)功耗[8]。故通過構(gòu)建大功耗、普通功耗（分別對(duì)應(yīng)模式1～模式5）等五種模式。實(shí)現(xiàn)電源管理優(yōu)化來解決上述問題。

在模式1下各模塊均正常工作，也可隨時(shí)調(diào)整電壓。模式2為低功耗模式，該模式通過對(duì)非必要部分進(jìn)行斷電操作和切換系統(tǒng)內(nèi)核實(shí)現(xiàn)低功耗并保持運(yùn)行。

模式3則是把頻率系統(tǒng)時(shí)鐘源由高向低切換并關(guān)閉除AON模塊以外的所有時(shí)鐘。模式4在模式3的基礎(chǔ)上，關(guān)閉了部分帶隙基準(zhǔn)源，這也使得功耗進(jìn)一步減小，但也使得喚醒時(shí)間更長(zhǎng)。

在模式5中，將只有 LPLDO12以及LPLDO33 的線性穩(wěn)壓器和帶隙基準(zhǔn)源對(duì)應(yīng)模塊處于運(yùn)行狀態(tài)，但LPLDO12所對(duì)應(yīng)的電源門控單元將會(huì)關(guān)閉。該模式下，芯片在非工作狀態(tài)下可僅靠電池長(zhǎng)時(shí)間單獨(dú)保持供電。

在模式3、4、5下，系統(tǒng)工作狀態(tài)的恢復(fù)需通過喚醒機(jī)制[9]。其中，RTC以及Timer方式需用戶提前設(shè)置，到達(dá)時(shí)間自動(dòng)喚醒；IO引腳產(chǎn)生中斷是根據(jù)外界環(huán)境的變化，使得系統(tǒng)自動(dòng)喚醒；電壓比較器通過檢測(cè)電源電壓數(shù)值，再基于系統(tǒng)的具體供電情況自動(dòng)喚醒。

2.4 上下電流程分析

模式切換以及系統(tǒng)的上下電過程也涉及到功耗損失問題，設(shè)置不同的電源狀態(tài)模式，并進(jìn)行切換。系統(tǒng)的電源狀態(tài)主要是三種：NORMAL、LP_RUN 或者SLEEP，系統(tǒng)會(huì)在不同需求的情況下在三種狀態(tài)之間切換。系統(tǒng)為電源供電時(shí)，上電完成后系統(tǒng)進(jìn)入到NORMAL模式;而系統(tǒng)由電池供電時(shí)，上電完成后電源狀態(tài)則進(jìn)入LP_RUN狀態(tài)。實(shí)施掉電操作時(shí)，在 NORMAL 狀態(tài)和 LP_RUN 狀態(tài)下都可以進(jìn)入到 SLEEP 狀態(tài)。在第一個(gè)過程中，系統(tǒng)會(huì)將相應(yīng)部分實(shí)施復(fù)位操作，以及開啟隔離單元的使能信號(hào)，同時(shí)將非必要保持正常運(yùn)行的部分切換至低功耗模式從而完成狀態(tài)的切換。而為了保證系統(tǒng)在上電過程操作時(shí)節(jié)約時(shí)間，進(jìn)而減少能耗，可以保持能加快該過程完成速度的邏輯為運(yùn)行狀態(tài)，通過該操作就能實(shí)現(xiàn)此過程功耗收益最大化。

3 功耗優(yōu)化設(shè)計(jì)

由于負(fù)載不同或者邏輯量問題帶來的功率損耗，使用AVS和DVFS聯(lián)合調(diào)壓的方法來達(dá)到這一目的。

3.1 DVFS調(diào)壓電路

DVFS調(diào)壓電路主要是以查找表為主要工具的，用這種方法能夠?qū)囟?、頻率以及電壓聯(lián)系起來。詳細(xì)的流程如圖4所示。系統(tǒng)的頻率信號(hào)是可以直接從頻率寄存器處獲得，而系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的溫度信息可以從溫度傳感器處獲得，由這兩個(gè)信息可以獲取到DVFS查找表的位置，然后才能得到查找表中有用的信息。查找表中的信息主要包括五個(gè)部分，而通過RAM讀取所得三部分為預(yù)測(cè)電壓值信息、時(shí)序裕量預(yù)留碼信息以及電壓信息[12]。AVS電路調(diào)壓是以三部分中的電壓信息也就是安全電壓為參照，生成相應(yīng)的時(shí)序裕量碼信息。在條件滿足的情況下，預(yù)測(cè)電壓值可直接作為參照，可以更加接近臨界電壓值，但需要注意的是此操作對(duì)于系統(tǒng)有著更高的要求，需要承擔(dān)更高的風(fēng)險(xiǎn)，能夠進(jìn)一步減少功耗。

圖4：DVFS調(diào)壓方案

3.2 AVS調(diào)壓電路

系統(tǒng)電壓在經(jīng)過DVFS調(diào)節(jié)之后，得到的電壓信息是經(jīng)過初步調(diào)整后的，但由于DVFS電壓調(diào)節(jié)所使用的方法的不足，經(jīng)過初步調(diào)節(jié)之后依然有許多不必要的時(shí)序裕量。而由于其他因素的影響，也會(huì)產(chǎn)生更多的時(shí)序裕量進(jìn)而使得系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)功耗和靜態(tài)功耗增多。而AVS調(diào)壓電路正是為了解決上述問題。

在圖5中，箭頭部分表示系統(tǒng)電壓的輸入，將該電壓首先輸入RCP(Replicated Critical Path)電路，該電路能夠首先電壓信號(hào)的初步處理，主要包括將實(shí)際PVT偏差和老化效應(yīng)等轉(zhuǎn)換成時(shí)序偏差，再?gòu)脑摬糠州敵鲆粋€(gè)時(shí)序信息到同步電路中，再?gòu)耐诫娐分休敵龅皆Ａ可商幚砟K，通過該模塊的處理后能夠得到裕量時(shí)序信息，最后將處理得到的裕量碼信息傳輸?shù)紻VFS調(diào)節(jié)電路的數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊中。

圖5：AVS電路實(shí)現(xiàn)架構(gòu)

在經(jīng)過裕量生成處理模塊之后，還需要對(duì)獲取到的時(shí)序信號(hào)實(shí)施裕量碼更新流程，通過流程中的一系列處理后便能實(shí)現(xiàn)裕量碼的生成以及電壓的調(diào)整。

3.3 RCP電路

RCP電路中對(duì)系統(tǒng)功耗影響最為明顯的為裕量采樣電路[13]。時(shí)序裕量信息采樣電路如圖6所示，該部分的電路也涉及到信息的采集以及同步，對(duì)應(yīng)著相應(yīng)的電路部分。在采樣電路中，采樣點(diǎn)的布置不是隨機(jī)的，還需根據(jù)電路自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及實(shí)際工作需要靈活布置。經(jīng)過采樣電路工作后得到的不同采樣點(diǎn)情況，得出了一系列以位置為重點(diǎn)變量的采樣點(diǎn)。而采樣電路設(shè)置的目的是為了將經(jīng)過DVFS調(diào)壓電路處理后的電壓時(shí)序信息進(jìn)一步精確，而該調(diào)壓操作的目的便是為了優(yōu)化供電電壓值，因此大部分采樣信息點(diǎn)是靠近理想值的，通過AVS調(diào)壓電路的優(yōu)化，時(shí)序電壓信號(hào)達(dá)到了更高水平，系統(tǒng)的總功耗便得到了進(jìn)一步優(yōu)化。

圖6：裕量信息采樣電路

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 VCS-XA 混仿

VCS-XA協(xié)同仿真在進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)時(shí)，VCS為仿真的主要工具，而聯(lián)合仿真的目的是為了在模擬電路需要進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)時(shí)，能夠通過調(diào)用特有XA(CustomSim)工具實(shí)現(xiàn)仿真目的。同時(shí)因?yàn)榉抡鎸?shí)驗(yàn)的復(fù)雜性，需要仿真驗(yàn)證的對(duì)象并非單獨(dú)，尤其在電路結(jié)構(gòu)的仿真時(shí)，仿真環(huán)境選擇尤為重要，因此選擇以數(shù)字verilog為頂層的數(shù)模混合仿真環(huán)境。

4.2 AVS電路仿真

當(dāng)AVS調(diào)壓電路開始運(yùn)作時(shí)，RCP電路所獲取的電路信息會(huì)通過裕量碼生成模塊和數(shù)據(jù)處理模塊兩個(gè)步驟的處理，然后得到對(duì)應(yīng)的控制信息，將控制信息輸出后，再次執(zhí)行該流程進(jìn)行供電電壓分析，仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7：AVS電路調(diào)壓功能

在RCP電路運(yùn)行時(shí)，電路中的裕量碼生成模塊會(huì)不斷生成rcp_data信號(hào)，每當(dāng)該信號(hào)的信號(hào)值發(fā)生一次變化向著臨界值不斷靠近，就意味著AVS電路完成了一次 AVS電壓調(diào)校的操作，具體如圖8所示。

圖8：AVS電路電壓收斂情況

4.3 芯片測(cè)試結(jié)果

經(jīng)過芯片測(cè)試，得主邏輯域內(nèi)的電壓由初始上電的1.2V默認(rèn)工作電壓下降到1.03V，對(duì)應(yīng)的功耗與默認(rèn)工作下的功耗相比主邏輯電源域的功耗相對(duì)于在1.2V工作情況下時(shí)降低了28.57%。在不同的電路結(jié)構(gòu)下，也不難得到各供電電壓均得到了優(yōu)化，各優(yōu)化值存在0.83V、0.87V、0.95V、1.13V等多種狀態(tài)，對(duì)應(yīng)的不同邏輯部分的功耗降低了60.3%、51.59%、40.48%以及 12.7%等。

5 結(jié)語

綜上，本文設(shè)計(jì)的低功耗電源系統(tǒng)通過對(duì)電源系統(tǒng)進(jìn)行模式劃分并且優(yōu)化，結(jié)合DVFS和AVS聯(lián)合調(diào)壓電路對(duì)系統(tǒng)供電電壓實(shí)時(shí)進(jìn)行調(diào)整，在不影響系統(tǒng)正常運(yùn)行的前提下，實(shí)現(xiàn)在不同的模式下大幅度地降低系統(tǒng)功耗，滿足了系統(tǒng)的功耗收益要求。本設(shè)計(jì)雖能為電源系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)較好的功耗收益，但未對(duì)系統(tǒng)負(fù)載十分復(fù)雜的情況進(jìn)行討論，在這種情況下要求系統(tǒng)的功率和功率密度達(dá)到較高水平，因此本設(shè)計(jì)應(yīng)在該部分進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。