用于低功耗soc设计的自适应电压调节技术

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1、用于低功耗SoC设计的自适应电压调节技术

2、第1消费者对便携设备新功能的要求永无止境，并且希望仍能保持电池充电后的工作时间。于是，系统设计与SoC设计小组面临在增加功能的同时保证电池的使用时间的挑战。要达到这一点，就需要使用新的节能技术，如电压调节(voltagescaling)。SoC设计中降低功耗可以用两种方式来实现，一种是开环电压调节（动态），另一种则是闭环（自适应）电压控制方法。　　频率调节与电压调节　　计算系统在实际期限中执行任务。当系统为高负载时，系统要在最大频率下工作。而当系统负载低时，则允许系统在较低频率下工作。这种频率调节是一种降低运行功耗的有

3、效方式。电压调节与频率调节相互结合，能够极大地降低功耗，提高能量效率。动态电压调节（DVS）是在一个开环电压控制系统中用多组频率、电压对来实现。自适应电压调节（AVS）用一个闭环电压控制系统来实现，它无需配对的频率、电压，能提供更优的节能效果。　　CMOS数字系统中的功耗　　CMOS数字系统的功率是开关功率（动态）与泄漏功率的总和。　　P=Psouseg(this)">　　图1–开环DVS框图　　FrequencyVoltagePairs：频率-电压对　　Frequency(1)Vdd(1)：频率(1)Vdd(1)　　Frequency(2)Vdd(2)：频率

4、(2)Vdd(2)　　Frequency(3)Vdd(3)：频率(3)Vdd(3)　　SystemProcessor：系统处理器　　VDD_OKTimer：VDD_OK定时器　　ClockManagementUnit：时钟管理单元　　panionPoouseg(this)">图2–闭环AVS方块图SystemProcessor：系统处理器AdvancedPoent：时钟管理HardanceMonitor：硬件性能监控器ControlLoopProcessing：控制环路处理Paster：POS工艺上实施的。处理器(ARM7TDMI-S)与外围逻辑电路均由自适应

5、的电压供电，电压变动范围是1.8V至1.2V。模拟电路和时钟发生逻辑电路的电压是固定的，为1.8V。　500)this.style.ouseg(this)">图3–0.18微米测试芯片的裸片布局　　　HPM与一个分立的电压调节系统通信，该系统模拟一个完全集成的APC、PU闭环系统。　　图4显示测试芯片电压调节域的功率比较图。对于这块典型的性能测试芯片，在固定1.8V供电电压时，带AVS测出的节能百分比为：80MHz时45%，48MHz时63%，6MHz时81%。　500)this.style.ouseg(this)">图4–功率测量：固定电压和使用AVS时的0

6、.18微米测试芯片Poptionparison：功耗比较图Measured,180nm,TypicalSilicon,RoomTemp：测量条件：0.18微米典型芯片，室温Poalized)：功率（标准化）Frequency(MHz)：频率（MHz）FixedVoltage：固定电压　　　Poouseg(this)">图5–模拟的功率图：采用AVS、2级DVS和固定供电电压的0.13微米设计PoptionConparison：功耗比较图Simulated,130nm,TypicalSilicon,RoomTemp：模拟条件：0.13微米典型芯片，室温Poali

7、zed)：功耗（标准化）Frequency(MHz)：频率（MHz）FixedVoltage：固定电压DVS(2-step)：DVS（2-级）　　　DVS的数据表示了一种两级式供电系统。在70MHz以上频率时，采用1.2V供电，而在低于70MHz频率时，则提供0.9V电压。AVS的供电电压等于模拟设计中发生一个时序错误时的电压与考虑HPM准确性的适当电压裕度之和。　　当系统在可调节频率下工作时，DVS和AVS共同达成降低固定电压系统功耗的目标。AVS在所有工作频率时都能提供降低功耗的额外好处。达到设计目标频率的节能是采用低速芯片时最大频率与最大连结温度条件下闭

8、环时序的设计需要。　　结论　　功耗和能效都是系统设计的重要考虑因素。在系统设计中使用DVS或AVS可以使固定电压系统获得显著的节能效果。当频率可调节系统的工作频率低于最大设计频率时，DVS可提供节电节能功能。AVS则在固定频率系统和可变/可调节频率系统中发挥节电节能作用。PowerWise自适应电压调节技术可以在SoC的所有设计工作频率下达到显著的降低功耗目的，包括最大设计目标频率。