[发明专利]一种自适应快速电源电压调节系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种电压调节方式，涉及数字集成电路，尤其涉及一种低功耗设计技术。

背景技术

低功耗技术(Low power technology)用来解决功率消耗问题，功耗问题是决定摩尔定律能否继续适用的唯一因素。低功耗技术从不同层次可分为系统级，逻辑级，电路级，版图级，工艺级。本发明设计属于系统级低功耗设计技术。近年来，随着集成电路(IC)工作频率，集成度，复杂度的不断提高，IC的功耗快速增加，而功耗的提高带来了一系列的现实问题：引起IC运行温度上升会引起半导体电路的运行参数漂移，影响IC正常工作；功耗增加引起IC运行温度上升会缩短芯片寿命；对系统冷却的要求，不仅增加系统成本，而且限制了系统性能的进一步提高。

近年来，国内外对动态电压频率调整(DVFS)技术的研究应用已经十分广泛和成熟，传统的DVFS方式采用开环控制实现，在芯片设计完成后，以查找表的形式设定电压和频率的对应关系，然后根据芯片的实际工作状态来查找选取相应的工作频率和电压。

国际上对于自适应电压调节(AVS)技术的研究和应用也十分活跃。基于在线监测的AVS技术将PVT因素对电路的影响都归结为路径延时的变化，然后设计出片上时序监测单元监测关键路径时序，根据监测到的关键路径时序是否紧张来进行电压调节。因此监测单元能否真实的反映出真实关键路径的延时直接关系到电压调节的准确性。

随着集成度的不断增加，电源电压的波动越来越大，电源电压的波动主要由IR压降(IR drop)和感应噪声di/dt(IR droop)引起。IR压降是由电流流过电源网络的寄生电阻引起的，而di/dt噪声则是由于寄生电容、电阻结合的寄生电感引起。这些电源噪声的时间常数通常在纳秒与微秒之间。这就要求监测单元具有高的采样率，并且要求具有高的电压调整反馈速度。基于监测关键路径时序的AVS方法的电压调节反馈通路通常通过I2C接口与外部的电源管理芯片连接，其电压调节速度受到I2C传输速度以及外部电源管理芯片的电压调节稳定速度的限制，通常需要若干微秒的时间。

基于上面所述的主要问题，本发明提供了一种联合DVFS和片上AVS的快速自适应电源电压调节系统，能有效应对快速电压波动。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于，提供一种快速电压调节系统，来快速补偿芯片在工作中受到的PVT(Process，Voltage，Temperature)偏差的影响，主要是能补偿电源电压的波动。本方法克服了AVS调节的调节速度问题，可以广泛地应用于专用集成电路芯片以及处理器芯片。

技术方案：本发明所述的快速电压频率调节系统，包括硬件和软件两部分，硬件部分由PLL、PMOS开关组、片外电源管理芯片PMIC、硬件性能监测模块、DVFS控制模块、片上AVS控制模块组成。软件部分由性能层决策模块和电源频率管理模块组成。

DVFS和AVS联合调节策略分别由DVFS快速粗调和相对较慢的AVS细调两部分实现。两者之间的联合工作模式为：由上层软件向硬件电路的特殊寄存器写入当前处理器所需性能状态，配置DVFS控制模块的参数，并由DVFS控制模块实现对多路电源轨的切换，该过程并不改变片外稳压源的输出值。片上AVS控制模块通过监测关键路径时序的紧张状况对片外稳压源的输出进行调节，从而改变当前芯片的工作电压。

具体技术方案如下：

系统包括主电路系统平台、频率调整器锁相环PLL、输出电源轨线PMOS开关组、片外电源管理芯片PMIC、性能决策模块、片上硬件性能监测模块、片上DVFS控制模块、片上AVS控制模块；

其中，片上硬件性能监测模块的输出经过性能决策模块与片上DVFS控制模块的输入端相连，片上DVFS控制模块的输出端分别连至频率调整器锁相环PLL和输出电源轨线PMOS开关组的输入端，主电路系统平台的片上环形振荡器输出端与片上AVS控制模块的输入端相连，并且片上AVS控制模块的输出端与片外电源管理芯片PMIC的输入端相连；

所述片上硬件性能监测模块是芯片内部的硬件电路模块，主要监测芯片总线上的数据传输和指令数据信息，并将该信息传送到性能决策模块，性能决策模块根据当前不同的应用场景，评估当前处理器的性能需求，同时通过算法预测未来的性能发展需求，来控制DVFS状态机状态的切换；

所述输出电源轨线PMOS开关组是由N个PMOS开关组成，N是大于1的整数，其打开和闭合状态根据DVFS系统激活设计的查找表来控制；