[发明专利]一种基于优化PSM调制模式的自适应电压调节器

说明书

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，用于面向处理器(CPU或DSP)负载的具有数字控制功能的电源电压的自适应在线调节。

背景技术

近年来，随着集成电路集成度的提高，集成电路的功率密度越来越大，现在的处理器功耗可达一百多瓦，散热器体积庞大且价格昂贵。同时，电池技术的发展速度远远落后于集成电路对电能的需求，这已成为制约集成电路发展的重要因素。

很多复杂的电子部件，如中央处理器(CPU)和数字信号处理器(DSP)，都能在不同的时钟频率下工作。高频工作的数字电路中，门电路的开关功耗是功耗的主要组成部分，开关功耗与工作频率成正比，与工作电压的平方成正比。对于给定的工作任务，CPU或DSP完成任务所需的时钟周期个数是确定的，只降低CPU或DSP的工作频率而不改变其工作电压，完成此任务消耗的总能量是不变的。而在工作频率固定时，适当降低CPU或DSP的电源电压，其消耗的能量将明显减小。根据不同的工艺偏差、温度和负载工作频率实时地自适应调节负载供电电压，使其能量消耗最小化，这种低功耗方法称为自适应电压调节(AVS，Adaptive Voltage Scaling)。

现有的自适应电压调节方法主要有以下几种。1)Mukti Barai等人利用ADC、DPID、DPWM构成控制环路做成自适应DC-DC变换器(见文献“Dual-Mode Multiple-Band Digital Controller for High-Frepuency DC-DC Converter”，Power Electronics，IEEE Transactions on Volume 24，Issue 3，March 2009 Page(s)：752-766)，但此法需要数字环路补偿(而数字环路补偿通常需要经过建模得到补偿参数，而建模所得的参数不可能非常精确，这样必然会导致补偿环路或多或少地产生振荡现象；并最终导致输出电压不稳定)；2)Shidhartha Das等人根据电压调节过程中负载电路(CPU或DSP)的运行出错率来调节电压，同时用错误校正机制来纠正错误来实现自适应电压调节(见文献“Razor II：In Situ Error Detection and Correction for PVT and SER Tolerance”，Solid-State Circuits，IEEE Journal of Volume 44，Issue 1，Jan.2009Page(s)：32-48)，但此法实现复杂，且系统纠错耗费时间。3)Dae Woon Kang等人基于有限状态机设计了全数字的不需要PID(比例、积分和微分)补偿的自适应Buck功率变换器(见文献“A High-Efficiency Fully Digital Synchronous Buck Converter Power Delivery System Based on a Finite-State Machine”，Very Large Scale Integration(VLSI)Systems，IEEE Transactions on Volume 14，Issue 3，March 2006 Page(s)：229-240)，但其电路实现较本发明所述方法更为复杂。

PSM(Pulse Skip Modulation)是功率变换系统的一种新型调制模式，通过跳过一定的时钟周期调节输出电压，当输出电压高于设定值的时候，功率管控制信号跳过、不导通功率管；当输出电压低于设定值时，功率管控制信号有脉冲信号导通功率管。PSM控制器具有轻负载下效率高、鲁棒性强、响应速度快、抗干扰能力强、电磁兼容特性好等优点。

发明内容

本发明提供一种基于优化PSM调制模式的自适应电压调节器，该自适应电压调节器能够根据负载处理器当前工作时钟频率的不同自适应地调节负载处理器的工作电压，保证负载处理器在给定的工作时钟频率下工作电压最低，从而有效地降低负载处理器的功耗。同时，采用PSM调制模式的自适应电压调节器具有轻载下效率高、鲁棒性强、响应速度快、抗干扰能力强、电磁兼容特性好等优点。