[发明专利]一种面向低功耗应用的动态电压调节系统及实现方法

说明书

技术领域

本发明属于嵌入式芯片设计领域，特别是一种面向低功耗应用的动态电压调节体系和实现方法，可应用于低功耗嵌入式系统芯片设计中功耗优化。

背景技术

在现有的低功耗芯片中，动态电压调节有效的解决了功耗的问题，随着集成电路工艺尺寸向着超深亚微米级甚至纳米级进一步缩小，芯片单位面积上的功耗密度也成指数级上升，这使功耗成为集成电路设计中除了工作速度外还必须考虑的重要问题。尤其近年来各类电池供电的手持式设备、无线传感器网络节点芯片等芯片对低功耗要求越来越高，因而如何最大限度的降低芯片功耗已成为集成电路设计领域的关键技术。但是传统的面向低功耗应用的动态电压调节技术采用开环系统，不能对系统的实时运行情况做出迅速准确的反应，从而使得调节存在盲目性，控制性差，精度差等不足。

传统动态电压调节采用开环控制方法调节电压值，即通过查找预先建立好的电压与频率f的关系表格来确定电压值，其值一旦确定就无法根据工艺偏差、温度变化、电源电压波动等因素的干扰而及时调整，如果各类扰动使得电路延时超过当前工作频率下能容忍的值，就会造成电路出错。因此传统动态电压调节方法将增大电压值使其留有充足的余量来避免各类扰动带来的延迟特性变坏，这样就无法使芯片工作在最合适的低电压，也就无法达到功耗最优化。

此外，在同步系统中，如果触发器的setup time / hold time（建立时间/保持时间）不满足，就可能产生亚稳态，亚稳态是指触发器无法在某个规定时间段内达到一个可确认的状态。当一个触发器进入亚稳态引时，既无法预测该单元的输出电平，也无法预测何时输出才能稳定在某个正确的电平上。在这个稳定期间，触发器输出一些中间级电平，或者可能处于振荡状态，并且这种无用的输出电平可以沿信号通道上的各个触发器级联式传播下去，其传播扩大了电路故障面。

发明内容

技术问题：本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的问题，提供一种面向低功耗应用的动态电压调节系统及实现方法，采用该系统和方法降低了芯片的工作电压，减小了电压裕度，扩大了芯片工作电压的范围，减小了芯片的功耗，同时引入了亚稳态监测技术，最大程度的减小了亚稳态的传播。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：一种面向低功耗应用的动态电压调节系统，该系统包括监测误差的片上监测模块、根据系统实时参数自适应调节电压的自适应电源电压调节模块、直流—直流转换器、确定系统初始电压和缓冲器级数的动态电压调节初值模块、主电路；

其中，片上监测模块的告警信号输出端与关键路径信号输入端分别与自适应电源电压调节模块的告警信号输入端和主电路关键路径输出端连接，动态电压调节初值模块的电压输出端和自适应电源电压模块的电压输入端对应连接，自适应电源电压调节模块通过电压调节接口与直流—直流转换器的电压输入端连接，直流—直流转换器的电压输出端连接到主电路的电源端。

优选的，所述片上监测电路包括时序监测模块或亚稳态监测模块或纠错模块。

优选的，所述片上监测模块包括时序监测模块、亚稳态监测模块和纠错模块，时序监测模块的异或门的第一信号输入端和第二信号输入端分别与纠错模块的第三信号输入端和第四信号输入端相连接，亚稳态监测模块的第一信号输出端通过滤波器与时序监测模块的第二信号输出端连接到或门的第五信号输入端，或门的输出端连接到纠错模块的信号选择端。 

本发明还提供了一种面向低功耗应用的动态电压调节的实现方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：片上监测模块在电压减小或者其他扰动影响下发生时序违规或者亚稳态时，会发出告警信号，通过片上监测模块来监视可能出现问题的各个关键路径，将各类扰动的影响综合在时序延迟特性中；当出现违规时，向自适应电源电压调节模块发出告警信号，同时，通过控制时钟来使得主电路停止工作一个周期，并通过片上监测模块保持数据的正确性；

步骤2：自适应电源电压调节模块据此将电压值调高直至告警信号消除；当没有出现告警信号时，自适应电源电压调节模块根据内置算法持续的降低电压直至出现告警信号；其中，电压初值和初始的缓冲器级数是由传统动态电压调节得到的开环控制值，通过内置的查找表可以查出频率和电压以及缓冲器级数一一对应的关系；电压调节的策略由自适应电源电压调节模块中的内置算法决定；结合上述步骤1中的主动控制，可迅速的将电压在有工艺偏差和环境干扰的情况下调整到最适合的临界电压值，从而使功耗最优化；

步骤3：自适应电源电压调节模块通过电压调节接口控制直流—直流转换器，使得系统在避免错误的情况下，工作在临界电压。