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功率技術/新能源  

利用電源電壓控制方法的新型節能技術

上網時間: 2007年08月16日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:電壓控制  節能技術  動態電壓 

為了實現手機較長的電池壽命,降低電路工作期間的功耗已成為當務之急。NEC電子公司推出了一種新型的功率節省方案,該方案將動態電壓和頻率調整技術(DVFS)與功率閘控技術相結合,並開發出了利用這種技術的關鍵元件。

在手機設備中,消耗的功率包括開關功率和漏電功率。當開關功率居於主導地位時,降低電源電壓是降低整體功耗的有效方法,因為開關功率與電源電壓的平方成正比。動態電壓和頻率調整技術是根據工作頻率要求來控制電源電壓,這是一種相當有效的方法。

圖1中的實線代表了在DVFS技術中依賴工作頻率的功耗。此處,工作頻率隨著電源電壓的降低而下降。如圖1所示,當工作頻率高於與最低功耗點(MEP)相對應的值時(該點上的電壓為VOPT),功耗將隨著工作頻率的降低而下降。但是,當工作頻率低於MEP對應的值時,功耗則隨著工作頻率的降低而增加。

當電源電壓接近LSI電晶體的閾值電壓時,即使電源電壓的微小變化,都會導致很大的工作頻率變化。這種情況下,由工作時間增加所導致的漏電功耗增加量,將會超過因電源電壓降低所引起的開關功耗降低量,使總功耗增加。這時,僅依賴DVFS技術並不足以降低功耗。為此,NEC提出了一項新技術,即減少漏電功耗技術,該技術將DVFS與功率閘控技術結合,在電源和目標電路之間插入一個電源開關,該開關在電路空閒期間切斷,已證實能有效減少漏電功耗。

功率最小化方案

在整合DVFS技術與功率閘控技術後,當所要求的頻率低於MEP頻率時,目標電路工作在VOPT上,而在電路空閒時,功率閘控技術使漏電功耗減少。儘管較高的電源電壓使開關功率增加,但由於漏電功耗的減少,整體功率減少量還是比僅用DVFS技術時高出許多。詳見圖1中的實線,圖中還提出了方案結構圖。一個MEP監控器可確定功耗最低時的最佳電源電壓(VOPT),可利用一個延遲監控器來確定滿足頻率要求的最低電源電壓,並輸出一個控制訊號到穩壓器,穩壓器則以向目標電路提供合適的電源電壓作為回應。

當所確定的電源電壓低於VOPT時,MEP監控器不發送控制訊號,而電源電壓維持在VOPT上。當目標電路工作在VOPT時,MEP監控器還啟動功率閘控控制器,以控制功率開關在電路空閒時間降低漏電功耗。MEP監控器控制整個系統以使工作功耗最低,是方案中的關鍵部份。降低的功耗在很大程度上依賴於所確定的VOPT精密度,此處的精密度非常困難,因為VOPT很大程度上依賴於漏電流,而漏電流又取決於溫度、電源電壓和其他一些因素。目前業界已經提出了一系列方案來解決此一問題。

確定最佳電壓的傳統方法

方案之一是根據目標電路在各種不同電壓值上實際測量到的功耗值來確定最佳的VOPT,並選擇功耗最低時的電源電壓。由於目標電路自身也被作為為功率監控器,該方案精密度相對於MEP來說要高得多,不過在監控器工作時電路的正常工作必須暫停。

另一傳統的方法是利用理論方程。例如,在2004年自動化設計會議上所提出的一種方法是設立在如下一個事實上,即在MEP上,?E ALL/?V DD=0,可在圖1中看出。在該方法中,VOPT用圖1中的方程式2表示。遺憾的是,該方法不太適合實際的電路實現,因為它包含一個取決於電源電壓的非線性參數。

確定最佳電壓的新方案

NEC設計了一種新方案來確定VOPT,該方案僅由簡單的元件構成。與上述方案相較,該技術允許監控器和電路同時工作,並證實是可行的。它仍基於在MEP上σE ALL /σVDD=0,此處的E ALL利用圖1中的方程式1來表達。注意,為了區別,此處用(IL1T1-IL2T2)/ΔV來代替σ(ILDD。圖1中的方程式3可利用近似法來導出,此處的V遠小於VDD。IL1和T1分別是VDD上的漏電流和關鍵路徑延遲,而IL2和T2則是在VDD-ΔV上的漏電流和關鍵路徑延遲。由於漏電流和關鍵路徑延遲都可以利用監控器測得,故方程式3適合用於實現電路。在方程式3的基礎上,可依下文來確定VOPT。其右側等於電容上的電壓,開始先將電容端電壓充電到VDD,然後再以IL1的電流繼續充電T1時間,然後以IL2的電流進行放電,放電時間是T2,此處電容的電容值是開關電容和目標電路開關的工作週期係數乘積。對於VDD來說,如果電容的電壓等於VDD-ΔV,則該VDD就是最小功耗所對應的最佳電壓。

圖1:功耗最低方案。
圖1:功耗最低方案。

建構電路

圖2是確定VOPT的實際電路。該電路是一個非常簡單的電路,電路中只有一個容量為C0的可變電容、兩個漏電流產生器(每個包含一個與目標電路相同的電路)、兩個脈衝產生器(每個包含一個與目標電路一樣的關鍵路徑),一個比較器和三個開關。IL1和IL2分別來自兩個漏電流產生器中的一個,而且會流入另一個之中。SW1、SW2和SW3被分別接通,以實現對電容的初始充電、額外充電和放電。為了接通SW2和SW3,脈衝產生器分別產生脈衝寬度為T1和T2的脈衝。

測試晶片

為了評估電路以及DVFS技術與功率閘控技術結合的有效性,我們利用90nm CMOS技術製造了一顆測試晶片。目標電路是101級的迴路振盪器,包括F.O.=4的兩個輸入與非閘。圖2顯示了功耗對目標電路之電源電壓的依賴關係,以及由電路確定的這些點,此處V=20mV。所示的曲線為三種溫度(25、75和125℃)條件下的結果,開關工作週期係數是0.1。該電路精確地確定了最低功耗點的最佳電壓,在所有條件下都位於實際電壓值的50mV以內。圖2顯示在125℃時,VOPT=0.67V,VOPT和功率閘控工作頻率為40MHz,功耗降低了52.8%,所節省的功耗要高於僅用DVFS技術工作在5MHz時所實現的功耗節省量。

圖2:最佳電壓確定電路和測量結果。
圖2:最佳電壓確定電路和測量結果。
圖2:最佳電壓確定電路和測量結果。

作者:

Yoshifumi Ikenaga

元件平台研究實驗室

NEC公司




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