一种低功耗电源系统的研究与设计

陈婷

（德州市城市园林规划设计研究院 山东省德州市 253000）

节能问题一直是电路设计领域热衷于讨论的问题，其中对于电源系统的功耗优化设计近年来也十分火热。张飞云等以反激拓扑电路为基本结构，设计了一款高频开关电源，具有高效、节能、环保等优点[1]。于广等以反激变换器为主电路、SG6742 为主控芯片设计了一款低损耗高功率密度的开关电源，该设计针对控制电路，以降低空载、轻载损耗以及提高开关电源效率为设计目标，使得其待机损耗满足了规范标准[2]。陈道品等通过低功耗设计，构建联合节能优化策略，提出了一种基于多电源域和自适应调压技术的设计方法，实现了电网的高频率使用，减少了电源功耗[3]。钟伦超等通过半桥逆变的原理设计了一种三桥臂的方波产生电路，有效地简化了高压直流电源且降低了功耗[4]。上述研究均能在一定程度上降低电源的功耗，而本设计则是以电源各状态模式为切入点，利用DVFS和AVS联合调压对电源系统的供电电压进行调节，在保证系统安全性以及能够正常运行的前提下优化关键路径的时序信号，进而降低系统的动态和静态功耗。

1 电源系统整体方案

本研究构建的电源系统架构如图1所示。针对电源系统的功耗优化主要从电源架构和功耗优化两部分入手，前者主要依靠DPM技术实现，而后者则是依靠DVFS和AVS技术达到功耗优化的目的[5]。DPM技术的主要功能是芯片规划，然后以DVFS以及AVS为基础对主要电源域的部分电压以及频率进行优化。

图1中，供电方式采用电源供电（POS）以及电池供电（BAT），然后根据情况在两种模式间自动切换。对于电源数值的调整主要是通过DVFS以及AVS技术，在不影响各部分正常运行的前提下最大限度地减小功耗。

图1：系统电源架构

2 电源架构设计

2.1 多电压域设计

多电压域设计的目的是为了满足系统的不同负载需求，在此基础上，设计有针对性的电源状态模式以满足系统的性能要求以及功耗收益。设计采用的电源架构如图2所示。

图2：电源架构设计

2.2 电源控制方案

在电源架构设计方面，采用多电压域的设计方案。其主要参考DPM技术，设计中不同的逻辑域被划分成了能够满足性能以及功耗需求的电源域，如图3所示。

图3中，逻辑域1和逻辑4通过在系统低负载模式下进入低电流模式来减少损耗，而逻辑域2、3则是通过在非工作状态下直接断电来实现。电源域的设计应同时满足电压需求和功耗收益需求，为稳定电源电压可以选用线性稳压器(LDO)以及带隙基准源(BGP)是必要的[6]。

图3：多电压域设计

2.3 电源模式优化设计

为在电路基础功耗优化的基础上进一步全面优化系统总功耗，将电源分类为不同的功耗模式进行设计。而数字电路的能耗主要分成两部分：动态功耗和静态功耗。系统从工作状态切换为待机状态时，主要功耗也由动态功耗切换为静态功耗[8]。故通过构建大功耗、普通功耗（分别对应模式1～模式5）等五种模式。实现电源管理优化来解决上述问题。

在模式1下各模块均正常工作，也可随时调整电压。模式2为低功耗模式，该模式通过对非必要部分进行断电操作和切换系统内核实现低功耗并保持运行。

模式3则是把频率系统时钟源由高向低切换并关闭除AON模块以外的所有时钟。模式4在模式3的基础上，关闭了部分带隙基准源，这也使得功耗进一步减小，但也使得唤醒时间更长。

在模式5中，将只有 LPLDO12以及LPLDO33 的线性稳压器和带隙基准源对应模块处于运行状态，但LPLDO12所对应的电源门控单元将会关闭。该模式下，芯片在非工作状态下可仅靠电池长时间单独保持供电。

在模式3、4、5下，系统工作状态的恢复需通过唤醒机制[9]。其中，RTC以及Timer方式需用户提前设置，到达时间自动唤醒；IO引脚产生中断是根据外界环境的变化，使得系统自动唤醒；电压比较器通过检测电源电压数值，再基于系统的具体供电情况自动唤醒。

2.4 上下电流程分析

模式切换以及系统的上下电过程也涉及到功耗损失问题，设置不同的电源状态模式，并进行切换。系统的电源状态主要是三种：NORMAL、LP_RUN 或者SLEEP，系统会在不同需求的情况下在三种状态之间切换。系统为电源供电时，上电完成后系统进入到NORMAL模式;而系统由电池供电时，上电完成后电源状态则进入LP_RUN状态。实施掉电操作时，在 NORMAL 状态和 LP_RUN 状态下都可以进入到 SLEEP 状态。在第一个过程中，系统会将相应部分实施复位操作，以及开启隔离单元的使能信号，同时将非必要保持正常运行的部分切换至低功耗模式从而完成状态的切换。而为了保证系统在上电过程操作时节约时间，进而减少能耗，可以保持能加快该过程完成速度的逻辑为运行状态，通过该操作就能实现此过程功耗收益最大化。

3 功耗优化设计

由于负载不同或者逻辑量问题带来的功率损耗，使用AVS和DVFS联合调压的方法来达到这一目的。

3.1 DVFS调压电路

DVFS调压电路主要是以查找表为主要工具的，用这种方法能够将温度、频率以及电压联系起来。详细的流程如图4所示。系统的频率信号是可以直接从频率寄存器处获得，而系统运行时的温度信息可以从温度传感器处获得，由这两个信息可以获取到DVFS查找表的位置，然后才能得到查找表中有用的信息。查找表中的信息主要包括五个部分，而通过RAM读取所得三部分为预测电压值信息、时序裕量预留码信息以及电压信息[12]。AVS电路调压是以三部分中的电压信息也就是安全电压为参照，生成相应的时序裕量码信息。在条件满足的情况下，预测电压值可直接作为参照，可以更加接近临界电压值，但需要注意的是此操作对于系统有着更高的要求，需要承担更高的风险，能够进一步减少功耗。

图4：DVFS调压方案

3.2 AVS调压电路

系统电压在经过DVFS调节之后，得到的电压信息是经过初步调整后的，但由于DVFS电压调节所使用的方法的不足，经过初步调节之后依然有许多不必要的时序裕量。而由于其他因素的影响，也会产生更多的时序裕量进而使得系统的动态功耗和静态功耗增多。而AVS调压电路正是为了解决上述问题。

在图5中，箭头部分表示系统电压的输入，将该电压首先输入RCP(Replicated Critical Path)电路，该电路能够首先电压信号的初步处理，主要包括将实际PVT偏差和老化效应等转换成时序偏差，再从该部分输出一个时序信息到同步电路中，再从同步电路中输出到裕量生成处理模块，通过该模块的处理后能够得到裕量时序信息，最后将处理得到的裕量码信息传输到DVFS调节电路的数据预处理模块中。

图5：AVS电路实现架构

在经过裕量生成处理模块之后，还需要对获取到的时序信号实施裕量码更新流程，通过流程中的一系列处理后便能实现裕量码的生成以及电压的调整。

3.3 RCP电路

RCP电路中对系统功耗影响最为明显的为裕量采样电路[13]。时序裕量信息采样电路如图6所示，该部分的电路也涉及到信息的采集以及同步，对应着相应的电路部分。在采样电路中，采样点的布置不是随机的，还需根据电路自身的结构特点以及实际工作需要灵活布置。经过采样电路工作后得到的不同采样点情况，得出了一系列以位置为重点变量的采样点。而采样电路设置的目的是为了将经过DVFS调压电路处理后的电压时序信息进一步精确，而该调压操作的目的便是为了优化供电电压值，因此大部分采样信息点是靠近理想值的，通过AVS调压电路的优化，时序电压信号达到了更高水平，系统的总功耗便得到了进一步优化。

图6：裕量信息采样电路

4 试验验证

4.1 VCS-XA 混仿

VCS-XA协同仿真在进行仿真实验时，VCS为仿真的主要工具，而联合仿真的目的是为了在模拟电路需要进行仿真实验时，能够通过调用特有XA(CustomSim)工具实现仿真目的。同时因为仿真实验的复杂性，需要仿真验证的对象并非单独，尤其在电路结构的仿真时，仿真环境选择尤为重要，因此选择以数字verilog为顶层的数模混合仿真环境。

4.2 AVS电路仿真

当AVS调压电路开始运作时，RCP电路所获取的电路信息会通过裕量码生成模块和数据处理模块两个步骤的处理，然后得到对应的控制信息，将控制信息输出后，再次执行该流程进行供电电压分析，仿真结果如图7所示。

图7：AVS电路调压功能

在RCP电路运行时，电路中的裕量码生成模块会不断生成rcp_data信号，每当该信号的信号值发生一次变化向着临界值不断靠近，就意味着AVS电路完成了一次 AVS电压调校的操作，具体如图8所示。

图8：AVS电路电压收敛情况

4.3 芯片测试结果

经过芯片测试，得主逻辑域内的电压由初始上电的1.2V默认工作电压下降到1.03V，对应的功耗与默认工作下的功耗相比主逻辑电源域的功耗相对于在1.2V工作情况下时降低了28.57%。在不同的电路结构下，也不难得到各供电电压均得到了优化，各优化值存在0.83V、0.87V、0.95V、1.13V等多种状态，对应的不同逻辑部分的功耗降低了60.3%、51.59%、40.48%以及 12.7%等。

5 结语

综上，本文设计的低功耗电源系统通过对电源系统进行模式划分并且优化，结合DVFS和AVS联合调压电路对系统供电电压实时进行调整，在不影响系统正常运行的前提下，实现在不同的模式下大幅度地降低系统功耗，满足了系统的功耗收益要求。本设计虽能为电源系统实现较好的功耗收益，但未对系统负载十分复杂的情况进行讨论，在这种情况下要求系统的功率和功率密度达到较高水平，因此本设计应在该部分进行改进设计。