【摘要】：隨著集成電路工藝特征尺寸的減小,集成電路功率密度越來越大,散熱器體積龐大且價(jià)格昂貴。降低集成電路的能耗成為降低電子產(chǎn)品能耗的重要方面。動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)(Dynamic Voltage Scaling,DVS)技術(shù)可以通過降低數(shù)字集成電路的供電電壓使其消耗的能量平方倍地降低。但是,為了使數(shù)字負(fù)載在不同的工藝偏差、電壓波動(dòng)和溫度變化(Process,Voltage,Temperature,PVT)情況下都能正常工作,DVS提供給負(fù)載的電壓留有較大裕度,這勢必造成能量的浪費(fèi)。而自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)(Adaptive Voltage Scaling,AVS)技術(shù)可以根據(jù)數(shù)字負(fù)載PVT的變化自適應(yīng)地調(diào)節(jié)供電電壓,減小電壓裕度,實(shí)現(xiàn)相比DVS技術(shù)更大程度的節(jié)能。本論文對(duì)AVS技術(shù)進(jìn)行了研究,包括脈沖跨周期調(diào)制(Pulse Skip Modulation,PSM)自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)技術(shù)、基于二分頻率搜索(Binary Frequency Searching,BFS)的全數(shù)字鎖相環(huán)(All-Digital Phase-Locked Loop,ADPLL)、功率變換器的自適應(yīng)占空比跨周期(Adaptive Duty ratio with Pulse Skip,ADPS)調(diào)制技術(shù)、ADPS自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)技術(shù)、亞閾區(qū)最小能量追蹤(Minimum Energy Point Tracking,MEPT)電壓調(diào)節(jié)技術(shù)幾個(gè)方面,提出了相應(yīng)解決方案,以更小芯片面積、更低功耗的控制電路,實(shí)現(xiàn)數(shù)字負(fù)載的低功耗工作與高效率供電。本論文的主要工作和創(chuàng)新包括:(1)提出PSM自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)技術(shù)。給出了PSM自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)變換器的工作原理、電路參數(shù)設(shè)計(jì)及仿真結(jié)果。PSM自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)變換器通過比較關(guān)鍵路徑延遲時(shí)間和工作時(shí)鐘周期,實(shí)現(xiàn)數(shù)字負(fù)載的自適應(yīng)供電。PSM自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)變換器具有控制電路結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)速度快、輕負(fù)載下效率高、可全數(shù)字實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。在0.13μm CMOS工藝下的仿真結(jié)果顯示,當(dāng)數(shù)字負(fù)載工作頻率在25MHz-100MHz范圍內(nèi)變化時(shí),PSM自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)變換器的輸出電壓可以在0.7V-1.5V范圍內(nèi)自適應(yīng)地調(diào)節(jié)。本論文同時(shí)提出了一種基于BFS的全數(shù)字鎖相環(huán),給PSM自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)變換器系統(tǒng)提供頻率可變的時(shí)鐘。本論文分析了數(shù)字控制振蕩器(Digitally Controlled Oscillator,DCO)延遲粗調(diào)和細(xì)調(diào)對(duì)鎖相環(huán)輸出時(shí)鐘頻率的影響。在DCO時(shí)鐘頻率的粗調(diào)和細(xì)調(diào)過程中,使用了二分頻率搜索方法,復(fù)用了同樣的控制電路。在0.13μm CMOS工藝下,所實(shí)現(xiàn)的基于BFS的全數(shù)字鎖相環(huán)芯片面積僅為0.043mm2,輸出頻率為115.8MHz時(shí)功耗為2.7mW。(2)提出功率變換器的ADPS調(diào)制技術(shù)。ADPS調(diào)制技術(shù)根據(jù)開關(guān)周期開始時(shí)輸出電壓與參考電壓的誤差自適應(yīng)地改變控制脈沖的占空比:出現(xiàn)較大的電壓誤差時(shí),變換器使用較大占空比的控制脈沖;出現(xiàn)較小的電壓誤差時(shí),變換器使用較小占空比的控制脈沖。能使變換器工作于斷續(xù)導(dǎo)通模式(Discontinuous Conduction Mode,DCM)的所有占空比均可用于控制。與傳統(tǒng)PSM技術(shù)相比,ADPS控制的DC-DC變換器能實(shí)現(xiàn)更小的輸出電壓紋波;與PWM(Pulse Width Modulation,脈沖寬度調(diào)制)技術(shù)相比,由于輕負(fù)載下可以產(chǎn)生跨周期,ADPS控制的DC-DC變換器能實(shí)現(xiàn)更高的功率變換效率。同時(shí),ADPS調(diào)制技術(shù)具有優(yōu)異的快速瞬態(tài)響應(yīng)特性。(3)提出ADPS自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)技術(shù)。通過對(duì)數(shù)字負(fù)載關(guān)鍵路徑延遲的監(jiān)控,在ADPS控制電路作用下,產(chǎn)生不同占空比的控制脈沖,實(shí)現(xiàn)對(duì)變換器輸出電壓的調(diào)節(jié)。在0.13μm CMOS工藝下,設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一款A(yù)DPS自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)控制器,芯片面積僅為0.003mm2。在變換器開關(guān)頻率為1.5MHz,負(fù)載時(shí)鐘頻率為40MHz時(shí),AVS控制器功耗為17.2μW。當(dāng)數(shù)字負(fù)載工作頻率在25.6MHz-112.6MHz范圍內(nèi)變化時(shí),其供電電壓可以在0.84V-1.95V范圍內(nèi)自適應(yīng)地調(diào)節(jié),最高可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能81%。ADPS自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)控制器具有電路結(jié)構(gòu)簡單、占用芯片面積小、功耗低、可全數(shù)字實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。(4)提出基于功率管導(dǎo)通時(shí)間控制的亞閾區(qū)最小能量追蹤電壓調(diào)節(jié)技術(shù)。該技術(shù)同時(shí)考慮數(shù)字負(fù)載消耗的動(dòng)態(tài)能量和漏能量,實(shí)現(xiàn)負(fù)載電路總能量消耗最小化。在0.13μm CMOS工藝下設(shè)計(jì)了一款最小能量追蹤電壓調(diào)節(jié)DC-DC變換器。仿真結(jié)果顯示,變換器能在0.2V-0.9V電壓范圍內(nèi)找到負(fù)載的最小能量消耗點(diǎn)工作電壓。使用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)能量采樣,具有更好的工藝兼容性;隨著集成電路工藝特征尺寸的減小,所提出的最小能量追蹤電壓調(diào)節(jié)技術(shù)可以用更小的芯片面積實(shí)現(xiàn)。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：TM46

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 王華;應(yīng)晶;蔣濤;;基于審查不確定性的預(yù)見式軟件自適應(yīng)[J];浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版);2010年01期

2 張?zhí)扉_;;自適應(yīng)PID控制算法及應(yīng)用[J];青島建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào);1990年01期

3 湯清明;;自適應(yīng)輸出跟隨控制及應(yīng)用[J];三峽大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);1993年01期

4 賈欣樂,楊承恩,顏德文;自適應(yīng)舵控制策略[J];大連海運(yùn)學(xué)院學(xué)報(bào);1993年02期

5 周海濤;周建華;杭小宇;;基于自適應(yīng)模糊PID控制方法的研究[J];機(jī)械工程與自動(dòng)化;2014年03期

6 潘柏松,劉紅,馮曉斐;基于功能單元的產(chǎn)品自適應(yīng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)研究[J];機(jī)械;2001年03期

7 陳光達(dá),段寶巖,保宏,仇原鷹;非線性不確定系統(tǒng)的自適應(yīng)反饋控制方法[J];工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置;2004年05期

8 盧志剛,易之光,趙翠儉,李兵,吳士昌;一種新型的自適應(yīng)逆擾動(dòng)消除器[J];儀器儀表學(xué)報(bào);2004年S1期

9 任蘭芳;周華春;秦雅娟;張宏科;;自適應(yīng)移動(dòng)IPv6切換時(shí)延優(yōu)化的研究[J];北京交通大學(xué)學(xué)報(bào);2006年05期

10 唐斌;董緒榮;;小波多分辨率分析及其在自適應(yīng)消噪中的應(yīng)用[J];裝備指揮技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào);2007年01期

相關(guān)會(huì)議論文 前10條

1 盧志剛;易之光;趙翠儉;李兵;吳士昌;;一種新型的自適應(yīng)逆擾動(dòng)消除器[A];第二屆全國信息獲取與處理學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C];2004年

2 黃鶴;張丹;于偉東;嚴(yán)灝景;;功能自適應(yīng)紡織品[A];第七屆功能性紡織品及納米技術(shù)應(yīng)用研討會(huì)論文集[C];2007年

3 王蓬;宋明玉;張林芳;王新遠(yuǎn);;廣義自適應(yīng)相干累積算法改進(jìn)及其在線譜增強(qiáng)中的應(yīng)用[A];中國聲學(xué)學(xué)會(huì)2007年青年學(xué)術(shù)會(huì)議論文集（上）[C];2007年

4 于慧君;陳章位;;道路模擬試驗(yàn)自適應(yīng)時(shí)域復(fù)現(xiàn)控制方法研究[A];第九屆全國振動(dòng)理論及應(yīng)用學(xué)術(shù)會(huì)議論文摘要集[C];2007年

5 路迎晨;李兵;;一類自適應(yīng)預(yù)測算法的全局收斂性[A];04'中國企業(yè)自動(dòng)化和信息化建設(shè)論壇暨中南六省區(qū)自動(dòng)化學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì)專輯[C];2004年

6 陳博;方濱興;云曉春;;一種自適應(yīng)的蠕蟲檢測和遏制方法的研究[A];全國網(wǎng)絡(luò)與信息安全技術(shù)研討會(huì)'2005論文集（上冊(cè)）[C];2005年

7 李國;張心珂;楊國慶;高慶吉;;一種自適應(yīng)的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)實(shí)時(shí)跟蹤算法[A];2006年首屆ICT大會(huì)信息、知識(shí)、智能及其轉(zhuǎn)換理論第一次高峰論壇會(huì)議論文集[C];2006年

8 楊寒光;;電子地圖中的自適應(yīng)注記[A];工程設(shè)計(jì)與計(jì)算機(jī)技術(shù)：第十五屆全國工程設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)應(yīng)用學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C];2010年

9 孟宏;劉玉;;基于復(fù)調(diào)制的自適應(yīng)細(xì)化譜算法[A];2008中國儀器儀表與測控技術(shù)進(jìn)展大會(huì)論文集（Ⅰ）[C];2008年

10 王平;馮海朋;李勇;康燕;;一種工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)節(jié)能機(jī)制[A];2009中國儀器儀表與測控技術(shù)大會(huì)論文集[C];2009年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前10條

1 史曉雨;數(shù)據(jù)中心中自適應(yīng)綠色控制技術(shù)研究及其應(yīng)用[D];電子科技大學(xué);2015年

2 陳思佳;非均勻強(qiáng)雜波下的目標(biāo)檢測問題研究[D];電子科技大學(xué);2014年

3 李航標(biāo);基于數(shù)字負(fù)載最小能耗的自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)技術(shù)研究[D];電子科技大學(xué);2014年

4 王勝春;自適應(yīng)時(shí)頻分析技術(shù)及其在故障診斷中的應(yīng)用研究[D];山東大學(xué);2007年

5 劉亞;復(fù)雜非線性系統(tǒng)的智能自適應(yīng)重構(gòu)控制[D];南京航空航天大學(xué);2003年

6 馬國成;車輛自適應(yīng)巡航跟隨控制技術(shù)研究[D];北京理工大學(xué);2014年

7 吳禮福;脈沖噪聲自適應(yīng)有源控制算法研究[D];南京大學(xué);2012年

8 梁凌宇;人臉圖像的自適應(yīng)美化與渲染研究[D];華南理工大學(xué);2014年

9 葉鎮(zhèn)清;自適應(yīng)聚類算法挖掘網(wǎng)絡(luò)模塊結(jié)構(gòu)及其在酵母蛋白作用網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用[D];浙江大學(xué);2008年

10 伍宇;移動(dòng)計(jì)算中自適應(yīng)負(fù)載轉(zhuǎn)移決策模型研究[D];復(fù)旦大學(xué);2012年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 趙昆鵬;管道實(shí)時(shí)在線自適應(yīng)仿真技術(shù)研究[D];西安石油大學(xué);2015年

2 呂鋮杰;串聯(lián)彈性關(guān)節(jié)控制與交互剛度辨識(shí)[D];浙江大學(xué);2015年

3 王波;兩種基于萬有引力定律自適應(yīng)算法[D];渤海大學(xué);2015年

4 韋翔鴻;雷達(dá)定量降水估測自適應(yīng)優(yōu)化算法研究[D];南京信息工程大學(xué);2015年

5 查志遠(yuǎn);自適應(yīng)范數(shù)約束圖像正則化重建研究[D];昆明理工大學(xué);2015年

6 李威;射頻一體式EAS抗干擾研究與設(shè)計(jì)[D];鄭州大學(xué);2015年

7 費(fèi)強(qiáng);多功能自適應(yīng)偽裝裝置的研究與設(shè)計(jì)[D];南京理工大學(xué);2015年

8 張寧;圖像引導(dǎo)的體外自適應(yīng)放療在宮頸癌治療中的應(yīng)用研究[D];安徽醫(yī)科大學(xué);2015年

9 王帥;基于自適應(yīng)重啟的壓縮感知算法[D];華中師范大學(xué);2015年

10 劉金榮;種子流視覺檢測系統(tǒng)自適應(yīng)標(biāo)定的軟件研制[D];山西農(nóng)業(yè)大學(xué);2015年

，

本文編號(hào)：2466515