CN102931842A - 芯片动态调压电路和终端设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种芯片动态调压电路和终端设备。该调压电路包括：参数检测模块，用于检测芯片的属性参数；PWM信号生成模块，用于根据属性参数产生对应的PWM数字信号，且通过低通滤波器将PWM数字信号转换成为具有直流电压的模拟信号；供电模块，包括DC-DC转换器或低压差线性稳压器，其中的误差放大器的反馈输入端分别连接至PWM信号生成模块的信号输出端和所述调压电路的电压输出端，用于根据反馈的所述模拟信号和所述调压电路的电压输出端的反馈信号调整输出电压。本发明能够利用已有的供电电路结构，基于芯片属性参数的变化，以PWM数字信号转换而成的模拟信号精确调整输出电压的大小，从而能够以较低的成本实现芯片动态调压，避免功耗浪费。

Description

芯片动态调压电路和终端设备
技术领域
本发明实施例涉及电气技术，尤其涉及一种芯片动态调压电路和终端设备。
背景技术
随着***级芯片（System On Chip，简称SOC）的集成度和速度的不断提高，芯片的内核（core）电源电流越来越大，芯片功耗占据了芯片所在***整机功耗的大部分比例。因此，如果能降低芯片内核电源的功耗，会对整机功耗降低有很大的收益。
降低芯片内核功耗的途径之一就是为芯片提供匹配的电源电压，避免过高电压导致的功耗。目前，芯片的工艺偏差会导致芯片内核电压的需求不同，如，根据芯片中半导体材质的生长速度的差异，芯片分为SS、TT和FF等不同类型，不同工艺类型的芯片所需的内核电压不同。制造者为了尽量减少芯片良率的损失，一般发布的芯片内核电压会偏高以满足最低芯片内核电压的工作条件，如内核电压满足SS芯片的工作条件时需要偏高。这个电压对TT和FF芯片来说是过要求的，导致它们的功耗增加。所以，采用固定芯片内核电压的产品就存在一定的功耗浪费。
为了降低芯片内核功耗，现有技术提出了动态调整供给给芯片的电源电压的技术。现有技术采用供电管理单元（Power Management Unit，简称PMU）为SOC芯片供电，可利用PMU与SOC芯片之间的I2C总线或SPI总线，以SOC芯片中的CPU产生数字控制信号，反馈至PMU的数字控制接口，以调整PMU的输出电压来实现动态调压。但是，此方案的成本高，由于需要在PMU中增设数字信号处理的逻辑电路，所以具备动态调压功能的PMU的成本一般比同规格的DC/DC转换器成本至少高出30%。
发明内容
本发明实施例提供一种芯片动态调压电路和终端设备，以实现对芯片的电源电压进行动态调整来降低芯片内核功耗，且降低产品成本。
本发明实施例提供了一种芯片动态调压电路，包括：
参数检测模块，用于检测芯片的属性参数；
PWM信号生成模块，用于根据检测到的属性参数产生对应的PWM数字信号，且通过低通滤波器将所述PWM数字信号转换成为具有直流电压的模拟信号；
供电模块，包括DC-DC转换器或低压差线性稳压器，所述DC-DC转换器或低压差线性稳压器包括误差放大器，所述误差放大器的反馈输入端分别连接至PWM信号生成模块的信号输出端和所述调压电路的电压输出端，用于根据反馈的所述PWM数字信号转换而成的模拟信号和所述调压电路的电压输出端的反馈信号调整输出电压。
本发明实施例还提供了一种终端设备，包括芯片，还包括本发明任意实施例所提供的芯片动态调压电路。
本发明实施例提供的芯片动态调压电路，能够利用包括误差放大器的已有供电电路结构，基于芯片属性参数的变化，以PWM数字信号对应的模拟信号精确调整输出电压的大小，从而能够以较低的成本实现芯片动态调压，避免功耗浪费。
附图说明
图1为本发明实施例一提供的芯片动态调压电路的结构示意图；
图2所示为模拟电平与PWM数字信号的对应关系示意图；
图3为本发明实施例二提供的芯片动态调压电路的结构示意图；
图4为本发明提供的一芯片动态调压电路实例的结构示意图；
图5为本发明提供的另一芯片动态调压电路实例的结构示意图。
具体实施方式
实施例一
图1为本发明实施例一提供的芯片动态调压电路的结构示意图，该电路适用于为设有SOC芯片的***进行供电，且具备动态调压能力。该电路具体包括：参数检测模块10、PWM（脉冲宽度调制，Pulse-Width Modulation）信号生成模块和供电模块30。其中，参数检测模块10用于检测芯片100的属性参数，可设置在芯片100中，也可以独立于芯片100设置，只要能完成参数检测功能即可；PWM信号生成模块用于根据检测到的属性参数产生对应的PWM数字信号，且通过低通滤波器将所述PWM数字信号转换成为具有直流电压的模拟信号；供电模块30，包括DC-DC转换器或低压差线性稳压器（LowDropOut regulator，简称LDO），所述DC-DC转换器或LDO包括误差放大器31，误差放大器31的反馈输入端分别连接至PWM信号生成模块的信号输出端和调压电路的电压输出端，用于根据反馈的PWM数字信号转换而成的模拟信号和所述调压电路的电压输出端的反馈信号调整输出电压Vout。
本实施例的供电电路，可以直接采用DC-DC转换器或LDO转换器，此类供电电路的主要结构包括误差放大器31和电压输出电路32。
误差放大器31的同相输入端连接基准电压源Vref，误差放大器31的反相输入端作为反馈输入端，与PWM信号生成模块相连以接收PWM数字信号转换而成的模拟信号，误差放大器31用于输出反馈输入端所输入电压与基准电压源之间的电压差值，即模拟信号和输出电压，与基准电压源之间的电压差值；电压输出电路40的输入端与误差放大器31的输出端相连以获取所述电压差值，并根据所述电压差值对输入电压Vin进行调整后作为输出电压提供至所述芯片100，且所述输出电压反馈至所述误差放大器31的反相输入端，作为反馈电压Vfb。
本发明实施例中，所检测的芯片属性参数，是能够影响芯片内核电压需求的参数，例如芯片的工艺参数、芯片所运行的场景情况等。根据芯片的属性参数可以获取对应的输出电压。属性参数与输出电压的对应关系可以为设定映射关系，通过设计人员的经验和试验，预先测定不同的芯片属性参数对应的***所需供给电压。而后将确定的电压值以具有设定占空比的PWM数字信号形式来标识，再将PWM数字信号转换成为具有直流电压的模拟信号。
即PWM信号生成模块优选是包括数字模拟转换单元21、PWM信号生成器22和低通滤波器（Low-Pass Filter，简称LPF）23，如图1所示，还根据需要包括分压电阻R3。数字模拟转换单元21用于基于设定的映射关系，将检测到的属性参数转换成为对应的电压；PWM信号生成器22用于根据电压生成具有对应占空比的PWM数字信号；LPF 23用于将PWM数字信号转换成为具有直流电压的模拟信号。LPF 23可以选择多种形式，典型地是采用RC构成低通滤波器，如图1所示。
众所周知，PWM是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有(ON)，要么完全无(OFF)。电压或电流源是以一种通(ON)或断(OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码，通过PWM数字信号高电平的占空比来对应不同的模拟值，如图2所示为模拟电平与PWM数字信号的对应关系示意图。
本实施例的技术方案，能够利用误差放大器和电压输出电路等已有芯片供电电路，增设PWM数字信号转换而成的模拟信号作为反馈控制信号来动态调整供给给芯片所在***的电压，从而避免过电压的功耗浪费。
在已有的芯片供电电路中，通常会设置DC-DC转换器或LDO转换器，根据需求将输入电压进行升压或降压操作，且同时对输入电压进行稳压操作。此类转换器均包括误差放大器，误差放大器的同相输入端连接一基准电压源Vref，反向输入端连接反馈电压Vfb，即从输出电压处反馈回来的电压。可进一步通过一输出电压采样电路来获得反馈电压，输出电压采样电路用于将输出电压进行分压后反馈至所述误差放大器的反相输入端。如图1所示，输出电压采样电路典型地是包括两个分压电阻R1和R2。则经过电压输出电路40的转换和稳压处理后，输出电压Vout会基于下述公式进行微调，得到一稳定的电压输出：
Vout=Vref·(1+R1/R2)
本发明实施例的技术方案，利用了误差放大器和电压输出电路的电路结构，进一步设置了PWM信号生成模块，PWM数字信号转换而成的模拟信号Vpwm是按照一定占空比变化的直流电压信号，也相当于输出电压的反馈值，能够通过误差放大器和电压输出电路对输出电压进行调整。则本发明实施例的输出电压Vout按照如下公式确定：
Vout=Vref·(1+R1/R2)+(Vref-Vpwm)(R1/(R3+R4))
=Vout base+(Vref-Vpwm)(R1/(R3+R4))
此情况下，可能输出电压本身并未波动变化，而是由于芯片工艺等属性参数的变化导致芯片内核电压需求的变化，而控制调整输出电压的变化。通过上述公式可以看出，Vref、R1、R2、R3和R4均为常量，所以输出电压Vout由PWM数字信号转换而成的模拟信号Vpwm进行控制。
本发明实施例的技术方案，能够实现芯片的动态调压，且成本较低，既无需增加供电电路的成本，在芯片侧的改进也可以通过软件来实现。PWM信号生成器可以增设，或利用芯片所在***中的已有的PWM信号生成器即可。
实施例二
图3为本发明实施例二提供的芯片动态调压电路的结构示意图，本实施例中的参数检测模块包括芯片工艺监测器（PVT Monitor）11，用于检测芯片100的工艺属性参数。芯片工艺监测器11可利用已有技术对芯片工艺进行检测，主要是检测芯片100的工艺值，例如，FF、TT或SS型的芯片具有不同的工艺值，按照一定的数值范围划分。
PWM信号生成模块中，数字模拟转换单元用于基于设定的映射关系，将检测到的属性参数转换成为对应的电压，此功能可以通过芯片中已有的CPU来以软件形式实现。本领域技术人员可知常规PWM信号生成器的结构，此处不再赘述。
本实施例中具体采用DC-DC转换器或LDO转换器，再配合***电路来实现误差放大器31和电压输出电路。在转换器中可以根据需求设置其他的控制电路50来实现其他功能，本实施例并不对此进行限定。
本实施例中，电压输出电路优选是包括LC电路和开关晶体管42。其中，LC电路的电容C用于为所述芯片100提供所述输出电压，LC电路构成常规的低通滤波器，能够以相当小的波纹输出电压；开关晶体管42的控制端与误差放大器31的输出端相连，在所述电压差值的控制下导通或断开所述LC电路。如图3所示，LC电路由NMOS（N-Mental-Oxide-Semiconductor，N型金属-氧化物-半导体）晶体管控制。PWM数字信号转换而成的模拟信号的占空比将影响误差放大器输出的电压差值，电压差值可控制NMOS晶体管的通断，从而利用LC电路调整输出电压。由PWM数字信号转换而成的模拟信号作为反馈信号，能够迅速地控制开关晶体管的通断，使得输出电压的动态调压响应更快。
本实施例中，芯片动态调压电路的工作过程如下：
当PVT Monitor上电后检测到SOC芯片的工艺属性参数，将值反馈给CPU；
CPU根据反馈值确定电压，通过设定PWM数字信号的占空比对电压进行数字编码；
PWM数字信号由PWM生成器产生后，通过低通滤波器后，输出直流电压形式的模拟信号到DC-DC转换器或LDO转换器的反馈引脚，即连接至误差放大器的反向输入端；
通过分压电阻R1和R2，以及模拟信号传输电路中连接的电阻R3、R4，基准电压源Vref，LPF的参数及模拟信号的占空比共同决定输出电压的大小，其中，R1、R2、R3、R4、Vref和LPF的参数一般是常量，所以输出电压的动态变化由模拟信号的占空比来控制。
本实施例的技术方案相对于已有技术未增加成本，或仅增加了RC滤波电路的成本，所以实现成本非常低。
本发明实施例中的参数检测模块并不限于采用PVT monitor，参数检测模块还可以包括场景监测器（SCENE monitor）12，如图4所示，用于检测芯片所在设备的场景状态属性参数。或者同时包括芯片工艺监测器和场景监测器（SCENE+PVT monitor）13，如图5所示。所谓场景状态属性参数，是芯片所在***的状态参数，例如，设置有芯片的手机，其可以工作在多种场景下，如视频播放、音频播放、待机、文档阅览等，***在同一时间处理的业务量的差异也属于场景状态属性参数。在不同的场景状态下芯片内核电压需求也不相同，***的供电需求不同，可以据此控制输出电压的动态调整。所以，可以根据实际需求确定会影响芯片内核电压的各类状态参数作为场景状态属性参数。
本发明实施例还提供了一种终端设备，其包括芯片和本发明任意实施例所提供的芯片动态调压电路。该终端设备是包括芯片的***的具体形式之一，例如手机、平板电脑等，其能够在成本基本不增加的前提下，实现了SOC内核电压动态变化，有效降低产品整机功耗。
随着低功耗和绿色概念的发展，消费类电子产品对功耗要求越来越高，低成本降低功耗的方案会在很多领域得到批量应用。本技术方案可以应用到任何使用了SOC芯片，且SOC芯片内部集成了PVT Monitor、SCENE monitor或者类似功能，有多种工作模式，不同工作模式可对应不同电压的产品领域。
本领域普通技术人员可以理解：实现上述各方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成。前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中。该程序在执行时，执行包括上述各方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种芯片动态调压电路，其特征在于，包括：
参数检测模块，用于检测芯片的属性参数；
脉冲宽度调制PWM信号生成模块，用于根据检测到的属性参数产生对应的PWM数字信号，且通过低通滤波器将所述PWM数字信号转换成为具有直流电压的模拟信号；
供电模块，包括DC-DC转换器或低压差线性稳压器，所述DC-DC转换器或低压差线性稳压器包括误差放大器，所述误差放大器的反馈输入端分别连接至PWM信号生成模块的信号输出端和所述调压电路的电压输出端，用于根据所述PWM数字信号转换而成的模拟信号和所述调压电路的电压输出端的反馈信号调整输出电压。
2.根据权利要求1所述的芯片动态调压电路，其特征在于，所述参数检测模块包括：
芯片工艺监测器，用于检测所述芯片的工艺属性参数；和/或
场景监测器，用于检测芯片所在设备的场景状态属性参数。
3.根据权利要求1所述的芯片动态调压电路，其特征在于，所述PWM信号生成模块包括：
数字模拟转换单元，用于基于设定的映射关系，将检测到的属性参数转换成为对应的电压；
PWM信号生成器，用于根据所述电压生成具有对应占空比的PWM数字信号；
低通滤波器，用于将所述PWM数字信号转换成为具有直流电压的模拟信号。
4.根据权利要求1所述的芯片动态调压电路，其特征在于，所述DC-DC转换器或低压差线性稳压器包括：
所述误差放大器，所述误差放大器的同相输入端连接基准电压源，所述误差放大器的反相输入端作为所述反馈输入端，所述误差放大器用于输出电压差值，所述电压差值为所述反馈输入端所输入电压与基准电压源之间的电压差值；
电压输出电路，所述电压输出电路的输入端与误差放大器的输出端相连以获取所述电压差值，并根据所述电压差值对输入电压进行调整后作为输出电压提供至所述芯片。
5.根据权利要求4所述的芯片动态调压电路，其特征在于，还包括：
输出电压采样电路，用于将所述输出电压进行分压后反馈至所述误差放大器的反相输入端。
6.根据权利要求1-5任一所述的芯片动态调压电路，其特征在于，所述电压输出电路包括：
LC电路，所述LC电路的电容用于为所述芯片提供所述输出电压；
开关晶体管，所述开关晶体管的控制端与所述误差放大器的输出端相连，在所述电压差值的控制下导通或断开所述LC电路。
7.一种终端设备，包括芯片，还包括权利要求1-6任一所述的芯片动态调压电路。
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