使用动态电压和频率调节来节省系统电池电量需求

移动设备消耗的能量是开关能量和泄漏能量的组合。当开关能量占主导地位时，降低电源电压电平可有效降低总功耗，因为开关能量与电源电压的平方成正比。

动态电压和频率调节 (DVFS) 可根据工作频率要求控制电源电压，对此目的特别有效。

工作频率

在下面的图 1中，实心黑色曲线显示了 DVFS 下能耗对工作频率的依赖关系。这里，工作频率随着电源电压的降低而单调降低。

当工作频率高于电源电压（Vopt）的能量点（MEP）时，能耗随着工作频率的降低而减少。然而，当运行频率低于 MEP 的运行频率时，能耗会随着运行频率的降低而增加。

当电源电压接近LSI晶体管的阈值电压时，即使是微小的变化也会导致工作频率发生很大的变化。在这种情况下，由于工作时间增加而导致的泄漏能量的增加将超过由电源电压降低导致的开关能量的任何减少，因此总能量将增加。

在这种情况下，仅靠 DVFS 不足以降低能耗。然而，所提出的将 DVFS 与功率门控相结合的技术（一种减少漏电的技术，其中插入在电源和目标电路之间的电源开关在目标电路空闲时间内关闭）被证明更为有效。

通过 DVFS 和功率门控的组合，当所需频率低于 MEP 的频率时，目标电路在 Vopt 下工作，并且通过空闲时间期间的功率门控来减少泄漏能量。

尽管较高的电源电压会导致开关能量增加，但由于泄漏能量的减少，总能量比单独的 DVFS 减少了更多（参见下面图 1 中的红色实线，其中也显示了该方案的框图）。

图 1：实心黑色曲线显示 DVFS 下的能耗与运行频率的关系。

MEP 监视器确定用于化能耗的 Vopt，延迟监视器确定满足频率要求所需的电源电压值，并向调节器输出控制信号，调节器通过向目标电路提供适当的电压来做出响应。

当确定的电源电压低于Vopt时，MEP监视器禁用控制信号，并且电源电压维持在Vopt。当目标电路工作在Vopt时，MEP监视器还使电源门控控制器能够控制电源开关，以减少空闲时间的泄漏能量。MEP监视器控制整个系统以化操作能量，是该方案的关键组件。

虽然能量减少在很大程度上取决于确定 Vopt 的准确程度，但这里的准确性并不容易，因为 Vopt 在很大程度上取决于泄漏电流，而泄漏电流又取决于温度、电源电压和其他因素。已经提出了许多不同的方法来解决这个问题。

传统与新型

一种方法是根据目标电路在不同电源电压电平下的实际能耗测量来确定 Vopt，并选择能耗少的电压。由于目标电路本身用作能量监视器，因此该方案相对于 MEP 而言具有很高的度，但在监视器操作期间必须暂停电路操作。

另一种传统方法是使用理论方程。例如，的一种方法是基于 MEP 处的 delta Eall/delta VDD = 0 的事实。在这种方法中，Vopt 表示为方程 2。

不幸的是，这种方法似乎并不适合电路实现，因为它包括一个参数n，该参数n对电源电压的依赖性是非线性的。NEC 设计了一种确定 Vopt 的新方法，该方法由简单的组件组成，适合电路实现。

与以前的方法相比，这种新技术允许同时进行监控操作和电路操作，并且已被证明是可行的。它基于 MEP 处 deltaEall VDD = 0 的事实，其中 Eall 表示为上面图 1中的公式 1 。

请注意，(IL1T1-IL2T2)/Delta V 替换为 delta ILT)/deltaVDD 等式的微分。然后可以通过近似推导公式 3，其中 Delta V 远小于 VDD。IL1 和 T1 分别是 VDD 时的漏电流和关键路径延迟，而 IL2 和 T2 是 VDD-Delta V 时的漏电流和关键路径延迟。由于漏电流和关键路径延迟都可以用监视器测量，因此公式 3 适用于电路实现。

根据公式 3，我们可以确定 Vopt 如下： 它的右边等于电容器的电压，该电容器初充电至 VDD，然后用 IL1 额外充电 T1 时间，并用 IL2 放电 T2 时间，其中电容器的电容是目标电路的开关电容和开关活动的乘积。对于给定的 VDD，如果电容器的电压等于 VDD-Delta V，则该 VDD 将是化能耗的电压。

图 2：所示为建议的电压确定器和测量结果

电路实现

上面的图 2 显示了用于确定 Vopt 的电路。这是一个非常简单的电路，由一个电容为 alpha x C0 的可变电容器组成；两个漏电流发生器，每个包含目标电路的复制品；两个脉冲发生器，每个包含目标电路的关键路径复制品；一个比较器；和三个开关。IL1 和 IL2 分别从两个漏电流发生器流出或流入两个漏电流发生器。

SW1、SW2和SW3打开分别对电容器进行初始充电、附加充电和放电。为了打开 SW2 和 SW3，脉冲发生器分别产生脉冲宽度为 T1 和 T2 的信号。

采用90nm CMOS技术制造了测试芯片来评估电路的有效性以及DVFS与功率门控的结合。目标电路是一个 101 级环形振荡器，由两个 FO = 4 的输入与非门组成。

图 2 显示了目标电路的能量对电源电压的依赖性，以及由确定器电路确定的点，其中 Delta V = 20mV。曲线代表开关活性为0.1条件下的三个温度（25℃、75℃和125℃）。

该电路在所有条件下都能准确地确定 MEP 实际电压值 50mV 以内的电压。图 2 还显示，在 125°C 且 Vopt=0.67V 的情况下，采用 40MHz 功率门控的 Vopt 操作可实现 52.8% 的能耗降低，比仅使用 5MHz DVFS 实现的能耗还要高。