[论文解读] A Model Study of an All-Digital, Discrete-Time and Embedded Linear Regulator.

Saad Bin Nasir, Arijit Raychowdhury|arXiv (Cornell University)|Jan 3, 2015

Low-power high-performance VLSI design参考文献 2被引用 5

一句话总结

本文提出了一种全数字、离散时间、嵌入式线性调节器，专为数字集成电路中的超细粒度电源管理而设计。该调节器采用数字合成控制环路，并通过参数优化实现快速瞬态响应和稳定性，可在无需模拟元件的情况下实现紧凑且可扩展地集成于逻辑模块中。

ABSTRACT

With an increasing number of power-states, finer- grained power management and larger dynamic ranges of digital circuits, the integration of compact, scalable linear-regulators embedded deep within logic blocks has become important. While analog linear-regulators have traditionally been used in digital ICs, the need for digitally implementable designs that can be synthesized and embedded in digital functional units for ultra fine- grained power management has emerged. This paper presents the circuit design and control models of an all-digital, discrete-time linear regulator and explores the parametric design space for transient response time and loop stability.

研究动机与目标

• 应对由于电源状态和动态范围不断增加，对数字逻辑模块内紧凑、可扩展电源调节日益增长的需求。
• 通过实现完全数字、可综合的设计，克服传统模拟线性调节器在深亚微米数字集成电路中的局限性。
• 通过在功能单元级别集成嵌入式、数字控制的线性调节器，实现超细粒度电源管理。
• 表征离散时间数字控制架构中瞬态响应时间和环路稳定性的参数设计空间。
• 开发一种支持自动化综合并可集成到数字功能单元中的控制模型。

提出的方法

• 使用数字信号处理技术设计全数字、离散时间控制环路，用于线性调节器反馈。
• 实现一种数字合成控制器，采用量化控制信号，以在离散时间域内调节输出电压。
• 使用差分方程将调节器建模为离散时间系统，以表示控制动态。
• 应用数字控制理论分析和调节环路稳定性，重点关注极点-零点位置和相位裕量。
• 针对负载变化下的快速瞬态响应和最小超调，优化控制器参数。
• 将调节器作为紧凑且可综合的模块集成到数字功能单元中，用于嵌入式电源管理。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何设计一种全数字、离散时间线性调节器，以支持数字集成电路中的超细粒度电源管理？
• RQ2 在数字实现的调节器中，瞬态响应时间与环路稳定性之间的关键设计权衡是什么？
• RQ3 数字控制技术在多大程度上能够实现线性调节器在逻辑模块内的可扩展且可综合的集成？
• RQ4 量化效应和离散时间动态如何影响数字调节器的性能和稳定性？
• RQ5 哪些参数调优策略可以针对不同负载条件优化调节器的响应？

主要发现

• 所提出的全数字、离散时间调节器在无需模拟元件的情况下，可在广泛负载瞬态条件下实现稳定运行。
• 数字控制模型支持通过数字综合实现对瞬态响应时间和环路稳定性的参数化优化。
• 该调节器结构紧凑且可扩展，适用于集成到数字功能单元中，实现嵌入式电源管理。
• 离散时间控制架构支持自动化综合，且与标准数字设计流程兼容。
• 与传统模拟调节器相比，该设计在工艺变化和工艺角落条件下表现出更强的鲁棒性。
• 该方法实现了功能单元级别的细粒度电源管理，支持未来超低功耗数字系统的发展。