一种超低功耗微控制器片上系统设计

屈宝丽

（西安交通工程学院，陕西西安 710300）

随着物联网(IoT)应用的进步和移动设备的不断扩展，能源消耗已成为集成电路设计的主要关注焦点。虽然物联网应用涵盖了从可穿戴设备、智能房屋、汽车设备、智能仪表到检测工具等一系列产品，但超过50%的市场都以电池驱动设备为主[1-2]。与无限供电的设备不同，这些移动电池驱动的设备需要在不充电的情况下长时间运行，因此需要极低的功耗。

低功耗的需求通常与性能的显著下降有关，这在某些应用中是可以接受的。然而，大多数便携式物联网设备必须在应用程序动态定义的广泛频率范围内运行。在许多情况下，物联网芯片有两种操作模式：①低性能模式，设备大多时间处于深度睡眠模式；②高性能模式，设备从环境中收集、计算和传输数据。

一些文献介绍了集成动态电压频率调制的最新IC 解决方案[3-4]，允许电压适应频率要求。在芯片（SoC）上设计复杂且成本高效的系统，既能支持低功耗运行，又能可靠地适应不同的环境条件[5-7]。但是，传统的SoC 使用0.9～1.8 V 范围的电源电压，不适合物联网应用。

在亚阈值和近阈值区域中的低电压操作有利于显著降低能量耗散[8-9]。然而，电源的减少伴随着许多问题，特别是在大规模生产设计中。与频率降低相关的低电压不适合所有工作模式，因此需要自适应电压控制机制。

近十年来，随着超低电压芯片的成功应用，亚阈值和近阈值电路在研究界受到了广泛关注[10-12]。虽然先前的研究证明，超低电压芯片显著降低了功耗，但并没有提出适合大规模生产的完整的MCU SoC 解决方案。

文中介绍了一种40 nm 单片机片上系统（SoC），该系统包括完整的Synopsys ARC EM5D 核心MCU，并具有全套DSP 指令。SoC 显示了每次操作所需的最低能量，并且可以在较宽的工作电压范围（0.45～1.1 V）内可靠地适应不同的环境条件[13-15]。提出的解决方案不同于传统的DVFS 方法，它只允许电压适应频率要求，不考虑环境条件，采用一种“整体跨抽象层”的方法来设计所提出的SoC。根据这种方法，在所有抽象层都进行了低压优化，从专用数字库开发、专用SRAM 和特殊SRAM 位单元开始，通过模拟和传感器优化，继续使用独特的电源管理和自适应动态电压控制（ADVC）算法。

1 超低功耗单片机片上系统设计

设计一个可靠的低电压片上系统，能够在广泛的操作要求下支持最小的能量损耗，是一项不可忽视的任务。文中采用了一种“整体跨抽象层”的方法来设计所提出的SoC。

1.1 低电压库特性

低电压库特性的表征是整体方法的第一步，也是最重要的步骤之一。利用传统数据库进行低电压操作的效率不高，这是因为温度变化的敏感性高，常规触发器和锁存器在低压操作中不兼容，缺乏允许动态适应电压变化的机制。图1 所示为电压传输特性（VTC）。

如图1 所示(图中，TT、FS、SF 均表示工艺角)，从FS 到SF 角移动会导致电压移位120 mV。如果考虑局部变化，则会降低噪声裕度和可靠性。为解决上述挑战，文中将低压库描述为特征。根据体系结构的要求，这些低压库被用于不同的模块中。

图1 电压传输特性

在传统芯片中，在单个电池中使用混合阈值晶体管可提高对过程变化的敏感性，特别是在低电压操作下。然而，在所提出的MCU SoC 中采用的自适应动态电压控制（ADVC）方法，可根据过程变化和环境条件，实时调整系统的工作电压、整体偏置、频率等参数，从而降低灵敏度。将不同的混合阈值晶体管混合在同一个电池中需要满足额外的设计规则，在某些情况下需要更大的空间。噪声裕度参考解的比较如图2 所示，由该图可以看出，特征低电压库相对于传统解决方案具有明显优势。

图2 噪声裕度参考解的比较

1.2 单片机SoC体系结构

SoC包括完整的Synopsys ARC EM5D MCU 核心，具有全套DSP 指令，可在312 kHz～80 MHz 的宽频率范围内最大限度地降低能耗，它还包含支持SoC 操作的所有外部接口。SoC 集成了完整的次阈值和近阈值操作所需的所有模拟块，包括可编程DC/DC 转换器、LDO、ADC、电平移位器和其他所需组件，如图3 所示。

图3 SoC框图

MCU核心芯片可直接连接到电源，并可接受1.6～3.6 V 的输入电压。该芯片还支持先进的自适应动态电压控制（ADVC）机制和偏置电压变化方法，以在所需速度和给定环境条件下实现最佳的功率和性能。同时，SoC芯片包含一组嵌入式存储器和片上增强I/O。

1.3 自适应动态电压控制（ADVC）

图4 所示为ADVC 的交互特征。电源管理单元（PMU）包含开关和线性电源发电机，所有发电机均连接到蓄电池上。利用一系列传感器连续测量IC的硅传感器操作参数，并将这些信息输入到一个查找表（LUT）中，该表将电压识别码（VID）设置为PMU。VID 确定了核心的VCC 电平和可编程的首次故障（FFail）电路。

图4 ADVC的交互特征

用户设置目标工作速度，内置的SW 算法根据监控传感器和LUT 中的数据控制核心电压和偏置电压。该自适应动态电压控制不断优化核心电压，优化用户选择的目标频率和不同环境条件下的功耗，提高芯片的可靠性。电压可以在0.45 V 到1.1 V 之间以10 mV 的步进电压变化。传感器包括过程监视器、温度传感器、老化传感器、阈值电压传感器和其他传感器。两个基于电感的DC/DC 转换器即使在低VCC 电压和低负载电流下，也能以高于85%的效率向铁芯提供单独的VCC 电压。图5 所示为固定电压的LDO，它为模拟电路和常开电路提供0.9～1.1 V 的电源，而传感器由一个单独的动态可编程LDO 供电。为了提高对电源的抑制，LDO 采用了电流镜的输出级。电流镜将PMOS 驱动器的栅极连接到VCC，即使VCC 有交流纹波也能产生恒定的电流。所有这些电路的精度是由一个芯片上的带隙基准电路实现的。PMU 可以选择控制MCU 的本体偏置，以进行阈值电压方差补偿。

图5 固定电压的LDO

首次故障（FFail）电路是一个可编程的关键路径监视器（CPM），旨在显示可接受的最低SoC 核心电压。在给定频率下，FFail 给出一个电压略高于故障SoC 电压的故障信号，它由代表芯片关键路径的元件设计而成。

1.3.1 首次故障电路

FFail 电路是系统最重要、最关键的组成部分之一，用于确定每个器件在所需频率和环境条件（如芯片硅角或温度）下的最佳工作电压。FFail 采用精确的可编程DLL 来表示关键路径的精确延迟，从而得到准确的最佳工作电压。FFail 是唯一的，因为关键路径延迟的测量是在关键路径逻辑中进行的，并且该路径的精确表示是使用连接到关键路径逻辑的可编程DLL 来完成的。

FFail 电路的总体结构如图6 所示，一个可编程的DLL 连接到组合单元（代表关键路径）的输出和输入，从而创建一个振荡回路，振荡回路的输出由外部频率测量工具进行采样。关键路径组合单元可以通过设备中现有的触发器来控制，它将驱动有效数据进入每个触发器，以控制关键路径的逻辑，从而确保所选关键路径能够实现信号的传播。

图6 FFail电路的总体结构

1.3.2 DC/DC转换器

文中对实现的DC/DC 转换器针对低功耗应用进行了优化，即使在低负载电流和低输出电压下也能保持高效率。一般来说，开关模式下的DC/DC 转换器可以通过3 种工作模式完成：脉宽调制（PWM）、脉冲频率调制（PFM）和脉冲跳变调制（PSM，也称为不连续模式），如图7 所示。在上述几种模式中，脉宽调制（PWM）模式适合用于开关损耗和导通损耗相对较小且需要最大负载电流的大功率模式。当发射功率与开关损耗相当时，使用脉冲频率调制（PFM）模式。在较低的负载下，PSM 模式会“跳过”许多脉冲，并且仅当电压降至阈值以下时才会产生脉冲，从而提高轻负载效率。因此，PSM 模式适用于低电流负载，并在文中使用[16]。

图7 DC/DC操作的3种模式

DC/DC 的配置通过解码器输入，输出电压VDD由衰减器确定，衰减器是感测输出信号的电阻分压器，通过比较器将分压与参考电压进行比较。软启动块确保在通电时输出电容充电的平稳性，软启动电路可阻断PMOS 驱动器，并将固定电压施加到PMOS 驱动器的栅极上，使其充当电流源。当电压VDD 达到预定电平时，比较器的高电平输出将禁用软启动电路。

2 测量结果

在TSMC 的40 nm ULP 工艺中，设计了由提出的MPU SoC 组成的测试芯片PLS10。测量装置包括常规工具，如专用测试板、电流表和加热系统。CPU 和PM 频率与VCC 电压的关系如图8 所示。在图中，根据电源VCC 电压绘制了核心电路和永磁同步电路的频率曲线，永磁同步电路的设计使其频率与核心电路的频率相似。结果表明，FFail 电路能够非常精确地跟踪核心频率，证明了它用于确定最小工作电压的有效性。

图8 CPU和PM频率与VCC电压的关系

3 结论

文中介绍了一种超低功耗单片机SoC。SoC 包括完整的Synopsys ARC EM5D 核心MCU，具有全套DSP 指令，并在宽频率范围内最小化能耗。文中详细描述了设计方法，包括库特征描述、SoC 结构、ADVC 机制、FFail 和DC/DC 电路。建议的核心电路允许在0.45～1.1 V 电压之间工作，可直接连接电池，输入电压为1.6～3.6 V。采用40 nm ULP 技术设计和制造的PLS10 测试芯片的测量结果表明，FFail 电路能够非常精确地跟踪核心频率，证明了它用于确定最小工作电压的有效性。