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　　電壓調節技術與頻率調節技術的結合使用為時鐘切換添加了新原則，以確保新時鐘頻率擁有安全的電壓電平。此外，電壓調節功能需要在SoC內創建電壓域。這將在兩個可變電壓域之間或可變電壓域和靜態電壓域之間創建電壓域接口。跨越接口的可變電壓電平差為接口設計帶來了獨特挑戰。時鐘、信號電平轉換以及電壓域隔離等問題都必須仔細考慮，以確保最短延遲和信號完整性。

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　　先進電源控制器

　　作為美國國家半導體PowerWise技術的一部分，先進電源控制器(APC)旨在協助調節電壓域的電壓控制。APC支持閉環自適應電壓調節(AVS)和開環動態電壓調節(DVS)。APC支持動態頻率調節功能，帶有至時鐘管理單元(CMU)的接口，可為SoC提供時鐘信號。電壓電平可通過PowerWise接口(PWI)傳送給芯片外協同電源單元。硬件性能監控電路(HPM)用于AVS閉環電壓控制。APC根據HPM提供的芯片性能信息，決定最佳的供電電壓，以實現目標性能水平。在決定電壓電平時，SoC制程變化、SoC晶粒溫度變化、穩壓器偏置或偏差以及系統靜態電阻壓降都會自動得到補償。DVS模式則依照預先設定的電壓頻率對照表進行操作。

　　參考設計

　　PowerWise Camera(PWCAM)參考設計測試芯片用于技術驗證和演示。PWCAM是模擬通用雙處理器架構。圖1是PWCAM的框圖。PWCAM包含兩套獨立的基于ARM7的處理器系統：連接處理器和圖像處理器。每套系統都有一組AHB和APB外設。每個CPU、AHB和APB都是由同一系統時鐘驅動，時鐘頻率高達96MHz。連接處理器和圖像處理器通過核間通信單元(ICCU)進行通信。這個通信單元是異步AHB-AHB橋。只有圖像處理器可以直接訪問外部存儲器。設計目標是為了將獨立的頻率和電壓調節功能引入連接處理器和圖像處理器，這要求對APC的設計和集成進行恰當區分。

　　AVS中的時鐘切換

　　對于電壓調節與頻率調節功能整合而言，最重要的要求是在頻率還未切換之前，確保新頻率所需電壓到位。如果調高時鐘頻率，在時鐘切換為新頻率之前，電壓必須提升至足夠高的水平。如果調低時鐘頻率，時鐘可以立即切換為新頻率，因為電壓電平已經足夠。為了滿足這個要求，時鐘調節控制必須通過APC。APC利用目標索引和當前索引等接口協議，來批準實際系統時鐘切換。

　　AVS電壓域分區

　　一般而言，電壓調節與時鐘頻率調節總是結合在一起。時鐘域邊界自然成為AVS電壓域邊界的選擇。時鐘域邊界的異步接口使得多電壓AVS部署變得更為簡單。然而，由于性能原因，有時可能需要采用同步接口。將IP塊集成進AVS電壓域通常需要IP塊級的分區改變，以便分隔電壓域。很多IP塊包含不只一個時鐘域。例如，外設塊包含一個內部總線接口時鐘和另一個外設時鐘。內部總線時鐘根據系統時鐘進行調節，而外設時鐘則按照固定頻率運行。相對于對IP進行重新分區以將IP塊集成到AVS電壓域內，有時讓IP塊固定頻率部分以最低AVS電壓電平進行操作，從而使整個IP塊集成到AVS電壓域內，更為容易。

　　PWCAM分區需要考慮這些因素。圖1給出帶有電壓域邊界的PWCAM，用于控制AVS的嵌入式APC和HPM，以及需要信號水平轉移的接口。此外，連接處理器內的SRAM也進行分區，以便由存儲器保留電壓供電。存儲器保留電壓可以在進行頻率調節時追蹤AVS電壓，但有下限箝位電壓，確保即使邏輯部分斷電或在不合適電壓電平下，SRAM始終保持有效數據。

　　電平轉換及斷電信號箝位

　　有兩種電壓域接口，一種是靜態電壓域和AVS電壓域之間的接口;另一種是兩個獨立AVS電壓域之間的接口。信號穿越電壓域邊界，需要將電平轉換以便目的域能正確識別。

　　PWCAM 采用的電平轉換策略確保進出域的信號都有位于AVS域邊界的電平轉換器。除了執行電平轉換之外，電平轉換器還可起到屏蔽作用，將信號保持在相應的電壓域內，最大限度減少信號完整性問題。如果AVS電壓域支持斷電功能，系統在斷電狀態下將輸入及輸出箝定在已知狀態非常重要。這種箝位功能很容易就能整合到電平轉換器內。

　　電壓域邊界的同步定時

　　自適應調節電壓域里的信號定時根據電壓電平的變化而變化。如果電壓域采用同步接口，在設計信號路徑和時鐘路徑時，要仔細考慮定時路徑的可變特性。

　　AC定時路徑

　　如果任何交流定時路徑(輸入路徑或輸出路徑)的部分在調節電壓域內，輸入設置/保持時間或輸出有效時間在調節電壓范圍內大幅度波動。如果技術規格無法承受這樣大的變動，則必須采取措施將這種變動減至最少。類似一般定時優化技術，通常是使取樣反轉盡量接近電壓域邊界。

　　內部定時路徑

　　與可變定時相關的內部路徑是指兩個電壓域之間的反轉至反轉(flop to flop)定時路徑，而其中至少有一個是電壓調節域。由于電壓調節功能與時鐘頻率調節功能結合在一起，因此當電壓向下調節時，會有更多的設置時間。時鐘路徑的可變定時則會使調節電壓域與靜態電壓域之間的時鐘偏差也隨之改變。電壓下調幅度越大，時鐘偏差也越大。最后所得到的結果是信號路徑的周期時間會縮短，而且也會出現保持時間的問題。添加時間延遲補償電路以便為所有可能出現的定時 時間轉變作出補償并不可行，因為時鐘的偏差幅度太大，實在無法預測。為了解決這個可變定時時間問題，關鍵是添加時鐘同步功能，以盡量減少時鐘偏差，更重要的是，使時鐘偏差幅度可以預測。

　　AVS/DVS設計考慮因素

　　與典型系統設計相比，進行多電壓調節電路設計需注意以下幾方面：額外的資料庫特征化和定時驗證點;在設計體系、分區和編碼等方面進行電壓域考慮，協助正確布局;電平轉換器插入及校驗;掃描插入、緩沖插入及ECO都必須考慮電壓域。

　　結論

　　由于電平調節的自適應性，多電壓AVS對于功率優化是非常有效的。采用多個調節電壓域，確實會使設計及實施變得更為復雜。但PWCAM測試芯片的例子表明，只要進行適當規劃和執行，其復雜程度在可控范圍內。功耗的大幅度降低表明這種努力是值得的。