基于动态余量的EMU能量模型与策略研究

Aimed at the reactive power management modes for the typical PMU up to now, this project proposes the concept of Energy Management Unit(EMU). Two aspects of innovative research on active energy management are studied in this project: 1)based on the power change law with state and time, novel Dynamic Energy Models(DEM) are proposed, which include segmented driver and multi-mode dynamic energy models; 2) Cited the concept of "dynamic headroom", a novel Dynamic Headroom Energy Management (DHEM) strategy for SoC is proposed.This project analyses and studies the energy delivery disciplinarian of EMU and its SoC load emphatically. There are three innovative research points: 1) building the Segmented Driver Energy Model(SDEM) of EMU; 2) building the Multi-mode Dynamic Energy Model(MDEM) of SoC; 3)studying the adaptive Dynamic Energy Management Strategy(DEMS) for SoC based on minimum dynamic headroom. Validating experiment on the above models and strategy will also be done in this project. And the efficiency of the EMU with segmented driver will increase 6%. Breaking through the current typical power management technologies, this project will obtain the disciplinarian of energy delivery for EMU and its load, as well as the high efficiency DHEM strategy. This project is an applied basic research for system integration in power electronic science. It is signify for providing scientific mathematics models and effectual strategy for the low energy dissipation applications with complicated loads, such as SoC.

本项目针对迄今习用电源管理单元PMU被动式功率管理模式，提出能量管理单元(EMU)的概念,进行主动式能量管理模式的两方面创新研究：1)基于功率随状态、时间的变化规律，提出动态能量模型(DEM)，包括分段驱动和多模动态能量模型；2)引入"动态余量"概念，提出主动式动态余量能量管理（DHEM）策略。重点研究分析EMU及其SoC负载的能量输运规律，包括三项创新点：1）建立EMU分段驱动能量模型（SDEM）；2）建立SoC多模动态能量模型(MDEM)；3）研究以最小动态余量为目标函数的自适应动态能量管理策略（DEMS）。并进行上述模型与策略的实验研究,EMU轻载分段驱动效率提升6个百分点。突破迄今习用电源管理模式，获得EMU及其负载的能量输运规律和高效能量管理策略。本项目是一项系统集成功率电子学的应用基础研究，为SoC等复杂负载应用系统的低能耗设计提供科学的理论模型和管理策略，具有重要意义。

SoC低功耗设计为当今电子产品高速发展的瓶颈问题之一，迫切需要新的电源管理（PM）技术以满足新一代SoC 低功耗设计需求。迄今典型SoC 的电源管理模式为动态电源管理（DPM）和动态电压调整（DVS）的被动式功率管理，这些电源管理单元（PMU）很难满足电子产品长带机时间的要求。NS的自适应电压调节（AVS）技术提及能量管理概念，但其核心技术并未公开。本项目提出主动式能源管理单元（EMU）代替被动式PMU是顺应SoC发展需要。 .本项目涉及功率集成电路新型能量管理基础理论与关键技术研究。项目提出EMU概念，进行了主动式能量管理模型、策略及其关键技术的研究，具体包括三方面创新研究：1）通过深入分析EMU功率变换电路能耗分布与影响因素，提出功率输出级分段驱动能量管理SDE策略，建立了SDE模型，得到EMU能耗与功率管M数的关系，进而得到EMU最小能耗下的优值Mop。具有分段功率驱动的EMU验证电路，其轻负载下效率可提升7%；2）分析了SoC等数字负载总能耗的主要组成部分，以pipeline、乘加器等数字电路为例，分析了数字负载电路能耗与传输延时、负载规模、不同工作状态的关系，建立了数字负载多模动态能量模型（MDEM），进而提出基于斜坡搜索技术的最小能量追踪（MEPT）策略以降低数字电路总能耗。MEPT验证电路显示该策略下数字负载电源电压可低至0.4V，大大节省了系统能耗；3）研究了基于PSM的AVS能量管理策略，利用PSM恒能量脉冲特性和关键路径延迟链进行数字负载的能量管理，可实现SoC等数字负载的最低动态能耗，该AVS可搜索到数字负载在不同负载频率、PVT下的最低工作电压，形成最小动态余量的自适应动态能量管理策略（DEMS）。该AVS管理策略验证电路显示系统最大能耗节省可达80%以上。.本项目突破了迄今习用电源管理模式，获得SDE、MEPT、AVS等EMU高效能量管理策略。相关验证电路设计过程中还形成了诸如混合电流检测等EMU电路设计关键技术。项目研究为国际前沿研究，所形成的成果为国内领先技术，具科学性、先进性，为SoC 等复杂负载应用系统的低能耗设计提供了科学依据。