关键词： 数字集成电路   低功耗设计   软硬件协同处理   动态电压频率调节  

摘要： 当前,新一轮产业融合和科技革命孕育兴起,智慧经济蓬勃发展,国家电网大力发展“泛在电力物联网”建设,其中智能电表通过采用高速电力线载波和无线信道(HPLC+HRF)双模通信技术解决单一通信方式所产生的数据传输准确性和实时性问题,但是双模通信智能电表采用实时工作机制使得系统功耗大幅增加。为了适应低碳节能趋势,提高能源利用率,必须降低系统功耗,而降低系统功耗的关键是解决双模通信芯片低功耗问题。本文以双模通信芯片HPLC通信部分为例,阐述芯片的低功耗设计与实现。具体研究内容如下:1、调研低功耗高速电力线载波通信与无线通信双模通信芯片在智能电表中的应用需求以及低功耗技术发展情况。基于双模通信芯片中HPLC通信部分的性能指标,对HPLC通信芯片完成从应用层到物理层的低功耗设计。通过软硬件协同处理设计,提供从接收模式或发送模式到SLEEP模式或STOP模式的切换机制,实现应用层和网络层的低功耗设计。与芯片强耦合的MAC层(介质访问控制层)采用信标时隙增加网络基准时钟实现睡眠模式和定时唤醒机制;PHY层(物理层)根据收发数据链路的的工作状态和数据通路划分功能模块,采用流水线控制方式实现各功能模块的门控时钟插入,降低信号收发过程功耗。2、在前端设计方面,将整个芯片划分四个电压域,减少单电压域供电造成的功率损耗。结合动态电压调节技术,采用高效率电源转换器电路,实现电源转换器的能耗效率管理,冗余功耗降低10%。结合频率调节技术,整个芯片采用四个不同频率的时钟源,各时钟源及其分频时钟匹配和切换至系统模块,完成高频和低频工作电路的合理划分;对整个芯片的时钟网络进行层次化门控时钟配置,在时钟树路径关键节点插入门控时钟单元,降低了全时钟路径翻转率,实现动态功耗的优化,典型电路Modem模块整体动态功耗优化了6.2%。3、在后端物理设计方面,通过优化布线规则和时钟单元以及采用CCOPt(时钟同步优化)技术优化时钟树,使得时钟偏差优化了41%,时钟树面积优化了25%,总功耗优化了14.4%。在布局布线阶段,使用EDA工具有效规划器件和模块摆放位置,减少长走线,实现芯片版图设计。完成TT(1.10V/25℃)和ML(1.21V/125℃)两个工艺角下不同工作模式的功耗后仿真验证。4、芯片基于TSMC 40nm LP eFlash工艺实现,采用QFN68封装。芯片功耗测试数据表明,在室温25℃和3.3V电压下,芯片接收模式功耗为0.09W,发送模式功耗为0.13W,满足预期功耗指标。通过比较功耗的仿真结果和测试结果可得两者误差小于5%,本文的低功耗设计实现具有一定的工程借鉴意义。

关键词： CMOS图像传感器   低功耗比较器   带宽有限预放大   两步式SSADC  

摘要： 近年来,CMOS图像传感器的成像技术得到迅速发展,已广泛应用于各成像领域。低耗能、低成本和高质量的CMOS图像传感器一直是国内外的研究热点,为了提高电子产品的成像质量、降低成本、减小体积,不断提高和改进CMOS图像传感器的低功耗设计具有十分重要的意义。在CMOS图像传感器的功耗方面,ADC模块的功耗占传感器功耗的50%以上,列并行SSADC具有结构简单、面积小、功耗低、斜坡可多列共用等优势,是目前CMOS图像传感器中最常用的结构。基于此,本文设计了一款10-bit低功耗列并行两步式SS ADC。首先,本文设计了一款低功耗比较器,在不降低比较器时钟频率的前提下,从比较器工作理论出发,使用传统的预放大+动态锁存器结构,降低预放大带宽来降低功耗,为了减小带宽限制引起的精度误差,通过扩展斜坡范围补偿比较器误翻转导致计数器错误计数;不改变ADC的量化范围的前提下,采用两步式结构进行补偿,在降低功耗的同时,提高了转换速度。对于两步式ADC结构误差,本文采用了基于冗余位的校0准方式。最后设计了一个高位量化的5-bit电阻分压型斜坡发生器和低位量化的6-bit电流舵型斜坡发生器,提供给比较器的斜坡产生模块,两次比较共用一个比较器,进一步节省面积,降低功耗。该10-bit低功耗列并行两步式SS ADC电路设计采用UMC110nm CMOS工艺,完成原理图和版图设计,在时钟频率为20MHz、电源电压为3.3V/1.2V前提下,前仿真得到静态特性 DNL 为 0.2LSB/-0.3LSB;INL 为 0.5LSB/-0.2LSB:在 208kS/s 的采样频率,输入正弦信号频率为20.52kHz下,动态特性ENOB为9.79bit,SFDR为78.7dB,THD为-66.6dB,SNR为63.0dB,SNDR为60.8dB,比较器的平均功耗约为102.9μW,与前置预放大带宽满足的比较器相比,功耗降低了约40%。后仿真得到,静态特性DNL为0.3LSB/-0.5LSB,INL 为 0.6LSB/-0.3LSB,动态特性 ENOB 为 9.36bit,SFDR 为 76.0dB,THD为-64.4dB,SNR为59.5dB,SNDR为58.2dB,单列电路的平均功耗约为153.2μW,单列版图面积为469.1 15μm×19.68μm。

关键词： 超低功耗   低压差线性稳压器   自适应偏置电流技术   过冲电压削减电路  

摘要： 本文基于自适应偏置电流电路，设计了一款超低功耗的低压差线性稳压器（LDO），使用动态零点补偿技术使电路稳定，提出了以比较器为核心的基于电容耦合电压峰值检测的过冲电压削减电路，以减小LDO在负载电流向下突变时产生的过冲电压。在使用自适应电流偏置电路以及过冲电压削减电路的情况下，空载状态的LDO静态电流小于590nA。本设计在两级误差放大器的输出端添加二极管连接形式的PMOS作为缓冲级，一方面有利于LDO的稳定，另一方面增强了LDO的瞬态响应特性。另外，本设计采用了0.18μm CMOS工艺，利用Cadence设计平台进行仿真验证，得到了一款输出电压为3.3V、最大负载电流为200mA、负载电流范围内相位裕度均在50°以上、负载电流在1mA与200mA之间以10ns跳变时得到的欠冲电压为160mV、过冲电压136mV的超低功耗LDO。

关键词： BLE Mesh   占空比   低功耗   端到端时延  

摘要： BLE Mesh是一种基于低功耗蓝牙(Bluetooth Low Energy,BLE)的组网标准化建议,它实现了多对多的通信,扩大了蓝牙的覆盖范围,可以应用于控制、监视和自动化系统等场景。在BLE Mesh标准规范中,节点一般需要依靠电源供电,但在很多应用场景中,节点只能依靠电池供电。为了减少节点的能耗,可以让节点以占空比(Duty-Cycle,DC)模式工作,即周期性地开启射频进行数据传输,然后关闭射频进入休眠来降低能耗。但是,节点在休眠时无法收到邻居节点发送的消息,也就不能对消息进行中继转发,影响了源节点向目的节点传输消息的成功率。针对此问题,本文设计了一个基于占空比模式的BLE Mesh数据传输协议,并对其进行性能分析与参数优化,具体研究内容如下: 针对占空比模式下发送的消息不能确保被邻节点收到的问题,本文引入了Circle发现模型,设计了一个基于占空比模式的BLE Mesh数据传输协议。首先,设计了中继节点的工作模式。根据设定的占空比,中继节点周期性地打开射频,扫描信道一段时间。当接收到转发消息时,转入发送状态,以设定的间隔和次数发送消息。其次,基于Circle发现模型,确定了中继节点的扫描周期、扫描窗口和发送周期的长度,并根据上述参数值确定了消息发送的次数。按照上述参数设置,可以确保转发的消息能够被邻节点收到。仿真结果表明,不同网络拓扑下,基于占空比模式的BLE Mesh的数据包投递率均能达到93%以上,而且随着网络的节点增加,网络连通性增强,数据包投递率进一步增大。 由于广播冲突是影响数据包投递率的一个主要原因,故本文分析了广播冲突概率,进一步分析了一个节点中继的投递率与其邻节点数量之间的关系,建立了数据包投递率的理论模型。此外,低占空比会造成较大的端到端时延,为了均衡占空比与端到端时延,本文提出了一种参数优化方法。首先,建立了一个占空比模式下的端到端时延和节点占空比的理论分析模型,其中端到端时延可以是端到端最大时延或者是端到端期望时延。其次,对于给定节点占空比,为了最小化端到端延迟,通过求解模型得到了最优的扫描周期、扫描窗口和发送周期等参数。最后,通过比较理论分析和仿真实验结果,验证了所提出方法的有效性。

摘要： 芯片，是当今信息产业皇冠上的一颗闪耀明珠。从生活中常见的冰箱、洗衣机、手机，到国之利器战斗机、航空母舰，几乎所有高科技产品，都离不开它。芯片，是一个国家综合实力的重要标志。为了摆脱对国外芯片的依赖，实现祖国的“芯片自由”，有这么一位老人，在花甲之年，毅然放弃了清闲的退休生活，再次披挂上阵，带领团队发起“冲锋”！这位老人，便是“中国龙芯之母”——黄令仪。

关键词： 极低功耗低压差线性稳压器   前馈级小增益级   复合型瞬态增强结构   环路稳定   快速瞬态响应  

摘要： 近年来,随着电子产品的迅速更新换代,片上系统(So C)的快速发展,人们对电子产品的续航能力也提出了更高的要求。电源管理系统作为电子产品的基本模块之一,其性能对整个电子产品有非常重要的影响。低压差线性稳压器(LDO)凭借其诸多优势在电源管理模块中占据重要地位。在各个领域中,电子产品的大部分工作时间处于待机状态和轻载状态,因此通过减小低压差线性稳压器的静态电流,可以减小待机状态或者轻载状态时电源系统对于电池的消耗,同时增加电源的利用效率。另外,低功耗的电源系统在还能一定程度上延长电子产品的电池寿命。 在LDO系统中,静态电流消耗和系统的其他性能表现普遍处于相互矛盾的关系。如何在低静态电流消耗下对系统的各项性能进行提升,是近几年对LDO系统研究的热点方向之一。 在所设计的LDO系统中,本文提出一种前馈小增益级稳定性补偿方法,使用所提出的结构可以精确地改变系统产生的零点位置,进而在低静态电流消耗下高效完成频率补偿工作。该结构显著提高了低功耗下的系统稳定性, 另外,在该系统中提出一种复合瞬态增强结构,该复合瞬态增强结构由瞬态增强结构A和瞬态增强结构B组成。瞬态增强结构A通过在切换瞬间增加功率管放电电流,在低带宽LDO系统中提升系统下冲电压和系统下冲恢复时间。瞬态增强结构B利用电流复用原理,短时间内增加系统带宽,提升系统反应速度。两部分结构同时作用,综合提升系统瞬态性能表现。 本设计基于SMIC 0.18μm CMOS工艺,设计了一款无片外电容型极低功耗LDO芯片。整体由可回收型折叠共源共栅放大器、稳定性补偿结构、复合瞬态增强结构组成。所提出的LDO系统片上电容仅1.8p F,环路增益可高至80d B左右。在0-20m A负载电流范围内,相位裕度可以保持80°以上。在1ns负载电流切换时间下,下冲恢复时间低至120ns。值得一提的是,所提出的LDO系统总静态电流消耗不超过1μA,电流效率高达99.99%。当负载电流为0A时,线性调整率可低至0.04m V/V。

关键词： 呼吸机   管理系统   多线程   MongoDB  

摘要： 近年来随着“互联网+”概念的提出和网络技术的不断发展,物联网领域得到了迅速的发展。在家用设备中,智能家居越来越普遍的应用在人们的日常生活中,用户可以通过网络远程操控智能设备,设备同时也可以通过网络发送信息给用户,为用户生活带来了便捷。在工业领域中,工厂通过网络连接设备,相较于传统的设备监控系统,“互联网+”场景下的设备监控系统有着更加方便的设备管理方式,网络设备的部署方案也更加灵活,能够使用更少的管理人员完成更多的管理任务。论文选题来源于疫情时代下,随着呼吸机用户规模的极速增长,原有的呼吸机管理方案已经无法满足高效率的管理需求。本文针对某公司开发的呼吸机,根据呼吸机的数据特征和用户对呼吸机的管理需求,设计出一套基于“互联网+”的呼吸机后台管理系统。 论文基于B/S架构设计了呼吸机的后台管理方案,用户交互采用浏览器,主要使用***框架,后端分别基于C++17和Golang分别实现了对Web端数据请求的处理和对设备数据上传与修改的服务,存储方面采用Mongo DB作为结构化数据的存储方案,实现了对呼吸机设备实时数据和用户数据的存储。对比传统解决方案,本文提出的方案的主要优势在于:基于C++17和主从Reactor模式设计Web服务端,拥有更强的连接处理性能;基于Golang设计设备服务端,在保证性能的同时,程序规模更小,代码易读性更强,同时由于Golang本身优秀的并发性能,运行时占用内存也较小;基于Mongo DB设计存储方案,在存储方面有更加灵活的横向扩展能力和更方便的业务扩展能力。 系统测试表明,该系统能够完成呼吸机后台管理系统的基本功能性需求,包括不同类型的用户管理和呼吸机远程管理,同时系统也具有一定的可扩展性、兼容性和安全性,并能够在AMD Ryzen 5 3600x处理器和16GB内存的环境中以设备200ms的心跳达到3000台设备同时在线,同时占用较小的系统内存,系统能够稳定运行,基本达到了预期要求。

关键词： 低压差线性稳压器   耐高压   低功耗   电流调整  

摘要： 智能设备已经成为人们生产生活过程中必不可少的一部分,电源管理芯片的重要性也随之上升。在电源管理芯片中,低压差线性稳压器(Low Dropout Regulator,LDO)拥有成本低廉、简单可靠、输出稳定等优势。与传统应用场景不同,汽车电子、工业自动化等新出现的特殊应用场景要求LDO在高压输入下保持安全稳定,并拥有较低的功耗以延长电池寿命。本文基于LDO基本理论知识,设计了一款适用于高压输入环境的超低功耗LDO。为了在宽输入电压范围下保证LDO安全,芯片内部分为高压区与低压区;利用LDMOS管的源极与漏极承接高电压差,在高压区内分隔出普通PMOS管与NMOS管的工作区域;采用两级LDO协作的方式,通过一级LDO在芯片内部生成一个低压电源,为带隙基准、主误差放大器等模块提供一个稳定的工作环境;为高压区域和低压区域独立设计偏置模块,保证电路安全;为了降低芯片功耗,缩减各模块的偏置电流,对部分电流进行复用,并将差分对输入MOS管偏置在亚阈值区;通过电流调整电路在启动和恢复时控制各模块消耗更大电流来加快启动速度,在正常工作时控制各模块保持低功耗状态;为了保证系统环路在工作时的稳定性,分别对两个LDO环路进行频率补偿;此外,还设计了温度保护、逆流保护等辅助电路以保证芯片工作时的安全稳定。本文的LDO电路基于0.18μm BCD工艺设计,采用Cadence Virtuoso软件进行仿真验证,并完成整体版图设计与验证。芯片测试结果为:芯片输入电压范围为3～30V,在低压输入3.3V与高压输入30V下分别可以完成1.8V与5V的稳压输出,最大负载电流为150m A,可在-40～145℃的温度范围内正常工作。空载时,芯片整体消耗的静态电流低至1.72u A,实现了耐高压与超低功耗的设计指标。

关键词： 硬件内核   移位卷积神经网络   FPGA   低功耗   YOLOv3-tiny  

摘要： 相较于传统的目标检测方法,基于深度学习的目标检测技术利用神经网络强大的学习能力,能够快速地实现高精度的图像识别。基于GPU云端目标检测和边缘智能终端目标检测是目前主流的两种基于深度学习的目标检测技术方案。前者具有功耗高、通信成本昂贵、应急能力不足等缺陷,后者则使用存算一体的类脑架构平台,能实现比基于GPU的云端目标检测更低功耗的实时检测,且具备强大的分布式计算能力。 然而,已有的边缘智能终端难以同时实现高速度和低功耗的目标检测,为此,本文旨在保证精度的前提下,通过在FPGA上部署高效、轻量化的YOLOv3-tiny网络,开展基于FPGA的低功耗YOLOv3-tiny硬件内核研究与设计,将算法与硬件架构深度匹配,实现基于边缘智能终端的低功耗实时目标检测,主要的创新内容包括: 1.提出一种基于移位操作的卷积神经网络新型架构。在移位卷积神经网络中,使用移位和加法替代卷积计算中的乘法运算,可降低硬件开销和功耗,更易于硬件实现。测试结果表明采用5bit移位三次的方案,可达到与32bit浮点数乘法相似的精度,但功耗却比浮点数乘法低64%。进一步地,将所提移位方法应用于YOLOv3-tiny网络模型,使用包含FPGA+ARM异构系统的Zynq 7000系列片上系统作为硬件开发平台,并在特征提取运算过程中采用模块化设计、优化内部数据调度等方法,提高加速器计算效率。 2.提出多种低功耗优化策略融合的方法,完成YOLOv3-tiny网络在FPGA上的部署,实现了低功耗实时目标检测。具体地,将移位CNN 网络全部映射到FPGA,通过采用参数重排、多通道传输、乒乓缓冲、层融合、提升片上存储利用率等多种优化方法,降低加速器对DDR的访存次数和传输时延,实测的整机功耗为3.335W,优化后用户逻辑侧的功耗比优化前下降了 5 1.38%。基于PZ7035开发板平台的实测结果表明,该内核架构可以达到27.3 FPS的检测速度。

关键词： 无线体域网   超再生   收发机   低功耗   灵敏度校准  

摘要： 在人口老龄化加速和医疗保障成本增加的背景下,日渐增多的可穿戴医疗设备、健身监视器等传感器的需求使射频收发机朝着更低功耗、更低成本和更小型化的方向发展。信息技术的腾飞促进了现代社会的数字化和信息化,极大地提高了人们生活水平,也导致数据的产生量和传输量呈指数级增长,同时频谱资源变得越来越稀缺,因此人们对能实现更快速、更可靠、更高效的数据传输的射频收发机的需求越来越多。本文对应用于无线体域网(Wireless Body Area Networks,WBAN)的射频收发机集成电路设计技术进行了深入研究,最终完成了一款402～405MHz频段的低功耗高性能收发机的设计。本文从功耗、成本、性能等角度讨论了不同架构的接收机和发射机,再通过考虑目标应用频段、频谱要求、灵敏度要求等方面来确定收发机架构。接收机采用超再生架构,主要包括低噪声放大器、超再生数控振荡器和解调电路。低噪声放大器采用噪声抵消技术以降低噪声,实现了信号的单端转差分并减少无源匹配器件的使用;超再生数控振荡器采用LC振荡器实现,使用数字控制电容阵列实现频率调谐以消除猝灭操作期间振荡器的频率漂移;解调电路中的包络检波器在传统源跟随结构的基础上增加了基于背对背反相器原理的反馈环路,从而实现高检波效率和低功耗。发射机主要包括差分转单端电路和功率放大器。第一级采用基于三阱工艺的差分转单端电路以实现低功耗和低插入损耗;功率放大器采用偏置在AB类的单端Cascode结构以提高电路的功率承载能力和增益。此外,芯片采用半双工的工作方式,使用具有浮栅技术的单刀双掷开关将收发机与天线连接。针对超再生振荡器鲁棒性差的问题,本文的超再生收发机采用全数字锁频环校准超再生数控振荡器的频率,并通过灵敏度校准/自动幅度控制环路实现接收模式下接收机灵敏度的校准和校准模式下振荡器幅度的控制。其中,灵敏度校准环路与自动幅度控制环路共享组件以减小校准误差,并能够在不中断接收状态的情况下动态校准接收机灵敏度。本文的超再生收发机基于0.18μm CMOS工艺实现,整体版图面积为1501μm×1480μm。后仿真结果表明,在1V电源电压下,发射机功耗为2.3m W,其中全数字锁频环功耗为78μW;接收机整体噪声系数小于9d B,功耗约2.4m W,输入信号强度为-90d Bm时,经过自适应校准环路校准后,超再生接收机能够在不同工艺角下正确解调输入数据。与无校准环路的超再生接收机的方案相比,系统的鲁棒性得到有效提升。