CN101715625B - 具有提高的轻载效率的计算机系统电源 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有提高的轻载效率的计算机系统电源。本发明的实施例提供了在计算机系统中供电的系统。该系统包括连接到电源的电源适配器，和连接到计算机系统中的电源总线的一组耗电设备。连接在电源适配器和电源总线之间的全功率机构在计算机系统操作于全功率模式时给耗电设备供电。与该功率机构并联在电源适配器和电源总线之间的低功率机构在计算机系统操作于低功率模式时给耗电设备供电。

Description

具有提高的轻载效率的计算机系统电源
技术领域
本发明的实施例涉及计算机系统的电源。更具体地，本发明的实施例涉及具有提高的轻载(light-load)效率的用于计算机系统的电源。 
背景技术
能源之星(Energy Star)是一种政府支持的计划，其发布能耗标准以便帮助企业和个人通过节约能源保护环境。在能源之星的帮助下，美国在2006年节省大约60亿美元的能源开支。 
计算机系统能耗(power consumption)的能源之星标准很快将更新到版本4.0。该新的能源之星标准为“睡眠”、“待机”和“空闲”操作模式设置了更严格的能耗限制。许多当前的计算机系统不符合能源之星4.0的能耗限制。例如，如图1所示，苹果公司的MacBookTM13”(该英寸尺寸是MacBook的显示屏的大小)和MacBook ProTM15”和17”不满足能源之星4.0标准中的若干子标准。更具体地，MacBook和MacBook Pro两者在睡眠模式和空闲(或“待机”)模式这两种模式中不满足能源之星能耗标准。 
计算机电力系统设计者花费了大量时间优化诸如MacBook的计算机系统中的供电系统。不幸的是，大部分优化针对“全功率”操作。因此，这些优化对低功率模式中的计算机系统的功率转换效率通常具有很少的效果(并且甚至可能有损这些模式中的计算机系统的功率转换效率)。 
图2A给出了电力系统200的方框图。如图2A所示，电力系统200包括适配器202、充电器电路204、电池206和电压调节器208-218。适配器202将来自电源(例如，公共120V的AC电插座)的AC(交流)信号转换为16.5V的DC(直流)信号，该信号又被充电 器电路204转换为12.6V的DC信号。然后使用该12.6V的DC信号作为电压调节器208-218的输入，并且用于给电池206充电。(注意，当适配器202未被连接到电源时，电池206给系统供电。由于电池206不输出恒定电压，因此电压调节器208-218通常被设计为在一个输入电压电平范围上工作(例如，9V和12.6V之间))。 
图2B给出了图2A中的电力系统的示例功率转换效率曲线(未按比例绘制)。如从图2B可见，为全功率操作优化了电力系统。因此，对于6-8A的全功率操作电流，功率转换效率大约为90％。不幸的是，对于100mA之下的低功率电流，功率转换效率下降到低于40％。 
因此，需要一种能够操作而没有上述问题的用于计算机系统的电力系统。 
发明内容
本发明的实施例提供了一种在计算机系统中供电的系统。该系统包括连接到电源的电源适配器，以及连接到所述计算机系统中的电源总线的一组耗电设备。连接在所述电源适配器和所述电源总线之间的全功率机构，当所述计算机系统在全功率模式中操作时，给所述耗电设备供电。与所述功率机构并联在所述电源适配器和所述电源总线之间的低功率机构，当所述计算机系统在低功率模式中操作时，给所述耗电设备供电。 
在某些实施例中，所述低功率机构是降压变换器、升压变换器、单端初级电感变换器(SEPIC)、或另外的开关式电源。 
在某些实施例中，所述低功率机构是MOSFET晶体管、双极结晶体管、机械开关、或另一种类型的开关元件。 
在某些实施例中，该系统还包括与所述开关元件串联的电压降低机构，其中所述电压降低机构将电压降低到适合于所述耗电设备的电平。 
在某些实施例中，所述低功率机构是与所述电压降低机构串联的二极管，其中所述电压降低机构将电压降低到适合于所述耗电设备的电平。
在某些实施例中，当计算机系统开始在低功率模式中操作时，该系统声明低功率控制信号有效，以便启动所述低功率机构，并且当计算机系统开始在全功率模式中操作时，声明低功率控制信号无效，以便禁止所述低功率机构。 
在某些实施例中，当计算机系统开始在全功率模式中操作时，该系统声明全功率控制信号有效，以便启动所述全功率机构，并且当计算机系统开始在低功率模式中操作时，声明全功率控制信号无效，以便禁止所述全功率机构。 
在某些实施例中，当计算机系统在低功率模式和全功率模式之间转换时，该系统临时使全功率控制信号和低功率控制信号有效，以便启动全功率机构和低功率机构。 
在某些实施例中，该系统包括所述全功率机构的输出上的电压敏感机构。在这些实施例中，当给所述耗电设备供电时，所述低功率机构在所述电源总线上输出预定电压。在检测到所述预定电压之后，所述电压敏感机构禁止所述全功率机构。 
在某些实施例中，低功率模式包括：(1)睡眠模式；(2)空闲模式；和/或(3)待机模式。 
附图说明
图1示出了能耗测量表； 
图2A示出了电力系统的方框图； 
图2B示出了图2A所示的电力系统的示例功率转换效率曲线； 
图3示出了根据本发明的实施例的计算机系统的方框图； 
图4示出了根据本发明的实施例的电力系统的方框图； 
图5示出了根据本发明的实施例的包括LDO的电力系统的功率转换效率曲线图； 
图6A示出了描述根据本发明的实施例的包括控制开关的组合功率级的电路图； 
图6B示出了描述根据本发明的实施例的包括控制开关的简化组合功率级的电路图； 
图6C示出了描述使用控制器中的单个脉冲宽度调制(PWM)调节器控制主降压电路和子降压电路两者的组合功率级的电路图； 
图6D示出了描述以脉冲频率调制(PFM)调节器控制子降压电路，而以单独的PWM调节器控制主降压电路的组合功率级的电路图； 
图6E示出了根据本发明的实施例的组合功率级的功率转换效率图； 
图7示出了根据本发明的实施例的包括半导体开关作为低功率机构的电力系统的方框图；和 
图8示出了根据本发明的实施例的控制电力系统的处理的流程图。 
具体实施方式
给出下面的描述，以便使得本领域的技术人员能够制造和使用本发明，并且在特定应用和其要求的上下文中给出该描述。本领域的技术人员易于明了对公开的实施例的各种修改，并且此处定义的一般原理可以适用于其它实施例和应用，而不脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不限于示出的实施例，而是与符合权利要求的最宽范围一致。 
计算机系统
图3示出了根据本发明的实施例的计算机系统300的方框图。计算机系统300包括处理器302、存储器304以及海量存储设备306。在本发明的某些实施例中，计算机系统300是支持包括睡眠、空闲、和/或待机模式的低功率操作模式的通用计算机系统。在这些低功率操作模式中，计算机系统300的某些或全部功能被禁止，以便节省电力。例如，当在低功率模式操作时，计算机系统300可以禁止处理器302、 存储器304、海量存储设备306、和/或其它设备，诸如监视器和外围设备(未示出)。 
处理器302是处理计算机系统300的指令的中央处理单元(CPU)。例如，处理器302可以是微处理器、设备控制器、或另一种类型的计算引擎。存储器304是易失存储器，其在计算机系统300的操作过程中存储用于处理器302的指令和数据。例如，存储器304可以包括DRAM、SDRAM、或另一种形式的易失存储器。海量存储设备306是存储用于处理器302的指令和数据的非易失存储设备。例如，海量存储设备306可以是硬盘驱动器、闪存、光盘、或另一种非易失存储设备。 
注意虽然使用计算机系统300描述本发明的实施例，但是在其它类型的计算系统中可以使用替换实施例。 
电力系统
图4示出了根据本发明的实施例的电力系统400的方框图。电力系统400包括适配器202、充电器电路204、低功率机构402、电池206和电压调节器208-218。 
充电器电路204在全功率模式中给调节器208-218供电，并且用于给电池206充电。为了在全功率模式中操作，优化了充电器电路204，从而充电器电路204的功率转换效率在全功率操作中明显高于在低功率模式中的操作的功率转换效率。 
低功率机构402在低功率模式中给调节器208-218供电，并且给电池206充电。为了在低功率模式中操作，优化了低功率机构402，从而在低功率操作中，低功率机构402的功率转换效率明显较高。由于在全功率模式中电力系统400使用充电器电路204供电，而在低功率模式中使用低功率机构402供电，因此电力系统400的整体功率转换效率高于不提供两种功率机构的电力系统的功率转换效率。 
在某些实施例中，低功率机构402接受当计算机进入低功率模式时被声明有效，并且当计算机返回全功率模式时被声明无效的输入控制信号。更具体地，当声明该控制信号有效时激活低功率机构402， 并且当声明该控制信号无效时去活低功率机构402。 
在某些实施例中，充电器电路204也接受该控制信号作为输入。在这些实施例中，当该控制信号被声明有效时，禁止充电器电路204，并且当该控制信号被声明无效时，启动充电器电路204。因此，当计算机系统在低功率模式和全功率模式之间转换时，该控制信号切换供电的电路元件。 
在其它实施例中，使用电源总线上的信号，以便控制进入和离开低功率模式时充电器电路204和低功率机构402之间的转换。在这些实施例中，在低功率模式中，低功率机构402在电源总线上输出的信号是比充电器电路204输出的信号高的电压，这禁止充电器电路204。例如，如果在全功率模式的操作中充电器电路204在电源总线上保持12.6V，则低功率机构402可以输出13V。在这些实施例中，充电器电路204的输出上可以包括当电源总线上的电压超过12.6V时，防止充电器电路204在电源总线上输出电流的电路(例如，二极管或等同物)。 
低功率机构
在本发明的某些实施例中，低功率机构402是低压差线性稳压器(LDO)。一般地，LDO是DC线性电压调节器。LDO的主要组件是功率FET和差分放大器。差分放大器的一个输入接收部分输出(由LDO内的一对电阻的比值确定的)。差分放大器的第二个输入来自稳定的参考电压。如果输出电压相对于该参考电压升得太高，则改变功率FET的驱动，以便保持恒定的输出电压。 
一般地，LDO的功率转换效率可被表示为LDOefficiency＝Po/(Po+Ploss)，其中Ploss＝Vdrop＊Iout并且Po＝Vout＊Iout。由于LDO的效率与电流无关，LDO的效率可被更简单地计算为LDOefficiency＝Vout/Vin。例如，假设Vin是适配器202的输出电压，在轻载状态下该电压是16.5V，并且LDO的Vout设置为13.5V。LDO的效率是13.5V/16.5V＝82％。 
LDO在低功率电流值范围内提供线性功率转换效率响应。例如， 图5示出了根据本发明的实施例的包括LDO的电力系统的功率转换效率图。如图5所示，电力系统400的功率转换效率曲线在低功率电流范围内是线性的并且近似为82％。在低功率电流范围之外，禁止低功率机构402，启动充电器电路204，并且功率转换效率曲线符合针对6-8A全功率模式中的操作进行了优化的充电器电路的曲线。 
在本发明的某些实施例中，低功率机构402是开关式电源(switched-mode power supply)。例如，低功率机构402可以是降压变换器(或“降压电路”)、升压变换器、单端初级电感变换器(SEPIC)、或另一种DC到DC变换器。 
图6A示出了一个电路图，描述了根据本发明的实施例的包括控制开关的组合功率级。图6A的组件4、5和6形成组合功率级中的主降压电路(即，如图4中所示的充电器电路204)。该主降压电路被优化，以便在全功率模式的操作中具有高的功率转换效率。当负载电流高于预定阈值时，该主降压电路操作(注意，在主降压电路中使用FET的组件5使得能够进行高性能的同步整流。还应注意，可用二极管取代主降压电路中的组件5，以便简化电路)。 
图6A中的组件1、2和3形成组合功率级中的副或“子”降压电路(即，图4中所示的低功率机构402)。这个子降压电路被优化，以便在低功率模式操作中具有高的功率转换效率。当负载电流低于预设阈值时，子降压电路操作(注意如图6B所示，可用二极管取代子降压电路的组件2，以便简化电路)。 
例如，在本发明的某些实施例中，负载电流的预设阈值级别可被设置为200mA。因此，当负载电流低于200mA时，仅有子降压电路操作(即，禁止主降压电路)。然而，当负载电流大于200mA时，启动主降压电路。 
在本发明的替换实施例中，存在子降压电路和主降压电路两者被启动的小的电流范围。例如，可以高至250mA启动子降压电路，而低至150mA启动主降压电路。该重叠范围可以平滑子降压电路和主降压电路之间的转换。 
在本发明的某些实施例中，由单个控制器控制子降压电路和主降压电路。例如，如图6A所示，控制器500控制半导体开关1、2、4和5(虽然在图6A中半导体开关1、2、4和5被示出为场效应晶体管(FET)，但替换实施例可以使用其他类型的开关，诸如机械开关)。 
在本发明的某些实施例中，可由控制器500中的单个控制环路控制子降压电路和主降压电路。例如，如图6C所示，可以使用控制器500中的单个脉冲宽度调制(PWM)控制环路控制子降压电路和主降压电路两者。 
在本发明的替换实施例中，可由控制器500中的不同控制环路控制子降压电路和主降压电路。例如，如图6D所示，可由脉冲频率调制(PFM)调节器控制子降压电路，而由单独的PWM调节器控制主降压电路。 
在本发明的某些实施例中，控制器500包括负载电流监视电路，其被设计为监视负载电流，并且控制子降压电路和主降压电路之间的转换。该负载电流监视电路防止负载电流接近预设阈值(在上面的例子中200mA)时降压电路之间过于频繁的转换。 
图6E示出了根据本发明的实施例的组合功率级的功率转换效率图。如图6E所示，在较低的电流值，子降压电路的功率转换效率高于主降压电路的功率转换效率。另一方面，在较高的电流值，主降压电路的功率转换效率较高。因此，在预设阈值之下使用子降压电路供电，并且在预设阈值之上使用主降压电路供电，导致改进的整体功率转换效率。(整体功率转换效率曲线可被视为是描绘单独的功率转换效率曲线的虚线)。 
在本发明的某些实施例中，低功率机构402包括半导体或机械开关。例如，图7示出了根据本发明的实施例的包括半导体开关作为低功率机构402的电力系统700的方框图。在这些实施例中，功率转换效率可以接近100％(由于开关上存在非常小的电压降)。然而使用开关的实施例还给电源总线带来近似16.5V。由于耗电设备通常被调节为操作于9V和12.6V之间，可能需要对耗电设备进行调节，以便 允许它们操作于16.5V。 
为了避免对耗电设备进行调节，在本发明的某些实施例中，可以给半导体开关串联一个电阻，产生所需的电压降(以在串联的电阻上消耗的电力为代价)。例如，假设适配器输出电压为16.6V，并且“关断”(或待机)模式的系统负载电流为20mA，则串联电阻可被选择为200欧姆。给定该配置，在“关断”模式中，电源总线电压是16.6V-20mA＊200ohm＝12.6V。 
在本发明的某些实施例中，低功率机构402包括串联的二极管和电阻。二极管-电阻的组合以足够的功率转换效率供电(以消耗电力成为电阻中的热量为代价)。 
控制电力系统
图8示出了根据本发明的实施例的控制电力系统的处理的流程图。在下面的描述中，假设电力系统包括充电机构202和低功率机构402(如图4所示)。 
当系统开始在全功率模式中操作时处理开始(步骤800)。例如，当系统最初启动时，系统可以开始在全功率模式中操作。在开始全功率模式中的操作之后，系统禁止低功率机构402，并且启动充电器电路202(步骤802)。通过以这种方式配置充电器电路202和低功率机构402，系统将电力系统配置为充电器电路202在全功率模式中给系统供电。然后，系统在全功率模式中操作(步骤804)。 
在全功率模式的操作期间，系统确定是否开始低功率模式中的操作(步骤806)。例如，系统可以进入“空闲”模式，其中系统的一个或多个功能被禁止，以便节省电力。如果系统不以低功率模式开始操作，系统返回步骤804以便继续在全功率模式中操作。 
否则，在进入低功率模式之后，系统禁止充电器电路202，并且启动低功率机构402(步骤808)。通过以这种方式配置充电器电路202和低功率机构402，系统将电力系统配置为低功率机构402在低功率模式中给系统供电。然后，系统操作于低功率模式(步骤810)。 
在低功率模式的操作期间，系统确定是否开始全功率模式中的操 作(步骤812)。例如，当系统处于使用中时，系统可以离开“空闲”模式，以便返回全功率模式。如果系统未开始全功率模式中的操作，则系统返回步骤810，以便继续在低功率模式中操作。 
否则，系统返回步骤802，以便禁止低功率机构402，并且启动充电器电路202。然后系统在全功率模式中操作(步骤804)。 
仅出于说明和描述的目的给出本发明的实施例的上述描述。这些描述不旨在是排它的，或者将本发明局限于所公开的形式。因此，本领域的技术人员将明了许多修改和变型。另外，上述的公开不旨在限制本发明。本发明的范围由所附的权利要求限定。 

Claims (22)

1.一种在计算机系统中供电的装置，包括：
连接到电源的电源适配器；
连接到所述计算机系统中的电源总线的一组耗电设备；
连接在所述电源适配器和所述电源总线之间的全功率机构，其中当所述计算机系统在全功率模式中操作时，所述全功率机构给所述耗电设备供电；和
与所述全功率机构并联在所述电源适配器和所述电源总线之间的低功率机构，其中当所述计算机系统在低功率模式中操作时，所述低功率机构给所述耗电设备供电，并且所述低功率机构是与电压降低机构串联的开关元件，其中所述电压降低机构将电压降低到适合于所述耗电设备的电平；
其中，在给所述耗电设备供电时，对于预定的输出电流范围，所述全功率机构和所述低功率机构都被启动，并且其中，当计算机系统从低功率模式转换到全功率模式时，一旦检测到输出电流处于在所述范围内的第一预定阈值电流，所述低功率机构被禁止。
2.如权利要求1所述的装置，其中所述低功率机构是降压变换器、升压变换器、单端初级电感变换器、或另外的开关式电源。
3.如权利要求1所述的装置，其中所述开关元件包括MOSFET晶体管、双极结晶体管、机械开关、或另外类型的开关元件。
4.如权利要求1所述的装置，其中所述低功率机构是与所述电压降低机构串联的二极管。
5.如权利要求1所述的装置，还包括控制机构，所述控制机构用于给出控制信号以便当计算机系统开始在低功率模式中操作时启动所述低功率机构，并且当计算机系统开始在全功率模式中操作时禁止所述低功率机构。
6.如权利要求5所述的装置，其中所述控制机构给出第二控制信号以便当计算机系统开始在低功率模式中操作时禁止所述全功率机构，并且当计算机系统开始在全功率模式中操作时启动所述全功率机构。
7.如权利要求1所述的装置，还包括：
所述全功率机构的输出上的电压敏感机构；
其中当给所述耗电设备供电时，所述低功率机构在所述电源总线上输出预定电压；和
其中在检测到所述预定电压之后，所述电压敏感机构禁止所述全功率机构。
8.如权利要求1所述的装置，其中，当计算机系统从全功率模式转换到低功率模式时，一旦检测到输出电流处于在所述范围内的第二预定阈值电流，所述全功率机构被禁止，其中第一阈值电流高于第二阈值电流，并且第二阈值电流大于零。
9.一种计算机系统，包括：
处理器；
连接到所述处理器的存储器，其中所述存储器存储用于处理器的指令和数据；
连接到电源的电源适配器；
连接到所述计算机系统中的电源总线的一组耗电设备；
连接在所述电源适配器和所述电源总线之间的全功率机构，其中当所述计算机系统在全功率模式中操作时，所述全功率机构给所述耗电设备供电；和
与所述全功率机构并联在所述电源适配器和所述电源总线之间的低功率机构，其中当所述计算机系统在低功率模式中操作时，所述低功率机构给所述耗电设备供电，并且所述低功率机构是与电压降低机构串联的开关元件，其中所述电压降低机构将电压降低到适合于所述耗电设备的电平；
其中，在给所述耗电设备供电时，对于预定的输出电流范围，所述全功率机构和所述低功率机构都被启动，并且其中，当计算机系统从低功率模式转换到全功率模式时，一旦检测到输出电流处于在所述范围内的第一预定阈值电流，所述低功率机构被禁止。
10.如权利要求9所述的计算机系统，其中所述低功率机构是降压变换器、升压变换器、单端初级电感变换器，或另外的开关式电源。
11.如权利要求9所述的计算机系统，其中所述开关元件包括MOSFET晶体管、双极结晶体管、机械开关、或另外类型的开关元件。
12.如权利要求9所述的计算机系统，其中所述低功率机构是与所述电压降低机构串联的二极管。
13.如权利要求9所述的计算机系统，还包括控制机构，所述控制机构用于给出控制信号以便当计算机系统开始在低功率模式中操作时启动所述低功率机构，并且当计算机系统开始在全功率模式中操作时禁止所述低功率机构。
14.如权利要求13所述的计算机系统，其中所述控制机构给出第二控制信号以便当计算机系统开始在低功率模式中操作时禁止所述全功率机构，并且当计算机系统开始在全功率模式中操作时启动所述全功率机构。
15.如权利要求9所述的计算机系统，还包括：
所述全功率机构的输出上的电压敏感机构；
其中当给所述耗电设备供电时，所述低功率机构在所述电源总线上输出预定电压；和
其中在检测到所述预定电压之后，所述电压敏感机构禁止所述全功率机构。
16.一种用于供电的电路，包括：
连接到所述电路的输入和输出的全功率机构，其中所述全功率机构配置为以高功率转换效率在全功率输出电流范围内提供电力；
与所述全功率机构并联的低功率机构，其中所述低功率机构配置为以高功率转换效率在低功率输出电流范围内提供电力；
其中当所述电路输出低功率输出电流时，启动所述低功率机构，并且当所述电路输出全功率输出电流时，禁止所述低功率机构，并且所述低功率机构是与电压降低机构串联的开关元件，其中所述电压降低机构将电压降低到适合于耗电设备的电平；和
其中当所述电路输出全功率输出电流时，启动所述全功率机构，并且当所述电路输出低功率输出电流时，禁止所述全功率机构；
其中，在给所述耗电设备供电时，对于预定的输出电流范围，所述全功率机构和所述低功率机构都被启动，并且其中，当计算机系统从低功率模式转换到全功率模式时，一旦检测到输出电流处于在所述预定的输出电流范围内的第一预定阈值电流，所述低功率机构被禁止。
17.如权利要求16所述的电路，其中所述全功率机构是降压变换器。
18.如权利要求16所述的电路，其中所述低功率机构是降压变换器、升压变换器、单端初级电感变换器、或另外的开关式电源。
19.如权利要求16所述的电路，其中所述开关元件包括MOSFET晶体管、双极结晶体管、机械开关、或另外类型的开关元件。
20.如权利要求16所述的电路，其中在所述低功率输出电流范围和所述全功率输出电流范围之间的所述预定的输出电流范围内启动所述低功率机构和所述高功率机构两者。
21.如权利要求16所述的电路，还包括：
所述全功率机构的输出上的电压敏感机构；
其中当提供电力时，所述低功率机构输出预定电压；和
其中在检测到所述预定电压之后，所述电压敏感机构禁止所述全功率机构。
22.一种用于在支持全功率模式和低功率模式中的操作的计算机系统中供电的方法，包括：
在全功率模式中操作，其中在全功率模式中操作包括禁止低功率机构，并且使用全功率机构给连接到计算机系统中的电源总线的一组耗电设备供电；和
在开始在低功率模式中操作之后，禁止所述全功率机构，并且使用所述低功率机构给该组耗电设备供电，并且所述低功率机构是与电压降低机构串联的开关元件，其中所述电压降低机构将电压降低到适合于所述耗电设备的电平；
其中，在给所述耗电设备供电时，对于预定的输出电流范围，所述全功率机构和所述低功率机构都被启动，并且其中，当计算机系统从低功率模式转换到全功率模式时，一旦检测到输出电流处于在所述范围内的第一预定阈值电流，所述低功率机构被禁止。
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