CN101866206B - 功率输送系统 - Google Patents

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Abstract

公开了一种系统。该系统包括负载、耦合至该负载的调压器、电源、耦合至该电源以从该电源接收一个或多个电压的负载、以及耦合在电源和负载之间的数字总线。该数字总线将功耗测量值从负载发送至电源并将功耗测量值从电源发送至负载。

Description

功率输送系统
本发明专利申请是国际申请号为PCT/US2005/026938，国际申请日为2005年7月29日，进入中国国家阶段的申请号为200580022384.6，名称为“功率输送系统”的发明专利申请的分案申请。
版权声明
在此包含了受到版权保护的材料。该版权所有者不反对任何人如出现在专利和商标事务所的专利文件和记录中那样对该专利公开进行复制，但是在其他方面对该版权保留所有的权利。
发明领域
本发明涉及计算机系统；本发明尤其涉及将功率输送至诸如计算机系统等功率敏感系统。
背景技术
诸如中央处理单元(CPU)等的集成电路组件通常由位于远程位置的电源供电。CPU的功耗正在变得过高，并且具有成本效率的冷却方案现已达到物理极限。将由CPU活动转换成热量的能量变为性能甚为重要。此外，电源技术正到达极限，而同时严格容限内的电源电压调节需要花费更多的成本在去耦和封装上。
附图简述
本发明通过示例而非限制的方式示于附图的各图中，在附图中相似的标号指示类似的元素，其中：
图1是计算机系统的一个实施例的框图；
图2是耦合至电压负载的一个示例性电源的框图；
图3是耦合至电压负载的另一个示例性电源的框图；
图4是耦合至电压负载的又一个示例性电源的框图；
图5是耦合至电压负载的再一个示例性电源的框图；
图6是耦合至CPU的调压器模块的一个实施例的框图；
图7是耦合至CPU的调压器模块的另一个实施例的框图；
图8是耦合至CPU的调压器模块的又一个实施例的框图；
图9是设备的一个实施例的框图；
图10是调压器模块的一个实施例的框图；
图11是调压器模块的另一个实施例的框图；
图12是CPU的一个实施例的框图。
详细描述
根据一个实施例，描述了一种用于计算机系统的功率输送系统。该功率输送系统特别有如下能力：电源、负载或以上两者均测量电压、电流、功率和温度，并经由单向或双向数字总线共享这些测量值。在一个实施例中，这些测量值可以通过感测并采样模拟信号、将该信号转换成数字形式、并将该信号编码成用于通过总线传输的适当格式来实现。
这些测量值还可以通过监视已存在于电源中的数字控制信号，例如调制器的输出(PWM、PFM等)来间接实现。这些控制信号包括关于电源的占空比和开关频率的信息，并且允许对输出电流、电压和功率进行间接测量。此外，已存在于负载中的现有控制信号(例如，处理器的时钟频率或I/O频率)可被用于间接测量负载处的功耗。这些关于电源的输出功率或负载的输入功率的共享信息能够被电源、负载或以上两者用来管理并优化DC和瞬时负载调节、功率转换效率、电池寿命或系统性能的其他方面。
在本发明以下详细描述中，会阐明多个具体细节以提供对本发明的全面理解。然而，本领域普通技术人员显而易见的是，无需这些具体细节也可实践本发明。在其他情况下，以框图形式而非详细地示出了公知的结构和设备以避免淡化本发明的主题。
在说明书中对“一个实施例”或“一实施例”的参考指的是结合该实施例描述的特定特征、结构或性能被包括在本发明的至少一个实施例中。在说明书各处出现的短语“在一个实施例中”无需全部指代同一实施例。
图1是计算机系统100的一个实施例的框图。计算机系统100包括耦合至总线105的中央处理单元(CPU)102。在一个实施例中，CPU 102是可以从加利福尼亚州圣克拉拉市的Intel公司购买的
Figure GSB00000692080400031
处理器系列的处理器，包括II处理器系列、
Figure GSB00000692080400033
III处理器和
Figure GSB00000692080400034
IV处理器。另外也可使用其它的CPU。
芯片组107也耦合至总线105。芯片组107包括存储器控制集线器(MCH)110。MCH110可以包括耦合至主系统存储器115的存储器控制器112。主系统存储器115存储数据以及可由CPU 102或包括在系统100内的任何其他设备所执行的指令序列。在一个实施例中，主系统存储器115包括动态随机存取存储器(DRAM)；然而也可使用其他类型的存储器来实现主系统存储器115。诸如多个CPU和/或多个系统存储器等的附加设备也可以耦合至总线105。
芯片组107还包括经由集线器接口与MCH 110耦合的输入/输出控制集线器(ICH)140。ICH 140提供了与计算机系统100内的输入/输出(I/O)设备的接口。ICH 140可以耦合至外围部件互连总线，该外围部件互连总线遵循由俄勒冈州波特兰市的PCI Special Interest Group(PCI特殊利益集团)所研发的规范版本2.1。
此外，计算机系统100包括耦合至CPU 102的电源165和调压器模块(VRM)160。VRM 160为CPU 102提供经调节的电源电压。在一个实施例中，电源165、VRM 160和CPU 102是分开的分立部件，例如集成电路或印刷电路板。然而在其他实施例中，这些部件可通过封装、接合或制造而集成在同一IC上。注意，在其它实施例中，电源162可以直接耦合至CPU 102而无需VRM 162的实现。
如上所述，CPU的功耗正变得过高。当前已存在试图增加功耗效率的各种机制。例如，图2是将电压输送给负载的传统电源或VRM的框图。在此示例中，电源执行对输出电压的调节。当电压位于指定极限内时，电源断言“功率良好”信号以通知负载该负载可以安全工作。这样，功率良好信号就指示来自电源的输出电压是稳定的。
图3是将电压输送给负载的另一个传统电源的框图。在该系统中，负载通过在并行数字总线上发送K比特二进制码来向电源通知期望的输出电压。该总线通常被称为VID总线。电源随后就输出与该数字码相对应的电压。
图4是又一个传统功率输送系统的框图。在该系统中，电源使用附加的线来感测负载点处的输出电压。电源将电压输出到连接至负载的功率线上。当负载电流改变时，负载点处的实际电压因为负载电流在功率线上引发的压降，所以可以与电源输出端处的电压不同。由于感测线并不被电流施加很大的负载，因此电源能够精确确定并调节负载点处而非其输出端的实际电压。感测线是在负载点和电源感测端处直接连接至输出电压的导线。
图5是另一个传统功率输送系统的框图。在此系统中，电源提供与从输出电压端之一流入负载的输出电流成正比的模拟信号(电压或电流)。在某些情况下，电源出于调节目的可以在内部使用这一信号。然而在噪声环境下难以将模拟信号从电源路由至负载。
以上所有这些当前可用的功率输送系统都无法有效地管理功耗，因为这些设备(例如，电源、VRM或负载)都无法确定其他设备如何工作。结果就不能进行实际的功率管理。根据一个实施例，可以在VRM 160和CPU 102负载之间交换功耗测量值。通过互换测量值，负载功耗可以被有效地管理。
图6是经由数字总线610耦合至CPU 102的VRM 160的一个实施例的框图。在此实施例中，CPU 102在总线610上广播功耗测量值。例如，CPU 102测量负载点处的电压，将测得的电压转换成数字信号并将该信号发送至VRM 160。在一个实施例中，总线610是并行遥测总线。然而在其它实施例中，总线610可以被实现为串行总线。
图7是经由数字总线610耦合至CPU 102的VRM 160的另一个实施例的框图。在此实施例中，功耗测量值由VRM 160经总线610广播并在CPU 102处被接收。例如，VRM 610测量输出电压和输出电流或功率，并将该信息发送给CPU 102。
图8是经由数字总线610耦合至CPU 102的VRM 160的又一个实施例的框图。在此实施例中，功耗测量值的双向交换发生在VRM 160和CPU 102之间。功耗测量值可以包括VRM 160的经数字编码的输入和输出电压、电流、功率和温度。此外，这些测量值还可以包括CPU 102的输入电压、电流、功率和温度。根据一个实施例，信息可以被二进制编码并且可以被离散值化。这样，信号的幅度也可以是被离散值化。例如，可以使用两个不同的电压来代表逻辑0和1。
图9是设备900的一个实施例的框图。设备900可以被实现为VRM 160或CPU 102。在电源165被直接耦合至CPU 102的实施例中，设备900还可以在电源165处实现。设备900包括模数(A/D)转换器910、编码器920和接口930。
在此实施例中，功耗测量值可以从由A/D转换器910数字化、由编码器920编码并由接口930格式化的模拟信号中导出，从而能够经由数字数据总线610传输该信号。在另一个实施例中，A/D转换器910以并行或串行的格式输出数字字(例如，二进制字)。
在另一个实施例中，可以实现其他设备来代替A/D转换器910。例如，可以使用电压-频率、电流-频率、电压-时间或电流-时间转换器来代替A/D转换器910。
图10是带有模拟控制的设备1000的一个实施例的框图。设备1000可以被实现为VRM 160，或者在电源165直接耦合至CPU 102的实施例中可以被实现为电源165。设备1000包括补偿器1010、调制器1020、接口1030和功率级1040。
在图10所示的实施例中，设备1000是开关电源。在开关电源中，对开关设备施加的控制信号固有地是数字的(例如，开关可以被接通或断开)。调制器1020生成控制信号。在一个实施例中，调制器1020是脉宽调制器(PWM)。然而在其它实施例中，调制器1020可以是脉冲-频率调制器(PFM)、接通时间恒定或断开时间恒定的调制器，等等。
调制器1020基于从补偿器1010接收的误差信号来确定控制信号，从补偿器1010接收的误差信号感知各点处电压和电流。根据一个实施例，由调制器1020输出的数字信号经由数字总线610来传输。在基于各种拓扑结构(例如，回描flyback、抵偿buck、增强boost等)的开关电源中，来自调制器1020的数字信号包括关于输出功率的信息。与前述设备900相比，设备1000不实现明确的A/D转换器。
图11是带有数字控制的设备1100的一个实施例的框图。设备1100可以被实现为VRM 160，或者在电源165直接耦合至CPU 102的实施例中可以被实现为电源165。设备1100包括A/D转换器1105、补偿器1110、调制器1120、接口1130和功率级1140。在此实施例中，补偿器1110和调制器1120是数字的，因此，出于功率测量的目的，A/D转换器1105之后的任何信号都在数字总线上传输。
图12是CPU 102的一个实施例的框图。CPU 102包括时钟发生器1210、I/O接口1220、ALU 1225和接口1230。这些数字块从由VRM 160或电源165提供的电压中抽取电流。在CMOS工艺和其他技术中，功耗与开关工作或CPU 102负载的即时状态强烈相关。因此，从例如时钟频率、I/O转移活动、ALU 1225活动、处于特定状态的I/O比特数等中导出的数字信号提供允许对负载功耗进行粗略或精确估计的信息。出于电流或功率估计的目的，可以在数字数据总线610上广播这些信号。
尽管本发明的许多变化和修改对本领域普通技术人员而言在阅读了以上描述之后无疑是显而易见的，但是应该理解，以示例方式示出并描述的任何具体实施例决无限制的意思。因此，对各个实施例细节的参考不意味着对权利要求书范围的限制，而权利要求书中本身仅陈述了被认为是对本发明必要的那些技术特征。

Claims (19)

1.一种用于向计算机系统中的负载提供功率的系统，所述系统包括：
电源；
调压器模块，耦合至所述电源，并且耦合至所述负载，所述调压器模块用于使用所述电源向负载提供一个或多个电压；以及
数字总线，耦合在所述调压器模块和所述负载之间，用于从所述调压器模块向所述负载发送由所述调压器模块通过监视在所述调压器模块处的电压控制信息而测量的功耗测量值，并通过监视在所述负载处的电压控制信息而从所述负载向所述调压器模块发送功耗测量值，以调节负载的功耗。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述负载将测得的负载电压转换成数字信号并经由所述数字总线将所述信号发送至所述调压器模块，所述调压器模块基于该数字信号调节电压。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述调压器模块测量与所述负载所消耗的功率对应的值，并将所述值经由所述数字总线发送给所述负载。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述数字总线进一步将所述功耗测量值从所述负载发送到所述调压器模块，并将功耗测量值从所述调压器模块到所述负载。
5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述调压器模块至少部分地基于从所述负载发送到所述调压器模块的功耗测量值和从所述调压器模块到所述负载的功耗测量值，最小化给负载的电压以降低负载的功耗。
6.如权利要求4所述的系统，其特征在于，从所述负载发来的所述功耗测量值是以下的一个或多个：
输入电压、输出电压、输入电流、输出电流、输入功率、输出功率和温度。
7.如权利要求4所述的系统，其特征在于，从所述调压器模块发来的所述功耗测量值是以下的一个或多个：
输出电压、电流、功率和温度。
8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述调压器模块包括：
数字化模拟信号的模数A/D转换器；
耦合至所述A/D转换器的编码器，用于编码所述数字化的信号；以及
耦合至所述编码器和所述数字总线的接口，以与所述数字总线接口。
9.一种用于从计算机系统中的电源向负载供电的方法，所述方法包括：
把一个或多个电压从耦合至电源的调压器模块输送至负载；
通过经由数字总线从调压器模块向负载发送由所述调压器模块通过监视在所述调压器模块处的电压控制信息而测量的功耗测量值，并通过监视在所述负载处的电压控制信息而从所述负载向所述调压器模块发送功耗测量值，以调节负载的功耗。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括：
将所述电压控制信息从模拟信号转换成数字信号；以及
编码所述数字信号。
11.如权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括所述调压器模块在将所述功耗测量值从所述调压器模块发送给所述负载之前测量与所述负载消耗的功率大小相对应的值。
12.如权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括：
在所述调压器模块处经由数字总线从负载接收所述功耗测量值；以及
经数字总线将所述功耗测量值从调压器模块发送到负载。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，还包括：至少部分地基于从所述负载发送到所述调压器模块的功率测量值和从所述调压器模块到所述负载的功率测量值，最小化给负载的电压以降低负载的功耗。
14.一种计算机系统，包括：
电源；
耦合至所述电源的调压器模块VRM；
耦合至所述VRM的中央处理单元CPU，用于从VRM接收一个或多个电压；以及
耦合在所述VRM和所述CPU之间的数字总线，用于从VRM向CPU发送由所述VRM通过监视在所述VRM处的电压控制信息而测量的包括功耗测量值的电压控制信息，并通过监视在所述CPU处的电压控制信息而从CPU向VRM发送功耗测量值，以降低CPU的功耗。
15.如权利要求14所述的计算机系统，其特征在于，所述VRM测量与所述CPU消耗的功率对应的值并将所述值经由所述数字总线发送给所述CPU。
16.如权利要求14所述的计算机系统，其特征在于，所述数字总线还将所述功耗测量值从CPU发送给VRM，并将功耗测量值从VRM发送给CPU。
17.如权利要求16所述的计算机系统，其特征在于，所述VRM至少部分地基于从所述CPU发送到所述VRM的功率测量值和从所述VRM到所述CPU的功率测量值，以最小化给CPU的电压以降低CPU的功耗。
18.如权利要求14所述的计算机系统，其特征在于，所述数字总线是串行总线。
19.如权利要求14所述的计算机系统，其特征在于，所述数字总线是并行总线。
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