CN102445976A - 中央处理单元电源供应电路及其操作方法 - Google Patents

Abstract

一种中央处理单元电源供应电路及其操作方法。电源供应电路连接于电源供应器与中央处理单元之间。电源供应电路包括电压转换电路、取样单元、设定单元以及比较器。电压转换电路包括输入电容与电感，输入电容连接电源供应器，电感的输出端连接中央处理单元。取样单元连接电感的输入端，以取样电感的输入端的输入信号，并转换输入信号，以提供取样电压。设定单元连接电压转换电路的操作模式控制端。比较器连接取样单元与设定单元，并比较取样电压与参考电压。当取样电压小于参考电压时，比较器控制设定单元，使得电压转换电路进入连续导通模式。

Description

中央处理单元电源供应电路及其操作方法

技术领域

本发明是有关于一种电源供应电路，且特别是有关于一种中央处理单元电源供应电路及其操作方法。

背景技术

一般的个人电脑，例如笔记本(notebook，NB)电脑，在中央处理单元(centralprocessing unit，CPU)电源供应电路的电容(例如输入电容)部分，常常使用多层陶瓷电容(Multi-Layer Ceramic Capacitor，MLCC)，以降低成本以及缩小元件面积。然而，当中央处理单元电源供应电路的操作频率落于人耳可以察觉到的音频范围时，多层陶瓷电容等元件会因为压电效应而发出音频噪音。传统解决音频噪音问题方法，是使用较没有压电效应的电容，例如聚合物有机半导体固态电解电容器(Polymerized Organic Semiconductor Capacitors，POSCAP)或是其它电解电容，以降低来自CPU负载变化引起的音频噪音。然而，POSCAP具有成本高以及元件面积大等缺点。

发明内容

本发明提供一种中央处理单元电源供应电路及其操作方法，可以有效主动抑制音频噪音。

本发明实施例提出一种中央处理单元电源供应电路，其连接于电源供应器与中央处理单元之间。上述电源供应电路包括电压转换电路、取样单元、设定单元及比较器。电压转换电路包括输入电容与电感，输入电容连接电源供应器，电感的输出端连接中央处理单元。

取样单元连接电感的输入端，以取样电感的输入端的输入信号。取样单元并转换输入信号，以提供取样电压。设定单元连接电压转换电路的操作模式控制端。比较器连接取样单元与设定单元。比较器比较取样电压与参考电压。当取样电压小于参考电压时，比较器控制设定单元，使得电压转换电路进入连续导通模式(continuous conduction mode，CCM)。

在本发明的一实施例中，电压转换电路还包括调节器、第一功率开关、第二功率开关及输出电容。调节器具有上述操作模式控制端。第一功率开关分别连接电源供应器、调节器、电感的输入端及取样单元。第二功率开关串连连接第一功率开关，且分别连接调节器、电感的输入端及取样单元。输出电容连接电感的输出端与中央处理单元。

在本发明的一实施例中，电压转换电路为多层陶瓷电容，且输入电容分别连接电源供应器与第一功率开关。

在本发明的一实施例中，调节器具有不连续导通模式(DCM)与连续导通模式(CCM)，当中央处理单元处于低负载状态，调节器处于不连续导通模式，且取样电压小于参考电压时，调节器依据设定单元的操作而由不连续导通模式进入连续导通模式。

在本发明的一实施例中，取样单元具有时间延迟效果。

在本发明的一实施例中，输入信号为脉波宽度调变信号。

在本发明的一实施例中，取样单元用以转换输入信号成为模拟信号。

在本发明的一实施例中，取样电压的大小与输入信号的频率大小成正比。

本发明实施例提出一种电源供应电路的操作方法，其用以控制连接于电源供应器与中央处理单元之间的电压转换电路。上述电压转换电路包括电感，其输出端连接中央处理单元。上述电源供应电路的操作方法包括：取样电感的输入端的输入信号；转换输入信号为取样电压；比较取样电压与参考电压；若取样电压小于参考电压，使得电压转换电路进入连续导通模式(CCM)。

在本发明的一实施例中，输入信号为脉波宽度调变信号。

在本发明的一实施例中，其中于转换输入信号为取样电压的步骤中，取样电压的大小与输入信号的频率大小成正比。

基于上述，本发明实施例通过取样单元以及比较器检测出电压转换电路的操作频率是否落于人耳可以察觉到的音频范围。当电压转换电路操作于非音频范围时，不论电压转换电路当时正运行于何种操作模式下，比较器与设定单元并不会改变电压转换电路的操作模式。当比较器检测出电压转换电路操作于音频范围时，比较器控制设定单元的操作，使设定单元暂时性强迫改变电压转换电路的操作模式为连续导通模式，直到电压转换电路的操作频率离开音频范围。因此，本发明实施例所揭露的中央处理单元电源供应电路可以有效主动抑制音频噪音。另外，由于取样单元是取样电感输入端的信号，因此可以避免干扰电压转换电路的驱动操作。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。

附图说明

图1是依据本发明实施例说明一种中央处理单元(CPU)电源供应电路的功能模块示意图；

图2是依照本发明实施例说明图1所示中央处理单元电源供应电路的示意图；

图3是依照本发明实施例说明图2所示电路的信号时序示意图；

图4是依照本发明另一实施例说明图1所示中央处理单元电源供应电路的示意图；

图5是依照本发明又一实施例说明图1所示中央处理单元电源供应电路的示意图；

图6是依据本发明实施例说明一种电源供应电路的操作方法流程示意图。

具体实施方式

图1是依据本发明实施例说明一种中央处理单元电源供应电路100的功能模块示意图。中央处理单元电源供应电路100连接电源供应器102与中央处理单元103。在本实施例中，电源供应器102可以是电源转接器(adapter)。电源供应器102可以将市电101(交流电压源)转换为输入电压Vin，然后将输入电压Vin提供给电脑系统。

在本实施例中，电源供应器102还包括用以转换成多组直流电压的转换电路，其可将电压较高的Vin(通常是19V)转换成各装置需要的电压，例如：3.3V与5V。故，在本实施例中，转换电路为直流-直流的功率型态转换。在其它实施例中，输入电压Vin亦可由电池模块所供应，本发明并不对此加以限制。

在电脑系统中，电源供应电路100将输入电压Vin转换为中央处理单元103所需的电压电位，然后将输出电压Vout输出给中央处理单元103，以供电给中央处理单元103。在本实施例中，电源供应电路100包括电压转换电路110、取样单元120、比较器130以及设定单元140。

电压转换电路110连接电源供应器102与中央处理单元103，以将输入电压Vin转换为输出电压Vout。电压转换电路110可操作在不连续导通模式(discontinuous conduction mode，DCM)与连续导通模式(continuous conductionmode，CCM)。当中央处理单元103处于低负载状态，电压转换电路110处于不连续导通模式(DCM)，且取样电压Vsp小于参考电压Vref时，电压转换电路110则依据设定单元140的操作由不连续导通模式(DCM)强制进入连续导通模式(CCM)。

在本实施例中，电压转换电路110内部还包括电感L、调节器(regulator)111、第一功率开关MU、第二功率开关MD、输入电容Cin以及输出电容Cout。

上述调节器111具有操作模式控制端CCM#，调节器111具有不连续导通模式(DCM)与连续导通模式(CCM)，其可依据操作模式控制端CCM#的信号来控制电压转换电路110于不连续导通模式或连续导通模式。一般来说，操作模式控制端CCM#的信号连接自芯片组(例如南桥芯片或平台设定单元(platformcontroller hub，PCH)，未绘示)或中央处理单元103而接收控制信号，以进行DCM与CCM的切换。例如，在本实施例中，由中央处理单元103经由芯片组传送操作模式设定信号Vopm给调节器111，或是由中央处理单元103直接传送操作模式设定信号Vopm给调节器111。在本实施例中，操作模式控制端CCM#还连接设定单元140，有关其详细说明，容后详述。

上述调节器111分别连接第一功率开关MU、第二功率开关MD及设定单元140。第一功率开关MU分别连接电源供应器102、调节器111、电感L的输入端、取样单元120及输入电容Cin。第二功率开关MD串连连接第一功率开关MU，且第二功率开关MD分别连接调节器111、电感L的输入端及取样单元120。输入电容Cin分别连接第一功率开关MU与电源供应器102。电感L的输入端分别连接第一功率开关MU、第二功率开关MD及取样单元120。电感L的输出端连接中央处理单元103，以供应输出电压Vout。输出电容Cout连接电感L的输出端与中央处理单元103。

在本实施例中，输入电容Cin为多层陶瓷电容(MLCC)，输出电容Cout为聚合物有机半导体固态电解电容器(POSCAP)。

上述取样单元120连接电感L的输入端、第一功率开关MU、及第二功率开关MD，以取样电感L的输入端的输入信号。取样单元120转换电感L的输入端的输入信号VL，以提供取样电压Vsp给比较器130。上述比较器130分别连接取样单元120与设定单元140。设定单元140则分别连接比较器130与调节器111的操作模式控制端CCM#。

设定单元140连接电压转换电路110的操作模式控制端CCM#，即调节器111的操作模式控制端CCM#。此操作模式控制端CCM#可以控制电压转换电路110的操作模式。例如：当此操作模式控制端CCM#为第一逻辑电位时，电压转换电路110的操作模式为不连续导通模式(DCM)。当此操作模式控制端CCM#为第二逻辑电位时，电压转换电路110的操作模式为连续导通模式(CCM)。

又例如，当此操作模式控制端为第一逻辑电位时电压转换电路110的操作模式为脉频调变(pulse frequency modulation，PFM)模式，而当此操作模式控制端为第二逻辑电位时电压转换电路110的操作模式为脉宽调变(pulse widthmodulation，PWM)模式。再例如，当此操作模式控制端为第一逻辑电位时，电压转换电路110的操作模式为“自动模式”(例如动态地依据负载而自动选择操作于PFM模式或PWM模式)，而当此操作模式控制端为高逻辑电位时，电压转换电路110的操作模式被限定为PWM模式。

取样单元120取样电感L的输入端的输入信号VL，以提供取样电压Vsp。在本实施例中，输入信号VL为数字型态的脉波宽度调变(PWM)信号。取样单元120可将输入的数字型态信号转换为模拟信号。在本实施例中，取样单元120中可包括RC延迟电路(电阻电容延迟电路)，以具有一时间延迟效果，以避免取样信号过于频繁地切换电压转换电路110的操作模式。

取样电压Vsp的电位是相应于信号VL的脉冲频率，也就是相应于电压转换电路110的操作频率，即取样电压Vsp的大小与输入信号VL的频率大小成正比。

当电压转换电路操作在不连续导通模式(DCM)，操作频率大小会与负载电流大小成正比。常负载电流由高一直降低，会使操作频率由高一直降低，故取样电压Vsp也会由高一直降低。

故电源转换电路110在不连续导通模式(DCM)下，会因负载的变化使得操作频率进入音频范围(20Hz至20KHz)，此时取样电压Vsp会对应地落入某一电压范围(以下称第一电压范围)；类似地，当电压转换电路110操作于非音频范围(如：数百KHz)时，取样电压Vsp会对应地落入另一个电压范围(以下称第二电压范围)。因此，可以在前述第一电压范围与第二电压范围之间选定一个参考电压电位，并依此参考电压电位设定参考电压Vref。

在其它实施例中，取样单元120可以用计数器与数字模拟转换器来实现。计数器连接电感L的输入端，以便在单位时间中计数信号VL的脉冲数，然后将计数结果输出给数字模拟转换器。数字模拟转换器将计数器所输出的计数结果转换为模拟的取样电压Vsp，然后将取样电压Vsp输出给比较器130。

比较器130接收取样电压Vsp以及控制设定单元140。当取样电压Vsp小于参考电压Vref时，比较器130控制设定单元140的操作，强迫电压转换电路110进入连续导通模式(CCM)。

一般而言，如果输入电容Cin为多层陶瓷电容(MLCC)，将电压转换电路110操作在不连续导通模式(DCM)会有噪音问题，但电源转换效率较高。若将电压转换电路110操作在连续导通模式(CCM)则没有噪音问题，但电源转换效率较低。

因此，当比较器130检测出电压转换电路110操作于非音频范围时，比较器130控制设定单元140的操作，以使电压转换电路110的操作模式尽可能为DCM。当比较器130检测出电压转换电路110操作于音频范围时，比较器130控制设定单元140的操作，使设定单元140改变电压转换电路110的操作模式为CCM，直到电压转换电路110的操作频率离开音频范围。

所以，本实施例可将电压转换电路110操作在DCM，同时可使用成本较低的多层陶瓷电容(MLCC)作为输入电容Cin。也就是说，本实施例可降低音频噪音，又不犧牲电源转换效率。因为电压转换电路110可以不使用POSCAP与电解电容，本实施例可享受MLCC带来的成本与空间效益。

在另一个实施例中，当比较器130检测出电压转换电路110操作于非音频范围时，比较器130控制设定单元140的操作，使电压转换电路110的操作模式为“自动模式”。此自动模式会让电压转换电路110动态地依据负载而自动选择操作于脉频调变(PFM)模式或脉宽调变(PWM)模式。一般而言，PWM模式的操作频率远高于人耳所能感受的音频范围。因此，当比较器130检测出电压转换电路110操作于音频范围时，比较器130控制设定单元140的操作，使设定单元140改变电压转换电路110的操作模式为PWM模式，直到电压转换电路110的操作频率离开音频范围。

调节器111至少具有第一操作模式与第二操作模式。设定单元140可以依据取样电压Vsp而改变调节器111的模式控制端CCM#的逻辑电位，进而改变调节器111的操作模式为第一操作模式或第二操作模式。在某些实施例中，前述第一操作模式可以是脉宽调变模式，第二操作模式可以是脉频调变模式。在另一些实施例中，前述第一操作模式可以是连续导通模式，而第二操作模式可以是不连续导通模式。

在某些实施例中，电压转换电路110的操作模式控制端(调节器111的模式控制端CCM#)还经由设定单元140连接中央处理单元103以接收操作模式设定信号Vopm。在另一些实施例中，电压转换电路110的操作模式控制端(调节器111的模式控制端CCM#)还经由设定单元140连接芯片组(例如南桥芯片或平台控制单元(PCH)，未示出)，使得中央处理单元103可以经由芯片组传送操作模式设定信号Vopm给电压转换电路110。当电压转换电路110操作于非音频范围时，电压转换电路110可以依据中央处理单元103或芯片组所输出的操作模式设定信号Vopm而动态决定操作模式。当电压转换电路110操作于音频范围时，设定单元140会强迫改变电压转换电路110的操作模式为CCM(或PWM模式)，直到电压转换电路110的操作频率离开音频范围。

图2是依照本发明实施例说明图1所示中央处理单元电源供应电路100的电路示意图。取样单元120包括第一电阻R1以及取样电容Csp。第一电阻R1的第一端连接电感L的输入端，而第一电阻R1的第二端连接比较器130，以提供取样电压Vsp。取样电容Csp的第一端连接第一电阻R1的第二端，而取样电容Csp的第二端接地。

于图2所示实施例中，比较器130包括运算放大器OP。运算放大器OP的第一输入端(例如反相输入端)连接取样单元120的输出端(第一电阻R1的第二端)，以接收取样电压Vsp。运算放大器OP的第二输入端(例如非反相输入端)连接参考电压Vref。运算放大器OP的输出端连接设定单元140。

于图2所示实施例中，设定单元140包括第二电阻R2以及模式开关SW。第二电阻R2的第一端连接第一电压，而第二电阻R2的第二端连接电压转换电路110的操作模式控制端(调节器111的模式控制端CCM#)。模式开关SW的第一端连接第二电阻R2的第二端。模式开关SW的第二端连接第二电压。模式开关SW的控制端连接比较器130的输出端(运算放大器OP的输出端)。于图2所示实施例中，前述第一电压与第二电压分别为系统电压VCC与接地电压。在另一些实施例中，第一电压可以是接地电压，而第二电压可以是系统电压VCC。于图2所示实施例中，前级元件(例如中央处理单元103或芯片组)可以用开漏极(open drain)的方式供应操作模式设定信号Vopm。

图3是依照本发明实施例说明图2所示电路的信号时序示意图。请参照图2与图3，电压转换电路110可以依据中央处理单元103或芯片组所输出的操作模式设定信号Vopm而动态决定操作模式。当中央处理单元103为重载时，电压转换电路110是操作于PWM模式，此时电压转换电路110的操作频率是固定于某一频率(高于音频范围)。

当中央处理单元103为轻载时，电压转换电路110是操作于PFM模式，也就是随着负载状态而动态调变操作频率。因此，于PFM模式中，电压转换电路110的操作频率可能会随着负载状态而操作于音频范围。当电压转换电路110操作于非音频范围时，取样电压Vsp会高于参考电压Vref，使得运算放大器OP输出的控制电压VC为逻辑低电位，所以模式开关SW为截止状态。当电压转换电路110操作于音频范围时，取样电压Vsp会低于或等于参考电压Vref，使得运算放大器OP输出的控制电压VC为逻辑高电位，所以模式开关SW为导通状态。此时，设定单元140会将电压转换电路110的操作模式控制端(调节器111的模式控制端CCM#)的电位下拉至逻辑低电位，以强迫改变电压转换电路110的操作模式为PWM模式。因此，本发明实施例所揭露的中央处理单元电源供应电路100可以有效有源抑制音频噪音。

再例如，当中央处理单元103处于低负载状态，调节器111处于不连续导通模式(DCM)，且取样电压Vsp小于参考电压Vref时，调节器111则依据设定单元140的操作而由不连续导通模式(DCM)进入连续导通模式(CCM)。因此，本发明实施例所揭露的电源供应电路100可以有效有源抑制音频噪音。

图4是依照本发明另一实施例说明图1所示中央处理单元电源供应电路100的电路示意图。图4的详细内容可以参照图1与图2的相关说明。图4不同于图2的地方，在于图4的设定单元140的实施方式。在此假设前级元件(例如中央处理单元103或芯片组)是用推挽式(push-pull)的方式供应操作模式设定信号Vopm。为了避免设定单元140的操作会与前级元件所供应的操作模式设定信号Vopm相冲突，因此第二电阻R2的第一端接收操作模式设定信号Vopm，如图4所示。当电压转换电路110操作于音频范围时，运算放大器OP输出的控制电压VC为逻辑高电位而使模式开关SW为导通状态，因此设定单元140会将电压转换电路110的操作模式控制端(调节器111的模式控制端CCM#)的电位下拉至逻辑低电位，以强迫改变电压转换电路110的操作模式为CCM(或PWM模式)，直到电压转换电路110的操作频率离开音频范围。

应用上述实施例者可以在比较器130加入迟滞(hysteresis)效果，或是在设定单元140加入RC延迟效果，以调整动作的灵敏度，同时兼顾DCM的节能效益与人耳的感受。例如，图5是依照本发明又一实施例说明图1所示中央处理单元电源供应电路100的电路示意图。图5的详细内容可以参照图1、图2与图4的相关说明。图5不同于图4的地方，在于图5的设定单元140的实施方式。图5所示设定单元140包括第二电阻R2、模式开关SW、第三电阻R3、二极管D1以及延迟电容Cd。第二电阻R2的第一端接收操作模式设定信号Vopm，第二电阻R2的第二端连接电压转换电路110的操作模式控制端(调节器111的模式控制端CCM#)。模式开关SW的第一端连接第二电阻R2的第二端，模式开关SW的第二端连接第二电压(例如接地电压。第三电阻R3的第一端连接比较器130的输出端以接收控制电压VC。第三电阻R3的第二端连接模式开关的控制端。二极管D1的阳极连接第三电阻R3的第一端，二极管D1的阴极连接第三电阻R3的第二端。延迟电容Cd连接第三电阻R3的第二端。在设定单元140加上第三电阻R3、二极管D1以及延迟电容Cd，用意是让模式开关SW快速导通(turn on)，以及延迟截止(turn off)，以免电压转换电路110一直在PWM模式与PFM模式之间往复切换。

图6是依据本发明实施例说明上述电源供应电路100的操作方法流程示意图。此操作方法可以控制连接于电源供应器102与中央处理单元103之间的电压转换电路110。首先，取样单元120进行步骤S610，以取样于电压转换电路110中连接中央处理单元103的电感L的输入端的输入信号VL。接下来，取样单元120进行步骤S620，以转换输入信号VL为取样电压Vsp。然后，比较器130进行步骤S630，以比较取样电压Vsp与参考电压Vref。若取样电压Vsp小于参考电压Vref，则比较器130通过设定单元140控制电压转换电路110，使得电压转换电路110进入连续导通模式(步骤S640)。若取样电压Vsp大于或等于参考电压Vref，则比较器130通过设定单元140控制电压转换电路110，使得电压转换电路110进入不连续导通模式(步骤S650)。

综上所述，本发明实施例所揭露的中央处理单元电源供应电路100是在电压转换电路110的主回路中，将电感L位于输入侧的切换信号VL引出来，并转换成模拟信号Vsp，再用比较器130检测出电压转换电路110是否操作于音频范围，再将对应的控制信号VC导入电压转换电路110的操作模式控制端，使电压转换电路110离开音频操作范围，就可以抑制音频噪音。上述实施例利用电压转换电路110的操作频率，作为辨识是否有噪音的特征，一旦经过确认，便主动改变电压转换电路110的操作模式。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的为准。

Claims (11)

1.一种中央处理单元电源供应电路，连接于电源供应器与中央处理单元，其特征是，上述电源供应电路包括：

电压转换电路，包括输入电容与电感，上述输入电容连接上述电源供应器，上述电感的输出端连接上述中央处理单元；

取样单元，连接上述电感的输入端，以取样上述电感的上述输入端的输入信号，并转换上述输入信号，以提供取样电压；

设定单元，连接上述电压转换电路的操作模式控制端；以及

比较器，连接上述取样单元与上述设定单元，上述比较器比较上述取样电压与参考电压，当上述取样电压小于上述参考电压时，上述比较器控制上述设定单元，使得上述电压转换电路进入连续导通模式。

2.根据权利要求1所述的电源供应电路，其特征是，上述电压转换电路还包括：

调节器，具有上述操作模式控制端；

第一功率开关，分别连接上述电源供应器、上述调节器、上述电感的上述输入端及上述取样单元；

第二功率开关，串连连接上述第一功率开关，且分别连接上述调节器、上述电感的上述输入端及上述取样单元；以及

输出电容，连接上述电感的上述输出端与上述中央处理单元。

3.根据权利要求2所述的电源供应电路，其特征是，上述输入电容为多层陶瓷电容，且上述输入电容分别连接上述电源供应器与上述第一功率开关。

4.根据权利要求2所述的电源供应电路，其特征是，上述调节器具有不连续导通模式与上述连续导通模式，当上述中央处理单元处于低负载状态，上述调节器处于上述不连续导通模式，且上述取样电压小于上述参考电压时，上述调节器则依据上述设定单元的操作而由上述不连续导通模式进入上述连续导通模式。

5.根据权利要求1所述的电源供应电路，其特征是，上述取样单元具有时间延迟效果。

6.根据权利要求1所述的电源供应电路，其特征是，上述输入信号为脉波宽度调变信号。

7.根据权利要求1所述的电源供应电路，其特征是，上述取样单元用以转换上述输入信号成为模拟信号。

8.根据权利要求1所述的电源供应电路，其特征是，上述取样电压的大小与上述输入信号的频率大小成正比。

9.一种电源供应电路的操作方法，用以控制连接于电源供应器与中央处理单元之间的电压转换电路，上述电压转换电路包括电感，上述电感的输出端连接上述中央处理单元，其特征是，上述操作方法包括：

取样上述电感的输入端的输入信号；

转换上述输入信号为取样电压；

比较上述取样电压与参考电压；以及

若上述取样电压小于上述参考电压，使得上述电压转换电路进入连续导通模式。

10.根据权利要求9所述的操作方法，其特征是，上述输入信号为脉波宽度调变信号。

11.根据权利要求9所述的操作方法，其特征是，于转换上述输入信号为上述取样电压的步骤中，上述取样电压的大小与上述输入信号的频率大小成正比。

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