背景技术
近年来已努力来改进将功率提供到电子系统的各种专用电路的方法和系统。电子系统,如半导体芯片,对每个电路或电路块(circuit block)经常具有不同的功率供应需求。许多这种电路相对于系统中的其它电路需要相对低的电压但是高的电流。如本领域已知,整个电子系统长距离在高电流下布置低电压是不可取的。为了适应对高电流的需求,电源线制造地更宽,最终消耗大量的芯片和系统有效面积(real estate)。进一步,低电压长电线的阻抗比短电线的阻抗消耗更多的功率,导致不必要的功率损失和系统温度的升高。更进一步,使用集中式(centralized)供电路径使得提供电流或电压以适应负载变化变得困难。
为了解决(accommodate)上述问题,一些功率管理系统已经采用各种分散式功率结构。例如,中级总线电压可分布在整个电子系统,其中各自的负载点(POL)调节器被布置在功率消耗点处。POL调节器可被视为提供局部功率至它们各自的电路的直流-直流(DC/DC)转换器。这样,每个POL调节器将总线电压转换至与它的电路相适应的水平。理想地,POL调节器物理上接近它们各自的供电到其上的电路,从而减少任何线路功率损失以及温度增加问题。因此,低电压-高电流线路在长度上最小化。中级总线电压可使用减少功率损失和芯片有效面积的低电流线路被传送至遍布电子系统的几个POL调节器。
传统的分散式功率供应系统的一个缺点是在不同POL调节器之间缺少通信。如果一个POL调节器发生故障,通常没有方法将该故障通信给其它相似的POL调节器(POL),以防止它们的故障。
图1示出了一个如美国专利号7,583,487(“487专利”)中描述的示意性功率管理系统,所述功率管理系统试图解决一些前述的问题。图1的系统包括总线控制器102以及多个组120、130、140和150。每个组包括若干POL调节器(例如,组A包括POL调节器122、124和126)。图1中的每组POL调节器被耦合至它自己的OK线(例如组A的137)。这样,对于POL调节器的每个额外组(如120),在主调解器102和该组之间需要额外的通信线路。主调节器和每个组之间的独立的通信信道物理上限制了可以耦合至主调节器的组的数量-或者至少使系统以及系统的接线复杂。进一步,为了将POL从一个组移动到另一个组,主调节器和每个组之间的独立的通信信道需要POL物理上与一个通信信道分离并重新连接至另一个通信信道。
图2示出了一个如美国专利号7,337,342(“342专利”)中描述的示意性功率管理系统。当功率供应器(power supply)(POL)202、204或206中任一个发生故障时,主控制器(未示出)能够断开所有POL。在“342专利”中,POL202、204和206形成单个序列组,该序列组耦合至单个的上行/下行(UP/DOWN)线路212以及单个的序列连接(Sequence_Link)线路210。额外的POL序列组(未示出)需要它们自己独特的上行/下行线路和序列连接线路。因此,由于每个额外的POL序列组将增加额外的一对线路,故“342专利”与“专利487”具有相似的可扩展性限制以及POL组重新配置性(re-configurability)限制。
图3示出了现有技术通用的功率管理系统。在系统300中,单个的功率供应管理器302控制几个功率供应组(例如,304、306和308)。系统300中的每个组包括一个或多个POL(例如312),它被硬接线(如314)连接至单个的功率供应管理器302。在系统300的例子中,通信线314、316和318被用于通信组-特定(group-specific)故障以及序列信息。将一个POL从一个组移动到另一个组需要改变接线,这可能使实施复杂。将信息从一个POL组通信到另一个POL组(例如组A到组B)需要单个的功率供应管理器302的协调。
因此,现有技术的系统的可配置性和可扩展性受到限制。将一个POL从一个组移动到另一个组只能通过物理上重新布线完成。而且,可扩展性受到限制是因为单个功率供应管理器302的使用限制了在系统300内能够支持的POL的总数。
鉴于以上,需要提供避免这些问题的管理分布式功率供应的系统和方法。
具体实施方式
现在详细介绍附图和下面的讨论中示出的例子。图4示出与本发明的一个实施例一致的分布式功率供应系统的示意性框图。系统400包括事件数据总线402以及几个功率供应管理器(例如,404、406和408)。每个功率供应管理器分别控制一个或多个POL的操作。在系统400的例子中,功率供应管理器1(404)控制POL412、414和416的操作;功率供应管理器2控制POL418的操作;以及功率供应管理器N控制POL420和422的操作。在不同的实施例中,每个功率供应管理器(例如,404、406和408)可在结构上相同或不同(例如,支持不同数量的POL)。
对应于一个功率供应管理器的多个POL在此称为一个POL物理组。例如,第一物理组包括POL412、414和416;第二物理组包括POL418;等等。每个物理组的POL可共享该物理组中的多个POL共有的特征,如相似的电压、电流,和/或电路块。例如,第一物理组的POL可提供功率至存储元件(例如,动态随机存取存储器(DRAM))而第二物理组可向中央处理器(CPU)供电。在一些实施中,POL物理组可包括多个POL功能组。例如,POL412和414可向DRAM提供功率,而POL416可向用户调试界面提供功率。
每个POL物理组的功率供应管理器被配置为执行几项功能,包括确定故障状态的功能、将该故障状态通信至其它功率供应管理器的功能、基于在物理组中确定的故障状态有选择地接通/断开(ON/OFF)该物理组中的POL、以及基于由其它功率供应管理器提供的故障状态的严重程度有选择地接通/断开物理组中的POL。例如,功率供应管理器404可确定它的物理组中每个POL(例如412、414和416)的一个或多个故障状态。例如,一个故障状态可以是POL可能过热、产生高于或低于各自预定阈值的电压、产生高于或低于各自预定阈值的电流、提供波动的/嘈杂的电压或电流等。每个功率供应管理器(例如404)被配置为基于其正在管理的POL的类型确定故障状态的严重程度。例如,较灵敏的电路块可具有更严格的控制,而较不灵敏或较不关键(critical)的电路块可被给与更多的宽限(tolerance)。
基于识别出的故障状态的严重程度,功率供应管理器(例如404)可断开故障状态的来源POL(例如412)。在一个实施例中,功率供应管理器404断开其物理组中所有的POL以防止基于故障状态的问题的进一步扩大。
功率供应管理器(例如404)将故障状态通信至系统400中的其它功率供应管理器(例如,406和408)。就这一点而言,功率供应管理器在共有的单条数据总线402(即在此称为事件数据总线)上提供信息,所述数据总线402被其它功率供应管理器406和408共享,功率供应管理器406和408被配置为听取(例如,读取)共有的事件数据总线402的信息。在一个实施例中,所述事件数据总线402不限于通信故障信息。例如,事件数据总线402可通信额外的功率系统信息,如POL排序指令、边限(margin)命令、相位(phase)细节等。边限命令涉及POL进行高于或低于标称的目标的预定边限量的指令。相位细节包括共同提供单个供应的多个POL之间的相位关系(例如,当它们连接在一起时)。例如,如果一个负载需要20A的电流,几个POL可连接在一起(例如,一个5A的POL和一个15A的POL)以向所述负载提供所需的20A的电流。所述相位细节包括供应共有负载的多个POL之间的相位关系。
事件数据总线402可以为双向串行总线。因此,功率供应管理器404至408可提供信息到事件数据总线402上并从那里接收信息。在不同的实施例中,事件数据总线可包括数据线路和独立的时钟线路;或者包括一个时钟信息被嵌入到数据流中的单线路。事件数据总线402上的具体的定时和通信在后面的部分进行更详细的讨论。
功率供应管理器(例如404)被配置为监测事件数据总线402并获取其它POL的一个或多个故障状态(由POL各自的功率供应管理器提供)。然后功率供应管理器404确定该故障状态对于它的POL的严重程度,并决定采取什么行动。因此,功率供应管理器404可断开其物理组中所有的POL以防止故障,故障如过载状态或POL正在供电的电路的不可靠的操作。
当事件数据总线402上的功率供应管理器公布(announced)故障状态时,基于它们各自的规则集(例如,基于它们的POL物理组正在驱动的负载的类型)可出现几种行动:(1)一个或多个功率供应管理器可将该故障视为“轻微”(“minor”)并将其忽略;和/或(2)一个或多个功率供应管理器可将该故障视为“严重”(“serious”)并立刻断开(shut down)它们各自的POL。因此,对于一个从事件数据总线读取的给定的故障,不同的POL物理组可基于该故障对各自的管理器(例如,404、406和408)的严重程度被断开。系统400中的多个功率供应管理器(例如,404、406和408)的通信消除了对现有技术中单个的最高级的管理器的需要。
除了物理组,POL还可包括虚拟组。一个POL虚拟组允许独立的多个POL虚拟地耦合至与其物理上分开的功率供应管理器。因此,在一个虚拟POL组中,一个功率供应管理器控制着可能不是很靠近的POL的操作。功率供应管理器通过事件总线上的消息控制各自的POL。
单个的POL可被从一个POL虚拟组移动到另一个POL虚拟组,并且在其它虚拟组内重新配置而没有接线板层面(board level)的变化。进一步,额外的POL可被加入到相同的事件数据总线402而不冲突,并且在额外的POL和单个的最高级的管理器之间没有如现有技术的系统中所需的一个或多个专用线路。
或许现在解释事件数据总线402如何在多个功率供应管理器之间被共享是有帮助的。图5示出由一个或多个功率供应管理器在事件数据总线上提供的数据位流。如上所述,事件数据总线可以为由几个功率供应管理器共享的数据线路。通过将事件数据总线上的信号划分为不同的时隙,多个(如N个)故障状态可在单条串联事件数据总线上通信。换句话说,单条线路可代表N条虚拟线路,其中每条虚拟线路代表一个故障状态。在一个实施例中,每个故障具有一个分配给它的预定时隙。例如,时隙502可对应于过热,时隙504可对应于过电流,以及时隙508可对应于高电压。当一个故障状态被关于其物理组中的一个或多个POL的功率供应管理器识别时,所述功率供应管理器在分配的时隙期间在事件数据总线上通过提供高/低电压通信所述故障。因此,如果由一个物理组中的一个POL提供的电压太高,则时隙508被声明(asserted)。例如,一个高电压可能指示不存在故障,而一个低电压可能指示存在故障。每个时隙代表一条虚拟线路,以及N条虚拟线路代表一条消息。
如在此使用的术语“表决”(“voting”)指的是在预定的时隙提供信号。为了在事件数据总线上放置(place)信息,表决信号由各自的功率供应管理器提供,所述信息包括识别在各自的虚拟组中的一个或多个POL的故障状态的信息。因此,“表决”可理解为在虚拟线路上提供一个信号以指示一个故障。多个功率供应管理器可通过声明(asserting)如高或低信号,在事件数据总线上在预定时隙“表决”。因此,多个功率供应管理器可使用同一时隙同时识别相同的故障。在一个实施例中,虚拟线路可被配置为“接线-或”(“wired-OR”),其中任何高表决(vote)将会指示事件数据总线上的故障。因此,如果耦合至事件数据总线上的多个功率供应管理器的任一个(或多个)在一个特定时隙内声明一个故障,则事件数据总线指示一个特定的故障。换句话说,为了事件数据总线不指示在其事件数据总线上的错误,耦合至所述事件数据总线上的功率供应管理器都不经历该特定故障(并因此在特定时隙内不声明故障)。
有利地,由于“接线-或”配置,共享预定故障状态时隙的额外功率供应管理器可被加入而没有功率供应管理器之间的冲突或附加线路。因此,额外的功率供应管理器可被加入到所述事件数据总线而没有额外的费用。
在不同的实施例中,事件数据总线可使用不同的信号标准,如低电压正/伪发射极耦合逻辑(low-voltage positive/pseudo emitter-coupled logic)(LVPECL),电流模式逻辑(CML),电压模式逻辑(VML)以及低压差分信号(LVDS)。进一步,时钟可被作为单独的信号提供或被嵌入到数据流内提供。
如上所述,几个功率供应管理器也可耦合至相同的事件数据总线。就这一点而言,图6示出一个系统,其中几个功率供应管理器(即404、406和408)在一个共有的事件数据总线602上通信。事件数据总线602包括用于EPLUS和EMINUS信号的不同路径。
图7示出在相同的事件数据总线上,几个功率供应管理器通信信号电平的各种时序图。所有的功率供应管理器可参与单个的位(single bit)的表决。相应地,由于许多功率供应管理器具有在相同的时隙同时通信信息的能力,因此总线的有效数据速率增大。
如时序图702中所示,每个表决(vote)窗口(例如,连续的一组时隙,在该时隙期间表决发生)可预置表决b(voteb)=0和表决(vote)=1。在一个实施例中,所述voteb/vote的预置发生在表决窗口的开始。所述表决窗口包括多个时隙。例如,在图7中示出的第一对voteb/vote的预置可应用于a0和a1时隙。这种预置保证了上升沿。所有的功率供应管理器可在voteb/vote上升沿后使用内部计时器来识别两个位的位置a3和a2。然后每个功率供应管理器在这两个位的位置a3和a2的每一个期间驱动逻辑0或三态(tri-state)。当在位的位置a3期间所有的管理器三态EPLUS和EMINUS时,在事件数据总线上提供的值被视为逻辑1。当任意功率供应管理器在位的位置a3期间在EPLUS和EMINUS上驱动逻辑0时,那么在事件数据总线上提供的值被视为逻辑0。因此,位的位置a3相当于所有的管理器的单个的接线-或类型表决位(voting bit)。同样地,a2相当于另一个所有的管理器的单个的接线-或类型表决位。根据如本地时钟准确性、事件总线物理长度等因素,这种发生在vote/b上升沿之后的表决位的数量可多于或少于两个。时序图702示出第二对表决位(a1和a0)在第一对表决位之后立刻出现。
一个或多个主功率供应管理器(master)(例如,正在驱动事件数据总线上的信号的功率供应管理器)可包括产生起始(start)、voteb和vote的EPLUS和EMINUS线路。因为功率供应管理器驱动相同的信号电平,因此防止了信号冲突(contention)。
波形704示出一种情况,例如,其中第二功率供应管理器想要声明事件数据总线上的地址为a[3:0]=1011b。例如,当位a2的时隙到达时,功率供应管理器2在三态电平上驱动。所有的功率供应管理器将地址解析为a[3:0]=1011b。只要一个功率供应管理器将一个多位地址解析为具有与其试图发送的信号内容不同的内容,所述功率供应管理器就可三态化所有剩余的表决位,并因此失去仲裁(arbitration)。所有的功率供应管理器采集生成的地址。例如,关于耦合的功率供应管理器,EPLUS信号线路可被配置为“接线-或”并且EMINUS线路可被配置为“接线-与”(“wired-AND”)。
来自功率供应管理器的消息可包括代替表决位或除表决位之外的冲突检测位(collision detection bits)。所述冲突检测位可由几个在主模式(mastermode)中使用的功率供应管理器异步驱动多个时钟周期。该位可被驱动多个时钟周期以保证所有的主功率供应管理器和听从的(listening)功率供应管理器(“从属功率供应管理器”)(“slaves”)能够检测任何其它的功率供应管理器是否也正在驱动该位。
所有的主功率供应管理器用相同的值驱动所述冲突检测位。当在预定时隙期间事件数据总线的差分电压是其标称的单个驱动器期望电压的两倍(或高于两倍)时,那么按照多个驱动器是活跃的且有位冲突情况。这种冲突情况可由每个耦合至事件数据总线802的功率供应管理器检测。
在一个实施例中,每个功率供应管理器监测事件数据总线的起始位和停止位,并且在另一个主功率供应管理器正在使总线繁忙时不启动信息。然而,两个功率供应管理器(例如,主功率供应管理器)可在大约相同时刻启动传送(transmission)。在这种情况下,产生仲裁。当一个主功率供应管理器(例如,传送的功率供应管理器)定址(address)多个从属功率供应管理器(例如听取功率供应管理器)时(这种情况不太常见),从属传送模式也可被仲裁。
与在发送重试之前使用随机回退(back-off)延迟的协议(如以太网)对比,可使用确定的仲裁策略。每个功率供应管理器检查一组表决位中的事件数据总线上的信号的电平,并将其与期望的电平比较。当比较结果指示电平与主功率供应管理器正在试图发送的电平不匹配时,所述主功率供应管理器失去仲裁并从该协议交互(interaction)中退出。
例如,当一个主功率供应管理器通过三态化所述事件数据总线表决逻辑1,并且第二传送器(transmitter)将其设定为低电平(例如0下拉到地)时,然后第一传送器确定特定时隙的事件数据总线的电平与期望的不同,并推断另外的节点正在传送。注意到不同的第一功率供应管理器是失去仲裁的功率供应管理器。因此,失去仲裁的功率供应管理器停止驱动用于仲裁剩余表决位的事件数据总线,并等待停止(STOP)。然后失去仲裁的功率供应管理器可重新发送它的全部信息。
图8示出来自第一功率供应管理器而另一个(如,第二)功率供应管理器没有参与的在事件数据总线上的消息(如,位数据)。因此,没有“表决”来确定事件数据总线802上的任何特定时隙的信号电平。
举例来说,图9示出一种方案,其中多个功率供应管理器“表决”来确定事件数据总线上的特定时隙的信号电平。在图9的例子中,功率供应管理器1和2都想要用数据1111b声明地址1111b。然而,功率供应管理器3用数据0010b覆盖地址0000b(即,因为它具有更低的“从属”地址)。
在此讨论的部件、步骤、特征、对象、益处以及优势仅仅是说明性的。它们中的全部或者与它们相关的论述都不试图限制保护范围。除非另有声明,在本说明书中提出的、包括在下面的权利要求中所有的测量、数值、等级、位置、量级、尺寸以及其它的规格都是近似的,而不是精确的。它们意图具有合理的范围,该范围与它们相关的功能一致以及与它们相关的现有技术中的习惯一致。
许多其它实施例也可预期。这些包括具有更少的、附加的、和/或不同的部件、步骤、特征、对象、益处以及优势的实施例。这些实施例也包括在其中部件和/或步骤被不同地布置和/或命令(ordered)的实施例。例如,在此讨论的任何信号可被扩展、缓冲、扩展和缓冲、转换至另外的模式(例如,电压、电流、电荷、时间等)、或转换至另外的状态(例如,从高到低以及从低到高),而实质上不改变根本的控制方法。因此,其旨在本发明仅受到所附权利要求的限制。
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