CN105191092B - 用于非侵入式功率监控的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

公开了用于估计电源线上的有源电路的功率需求水平的方法和设备。可以在电源线上监控与有源电路的操作相关联的纹波振幅和纹波频率。可以将纹波振幅和纹波频率与对应的参考进行比较。基于该比较，纹波振幅和纹波频率可以与电源线上的有源电路的估计的功率需求水平相关联。纹波产生器在电源线上产生受控制的纹波以用于校准。

Description

用于非侵入式功率监控的方法和设备
背景技术
由于现代的片上系统(SoC)设备(诸如，用于智能电话的那些)正变得更集成且更强大，并且由于延长电池寿命以及缩小物理尺寸的需求正变得更迫切，提供针对热、功率以及电池管理问题的解决办法正变得越来越具有挑战性。监控电源轨电流的能力使得系统能够缓解潜在的热问题、管理功率使用、以及解决电池电流限制问题。
然而，目前，提供有效方式以监控与传统智能电话SoC相关联的轨电流的能力已经受到限制。传统方式(诸如，使用电流感应元件或单独地通过功率管理芯片来管理功率)太过昂贵、不是十分有效、不是功率高效的、和/或是过于侵入式的以可能导致可靠性问题。例如，数字功率计方式是功率预测而非实际测量，其可能不总是提供精确的结果并且不能够测量静态的泄露负载。
发明内容
各个方面提供了用于估计有源电路的功率需求水平的方法和设备，其可以包括：测量耦合到所述有源电路的电源线上的纹波振幅和纹波频率；将所述纹波振幅和所述纹波频率转换为纹波振幅索引和纹波频率索引；以及使用所述纹波振幅索引和所述纹波频率索引来获得所述有源电路的估计的功率需求水平。
在一方面中，所述纹波振幅索引和所述纹波频率索引可以用于通过使用所述索引查找存储的针对所述估计的功率需求水平的值(诸如，在使用被索引到纹波振幅索引和所述纹波频率索引值的估计的功率需求水平的数据表的表查找操作中)来获得所述有源电路的估计的功率需求水平。可以基于在校准过程期间设立的所述电源线的内在电感和所述有源电路的内在电容来计算存储在估计的功率需求水平的所述数据表中的估计的功率需求水平。在又一方面中，所述有源电路的所述估计的功率需求水平可以用于控制所述电源线的电平，包括基于到达临界热等级之前的峰值功率使用状况来控制所述电源线的电平。在又一方面中，所述电源线可以与数字电路相关联，并且测量耦合到所述有源电路的电源线上的纹波振幅和纹波频率可以包括：使用具有耦合到所述电源线的高输入阻抗的模拟电路来非侵入式地测量所述纹波振幅和所述纹波频率。在又一方面中，所述有源电路可以包括片上系统(SoC)电路。
在另一方面中，一种校准用于估计电源线上的有源电路的功率需求水平的功率监控电路的方法，可以包括：禁用与所述有源电路相关联的时钟；将第一开关信号输入至可以耦合到所述电源线的经校准的测试负载中，所述第一开关信号可以具有比所述有源电路的内在频率小的第一较低频率，所述经校准的测试负载可以具有已知值；使用所述功率监控电路来测量在与输入所述第一开关信号相关联的所述电源线上的纹波振幅和纹波频率；以及基于所述纹波振幅和所述纹波频率，来计算所述有源电路的内在电容和所述电源线的内在电感。在一方面中，可以使用所述经校准的测试负载、所述内在电容以及所述内在电感，来确定与所述有源电路相关联的泄露电流。在一方面中，所述方法可以包括将第二开关信号输入到所述测试负载中，所述第二开关信号可以具有与所述第一开关信号相比的第二较低频率；测量所述电源线中的线电流；以及使用所述内在电容、所述内在电感、所测量的线电流以及所确定的泄露电流，来校准所述测试负载并设立所述经校准的测试负载的所述已知值。在又一方面中，所述方法可以包括将多个开关信号输入到所述经校准的测试负载中，每个开关信号均可以具有代表振幅和代表频率；针对所述多个开关信号的所述代表振幅和频率的每个组合，确定在所述电源线上的所述有源电路的估计的功率需求水平；以及将针对所述多个开关信号的所述代表振幅和频率的每个组合的所述估计的功率需求水平存储在存储器中。可以将针对每个组合的所述估计的功率需求水平存储在查找表中，在所述查找表中每个估计的功率需求水平可以被索引到代表振幅和频率的特定组合。
进一步的方面包括功率监控电路，其被配置为执行上文所描述的方面方法以估计电源线上的有源电路的功率需求水平。这样的功率监控电路可以包括接口，所述接口具有可以被配置为将所述功率监控电路非侵入式地耦合到所述有源电路的电源线的导线；可以耦合到所述接口的测量电路，并且所述测量电路可以包括被配置为当所述导线耦合到所述电源线时测量所述电源线的纹波振幅的纹波振幅测量部分；以及可以被配置为当所述导线耦合到所述电源线时测量所述电源线的纹波频率的纹波频率测量部分。所述功率监控电路可以还包括可以耦合到所述测量电路的转换电路，并且所述转换电路可以包括可以被配置为将所述纹波振幅转换为纹波振幅索引的纹波振幅转换部分；以及可以被配置为将所述纹波频率转换为纹波频率索引的纹波频率转换部分；以及可以耦合到所述接口、所述测量电路以及所述转换电路的存储器，所述存储器可以存储被索引到纹波振幅索引和纹波频率索引的多个估计的功率需求水平。在又一方面中，所述功率监控电路可以包括耦合到所述存储器和所述转换电路的输出电路，所述输出电路可以被配置为使用所述纹波振幅索引和所述纹波频率索引来从所述存储器获得并输出功率需求水平的对应的估计。在又一方面中，测量电路可以包括可以具有可以非侵入式地耦合到所述接口的高输入阻抗的模拟电路。在又一方面中，所述有源电路可以包括片上系统(SoC)电路。在又一方面中，所述存储器以查找表的形式存储被索引到纹波振幅索引和纹波频率索引的多个估计的功率需求水平。
在又一方面中，功率监控电路可以包括校准电路，所述校准电路可以包括具有已知阻抗值的经校准的测试负载，以及被配置为将所述经校准的测试负载连接到所述接口的开关。在一方面中，所述校准电路可以被配置为：当所述导线耦合到所述电源线时并且当禁用与所述有源电路的操作相关联的时钟时，控制所述开关通过所述测试负载在所述电源线上产生第一校准信号，所述第一校准信号可以具有比所述有源电路的内在频率低的第一频率。在一方面中，所述功率监控电路可以被进一步配置为：通过所述经校准的测试负载来测量与所述第一校准信号相关联的纹波振幅和纹波频率；以及基于所述纹波振幅和所述纹波频率，来计算所述有源电路的内在电容和所述电源线的内在电感。在一方面中，所述监控电路可以被进一步配置为：使用所述经校准的测试负载、所计算的内在电容以及所计算的内在电感，来确定与所述有源电路相关联的泄露电流。在一方面中，所述校准电路可以被进一步配置为：控制所述开关通过所述测试负载在所述电源线上产生第二校准信号，所述第二校准信号在当与所述有源电路的所述操作相关联的所述时钟被禁用时，具有比所述第一频率低的第二频率；并且所述监控电路可以被进一步配置为：测量所述电源线中的线电流；以及使用所述内在电容、所计算的内在电感、所测量的线电流以及所确定的泄露电流，来校准所述测试负载并设立所述已知值。在一方面中，所述校准电路可以被进一步配置为：控制所述开关通过所述经校准的测试负载在所述电源线上产生多个纹波校准信号，并且所述多个纹波校准信号中的每个均可以具有代表振幅和代表频率；以及所述监控电路可以被进一步配置为：针对所述多个纹波校准信号的所述代表振幅和代表频率的每个组合，提供所述电源线上的所述有源电路的估计的功率需求水平。
进一步的方面包括具有用于执行上文所描述的方法的功能的单元的功率监控电路。
附图说明
并入本文中并且构成本说明书的一部分的附图示出了本发明的示例性方面，并且与上文给出的总体描述和下文给出的具体实施方式一起用于解释本发明的特征。
图1A是示出了根据一方面的示例性功率管理模块、电源轨以及片上系统(SoC)模块的框图。
图1B是示出了根据一方面的功率管理模块、电源轨以及SoC的示例性部分的电路框图。
图1C是示出了根据一方面的内在参数和示例性波形的图。
图2A是示出了根据一方面的针对电源轨纹波监控模块的示例性配置的框图。
图2B是示出了根据一方面的示例性电源轨纹波产生器、纹波监控模块以及波形的框图。
图2C是示出了根据一方面的示例性纹波监控器、电源轨纹波监控模块以及波形的图。
图2D和2E是进一步示出了根据一方面的针对具有时钟禁用的电源轨纹波监控模块的示例性配置的图解图。
图3A是示出了根据一方面的示例性电源轨纹波开关波形和开关波形的曲线图。
图3B是示出了根据一方面的示例性电源轨纹波单个脉冲波形和开关波形的曲线图。
图4A是示出了用于校准的一方面方法的过程流程图。
图4B是示出了用于进一步校准的一方面方法的过程流程图。
图4C是示出了用于描绘电源轨负载电路的特征的一方面方法的过程流程图。
图5是示出了用于监控纹波波形特性并获得轨功率估计的一方面方法的过程流程图。
图6是示出了适合用于实现各个方面的示例性移动设备的图。
图7是示出了适合用于实现各个方面的示例性移动计算设备的图。
具体实施方式
将参照附图详细描述各个方面。在任何可能的地方，贯穿附图，将使用相同的附图标记来指代相同或类似部分。对特定例子和实现方式进行的提及是用于说明性的目的，而不是要限制本发明或权利要求的范围。
本文中所使用的词语“示例性”意指“用作例子、实例或说明”。本文中被描述为“示例性”的任何实现方式不必被解释为比其它实现方式更优选或更具优势。
本文所使用的术语“计算设备”指的是以下各项中的任何一项或所有项：蜂窝电话、智能电话、个人或移动多媒体播放器、个人数据助理(PDA的)、膝上型计算机、桌上型计算机、平板计算机、智能本、掌上型计算机、无线电子邮件接收机、具有多媒体因特网功能的蜂窝电话、电视机、智能TV、智能TV机顶盒、集成智能TV、流媒体播放器、智能电缆盒、机顶盒、数字视频录像机(DVR)、数字媒体播放器、以及包括可编程处理器的类似的个人电子设备(特别是包括SoC的那些)。
各个方面通过非侵入式地监控SoC电源轨上的电压纹波以便测量频率和大小，并且在经校准的查找表中使用该频率和大小值以估计SoC功率使用，来处理并克服当前SoC功率测量方法的缺点。各个方面还包括可以用于测量SoC的内在特性的自校准纹波监控模块和功率管理模块，以便形成用于功率估计的查找表值。进一步的方面包括用于执行纹波产生器的自校准的方法和设备。
图1A-1C示出了各个方面。图1A示出了典型系统100的系统或部分，所述典型系统100包括耦合到电源线(诸如，电源轨101)的SoC块120和功率管理电路块110。图1B示出了功率管理电路块110，其可以是用于控制功率管理、调整、控制、以及电源(诸如，电池114或其它电源)管理中的各个方面的典型的功率管理IC或模块。供应给SoC块120的电力可以由功率管理电路块110和电源轨101来调整，所述电源轨101可包括“正”电源轨101a和“负”电源轨101b。虽然在本文中电源轨101a、101b可以描述为“正”和“负”，但是电源轨的极性可以取决于根据操作电压和极性来设计功率系统的方式。此外，虽然本文描述为“电源轨”，但是对于大多数情况而言，提及“电源线”具有相同的效果。然而，各个方面的操作原理大体上是相同的，而不管电源轨或电源线的极性。为了便于描述，纹波电压被提及作为是在电源轨上产生并测量的。
为清楚起见，功率管理电路块110可以包括电源轨接口112，其可以是在控制器部分111和电源轨101本身之间连接的模块，控制器部分111可以是低功率数字控制电路。电源轨101可以是用于通过连接113以经调整的操作电流和电压的形式供应电力的电源线，其中连接可以指的是提供去往电源轨接口112的输出和来自电源轨接口112的输入的数字和/或模拟控制线路的组合。这种线路可以包括用于电压和电流调整的线路以及用于其它通用或特定目的的线路。控制器部分111可以进一步提供(诸如，在其引脚上)作为输出的电流感应线路115，该电流感应线路115提供与电源轨101相关联的线电流值。电流感应线路115在本文中可以用在校准模式下，以产生有规则的(measured)线电流，如本文下面更详细描述的那样。
SoC块120可以包含正电源轨101a和地、或负电源轨101b，电路121可能耦合于它们之间。电路121可以代表形成片上系统(SoC)电路(诸如，SoC 120)的“系统”的所有或部分的各种数字电路和模拟电路或混合电路(例如，模拟、数字或混合信号)，其在本文中还可以被称作有源电路。电路121可以耦合到时钟线130，其可以是数字信号直接操作于的数字时钟、主时钟信号的倍数值或作为主时钟信号的分值(divided value)。通过电路121的操作，以及其它电路(在也可被称作有源电路的电路中的各个电路或其组合)的可能的操作，可能在电源轨101上产生纹波信号。当在传统的电压调节器中时，来自开关电源的纹波可以通过闭环反馈电路来得到减轻，在各个方面中的纹波监控用于在操作期间以电路中的各个晶体管和开关的操作的高频纹波为基础来获得对有源电路的功率消耗的测量。例如，各个方面可以用于监控由整个SoC 120或SoC 120的个别部分(诸如，接收机、发射机、调制解调器、基带部分或其它个别部分)产生的电源上的纹波。此外，与电压调节器非常不同的是，不产生用于降低纹波的对电源的调节，并且各个方面可以用在包括具有闭环反馈的电压调节器的系统中，照此这样的调节器将使得来自电源的噪声最小化，从而使得能够更精确地测量来自有源电路操作的纹波。
在一方面中，在图1C中示出了SoC块120的内在等效、功率管理电路块110的内在等效以及输入和响应波形。在等效电路中示出的电感值(L)116和电容值(C)124可以代表电源轨本身和功率管理电路块110的电路的内在电感以及SoC 120的电路的内在电容，这可以是在校准过程期间计算的或以其它方式直接地或间接地确定或设立的。虽然可以计算或确定内在值，但是这样的确定是不必要的，这是因为还可以假定这些值为常数，并且因此当基于系统的经校准的响应来确定功率电平时，值是不相干的。电路等效除了表征示例性的纹波波形102各方面的特性(诸如，上升时间和滚降时间)之外，还可以确定电源轨的内在频率(fr)。注意，在电源轨的内在频率附近的频率处，SoC块120的逻辑电路(诸如，电路121)的开关将导致具有特别大振幅的纹波。在有源电路的操作期间产生的大功率需求也可能引起大的纹波值。SoC 120可以进一步表征为具有有源负载Ractive122，该有源负载Ractive 122引起有源负载电流，即，在特定开关频率124处的电流电平，该特定开关频率124可以是等效开关126的开关速率。SoC 120可以进一步具有泄露负载Rleakage。可以使用开关有源负载的大小和纹波的缓降阶段来确定泄露电流或泄露负载。系统可以选择性地至少部分地由开关电源140来供电，开关电源140可以是独立的模块或者可以被并入功率管理电路块110中。开关电源140可以在电源开关信号141的控制之下操作，该电源开关信号141也可以有助于电源轨纹波测量。在各个方面中，可以将纹波的电源分量滤除或将其并入功率需求水平估计中。然而，这些方面不同于传统的电源电压调节和控制，传统的电源电压调节和控制并不为了估计有源电路的功率需求水平而监控纹波。
通过理解和解释图1C中示出的针对电路块的逐个设备的内在参数L和C的典型值的区别，可以产生纹波振幅和频率与SoC 120的功率负载水平之间的关系。由于纹波的频率反映了逻辑元件或SoC 120的电路121中的其它元件进行运转的速率，并且振幅反映了同时进行运转的元件的数量或元件的电流需求，可以确定有源电路或SoC 120的负载。通过测量有源电路的操作状况下的纹波振幅和频率的量，可以例如通过查找表或数据表来确定估计的负载水平或功率需求水平，该查找表或数据表可以是在下文中要更详细描述的校准操作中填充的。
在各个方面中，纹波监控模块(诸如，图2A中示出的纹波监控模块210)可以被放置在包括功率管理电路块110、片上系统(SoC)120以及电源轨101的设备内的各个地方，并且用于估计设备的功率需求。例如，纹波监控模块210可以耦合在功率管理电路块110和电源轨101上的SoC 120之间。替代地，纹波监控模块210(在一方面中作为纹波监控模块210a)可以被放置并且集成或并入功率管理电路块110内以形成具有增强能力的功率管理和控制模块。纹波监控模块可以被合并作为功率管理电路块110内的额外的单元，或者可以被整体并入新设计的功率管理电路。集成的纹波监控模块110a和功率管理电路块110可以耦合到SoC120和电源轨101。在另一方面中，纹波监控模块210(在一方面中作为纹波监控模块210b)可以被放置并且集成或并入SoC 120内以形成具有增强能力的SoC。
此外，可以将纹波监控模块210的功能至少划分为校准部分和测量或监控部分，如下文中将描述的那样。个别部分可以进一步地分布在示例性系统或设备内的各个位置中，并且可以通过接口或其它连接来耦合到电源轨和有源电路。例如，可以将纹波监控模块部分放置、集成或合并到功率管理电路块110内，并且可以将监控部分放置、集成或合并到SoC120或布置的一些组合(诸如，外部布置或部分的外部布置)内。取决于集成或合并的水准和位置，纹波监控模块的所有或部分可以是独立的设备或电路，并且可以替代地耦合到电源轨和/或SoC，或通过导线(包括通过诸如连接接口或其它接口的接口)耦合到包含这些部件的电路板。
纹波监控模块210或其部分的位置可以是灵活的。因此，在图2B和图2C中所描述的通用配置和操作中，校准部分、监控部分以及控制部分可以配置在一起。如图2B中更详细示出的那样，校准部分220可以包括开关221，其可以是晶体管开关(诸如n-沟道MOSFET)、或适用于处理在测试负载222中形成的开关电流的其它开关设备。校准部分可以通过接口或其它耦合设备耦合到电源轨和有源电路。在校准期间，可以产生第一校准信号或第一开关信号(诸如，开关信号226)，并将其应用于开关221以在电源轨201上形成受控制的纹波信号202。将在下文中更详细地描述校准部分220的操作的各个模式。校准部分220可以进一步耦合到总线260，总线260可以包括双向数据线、双向控制线、其它线路或其组合，其可以是校准部分220以及可能的其它部分可以集成入其中的设备或系统所共用的。
校准部分220可以通过连接262耦合到总线260，该连接262可以包括数据线、控制线、或在总线260上可用的其它线路中的所有或一部分或某种组合。校准部分还可以包括电流感应模块223，该电流感应模块223可以通过连接225(诸如，与电源轨的串联连接)来感应电源轨201中的电流，或可以接收外部电流感应信号224以提供有规则的线电流，该外部电流感应信号可以是从传统的功率管理模块提供的。应注意的是，对于测试负载222的校准，可能需要用于选择性地感应电流的能力，并且这种感应可以形成将在下文中更详细描述的过程的一部分。此外，为了进一步提供非侵入式监控，可以在监控操作期间禁用校准部分220中的电流感应模块223，以便提供对功率测量的更大的准确度并且实现非侵入性。此外，虽然电流感应模块223可以以串联的方式与电源轨耦合，以便获得对电源轨上的电流的精确读数，但是其它连接配置也可以是可能的。
在一方面中，除了校准部分220之外，图2C中更详细示出了测量电路或监控电路，诸如纹波监控和测量部分230。为了提供解耦合和电流隔离，可以将电容227放置在电源轨201与纹波监控和测量部分230之间。可以将电源轨纹波202输入到纹波振幅测量部分231和纹波频率测量部分233，该电源轨纹波202可以是在校准期间由校准部分220产生的受控制的纹波或在由SoC 120的电路的活动进行的操作期间产生的操作纹波。
纹波振幅测量部分231可以包括有源部件(诸如，具有参考输入和有源输入的操作放大器)、无源反馈部件以及其它有源和无源部件，以向纹波振幅转换部分或电路(诸如，模数转换器232)提供所测量的纹波振幅信号，该纹波振幅转换部分或电路可以对所测量的纹波振幅进行转换。模数转换器232的输出可以提供与纹波振幅或大小相关联的数字值，其可以用作进入到查找表或数据表(诸如，查找表235)中的至少第一索引，该查找表或数据表可以存储在存储器中，并且表示可以根据进入到存储器中的索引或地址来存取的所存储的值。
纹波频率测量部分233可以包括纹波频率转换部分或电路、有源部件(诸如，操作放大器)以及被配置为起脉冲产生器作用的无源部件，以向计数器234提供代表纹波频率的有规则的输入，该计数器234可以对所测量的纹波频率进行转换。计数器234的输出可以提供与所测量的纹波频率相关联的数字值，其可以用作进入到查找表235中的至少第二索引。
还可以将针对纹波振幅和纹波频率的转换电路组合成执行振幅和频率转换的转换电路。
来自模数转换器232和计数器234的输出的组合可以将部分或完整的索引提供到查找表235中，在该查找表235中可以针对纹波频率和振幅的组合来存储估计的功率需求水平或值，该纹波频率和振幅可以在下文中更详细描述的校准过程期间产生。纹波振幅和频率索引可以用于直接地存取存储的值(诸如，存储在查找表235中的估计的功率需求水平值)、或可以与参考值进行比较以产生用于查找的实际索引、或将纹波振幅索引和纹波频率索引与针对有源电路估计的功率需求水平值相关联。替代地，转换元件(诸如，模数转换器232和计数器234)可以被配置并且与系统匹配，从而使得转换分辨率考虑到测量的数量的期望精度并且可以用于产生索引，该索引可以被输入到查找表235中并且提供到查找表235中的直接存取。
在一方面中，查找表235可以通过连接261耦合到总线260，连接261可以包括数据线、控制线、或在数据总线260上可用的其它线路中的所有或部分。通过连接261，随着关于纹波振幅值和频率与估计的功率需求水平之间的关联的改进的信息变得可用，出于初始化的目的，或在其它情况下，可以对查找表235进行监控并且进行可能的修改。还可以提供时钟禁用模块230，该时钟禁用模块230可以在校准过程期间根据需要产生可以用于禁用有源电路(诸如，电路121)和可能的其它电路的时钟禁用信号237。时钟禁用模块230还可以通过连接262耦合到总线260，连接262可以包括数据线、控制线、或在数据总线260上可用的其它线路中的所有或部分。
对于示例性的纹波监控模块210的各个布置，包括例如结合图2D示出的那些，可以将控制器270并入纹波监控模块并且通过连接271耦合到总线260。控制器可以是处理器、逻辑电路、或能够执行控制功能和操作的其它电路(包括存储器)，并且可以专用于独立地控制纹波产生器、监控器以及控制部分的操作。控制器270还可以结合主处理器(未示出)和耦合到总线260的存储器一起工作，以执行如本文所论述的各个过程。在不使用专用控制器270的情况下，可以替代地在主处理器中实现过程。
在其中可以产生受控制的纹波并且禁用SoC 120的有源操作和功率管理电路110的校准过程促进对如图3A和图3B中示出的在电源轨上的纹波信号的各个特性进行监控。图3A示出了示例性的纹波信号302，纹波信号302可能是由于根据第二校准信号或第二开关信号(诸如，开关信号301)的开关所造成的。可以观察并测量根据纹波周期320的纹波振幅310和纹波频率的特性。纹波信号的形状还可以表示被供电的电路和供给电路的内在值(诸如，有源电路(诸如SoC)的内在电容C和电源轨的内在电感L)，其可以是从其它测量的因子中计算得出的。在图3B中，示出了具有振幅330和沉降(settling)时间340的信号304。信号304可以是近似于冲激(impulse)的窄脉冲，或者可以是在有源电路中足以产生瞬态或冲激响应的上升沿信号或下降沿信号。振幅330和沉降时间340的组合可能对SoC 120的泄露负载是有益的。特别地，可以基于公式(1)中示出的因子Q、泄露负载R、以及内在电感和电容之间的众所周知的关系来确定泄露负载：
公式(1)
因子Q表示谐振电路的冲激响应的衰减的周期的数量，其由泄露负载R和内在值达到96％衰减或在应用瞬变的时间处离原始信号电平-27dB来表征。通过求解R，一旦已经根据将Q相关到谐振电路的冲激响应的已知表达式来从谐振电路的传递函数反向工作设立Q的值，一旦已经确定衰减或沉降时间340，则可以计算泄露负载。替代地，假定纹波根据公式(2)随着时间呈指数衰减：
纹波衰减＝e(-ht) 公式(2)
并且，R、L和C可以是根据以下方程式的公式(3)-公式(6)来相关的：
公式(3)
公式(4)
公式(5)
R＝A/In(r) 公式(6)
其中，可以使用测试负载Rt的已知值来计算未知的泄露负载RL。随着Rt的接入(诸如，在校准时间期间)，可以测量rn＝Vpeak1/Vpeak2，其中r＝Vpeak1/Vpeak2(例如，peak1和peak2是冲激响应信号304的前两个最大值)。随着测试负载的接入，关系R＝Rt*RL/(Rt+RL)可能为真。随着Rt的断开，可以测量rf＝Vpeak1/Vpeak2。随着测试负载的断开，关系R＝RL可能为真。以上在公式(6)中的值A可以进一步表示为A＝Rt*[In(rn)-In(rf)]，并且RL可以表示为RL＝Rt*[In(rn)-In(rf)]/In(rn)。因此，利用所测量的rn的值和已知的Rt的值，可以通过测量rf来确定泄露负载RL。
可以利用上文所描述的各个电路来执行校准和监控，上文所描述的各个电路可以形成各个单元的结构以完成这样的功能。除了本文所描述的电路之外，可以通过额外的方面来包含校准和监控的各个方法。
在一方面中，在图4A中，可以执行进行校准的方法，诸如方法400。在判决块401中，进行初始化或其它初步序列，并且设备可以确定是否可以需要对测试负载的校准。当需要对测试负载的校准时(例如，判决块401＝“是”)，则可以在块402中禁用时钟，其可以去激活任何逻辑电路或可从电源轨汲取电流的其它有源电路。当测试负载不需要校准时(例如，判决块401＝“否”)，则设备可以循环直到需要校准为止或可以继续进行到407。替代地，可以启用时钟，并且设备可以继续进行到具有根据需要返回校准过程的能力的另一个操作。
在禁用了时钟时，可以利用处于第一频率(诸如，比块403中的电源轨的内在频率fr小的第一较低频率LF1)的开关信号来驱动纹波产生器。以频率LF1来驱动纹波产生器，可以通过测试负载在电源轨上产生受控制的纹波。为了校准测试负载以设立已知值，应当知道通过测试负载的电流。由于有源电路被关断，测试负载电流应当也是通过电源轨的电流。因此，可以在块404中测量轨电流。如上文所描述的那样，可以通过形成纹波产生器监控器和控制块的一部分的电流感应模块来测量轨电流，或者可以从功率管理电路的电流感应输出来获得轨电流。获得电流值，然后可以在块405中获得测试负载的经校准的值。测试负载值可以用于确保额外测量的精度，并且因此在块406中存储在存储器中。对测试负载的校准可以完成，然后在判决块407中，设备可以检查是否可以需要对泄露电流的确定。当需要对泄露电流的确定时(例如，判决块407＝“是”)，过程可以在图4B的继续点“A”处继续，在其中可以进行关于是否已经禁用了时钟的检查，并且，当没有禁用时，可以在块408中执行时钟禁用。当不需要对泄露电流的确定时(例如，判决块407＝“否”)，则设备可以循环回到401，或可以循环回到407直到需要泄露确定为止。替代地，可以启用时钟，并且设备可以继续进行到具有根据需要返回到泄露确定的能力的另一个操作。
时钟被禁用或检查并确认将被禁用，则可以利用处于第二频率(诸如，在块409中的低于电源轨的内在频率fr且高于LF1的第二较低频率LF2)的开关信号来驱动纹波产生器。在频率LF2处驱动纹波产生器，在块410中可以在电源轨上产生受控制的纹波。在块411中，可以测量纹波的振幅，并且在块412中可以使用纹波的振幅来确定泄露电流。在块413中，可以将所确定的泄露电流存储在存储器中供在处理期间使用。存储泄露电流，然后在判决块414中可以确定是否可以需要系统校准。当需要系统校准时(例如，判决块414＝“是”)，则过程可以在继续点“C”处继续到图4C，其中，在块415中，可以执行关于时钟是否被禁用的检查。当不需要系统校准时(例如，判决块414＝“否”)，则设备可以循环回到“B”并且继续到图4A以及到401，或可以通过“D”循环回到414直到需要系统校准为止。替代地，可以启用时钟，并且设备可以继续进行到具有根据需要返回系统校准的能力的另一个操作。
时钟被禁用或检查并确认将被禁用，以及可以利用处于测试频率HFn的开关信号来驱动纹波产生器，测试频率HFn可以是在代表有源电路(诸如，耦合到示例性电源轨的SoC的电路)的操作频率处的频率或附近的频率。在过程期间，随着HFn被迭代可以产生多个开关信号。在块417中，可以通过经校准的测试负载来产生开关信号，并且因此其结果将是在电源轨上产生受控制的纹波。可以在块418中通过包括高输入阻抗电路的非侵入式电路来测量纹波振幅和频率，因此提供非侵入式地连接到电源轨和有源电路的能力，该高输入阻抗电路包括高输入阻抗元件(诸如，操作放大器或可以电容性地耦合到电源轨的并且呈现到电源轨的高输入阻抗的其它电路)。在一些方面中，还可以有可能电感地耦合到电源轨和有源电路。通过非侵入式地连接或耦合，监控电路的特性在提供更高精度测量的测量的数量的特性中起极少的作用或者不起作用。
在使用与所测量的纹波振幅和纹波频率相关联的特性的块419中，鉴于电源轨和有源电路的内在值，可以使用相位特性和其它参数(诸如，纹波的频率和振幅)来表征功率需求。在块420中，对于HFn，可以基于内在电感和电容值以及诸如泄露电流和测试负载值的其它参数，来计算或以其它方式确定估计的功率需求水平值Pest。在块421中，针对查找表中的对应的纹波振幅和HFn的值，可以存储估计的功率需求水平值Pest。在块422中，可以迭代HFn的值，并且针对多个纹波校准信号(诸如，通过重复针对HFn的所有值和查找表的步骤421的开关信号HFn)的各自值可以产生多个估计的功率需求水平Pest，其中查找表可以存储在存储器中，可以被填充有针对一系列代表振幅和代表频率的多个估计的功率需求水平Pest。在块423中，校准可以完成，并且填充该查找表。可以不时地对查找表进行修改而且改变值，并且除此之外，当需要校准时可以随时调用该校准过程。
可以结合上文在图4A、图4B以及图4C中示出的用于校准的一种方法或用于校准的多种方法中论述的过程和在一方面中可以在方法500中进行的估计方法来完成校准。在块501中启用时钟，并且在块502中可以激活有源电路中的电路以用于常规操作或测试操作。例如，设备可以被配置为如常规那样来操作，同时SoC的逻辑电路进行操作以允许设备按照寻常的方式来执行寻常的功能。替代地，设备可以被配置为通过逻辑电路按照测试模式进行操作，其可以允许评估SoC的所有或某些部分的功率使用并且设立、更新或细化功率使用估计。在块503中，随着电路被激活，可以监控不受控制的纹波波形(特别是纹波振幅)，可以选择性的存储与波形相关联的数据以用于分析或用于其它目的。在块504中，可以监控纹波频率，并且还可以选择性地存储纹波频率数据。虽然在本文中单独地描述了监控纹波振幅和频率，但是在各个方面中可以单独地或同时地监控纹波振幅和频率。
在块505中，所监控的纹波振幅和频率可以用于根据所监控的纹波的功能来查找针对当前操作状况的估计的功率Pest。特别地，可以将所测量的纹波振幅和纹波频率进行转换，以用于将纹波振幅索引和纹波频率索引与有源电路的估计的功率需求水平相关联。在一方面方法中，通过将纹波振幅索引和纹波频率索引输入到查找表中，可以获得功率需求水平估计。换句话说，纹波振幅和频率的转换的数字值可以用作进入到查找表中的索引，以提供功率需求水平估计Pest值，其可以是针对所测量的振幅和频率值的特定组合的有源电路的估计的功率需求水平。估计的功率需求水平Pest可以用作向功率管理提供细化的信息，而且可以用于控制传递给SoC的实际功率电平以提高效率，并且因此延长电池寿命。例如，纹波值和对应的估计的功率需求水平可以表示可以将较低的功率电平供应给SoC以使功率使用最小化，与此同时提供针对适当操作的可接受的最小功率电平。按照这种方式，本文所描述的各方面可以用于在例如延长电池寿命的同时，维持设备的最佳操作。注意，最小化功率使用的、针对有源电路的理想操作或性能水平可以与纹波振幅的实质上的非零值相关联或由纹波振幅的实质上的非零值表示，而相对低的纹波值可以表示电源轨供应电平过高。因此，与试图减少或消除纹波的现有技术系统不同，本文的各个方面有利地使用纹波以在电源轨处提供受控制的功率电平，用于通过非侵入式地监控纹波并估计功率需求水平来减少过量的功率使用。
有源电路的估计的功率需求水平可以用于各种目的，诸如，在维持有源电路的预定性能水平的同时，控制或限制电源线的电平(诸如，电压供应电平或电流供应电平)。预定性能水平可以是满足最小操作需求的最小性能水平，或满足特定操作状况的性能水平。估计的功率需求水平可以用于确定和管理热因子。在峰值需求间隔期间，从所监控的纹波振幅和频率获得的估计的功率使用可以表示将在有源电路中建立热能的程度或速率。理解电路的操作与对应的热因子之间的关系可能对防止电热弯曲传导(electro-thermal buckleconduction)是有用的，在电热弯曲传导中，元件(包括SoC的电子元件和结构元件以及其它系统部件(例如，电池供应))可能失效。弯曲和相关的失效可以快速地发生在峰值电流需求期间且伴随热的增加，并且必须快速地(诸如，在1μs之内)做出响应。按照这种方式，各个方面可以提供极快速的响应以改变负载状况从而立即识别与快速热增加状况相关联的估计的功率需求水平，并且限制由电源轨提供的电流或功率，以防止热弯曲或其它不期望的影响。估计的功率需求水平可以进一步地用于识别因素(诸如，估计的电池剩余寿命)，这可能对实现各方面的系统的用户是有用的。
可以在各种移动计算设备(例如，智能电话、功能电话等)中的任一设备中实现本文所描述的各个方面，图6示出了其中的一个例子。例如，移动计算设备600可以包括耦合到内部存储器602的处理器601。内部存储器602可以是易失性的或非易失性的存储器，并且还可以是安全存储器和/或加密存储器、或非安全存储器和/或非加密存储器、或其任何组合。处理器601还可以耦合到触摸屏显示器606(诸如，电阻式感应触摸屏、电容式感应触摸屏、红外感应触摸屏等)。然而，移动计算设备600的显示器不需要具有触摸屏能力。移动计算设备600可以具有用于如本文所描述的那样发送和接收无线信号的一个或多个短程无线信号收发机618(例如，Peanut(个域网超低功率技术)、蓝牙Zigbee(紫蜂)RF无线)和天线608。收发机618和天线608可以与以上所提及的电路一起使用，以实现各个无线传输协议栈/接口。移动计算设备600可以包括实现经由蜂窝网络的通信的蜂窝网络无线调制解调器芯片620。移动计算设备600还可以包括用于接收用户输入的物理按钮612a和612b。
可以使用其它形式的计算设备(包括个人计算机和膝上式计算机)来实现各个方面。这样的计算设备典型地包括示出了图7中示出的部件，图7示出了示例性的膝上式计算机设备700。许多膝上式计算机包括充当计算机的指向设备的触摸板触摸表面714，并且因此可以接收与在装备有触摸屏显示器的移动计算设备上实现的以及上文所描述的那些类似的拖拽、滚动以及轻击手势。这样的膝上式计算机700通常包括耦合到易失性内部存储器702和大容量非易失性存储器(诸如，磁盘驱动器706)的处理器701。膝上式计算机700还可以包括耦合到处理器701的压缩光盘(CD)和/或DVD驱动器708。膝上式计算机设备700还可以包括耦合到处理器701的多个连接器端口710，用于建立数据连接或接纳外部存储器设备，诸如，用于将处理器701耦合到网络的网络连接电路。膝上式计算机700可以具有用于如本文所描述的那样发送和接收无线信号的一个或多个短程无线信号收发机718(例如，Peanut(个域网超低功率技术)蓝牙Zigbee(紫蜂)RF无线)和天线720。收发机718和天线720可以与上文所提及的电路一起使用，以实现各个无线传输协议栈/接口。在膝上式电脑或笔记本配置中，计算机外壳包括全部耦合到处理器701的触摸板714、键盘712、以及显示器716。计算设备的其它配置可以包括如众所周知的(例如，经由USB输入)耦合到处理器的计算机鼠标或轨迹球，其还可以结合各个方面一起使用。
处理器601和701可以是可由软件指令(应用)配置以执行各个功能(包括上文所描述的各个方面的功能)的任何可编程微处理器、微计算机或多个处理器的一个或多个芯片。在各个设备中，可以提供多个处理器，诸如，专用于无线通信功能一个处理器和专用于运行其它应用一个处理器。典型地，在软件应用被存取并加载到处理器601和701之前，所述软件应用可以被存储在内部存储器602和702中。处理器601和701可以包括足以存储应用软件指令的内部存储器。在许多设备中，内部存储器可以是易失性或非易失性存储器(诸如，闪速存储器)或二者的混合。出于本描述的目的，对于存储器的一般性提及指的是可由处理器601和701存取的存储器，包括内部存储器或插入到各个设备中的可移动存储器以及在处理器601和701内的存储器。
以上方法描述和过程流程图仅提供为说明性例子且不旨在要求或暗示各个方面的步骤必须以所呈现的次序来执行。如所属领域的技术人员将了解的那样，可以以任何次序来执行前述方面中的步骤的次序。例如“随后”、“接着”、“下一个”等词语不旨在限制步骤的次序；这些词语仅用于引导读者通读方法的描述。此外，例如使用冠词“一(a)”、“一个(an)”或“所述”以单数形式对权利要求元素的任何提及不应解释为将所述元素限制于单数形式。
结合本文公开的各方面来描述的各种说明性逻辑块、模块、电路和算法步骤可以实现为电子硬件、计算机软件，或两者的组合。为了清楚地说明硬件与软件的这种可交换性，上文已经大体上依照各种说明性部件、块、模块、电路和步骤的功能性对它们进行了描述了。至于这样的功能是实现为硬件还是软件，取决于特定应用和强加于整个系统的设计约束。熟练的技术人员可以针对每一特定应用以变通的方式来实现所描述的功能，但这样的实现决策不应解释为导致与本发明的范围的偏离。
用于实现结合本文所公开的方面来描述的各种说明性逻辑、逻辑块、模块和电路的硬件可以是利用被设计为执行本文所描述的功能的通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其它可编程逻辑设备、分立门或晶体管逻辑、分立硬件部件或其任何组合来实现或执行的。通用处理器可以是微处理器，但在替代方案中，处理器可以是任何常规处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器也可以实现为计算装置的组合，例如DSP与微处理器的组合、多个微处理器、结合DSP内核的一个或多个微处理器，或任何其它这样的配置。或者，一些步骤或方法可以由特定针对给定功能的电路来执行。
在一个或多个示例性方面中，所描述的功能可以实现在硬件、软件、固件或其任何组合中。如果实现在软件中，那么可以将所述功能作为一个或多个指令或代码存储在计算机可读介质上或通过计算机可读介质来发送。本文公开的方法或算法的步骤可以体现在可驻留在有形非暂时计算机可读介质上的处理器可执行的软件模块中。有形非暂时计算机可读介质可以是可由计算机存取的任何可用介质。通过举例而非限制性的方式，这样的有形非暂时计算机可读介质可以包括RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其它光盘存储设备、磁盘存储设备或其它磁性存储设备，或任何其它可以用于存储呈指令或数据结构的形式的所需程序代码且可通过计算机存取的介质。如本文所使用的磁盘(Disk)与光盘(disc)包含压缩光盘(CD)、激光光盘、光学光盘、数字多功能光盘(DVD)、软盘和蓝光光盘，其中磁盘通常磁性地复制数据，而光盘利用激光来光学地复制数据。上述内容的组合也应当包含于非暂时计算机可读介质的范围内。另外，方法或算法的操作可作为一个代码和/或指令或代码和/或指令的任何组合或集合而驻留在有形非暂时机器可读介质和/或计算机可读介质上，所述介质可以并入到计算机程序产品中。
提供对所公开方面的先前描述以使所属领域的任何熟练的技术人员能够制造或使用本发明。对这些方面的各种修改对于所属领域的技术人员将是显而易见的，且在不脱离本发明的精神或范围的情况下，本文定义的一般原理可以应用于其它方面。因此，本发明不旨在限于本文所展示的方面，而是应被赋予与所附权利要求书以及本文公开的原理和新颖特征一致的最广范围。

Claims (17)

1.一种估计有源电路的功率需求水平的方法，包括：
由测量电路测量耦合到所述有源电路的电源线上的纹波振幅和纹波频率；
由转换电路将所述纹波振幅和所述纹波频率数字地转换为被分别用作纹波振幅索引和纹波频率索引的数字值；以及
基于所述纹波振幅索引和所述纹波频率索引与估计的功率需求水平之间的关联，来使用所述纹波振幅索引和所述纹波频率索引，以从存储了被索引到纹波振幅索引和纹波频率索引的多个估计的功率需求水平的存储器获得所述有源电路的所述估计的功率需求水平。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，基于所述纹波振幅索引和所述纹波频率索引与估计的功率需求水平之间的关联，来使用所述纹波振幅索引和所述纹波频率索引，以从存储了被索引到纹波振幅索引和纹波频率索引的多个估计的功率需求水平的存储器获得所述有源电路的所述估计的功率需求水平包括：使用所述纹波振幅索引和所述纹波频率索引来从所述存储器查找存储的针对所述估计的功率需求水平的值。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，基于所述纹波振幅索引和所述纹波频率索引与所述功率需求水平之间的关联，来使用所述纹波振幅索引和所述纹波频率索引，以从存储了被索引到纹波振幅索引和纹波频率索引的多个估计的功率需求水平的存储器获得所述有源电路的所述估计的功率需求水平包括：在表查找操作中使用所述纹波振幅索引和所述纹波频率索引来从被索引到纹波振幅索引和纹波频率索引值的估计的功率需求水平的数据表中获得所述估计的功率需求水平。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，存储在所述估计的功率需求水平的数据表中的估计的功率需求水平是基于通过测量在校准过程期间产生的受控制的纹波的特性来设立的、所述电源线的内在电感和所述有源电路的内在电容来计算的。
5.根据权利要求1所述的方法，还包括：使用所述有源电路的所述估计的功率需求水平来控制所述电源线的电平。
6.根据权利要求1所述的方法，还包括：使用所述有源电路的所述估计的功率需求水平来识别峰值功率使用状况，并且在达到临界热等级之前响应于识别所述峰值功率使用状况来控制所述电源线的电平。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，
所述电源线与数字电路相关联；以及
由所述测量电路测量耦合到所述有源电路的电源线上的纹波振幅和纹波频率包括：使用具有耦合到所述电源线的高输入阻抗的模拟电路来非侵入式地测量所述纹波振幅和所述纹波频率。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述有源电路包括片上系统(SoC)电路。
9.一种功率监控电路，其被配置为估计电源线上的有源电路的功率需求水平，所述功率监控电路包括：
高阻抗接口，其具有被配置为将所述功率监控电路非侵入式地耦合到所述有源电路的电源线的导线；
测量电路，其耦合到所述高阻抗接口，所述测量电路包括：
纹波振幅测量部分，其被配置为当所述导线耦合到所述电源线时测量所述电源线的纹波振幅；以及
纹波频率测量部分，其被配置为当所述导线耦合到所述电源线时测量所述电源线的纹波频率；
转换电路，其耦合到所述测量电路，所述转换电路包括：
纹波振幅转换部分，其被配置为将所述纹波振幅数字地转换为用作纹波振幅索引的数字值；以及
纹波频率转换部分，其被配置为将所述纹波频率数字地转换为用作纹波频率索引的数字值；以及
存储器，其耦合到所述高阻抗接口、所述测量电路以及所述转换电路，所述存储器存储被索引到纹波振幅索引和纹波频率索引的多个估计的功率需求水平。
10.根据权利要求9所述的功率监控电路，还包括输出电路，其被耦合到所述存储器和所述转换电路，并且被配置为使用所述纹波振幅索引和所述纹波频率索引来从所述存储器获得并输出功率需求水平的对应的估计。
11.根据权利要求9所述的功率监控电路，其中，所述测量电路包括具有非侵入式地耦合到所述高阻抗接口的高输入阻抗的模拟电路。
12.根据权利要求9所述的功率监控电路，其中，所述有源电路包括片上系统(SoC)电路。
13.根据权利要求9所述的功率监控电路，其中，所述存储器在查找表中存储被索引到纹波振幅索引和纹波频率索引的所述多个估计的功率需求水平。
14.根据权利要求9所述的功率监控电路，还包括校准电路，所述校准电路包括：
具有已知阻抗值的经校准的测试负载；以及
开关，其耦合地被配置为将所述经校准的测试负载连接到所述高阻抗接口；
其中，所述校准电路被配置为：当所述导线耦合到所述电源线时，控制所述开关通过所述经校准的测试负载在所述电源线上产生第一校准信号，所述第一校准信号在当与所述有源电路的操作相关联的时钟被禁用时，具有比所述有源电路的内在频率低的第一频率；以及
其中，所述功率监控电路还被配置为：
通过所述经校准的测试负载来测量与所述第一校准信号相关联的纹波振幅和纹波频率的特性；以及
基于所测量的所述纹波振幅和所述纹波频率的特性，计算所述有源电路的内在电容和所述电源线的内在电感。
15.根据权利要求14所述的功率监控电路，其中，所述功率监控电路还被配置为：至少使用与所测量的所述纹波振幅的特性相关联的衰减时间，来确定与所述有源电路相关联的泄露电流。
16.根据权利要求15所述的功率监控电路，其中，
所述校准电路还被配置为：控制所述开关以通过所述经校准的测试负载在所述电源线上产生第二校准信号，所述第二校准信号在当与所述有源电路的所述操作相关联的所述时钟被禁用时，具有比所述第一频率低的第二频率；以及
所述功率监控电路还被配置为：
测量所述电源线中的线电流；以及
使用所测量的线电流，来校准所述测试负载并设立所述经校准的测试负载的所述已知阻抗值。
17.根据权利要求16所述的功率监控电路，其中：
所述校准电路还被配置为：控制所述开关以通过所述经校准的测试负载在所述电源线上产生多个纹波校准信号HFn，所述多个纹波校准信号HFn中的每个均在代表所述有源电路的操作频率的频率处或附近，并且通过所述经校准的测试负载产生具有代表纹波振幅和代表纹波频率的受控制的纹波；以及
所述功率监控电路还被配置为：针对所述多个纹波校准信号的所述代表纹波振幅和代表纹波频率的每个组合，确定所述电源线上的所述有源电路的估计的功率需求水平。
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