CN106462173B - 用于监测提供的电流的集成电路、方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于监测瞬时负载电流的方法和装置。在一个实施方案中，集成电路包括稳压器以及在该稳压器上实现的至少一个功能单元。该稳压器包括被配置为向功能单元提供电压的供电电路，以及被配置为确定由供电电路向功能单元提供的电流量的感测电路。该感测电路可确定向功能单元提供的瞬时负载电流。指示电路被配置为向功能单元提供对由供电电路向该功能单元供应的电流量的指示。

Description

用于监测提供的电流的集成电路、方法和系统
技术领域
本公开涉及集成电路，并且更具体地涉及具有用于感测瞬时负载电流的电路的稳压器。
背景技术
随着集成电路(IC)特征结构尺寸减小，在新的IC上集成的功能的数量已增加。例如，片上系统(SoC)可包括多个处理器内核、图形处理单元、各种接口电路等。一些SoC(以及其他类型的IC)还可在与其他功能单元相同的管芯上实现稳压器。该稳压器可向各种功能单元中的多个功能单元提供电力。在一些情况下，稳压器可经由不同的电力节点来向不同的功能单元提供多种电压。
IC的不同功能单元中的每个功能单元可根据其相应的工作负载对稳压器提出各种电流要求。在一些情况下，如果稳压器不能完全满足特定功能块所需的电流，则在向特定功能块供应电力的电力节点上可能出现电压下降。电力节点和参考(例如，地)节点之间的大容量电容可供应一些电流，并且最终可能导致电压返回其指定范围内的值。
发明内容
本发明公开了一种用于监测瞬时负载电流的方法和装置。在一个实施方案中，集成电路包括稳压器以及在该稳压器上实现的至少一个功能单元。该稳压器包括被配置为向功能单元提供电压的供电电路，以及被配置为确定由供电电路向功能单元提供的电流量的感测电路。该感测电路可确定向功能单元提供的瞬时负载电流。指示电路被配置为向功能单元提供对由供电电路向该功能单元供应的电流量的指示。
在一个实施方案中，一种方法包括稳压器向功能单元提供供电电压，以及稳压器内的感测电路确定向功能单元提供的电流量。稳压器和感测电路在公共集成电路管芯上被实现。指示电路耦接到感测电路并被配置为向功能单元提供指示(例如，以数字代码的形式)，使得通知后者其正在消耗的电流量。
一般来讲，本公开涉及确定负载电路从稳压器汲取的瞬时电流，以及向负载电路提供对瞬时电流的指示。
附图说明
下面的具体实施方式将参照附图进行描述，现在对附图进行简要说明。
图1是IC的一个实施方案的框图。
图2是稳压器电路的一个实施方案的框图。
图3是稳压器电路的一个实施方案的示意图。
图4是示出了用于确定和提供关于瞬时负载电流的信息的方法的一个实施方案的流程图。
图5是示例性系统的一个实施方案的框图。
尽管所公开的主题易受各种修改形式和替代形式的影响，但其具体实施方案在附图中以举例的方式示出并且将在本文中详细描述。然而，应当理解，附图及对附图的详细描述并非旨在将所公开的主题限制于所公开的特定形式，而正相反，其目的在于覆盖落在由所附权利要求书所限定的所公开主题的实质和范围内的所有修改形式、等同形式和替代形式。本文所使用的标题仅用于组织目的，并不旨在受到说明书的范围的限制。如在整个本专利申请中所使用的那样，以允许的意义(即，意味着具有可能性)而非强制的意义(即，意味着必须)使用“可能”一词。类似地，字词“包括”(“include”，“including”和“includes”)是指包括但不限于。
各种单元、电路或其他部件可被描述为“被配置为”执行一项或多项任务。在此类上下文中，“被配置为”是对通常意味着“具有”在操作期间执行一项或多项任务的“电路”的结构的宽泛表述。如此，即使在单元/电路/部件当前未接通时，单元/电路/部件也可被配置为执行该任务。通常，形成与“被配置为”对应的结构的电路可包括硬件电路。类似地，为了描述中方便，可将各种单元/电路/部件描述为执行一项或多项任务。此类描述应当被解释成包括短语“被配置为”。表述被配置为执行一项或多项任务的单元/电路/部件明确地旨在对该单元/电路/部件不援引35 U.S.C.§112第六段的解释。
具体实施方式
现在转向图1，其示出了IC的一个实施方案的框图。在该示例性实施方案中，IC 10包括功能单元12，14，16和18，以及稳压器20。功能单元中的每个功能单元被配置为执行IC10的功能中的一种功能。可在IC 10上实现各种类型的功能单元，其在一个实施方案中可为片上系统(SoC)。此类功能单元类型可包括处理器内核、图形处理单元、接口单元等。通常，功能单元可以是任何类型的电路，并且可以是数字信号、模拟信号和/或混合信号。
所示实施方案中的稳压器20中可包括若干个电压调节电路，其每个电压调节电路被配置为调节供电电压并向对应的负载电路提供该供电电压。在该示例中，稳压器20向第一负载电路、功能单元12提供电压Vdd1，向第二负载电路、功能单元14提供电压Vdd2，并且向包括功能单元16和18的第三负载电路提供电压Vdd3。除了向这些负载电路中的每个负载电路提供供电电压之外，所示实施方案中的稳压器20还被配置为向构成负载电路中的一个负载电路的每个功能单元提供对电流消耗的指示。所示实施方案中的功能单元12被配置为接收指示IL1，而功能单元14被配置为接收指示IL2。一起提供单个负载(因为它们都连接到Vdd3)的功能单元16和18被配置为接收指示IL3。
在一个实施方案中，指示可以提供关于瞬时电流消耗的信息。由于在该实施方案中稳压器20是在同一IC管芯上实现的，因此可将瞬时电流转换成指示并以非常小的延迟提供给相应负载。在一些实施方案中，可提供指示作为数字值或代码，但并非对于所有实施方案都这样要求。
尽管需注意所示实施方案中的稳压器20被配置为提供多个供电电压，但稳压器仅提供单个供电电压的实施方案也是可能的并被设想到。一般来讲，根据本公开的稳压器可提供如所需那样多或那样少的供电电压，并可相应地如此被配置。此外，根据本公开的稳压器可能够向耦接到供电电压节点中的对应一个供电电压节点的每个负载电路提供对电流消耗(例如，瞬时电流)的指示。此外，尽管本文所述的稳压器的各种实施方案被实现为降压调节器，但需注意，本公开并非旨在对此进行限制。
转到图2，其为根据本公开的稳压器的一个实施方案的框图。在所示的实施方案中，稳压器21包括供电电路22、感测电路24和指示电路26。所示实施方案中的供电电路22是被配置为调节输出电压Vdd的调节电路。如这里所示的，供电电路22被配置为从另一个源(例如，IC外部的电源)通过输入端V_in接收电力。供电电路22被进一步配置为在指定的电平下生成输出电压Vdd。输出电压Vdd的指定电平在一些情况下是可变的，而在其他情况下可以是静态的。通过电感器L向负载电路诸如上述示例性功能单元中的一个或多个功能单元提供供电电压。例示的实施方案中的电容器C可表示Vdd和地之间的大容量电容。
所示实施方案中的感测电路24被耦接成从供电电路22接收Vdd，并且被进一步耦接成接收基准电压Vref。基准电压可以是针对Vdd的期望电压。在一些实施方案中，Vref(因此Vdd)可以是可变的。在其他实施方案中，Vref和Vdd两者可以是静态电压。
如下文将要进一步详细论述的，感测电路24的一个实施方案可包括电压到电流转换电路。在该具体实施方案中，此类电路可产生两个输出电流I_scale和I_demand。I_scale可以是由耦接成接收Vdd的负载电路消耗的瞬时电流的缩放版本。I_demand可以是耦接成接收Vdd的负载电路所需的瞬时电流，并且这个电流可与实际的瞬时电流不同。然而，尽管如此，所需电流仍然可以是对由负载电路消耗的电流的反映，从而可指示消耗的电流。
如本文所用，术语“瞬时电流”可以被定义为在给定时间点消耗(或所需)的电流。可捕获该电流(或相关的所需电流)的值并作为指示以最小延迟进行提供。
所示实施方案中的稳压器21还包括指示电路26。在这个具体实施方案中，指示电路26包括被耦接成从感测电路24接收I_scale的选择电路27。此外，例示的实施方案中的选择电路27还被耦接成接收是由供电电路22向负载电路提供的未缩放瞬时电流的I_supply。需注意，指示电路26接收这些电流中的仅两个或一个电流的实施方案是可能的并被设想到。在指示电路接收到这些电流值中的仅一个电流值的实施方案中，可省略选择电路27。
所示实施方案中的选择电路27的输出端被耦接到模数转换器(A/D)29，该A/D 29被配置为将所接收的电流转换成对瞬时电流的指示，即具有n个比特的数字值IL[n-1：0]。A/D 29可以是任何适当类型的模数转换器。然而，还需指出，如果希望提供指示作为模拟值，则A/D 29可以是任选的。在此类情况下，如果需要，可提供其他电路(例如，以将模拟信号缩放到特定范围等)。然后可将由指示电路26生成的指示分布到负载电路(例如，功能单元)，以用于进一步使用/处理。
图3是稳压器电路的一个实施方案的示意图。在所示的实施方案中，稳压器30包括供电电路32、感测电路34和指示电路36。供电电路32被配置为向这里由电阻器R_load表示的负载电路提供电压Vdd。
所示实施方案中的供电电路32充当降压转换器，并包括桥式预驱动电路35，该桥式预驱动电路被配置为激活晶体管P1和N1中的一个晶体管。供电电路32还包括电流比较器37，该电流比较器被耦接成从P1和N1的结合点接收电流输出以及所需电流并被配置为向桥式预驱动电路35驱动对应的信号。所示实施方案中的电感器L和电容器C实现与图2中所示的示例相同的功能。来自N1的电流输出I_N1是谷电流，而来自P1的电流输出I_P1是峰电流。向输入端“In”提供这些电流，该输入端“In”可以是附图中所示的双输入端或者另选地可以是单输入端。
所示实施方案中的感测电路34包括被耦接成在其输入端中的一个输入端上接收基准电压Vref的放大器A1。在该示例中，在A1的倒相输入端上接收Vref，尽管在一些实施方案中，如果晶体管P2、P3和P4的极性也颠倒，则可颠倒该极性。该实施方案中的A1的另一个输入端被耦接到晶体管P4的漏极端子，该漏极端子也耦接到电阻器R_LL。结果，至该实施方案中的A1的非倒相输入端的信号输入是指示实际电压Vdd的电压。因此，由放大器A1生成的输出信号是对Vdd的期望值(Vref)和Vdd的实际值之间的差值的指示。
放大器A1以及晶体管P2和P3组合，以形成将输出电压转换成两个不同电流的电路。晶体管P2和P3两者具有耦接到放大器A1的输出端的栅极端子，并且因此对其上的电压作出响应。来自所示实施方案中的晶体管P2的漏极的电流是负载电流的缩放版本，即由负载电路消耗的电流(由I_load表示，即通过该图中的R_load的电流)。来自晶体管P3的漏极的电流是所需电流，即负载电路所需的电流，该电流可与实际负载电流不同。这两个电流之间的差值可通过将晶体管P2和P3的尺寸设定成彼此不同来实现。缩放I_Load和所需电流值两者可指示负载电路的瞬时电流消耗。
需注意，可对感测电路34以不同方式进行配置。例如，其中仅产生缩放的负载电流的实施方案是可能的并被设想到，而在其他实施方案中，仅产生所需电流。
该实施方案中的稳压器30还包括感测电路36，该感测电路类似于图2中所示的感测电路。主要差异是存在采样/保持电路38。所示实施方案中的供电电路32被耦接成向采样/保持电路38提供所感测到的负载电流(“所感测到的电流”)。所感测到的电流的值与实际负载电流实质上是相同的，其中其之间的任何差值都可忽略。由于供电电路32在本实施方案中作为降压转换器工作，因此所感测到的电流可根据晶体管P1和N1的操作而(在一些情况下，周期性地)升高和降低。因此可对采样/保持电路38进行定时，以在其周期的特定部分例如在其峰处对所感测到的负载电流进行采样。如果被选择，则然后通过选择电路27来向A/D 29提供样本并转换成数字值。然而，需注意，采样/保持电路38是任选的，并且在其他实施方案中可省略，诸如在使用线性稳压器替代降压转换器的实施方案中。
选择电路27可交替选择所需电流或缩放负载电流，以被转换成对瞬时负载电流的指示IL[n-1：0]。可根据一个或多个选择信号(“SEL”)作出选择，该一个或多个选择信号可由指示电路36外部的源生成。在各种实施方案中，控制电路、负载、电路、软件或其他源可使得生成选择信号。
图4是用于确定和提供关于瞬时负载电流的信息的方法的一个实施方案的流程图。可使用上文参考图1-图3所论述的电路/硬件实施方案来执行本文所示的方法400。此外，也可由这里未论述但通过其他方式被配置为执行由各种方法步骤调用的功能的电路/硬件实施方案来执行方法400。
方法400开始于由稳压器向负载电路提供供电电压(框405)。可以指定稳压器以提供在期望值指定范围(例如，0.8伏，±5％)之内的供电电压。负载电路可以是实现其所在的IC的功能单元，并且可包括模拟、数字或混合信号电路。
方法400还包括确定由稳压器向负载电路供应的瞬时电流(框410)。瞬时电流(例如，图3中所示的“感测电流”)可以直接从稳压器中的节点汲取，或者可由其他电路(例如，图3中的生成“缩放I_Load”的电路)复制(并可能被缩放)。然后可生成向负载电路提供的对瞬时电流的指示，该指示还被提供到负载电路(框415)。在一个实施方案中，该指示可以是数字值，尽管以模拟形式提供指示的实施方案也是可能的并被设想到。该指示可以是对缩放负载电流、实际负载电流或负载电路需求的电流的指示，其中每一者可反映所消耗的瞬时电流。
接下来转向图5，起示出了系统150的一个实施方案的框图。在例示的实施方案中，系统150包括耦接到外部存储器158的集成电路10的至少一个示例。集成电路10耦接到一个或多个外围设备154和外部存储器158。还提供了向集成电路10供应供电电压以及向存储器158和/或外围设备154供应一个或多个供电电压的电源156。在一些实施方案中，可包括集成电路10的多于一个示例(也可包括多于一个外部存储器158)。
根据系统150的类型，外围设备154可包括任意期望的电路。例如，在一个实施方案中，系统150可以是移动设备(如个人数字助理(PDA)、智能电话等)，并且外围设备154可包括用于各种类型的无线通信的设备，诸如WiFi、蓝牙、蜂窝、全球定位系统等。外围设备154还可包括附加存储装置，该附加存储装置包括RAM存储装置、固态存储装置或磁盘存储装置。外围设备154可包括用户界面设备诸如显示屏，该用户界面设备包括触摸显示屏或多触摸显示屏、键盘或其他输入设备、麦克风、扬声器等。在其他实施方案中，系统150可以是任何类型的计算系统(如台式个人计算机、膝上型电脑、工作站、平板电脑等)。
外部存储器158可包括任何类型的存储器。例如，外部存储器158可以是SRAM、动态RAM(DRAM)(诸如同步DRAM(SDRAM))、双数据速率(DDR、DDR2、DDR3、LPDDR1、LPDDR2等)SDRAM、RAMBUS DRAM等。外部存储器158可包括存储器设备安装到的一个或多个存储器模块，诸如单列直插存储器模块(SIMM)、双列直插存储器模块(DIMM)等。
一旦充分理解了以上公开，很多变型和修改对于本领域的技术人员而言就将变得显而易见。本发明旨在将以下权利要求书解释为涵盖所有此类变型和修改。

Claims (17)

1.一种用于监测提供的电流的集成电路，包括：
负载电路；和
稳压器，其中所述稳压器和所述负载电路被集成在公共集成电路管芯上，其中所述稳压器包括：
调节电路，所述调节电路被配置为向所述负载电路提供供电电压；
感测电路，所述感测电路被配置为感测由所述调节电路向所述负载电路供应的电流量；和
指示电路，所述指示电路被配置为向所述负载电路提供对由所述调节电路向所述负载电路供应的所述电流量的指示，
其特征在于所述感测电路包括电压到电流转换电路，所述电压到电流转换电路被配置为生成是向所述负载电路供应的所述电流量的缩放版本的第一电流。
2.根据权利要求1所述的集成电路，其中所述电压到电流转换电路被进一步配置为生成指示所述负载电路所需的电流量的第二电流。
3.根据权利要求1所述的集成电路，其中所述电压到电流转换电路包括：
放大器，所述放大器被配置为基于所述供电电压的当前值和基准电压之间的差值来生成输出电压；
第一晶体管，所述第一晶体管具有耦接以接收所述输出电压的栅极端子，所述第一晶体管被配置为生成所述第一电流；
第二晶体管，所述第二晶体管被配置为指示所述负载电路所需的电流量的第二电流；和
第三晶体管，所述第三晶体管被配置为生成指示所述供电电压的当前供电值的电压。
4.根据权利要求1所述的集成电路，其中所述指示电路被配置为向所述负载电路提供数字代码，所述数字代码指示由所述调节电路供应的所述电流量。
5.根据权利要求4所述的集成电路，其中所述指示电路包括具有第一输入端的选择电路，所述第一输入端被耦接以从所述感测电路接收指示由所述调节电路向所述负载电路供应的电流量的第一电流，从所述感测电路接收指示所述负载电路所需的电流量的第二电流，以及从所述调节电路接收第三电流，所述第三电流是由所述调节电路向所述负载电路供应的所述电流。
6.根据权利要求5所述的集成电路，其中所述选择电路的输出端被耦接到模数A/D转换器，所述A/D转换器被配置为向所述负载电路提供具有多个比特的数字代码，所述数字代码指示所述选择电路的第一输入端、第二输入端和第三输入端中的选择的一者上的电流值。
7.根据权利要求5所述的集成电路，还包括采样和保持电路，所述采样和保持电路耦接在所述调节电路中的电流节点和所述选择电路之间，其中所述采样和保持电路被配置为对所述第三电流的值进行采样并向所述选择电路提供采样值。
8.一种用于监测提供的电流的方法，包括：
从稳压器向负载电路提供供电电压，其中所述稳压器和所述负载电路在公共集成电路管芯上被实现；
使用在所述稳压器中实现的感测电路来确定从所述稳压器向所述负载电路提供的电流量；以及
从所述感测电路向所述负载电路提供对向所述负载电路提供的所述电流量的指示，
所述方法的特征在于
电压到电流转换电路生成是向所述负载电路提供的所述电流量的缩放版本的第一电流。
9.根据权利要求8所述的方法，其中提供所述指示包括向所述负载电路提供数字代码，所述数字代码指示向所述负载电路提供的所述电流量。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述数字代码由模数转换器ADC生成，并且其中所述方法进一步包括选择电路，所述选择电路向所述ADC提供以下各项中的一者：
指示由所述稳压器向所述负载电路供应的电流量的第一电流；
指示所述负载电路所需的电流量的第二电流；和
相当于向所述负载电路供应的所述电流的第三电流。
11.根据权利要求10所述的方法，还包括：
采样和保持电路被耦接成对所述第三电流的值进行采样，并向所述选择电路提供采样值。
12.根据权利要求8所述的方法，还包括所述电压到电流转换电路生成指示所述负载电路所需的电流量的第二电流。
13.根据权利要求8所述的方法，还包括：
所述电压到电流转换电路的放大器基于所述供电电压的当前值和基准电压之间的差值来生成输出电压；
所述电压到电流转换电路的第一晶体管基于所述输出电压来生成所述第一电流；
所述电压到电流转换电路的第二晶体管生成指示所述负载电路所需的电流量的第二电流；以及
所述电压到电流转换电路的第三晶体管生成指示所述供电电压的当前供电值的电压。
14.一种用于监测提供的电流的系统，包括：
功能单元；
稳压器，所述稳压器具有供电电路和感测电路，其中所述供电电路被配置为向所述功能单元提供供电电压，并且其中所述感测电路被配置为确定由所述稳压器向所述功能单元提供的瞬时电流；和
指示电路，所述指示电路被配置为向所述功能单元提供对所述瞬时电流的指示，
其特征在于
所述感测电路包括被配置为生成指示所述供电电压和请求电压之间的差值的差异信号的放大器。
15.根据权利要求14所述的系统，其中所述指示电路被配置为将对所述瞬时电流的所述指示作为数字代码来提供。
16.根据权利要求14所述的系统，其中所述感测电路包括被配置为基于所述供电电压和所述请求电压之间的所述差值来生成与所述瞬时电流成比例的第一电流的第一晶体管。
17.根据权利要求16所述的系统，其中所述感测电路包括被配置为生成指示由所述功能单元请求的电流量的第二电流的第二晶体管。
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