CN107209527A - 双电源 - Google Patents

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CN107209527A CN201680007174.8A CN201680007174A CN107209527A CN 107209527 A CN107209527 A CN 107209527A CN 201680007174 A CN201680007174 A CN 201680007174A CN 107209527 A CN107209527 A CN 107209527A
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G·斯考罗姆
A·S·德瓦尔
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Abstract

本发明提供了一种装置和方法，所述装置和方法涉及一种用于提供针对集成电压调节器(IVR)的并联调节特征的电力输送方案。所述装置包括：输入轨，所述输入轨用于接收外部DC电源电压；IVR，所述IVR具有耦合至所述输入轨的输入端；以及低电压调节器(LVR)，所述低电压调节器在所述外部DC电源处于第二模式时提供经调节DC电压以代替所述IVR。

Description

双电源
优先权声明
本申请要求于2015年2月12日提交的题为“DUAL SUPPLY(双电源)”的美国专利申请序列号14/621,261的优先权，并且所述美国专利申请通过引用以其全文结合在此。
技术领域
本发明总体上涉及电源，并且具体地涉及用于片上电压域的电源供应解决方案。
附图说明
在相同的参考号指代相似元件的附图的图示中，通过示例性方式而非限制性方式展示了本发明的实施例。
图1A是根据一些实施例的计算装置的简图，所述计算装置的处理器具有多个并联LVR/IVR电压电源域。
图1B是根据一些实施例的来自图1A的计算装置的单个电压域的IVR部分的示意图。
图2是根据一些实施例的用于单个代表性FIVR的电路系统的框图。
图3是示出根据一些实施例的用于为电压域供电的单个FIVR/LVR块的简图。
图4是示出根据一些实施例的用于从FIVR转换到LVR的例程401的简图。
图5是示出根据一些实施例的用于从LVR转换到FIVR以用于域电源的例程的简图。
具体实施方式
本公开提供了一种电力输送方案，用于提供用于集成电压调节器(integratedvoltage regulator，IVR)的并联调节特征。针对电源域，此特征可以在整体IVR功率效率可能较低的特定(轻)负载条件期间提供对从IVR到备选的、更高效的并联(线型)调节器(LVR)的电压调节和电力输送的无缝传送。当并联调节被激活时，IVR可以完全断电并且其输入电源(如果不断开的话)被降低，从而减少或移除IVR输入供应轨上的静态泄露或活跃功率的整个源。并联调节器可以是线性电压调节器(LVR)或者潜在地为针对感兴趣的特定操作条件的另一种高效调节器，像开关电容式调节器或者更小的开关模式电压调节器。
图1A是示出根据一些实施例的针对示例性计算装置的电源域的简图。所述电源域包括通过片外调节器103从电源101(PSU或电池)供电的处理器105。处理器105具有用于为各个不同负载109供电的单独IVR/LVR电压域107。处理器105可对应于任何适合的处理器(例如，高端服务器芯片、SoC等)。例如，处理器可以用第四代CoreTM微处理器来实现。
处于主板上的第一级VR(来自103)从PSU(电源单元)或电池电压(例如，12V至20V)转换为更低电压(例如，针对活跃模式时为1.8V并且针对降低的电源模式时为1.3)。这些电源通过跨微处理器管芯的输入供应轨而被分配。IVR/LVR块充当第二转换级。例如，取决于处理器配置，可能存在8IVR/LVR域与31之间的IVR/LVR域。在一些实施例中，利用FIVR(fully integrated voltage regulator，完全集成电压调节器)来实现IVR。给定对每个IVR正在供电的域的要求，每个IVR可独立地可编程以实现最佳操作。这些设置可以由电源控制单元(power control unit，PCU)来优化，所述电源控制单元可以指定输入电压、输出电压、操作级数以及各种各样的用于最小化管芯的总功耗的其他设置。
应认识到，IVR(集成电压调节器)可以包括任何适合的开关型调节器，至少其PWM(脉宽调制)电路系统集成到正在为其供电的芯片中。FIVR(完全集成电压调节器)是一种类型的IVR。FIVR可以利用任何适合的开关DC调节器技术来实现。所述FIVR将通常使其部件中的大多数(如果不是全部)容纳在正在为其供应调节电源的半导体封装体(包括一个或多个管芯的封装体)中。例如，在一些实施例中，功率FET、控制电路系统以及高频去耦部件可以在管芯上，而电感器和中频输入去耦电容器可以在封装体中。
图2中示出了表示用于单个FIVR域的电路系统的框图。此FIVR为具有16个相位的140MHz同步多相降压转换器。在一些实施例中，降压调节器桥可以通过利用NMOS和PMOS共源共栅电源开关来替换来自先前设计的电源门而形成。共源共栅配置允许利用来自更先进的(例如，更小的特征尺寸)半导体工艺的逻辑器件来实现电源开关，并且同时，所述逻辑器件可以能够处理合理的高输入电压(例如，高达1.8VDC)。这可降低针对高压装置的额外处理步骤的成本，同时实现所期望的开关特性。
桥驱动器可以通过高压电平移位器得到控制并且可以支持ZVS(零电压开关)和ZCS(零电流开关)软开关操作。这些共源共栅装置的栅极耦合至被调节至Vin/2的“半轨”电源(例如，Vcc驱动)。这也可以用作PMOS桥驱动器的低侧供应以及NMOS桥驱动器的高侧供应。由电源开关和驱动器占用的面积较小，因此它们可以跨管芯(例如，在与其相关联封装导体的连接之上)而高效地分配，这最小化了路由损。驱动器电路系统以阵列与电源开关交织，所述阵列可最小化寄生以允许非常高的切换频率。这也可允许基于每个电源域的当前需求和优化点来缩放所述桥的尺寸。
在所描绘的实施例中，每个FIVR域由FIVR控制模块(FCM)来控制。如在图2中通过虚线框所指示的，FCM(未明确示出)包含用于使用双边调制来生成PWM信号的电路系统。单独电路系统(同样未示出)管理相电流平衡，并且将所产生的数字PWM信号从FCM分配到各个桥。PWM频率、PWM增益、相位激活以及每个相位的角度可以是可以精细增量编程的，以使能跨不同操作点的跨度的最佳效率和最低电压纹波。此外，扩频可以用于EMI和RFI(射频干扰)控制。
如图2所示，所包括的(例如，FCM模块的一部分)是补偿器电路系统(反馈控制电路系统)。FIVR补偿器关闭电压调节环路。其被称为补偿器，是因为对加在其周围的无源器件进行组合(例如，在可编程补偿块204中)以补偿所述环路以确保稳定的闭环操作。由于电感器(LC)输出滤波器在系统中所引入的相移，在没有适当补偿(通过属于可编程补偿器204的一部分的RC网络)的情况下，闭环操作将可能不稳定。补偿器输出(标记为“反馈电压”)驱动PWM(脉宽调制器)，并且其对转换器的占空比进行设置以维持合适的输出电压。
高精度9位DAC 206生成可编程的、高带宽模拟完全差分3型补偿器电路(由放大器202和可编程RC补偿电路204形成)的参考电压。感测线将FIVR输出电压反馈至补偿器。所述补偿器可以基于其输出滤波器针对每个电压域而被单独编程，并且可在所述域活跃时被重新编程以维持最佳瞬态响应(例如，当相位脱落发生时)。与本公开有关的是，其还可以用于从LVR模式转换回至FIVR模式。在去激活FIVR之前对补偿器输出电压(反馈电压)进行测量。然后，当重新激活FIVR(从LVR到FIVR)时，放大器202被禁用(例如，三态输出)，并且单独DAC(未示出)用于在补偿器输出端(202的输出端)处生成启动电压，以便在从FIVR被去激活时开始以所存储电平转换对输出进行预充电。以此方式，以一定值来启动PWM，所述值应当生成与在被去激活之前的值相等的FIVR输出电压。
图3是示出根据一些实施例的用于为电压域供电的单个FIVR/LVR块的简图。所述框包括与FIVR 325并联耦合的LVR 305，用于在输入电源(VCCIN)处于降低的电平时为输出轨(VCCOUT)供电。VCCIN为FIVR和并联LVR两者的主要输入电源。VCCIN轨可能不会被完全断开，但是可以通过降低VCCIN电压(例如，从1.6V与1.8V之间到1.2V与1.3V之间的电压)来大大减小泄漏电力。针对VCCOUT轨，(尽管其输出级(通过开关或者直接去激活)可以与输出VCCOUT脱离接合)，物理地短接FIVR和LVR输出(如图中所示)。
在一些实施例中，当处理器处于活跃状态时(例如，ACPIC0-C3)，VCCIN将进入活跃电平(例如，1.8V)。在此更高(活跃)输入电源模式下，FIVR被控制为是活跃的以调节所述(多个)输出轨VCCOUT，其中LVR被去激活。可替代地，在处理器低功率状态(例如，C7和更高)期间，处理器负载减小，并且因此，为了节省电，可以降低VCCIN(例如，降低至1.3V)。对LVR进行激活以调节VCCOUT轨，同时断开FIVR。在一些实施例中，以下呈现了在这些具有非常少的(如果有的话)电压变化的调节器之间进行转换的流程。(输出电压将大体上保持相同，区别在于，当LVR正在驱动输出时，FIVR输出波纹噪声将会消失。)
在所描绘的实施例中，线性电压调节器用于LVR 305，并且FIVR用于IVR。FCM控制逻辑335(其可以对应于关于图2中的FIVR所讨论的FCM)配置成用于控制LVR和IVR的操作和/或激活。当LVR将要活跃时，FCM可通过控制LVR微调控制逻辑315来控制(或调节)LVR输出。除其他项外，FCM还可以监测、存储并控制FIVR的补偿器值，例如，如关于图2所描述的。
并联LVR 305被设计成用于以更高的效率传递比FIVR更小的电流量(但是对于低功率状态条件而言已足够)。应当认识到的是，虽然示出了简单的线性调节器以用作低电压调节器，但是可以采用任何合适的调节器。例如，备选LVR可以利用小开关模式电压调节器或开关电容式的电压转换器来实现。理想地，LVR将提供适当可控的输出电压，不需要太复杂以至于引发额外开销，并且重要的是，在降低的输入电压下，与FIVR相比以提高的效率进行操作。)
应当认识到的是，不是所有的电源域都可以具有如本文中所公开的并联LVR。例如，在一些实施例中，在低功率模式期间全功率可用的情况下，在一些域中可以不使用并联LVR。这些域可以包括例如平台控制器轨，所述平台控制器轨可以是当其他轨(例如，CPU核、图形和LLC)关闭时仅在低功率状态C7下活跃的IVR轨。在一些方案中，并联LVR将接合在CPU功耗为低的C7+低功率状态下，而IVR用于在其余时间为这些轨供电。
在操作中，转换为并联LVR模式可能大体上是透明且无缝的。电压保持相同，并且被供电的负载未意识到电力输送源的变化。在周期性FIVR操作(例如，VCCIN从1.6V到1.8V)期间，FIVR调节输出电源轨VCCOUT。在低功率状态(例如，VCCIN降低到1.2V与1.3V之间)期间，FIVR被断开，并且并联LVR代替FIVR被用于调节相应的输出电源轨。
图4是示出用于从FIVR转换到LVR以调节输出轨(VCCOUT)的例程401的简图。在402处，对LVR进行上电。接下来，在404处(当FIVR仍是可操作的时)，微调LVR以与FIVR输出电压相匹配。这可以以任何合适的方式来完成。例如，输入参考可以与VCCOUT输出进行比较直到其足以相等，并且然后可以使用此微调设置，尤其是在相对于参考电压的LVR输出偏移足够小的情况下。在其他情况下，LVR输出可以与FIVR输出(VCCOUT)进行比较，同时LVR输出与VCCOUT轨解耦。然后可以对LVR进行微调直到其输出与FIVR输出相匹配。
在406处，存储FIVR占空比(例如，通过FCM)。这将允许其稍后用于以相同的占空比来重新启动LVR到FIVR的转换。接下来，在408处，在开环模式下使能LVR输出级驱动所述输出(VCCOUT)。接下来，在410处，关闭FIVR相位，因为FIVR被去激活。在412处，LVR则被设置为用于为闭环操作。此时，LVR正在驱动输出轨。在414处，FIVR可能断电，并且将VCCIN电压降低至更低的电平(例如，1.3V)。
图5是示出了用于从LVR转换至FIVR的例程501的简图，例如，当VCCIN电源将进入更高的活跃电压电平时。在502处，VCCIN升高至1.8V。接下来，在504处，用从先前的操作中所存储的占空比设置来启动FIVR。使用PWM生成在FIVR自至LVR的调节切换之前所存在的占空比相同的占空比所需的已记录电压电平来启动补偿器输出允许FIVR以与去激活之前其生成的大体上相同(如果并非完全相同)的电平生成电压。(注意，如果这未完成，则FIVR将可能使其输出电压从零升高并且初始地将LVR短接至地。)
在506处，启用IVR相位。在此时间期间内，IVR和LVR两者将对所述输出进行短时间驱动。接下来，在508处，禁用LVR输出级。最后，在510处，将LVR断电。
在前面的描述和以下权利要求中，以下术语应当被解释为如下：可以使用术语“耦合(coupled)”和“连接(connected)”以及其派生词。应当理解，这些术语不旨在作为彼此的同义词。而是，在特定实施例中，“连接”用于指示两个或更多个元件彼此直接物理或电气接触。“耦合”用于指示两个或更多个元件彼此协作或交互，但是它们可以或可以不直接物理或电气接触。
术语“PMOS晶体管(PMOS transistor)”指的是P型金属氧化物半导体场效应晶体管。同样，“NMOS晶体管(NMOS transistor)”指的是N型金属氧化物半导体场效应晶体管。应当认识到的是，无论何时使用术语：“MOS晶体管”、“NMOS晶体管”或“PMOS晶体管”，除非另有明确指明或者由它们的使用特性来指明，否则以示例性方式来使用它们。它们包含不同种类的MOS器件，包括具有不同VT、材料类型、绝缘体厚度、(多个)栅级构造的装置，仅举几例。而且，除非具体被称为MOS等，否则术语晶体管可包括其它适当的晶体管类型，例如，结型场效应晶体管、双极结型晶体管、金属半导体FET、以及各种类型的三维晶体管、MOS或者其他当今已知的或尚未开发出来的。
本发明不限于所描述的实施例，而是可以在所附权利要求的精神和范围内使用修改和变更来实践。例如，应当认识到的是，本发明适合于与所有类型的半导体集成电路(“IC”)芯片一起使用。这些IC芯片的示例包括但不限于处理器、控制器、芯片组部件、可编程逻辑阵列(PLA)、存储器芯片、网络芯片等等。
还应当认识到的是，在一些附图中，利用线条来表示信号导体线。一些线条可以较粗，以指示有更多组成的信号路径，具有数字标记以表示组成的信号通路的编号和/或在一端或多端具有箭头以指示主要信息流方向。然而，这不应当被解释为限制性方式。相反，这种附加的细节可以与一个或多个示例性实施例结合使用以帮助更容易地理解电路。任何所表示的信号线，无论是否有附加信息，都实际可以包括可以在多个方向行进的一个或多个信号，并且可以利用任何适当类型的信号方案实现，例如利用差分对、光纤线路和/或单端线路实现的数字或模拟线路。
应当认识到的是，可能已经给出了示例尺寸/模型/值/范围，尽管本发明不限于此。随着制造技术(例如，光刻)随时间推移而成熟，预期可以制造出更小尺寸的器件。此外，为了简化图示和讨论以及为了不模糊本发明，可以在图内示出或者不示出与IC芯片和其他部件的公知的电力/接地连接。进一步地，可以用框图形式示出布置，以便避免模糊本发明，并且还鉴于有关这种框图布置的实施的细节高度依赖于实施本发明的平台的事实，即这类细节应当完全在本领域技术人员的的视界内。在阐述具体细节(例如，电路)以描述本发明的示例实施例的情况下，对于本领域技术人员来说应当明显的是，可以在没有这些具体细节或具有这些具体细节的变型的情况下实践本发明。描述因此应被视为例证性的而不是限制性的。

Claims (21)

1.一种芯片，包括：
输入轨，所述输入轨用于接收针对第一模式处于第一电平上并且针对第二模式处于第二电平上的外部DC电源电压，所述第二电平小于所述第一电平；
集成开关型电压调节器(IVR)，所述集成开关型电压调节器(IVR)具有耦合至所述输入轨的输入以及耦合至输出轨以提供经调节DC电压的输出；以及
低电压调节器(LVR)，所述低电压调节器(LVR)具有输入和输出，所述输入耦合至所述输入轨，并且所述输出耦合至所述输出轨以便在所述外部DC电源处于所述第二模式时提供所述经调节DC电压以代替所述IVR。
2.如权利要求1所述的芯片，其中，所述LVR为线性电压调节器。
3.如权利要求1所述的芯片，其中，所述LVR为开关型调节器。
4.如权利要求1所述的芯片，其中，所述IVR为完全集成电压调节器(FIVR)。
5.如权利要求1所述的芯片，包括用于当所述外部DC电源将进入所述第二模式时从所述IVR转换到所述LVR的逻辑。
6.如权利要求5所述的芯片，其中，所述逻辑为控制所述IVR的占空比的控制模块的一部分。
7.如权利要求5所述的芯片，其中，在控制到所述LVR的转换时，所述逻辑在所述LVR与所述输出轨脱离时用于微调所述LVR，从而使得其输出电压将与所述IVR的输出电压相匹配。
8.一种计算装置，包括：
处理器；以及
DC电源，所述DC电源在所述处理器外部，用于提供输入电源电压；
所述处理器具有多个电压域、集成开关型电压调节器(IVR)以及从所述输入电源电压供电的并联低电压调节器(LVR)，其中，取决于所述输入电源电压的电平，至少一个电压域将由所述IVR和并联LVR之一来供电。
9.如权利要求8所述的计算装置，其中，所述处理器是服务器计算机的部分。
10.如权利要求8所述的计算装置，其中，所述LVR和IVR具有可控制地耦合到公共输出轨的输出。
11.如权利要求8所述的计算装置，其中，所述IVR为FIVR。
12.如权利要求11所述的计算装置，其中，所述FIVR具有用于在所述FIVR被激活时以期望电平启动脉冲宽度调制(PWM)的电路。
13.如权利要求12所述的计算装置，其中，所述用于以期望电平启动PWM的电路包括用于在补偿器输出处生成电压的数模转换器(DAC)。
14.一种方法，包括：
对低电压调节器(LVR)进行上电；
对所述LVR进行微调以与完全集成电压调节器(FIVR)的输出电压相匹配；
存储所述FIVR的占空比；以及
在开环模式下使能所述LVR的输出级以驱动所述FIVR的所述输出电压。
15.如权利要求14所述的方法，包括：
去激活所述FIVR；
响应于所述去激活而将所述LVR设置为在闭环配置下操作；以及
将所述FIVR断电。
16.如权利要求14所述的方法，其中，微调所述LVR包括：对照所述输出电压比较输入参考，直到所述输入参考电压充分等于所述输出电压。
17.如权利要求14所述的方法，其中，微调所述LVR包括：对照所述FIVR的所述输出电压比较所述LVR参考的输出电压。
18.一种设备，包括：
用于对低电压调节器(LVR)进行上电的装置；
用于微调所述LVR以与完全集成电压调节器(FIVR)的输出电压相匹配的装置；
用于存储所述FIVR的占空比的装置；以及
用于在开环模式下使能所述LVR的输出级以驱动所述FIVR的所述输出电压的装置。
19.如权利要求18所述的设备，包括：
用于去激活所述FIVR的装置；
用于响应于所述去激活而将所述LVR设置为在闭环配置下操作的装置；以及
用于将所述FIVR断电的装置。
20.如权利要求18所述的设备，其中，所述用于微调所述LVR的装置包括：用于对照所述输出电压比较输入参考直到所述输入参考电压充分等于所述输出电压的装置。
21.如权利要求18所述的设备，其中，所述用于微调所述LVR的装置包括：用于对照所述FIVR的所述输出电压比较所述LVR参考的输出电压的装置。
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