CN107851993B - 用于降低集成电压调节器的功率损耗的设备与方法 - Google Patents

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Abstract

描述了一种设备，所述设备包括：第一电压调节器(VR)，耦合至第一组一个或多个电感器，所述第一VR用于向第一功率域提供功率；以及第二VR，耦合至第二组一个或多个电感器，所述第二组一个或多个电感器中的至少一个电感性地耦合至所述第一组一个或多个电感器中的至少一个，所述第二VR用于向与所述第一功率域分离的第二功率域提供功率，其中，在所述第一VR相对于所述第二VR的开关晶体管之间存在非零相位角偏移。

Description

用于降低集成电压调节器的功率损耗的设备与方法
优先权声明
本申请要求于2015年8月26日提交的名称为“Apparatus and Method to ReducePower Losses in an Integrated Voltage Regulator(用于降低集成电压调节器的功率损耗的设备与方法)”的美国专利申请序列号14/836,780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。
背景技术
随着管芯上的电路按照摩尔定律进行按比例缩小，所述摩尔定律预测大约每两年芯片中晶体管的数量将加倍，如电感器等由采用电压调节器(VR)的产品所使用的无源器件(也被称为线圈或电抗器)同样需要一起按比例缩小。电感器是阻止流经电感器的电流的变化的无源双端子部件。当电流流过电感器时，能量暂时储存在电感器中的磁场中。当通过电感器的电流发生变化时，时变磁场在电感器中感生电压，所述电压与产生所述电压的电流的变化相对。
电感器的按比例缩小降低了电感器的质量因子，从而导致效率损失。电感器的质量因子(或Q因子)是电感器的感抗与电感器在给定频率下的电阻之比，并且是电感器效率的度量。电感器的串联电阻将通过其线圈的电流转换为热量，因此造成感应质量的损失。
术语“按比例缩小(scaling)”通常指代将设计(原理图和布局)从一种处理技术转换为另一种处理技术，并且随后在布局区域上有所减小。术语“按比例缩小(scaling)”通常还指代在相同的技术节点内缩小布局和装置的规模。术语“按比例缩小(scaling)”还可以指相对于另一个参数(例如，电源水平)对信号频率的调整(例如，放慢或加速——即分别按比例缩小、或按比例放大)。
参考电感器，按比例缩小减小了电感器之间的距离，从而造成不同VR功率域之间的电感性耦合，这同样导致效率损失。
附图说明
通过以下给出的详细描述以及通过本公开的各个实施例的附图将更加全面地理解本公开的实施例，然而，本公开的实施例不应被视为将本公开限制于特定实施例，而是仅用于解释和理解。
图1展示了根据本公开的一些实施例的具有域至域耦合的集成电压调节器(VR)域的示意图，其中，集成VR可操作用于降低集成VR中的功率损耗。
图2展示了根据本公开的一些实施例的具有多个处理核以及所述多个处理核的可操作用于降低集成VR中的功率损耗的相应集成VR的芯片。
图3A展示了根据本公开的一些实施例的可操作用于降低集成VR中的功率损耗的两个集成VR的一对未重叠电感器。
图3B展示了根据本公开的一些实施例的可操作用于降低集成VR中的功率损耗的两个集成VR的一对部分重叠电感器。
图3C展示了根据本公开的一些实施例的可操作用于降低集成VR中的功率损耗的两个集成VR的一对高度重叠电感器。
图4展示了根据本公开的一些实施例的空气芯电感器(ACI)的三维(3D)视图。
图5展示了曲线图，示出了根据本公开的一些实施例的具有以及不具有域至域耦合的电感器纹波电流。
图6展示了曲线图，示出了根据本公开的一些实施例的具有以及不具有域至域耦合的效率损失VS负载电流。
图7展示了曲线图，示出了根据本公开的一些实施例的具有以及不具有域至域耦合的效率VS负载电流。
图8展示了根据一些实施例的用于优化域内和跨域的相位角以便降低集成VR中的功率损耗的方法的流程图。
图9展示了根据一些实施例的用于在运行时间降低集成VR中的功率损耗的设备的框图。
图10展示了根据一些实施例的具有用于降低在不同域之间电感性地耦合的集成VR中的功率损耗的设备的智能装置或计算机系统或SoC(片上系统)。
具体实施方式
随着电感器为了跟上电路按比例缩小的步伐而缩小尺寸，电感器也变得与来自相邻电压调节器(VR)域的其他电感器更密集地封装。VR域是由VR提供功率的芯片的逻辑区域。根据一些实施例，每个VR域(或功率域)可以具有相应VR。例如，处理器核是VR域并且由其专用VR提供功率。在一些实施例中，电感器被定位于其VR域附近。例如，电感器被定位于其在硅中的对应域上方或下方的封装体中。
按比例缩小导致域(在此也被称为功率域)之间增加的耦合。按比例缩小和杂散耦合均可能导致增大的功率损耗以及降低的VR效率。各个实施例描述了一种用于提高经电感性耦合的不同VR的VR效率和可扩展性的设备和方法。在一些实施例中，通过重叠电感器并且将电感器与相邻但在不同域中的(多个)电感器有意地耦合来提高电感器的质量因子。例如，在Vdd1电源上运行的一个域的电感器被允许与在Vdd2电源上运行的另一个域的电感器有意地耦合，其中，Vdd1和Vdd2是具有独立电源分配网络的独立电源。
在一些实施例中，提供了一种设备，所述设备包括：第一VR，耦合至第一组一个或多个电感器，其中，所述第一VR用于向第一功率域(例如，在Vdd1电源上运行的处理器核-1)提供功率。在一些实施例中，所述设备进一步包括：第二VR，耦合至第二组一个或多个电感器，所述第二组一个或多个电感器中的至少一个电感性地耦合至所述第一组一个或多个电感器中的至少一个，其中，所述第二VR用于向与所述第一功率域分离的第二功率域提供功率。例如，在与Vdd1功率域分离的Vdd2功率域上运行的处理器核-2。在一些实施例中，在第一VR相对于第二VR的开关晶体管之间建立了非零相位角偏移。
在一些实施例中，通过(在硅前和/或在运行时间期间)优化域内和跨域两者的VR相位的相位角来控制不同域的电感器之间的耦合。VR内的VR相位是指使用多个相位提供电源(例如，Vdd1)的多相VR。跨域的VR相位指不同功率域的相位之间的相位差。
例如，在提供Vdd1电源的VR与提供Vdd2电源的VR之间的相位差是跨域的两个不同相位。在此，优化通常是指确定VR的切换时钟的引起VR效率提高的相位。这样，降低了跨整个系统的功率损耗。根据各个实施例，其他技术效果将明显。
在以下描述中，讨论了大量细节以便提供对本公开的实施例更透彻的解释。然而，对于本领域的技术人员将明显的是，本公开的实施例可在没有这些特定细节的情况下实践。在其他实例中，以框图形式而非详细地示出了众所周知的结构和装置以避免模糊本公开的实施例。
注意，在实施例的对应附图中，使用线条表示信号。某些线条可能更厚从而指示更多的成分信号路径，和/或在一端或多端具有箭头从而指示主要信息流动方向。这种指示并非旨在是限制性的。相反，这些线条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或逻辑单元。如设计需要或偏好所指示的，任何表示的信号实际上可以包括可以在任一方向上传播的一个或多个信号，并且可以使用任何合适类型的信号方案来实施。
在整个说明书中，并且在权利要求书中，术语“连接(connected)”指已连接的物体之间的直接连接(比如，电、机械、或磁性连接)，不存在任何中介装置。术语“耦合(coupled)”指直接或间接连接，比如已连接的物体之间的直接电、机械、或磁性连接，或者通过一个或多个无源或有源中介装置的间接连接。术语“电路(circuit)”或“模块(module)”可以指被安排成彼此合作以提供期望功能的一个或多个无源和/或有源部件。术语“信号(signal)”可以指至少一个电流信号、电压信号、磁信号、或数据/时钟信号。“一个(a)”、“一种(an)”以及“所述(the)”的意义包括复数的指代。“内(in)”的意义包括“内”和“上”。
术语“基本上(substantially)”、“接近(close)”、“近似(approximately)”、“靠近(near)”和“约(about)”通常指代在目标值的+/-10％内。除非另有说明，否则使用序数形容词“第一(first)”、“第二(second)”、“第三(third)”等来描述共同对象，仅仅指示类似对象的不同实例被提及，并且不意在暗示如此描述的对象必须在或者时间上、空间上、排名上、或以任何其他方式处于给定序列中。
为了本公开的目的，短语“A和/或B”以及“A或B”是指(A)、(B)或(A和B)。为了本公开的目的，短语“A、B和/或C”是指(A)、(B)、(C)、(A和B)、(A和C)、(B和C)，或(A、B和C)。
为了实施例的目的，此处描述的各个电路和逻辑块中的晶体管是金属氧化物半导体(MOS)晶体管及其衍生物，其中MOS晶体管包括漏极、源极、栅极和升压端子。所述晶体管和/或MOS晶体管衍生物还包括三栅极和鳍型FET晶体管、圆柱体全包围栅场效应管、隧道FET(TFET)、方线、或矩形带状晶体管、铁电FET(FeFET)或实现与碳纳米管或自旋电子设备类似的晶体管功能的其他装置。MOSFET对称的源极和漏极端子即为完全相同的端子并且在此可互换地使用。另一方面，TFET装置具有非对称的源极和漏极端子。本领域的技术人员将理解的是，在不背离本公开的范围的情况下，可以使用其他晶体管(例如，双极结型晶体管——BJT PNP/NPN、BiCMOS、CMOS、eFET等)。术语“MN”指示n型晶体管(例如，NMOS、NPN BJT等)，并且术语“MP”指示p型晶体管(例如，PMOS、PNP BJT等)。
图1展示了根据本公开的一些实施例的具有域至域耦合的集成VR域的示意图100，其中，集成VR可操作用于降低集成VR中的功率损耗。
示意图100是根据一些实施例的芯片(例如，处理器)的一部分，所述一部分具有多个VR和逻辑，所述多个VR具有相应负载(即，功率域)，并且所述逻辑用于控制所述多个VR。这样，VR是在管芯上实现并且向(多个)管芯上负载提供功率的集成VR。为了不使实施例模糊，示出了具有驱动到两个电感器中两个VR的两个VR功率域。然而，实施例不限于两个VR域、两个VR以及两个电感器，并且适用于任何数量的VR域、VR以及电感器。
各个实施例参考切换式降压调节器来描述VR。降压调节器是电压下降和电流上升转换器。切换式降压调节器迅速地接通和断开串联装置。开关的占空比设定了将多少电荷转移至负载。然而，实施例不限于切换式降压调节器。可以使用其他类型的调节器，比如，DC-DC转换器(例如，切换式升压调节器)、线性调节器(例如，低压差调节器(LDO))、齐纳(Zener)控制的晶体管电压调节器以及离散晶体管电压调节器。
在一些实施例中，处理器包括VR 101a、负载102a、VR 101b、负载102b以及逻辑103。在此示例中，VR 101a是经由电感器L1和电容器C1向负载1102a(例如，功率域，比如，在Vdd1电源上运行的处理器核)提供功率的单相VR。VR 101b也是经由电感器L2和电容器C2向负载2 102b(例如，另一个功率域，比如，第二处理器核)提供功率的单相VR。然而，实施例不限于单相VR。借助多个电感器，VR可以具有多个相位，并且所有这种变化都在各个实施例的范围内。为了不使实施例模糊，仅示出了VR 101a/b的高侧p型开关MP1与低侧n型开关MN1。然而，本领域技术人员将理解的是，全功能切换式VR可能需要用于控制VR的反馈机制的其他部件，比如，(多个)控制器。
在此示例中，由VR 101a向负载1 102a提供的输出电压是Vdd1，而由VR 101b向负载1 102b提供的输出电压是Vdd2。在一些实施例中，Vdd1与Vdd2可以是具有其自己的电源分配的独立电源(即，Vdd1与Vdd2电源未被物理耦合)。
随着用电感器为了跟上电路按比例缩小的步伐而缩小，电感器也变得与来自相邻VR域的其他电感器更密集地封装。在此示例中，由于按比例缩小的副作用，电感器L1与L2可以靠近彼此(例如，彼此邻接)。如此，电感器L1与L2可以通过互感来互耦。当一个电感器中的电流变化感生出在另一个邻近电感器中的电压时，互感发生。电感器L1与L2的这种互耦实际上耦合了分别在Vdd1和Vdd2上运行的这两个不同的功率域。这种域至域耦合可能通过降低电感器L1与L2的Q因子来降低这两个VR的效率。
在一些实施例中，逻辑103被提供用于调节控制晶体管MP1和MN1的切换时间的切换时钟的相位，使得VR 101a的切换相位与VR 101b的切换相位不同。例如，逻辑103在VR101a与VR 101b的切换相位之间引入非零相位偏移(例如，180°的相位偏移)。如此，通过降低功率损耗来提高这两个VR的效率。在一些实施例中，逻辑103在每个相邻VR之间引入非零相位偏移。非零相位偏移也被称为基偏移(base offset)。在一些实施例中，逻辑103根据VR的运行条件在运行时间期间引入非零相位偏移。例如，VR1 101a可能正在生成0.9V的Vdd1，而VR2 101b可能正在生成0.7V的Vdd2。
图2展示了根据本公开的一些实施例的具有多个处理核以及所述多个处理核的可操作用于降低集成VR的功率损耗的相应集成VR的芯片200。要指出的是，图2的与任何其他附图的元件具有相同参考号(或名称)的那些元件可以通过与所描述的方式类似的任何方式来运行或起作用，但不限于此。
在一些实施例中，如俯视图所示，具有多个处理器核(例如，核-0至核-7)的处理器或片上系统(SoC)201配备有来自与处理器核相关联的VR的独立电源。在图2的左侧示出了俯视图的横截面AA。SoC 201耦合至封装体202，并且电感器203-0至203-7被定位在封装体202上。封装体202经由凸起204耦合至SoC 201。在一些实施例中，电感器203-0至203-7是空气芯电感器(ACI)。在其他实施例中，其他类型的电感器可用于电感器203-0至203-7。例如，电感器203-0至203-7是磁芯电感器(MCI)。
在一些实施例中，电感器203-0至203-7可以互耦。例如，相邻电感器203-0和203-1互耦，这样在核-1与核-2的不同域之间存在域至域耦合。在核-4与核-0之间也存在域至域耦合，但是由于对应电感器之间的距离，这种耦合可能比核-0与核-1之间较强的域至域耦合更弱。
在一些实施例中，逻辑103被实现为功率控制单元(PCU)205(所述PCU是SoC 201的一部分)。在一些实施例中，PCU 205调节控制晶体管MP1和MN1的切换时间的切换时钟的相位，使得核-0的VR的切换相位与核-1的VR的切换相位不同。例如，PCU 205在核-0的VR与核-1的VR的切换相位之间引入非零相位偏移(例如，180°的相位偏移)。如此，通过降低功率损耗来提高这两个VR的效率。
虽然参考在管芯上具有VR并且在封装体上具有电感器的SoC对实施例进行了描述，但是实施例并不限于此。例如，在一些实施例中，集成VR可以在与逻辑芯片相同的封装体上的单独芯片上。在另一个示例中，VR和相应电感器可以位于母板上。
图3A展示了根据本公开的一些实施例的可操作用于降低集成VR的功率损耗的两个集成VR的未重叠电感器301(即，301a/b)和302(即，302a/b)的对300。要指出的是，图3A的与任何其他附图的元件具有相同参考号(或名称)的那些元件可以采用与所描述的方式类似的任何方式来运行或起作用，但不限于此。
电感器301(即，301a/b)和电感器302(即，302a/b)形成于两层中——层1和层2，其中，层1和层2由电介质层分离。层1在此示出了两个电感器301a和302a的第一部分，而层2示出了这两个电感器301b和302b的第二部分。在此示例中，电感器301和302彼此不交错。在此，交错一般是指使得一个电感器的一部分位于另一个电感器的区域域或区内。然而，电感器301和302可能经历相互电感性耦合，即使电感器不彼此重叠。在一些实施例中，提供给电感器301的切换电流相对于提供给电感器302的切换电流异相。
图3B展示了根据本公开的一些实施例的可操作用于降低集成VR的功率损耗的两个不同的集成VR的部分重叠电感器321(即，321a/b)和322(即，322a/b)的对320。要指出的是，图3B的与任何其他附图的元件具有相同参考号(或名称)的那些元件可以通过与所描述的方式类似的任何方式来运行或起作用，但不限于此。
电感器321(即，321a/b)和电感器322(即，322a/b)形成于两层中——层1和层2，其中，层1和层2由电介质层分离。在此层1示出了两个电感器321a和322a的第一部分，而层2示出了这两个电感器321b和322b的第二部分。在此示例中，部分重叠电感器321和322交错并且比未重叠电感器301和302更加电感性地耦合(即，适度地耦合)。
图3C展示了根据本公开的一些实施例的可操作用于降低集成VR的功率损耗的两个集成VR的高度重叠电感器331和332的对330。要指出的是，图3C的与任何其他附图的元件具有相同参考号(或名称)的那些元件可以采用与所描述的方式类似的任何方式来运行或起作用，但不限于此。在此示例中，高度重叠电感器331和332比适度耦合电感器321和322更加电感性地耦合(即，高度耦合)。
图4展示了根据本公开的一些实施例的4相VR系统(其中，每个VR具有4个电感器)中的ACI的三维(3D)视图400。要指出的是，图4的与任何其他附图的元件具有相同参考号(或名称)的那些元件可以通过与所描述的方式类似的任何方式来运行或起作用，但不限于此。
在一些实施例中，与功率域相关联的每组电感器定位于封装体202中，使得电感器组在功率域之上。在此示例中，每个VR是4相VR，使得每个VR具有四个ACI。在其他实施例中，可以使用其他数量的每VR相位。
在一些实施例中，域Vout0的第一组电感器(即，电感器1、电感器2、电感器3、电感器4)被定位在核-0之上并且组中的每个电感器的一个端子(例如，端子1)耦合至VR驱动器，而另一个端子(即，端子2)耦合至负载(例如，向核-0提供功率的功率传递网络)。
在一些实施例中，域Vout1的第二组电感器(即，电感器1、电感器2、电感器3、电感器4)被定位在核-1之上并且组中的每个电感器的一个端子(例如，端子1)耦合至VR驱动器，而另一个端子(即，端子2)耦合至负载(例如，向核-1提供功率的功率传递网络)。
在一些实施例中，域Vout2的第三组电感器(即，电感器1、电感器2、电感器3、电感器4)被定位在核-2之上并且组中的每个电感器的一个端子(例如，端子1)耦合至VR驱动器，而另一个端子(即，端子2)耦合至负载(例如，向核-2提供功率的功率传递网络)。
3D视图400还展示了形成电感器组以及功率域之间的耦合的ACI。在此，一组中的电感器与另一组中的电感器部分交错。图4还展示了功率域之间的耦合。例如，展示了Vout0与Vou1之间的耦合以及Vou1与Vou2之间的耦合。
图5展示了曲线图500，示出了根据本公开的一些实施例的具有以及不具有域至域耦合的电感器纹波电流。要指出的是，图5的与任何其他附图的元件具有相同参考号(或名称)的那些元件可以通过与所描述的方式类似的任何方式来运行或起作用，但不限于此。在此，x轴是以秒(s)为单位的时间并且y轴是表示纹波电流的以安培(A)为单位的相电流。
在此，示出了三个波形——501、502和503。波形501展示了当功率域未被耦合的情况(即，相邻VR的电感器在距离上如此远使得存在可以忽略的电感性耦合或不存在电感性耦合)。波形502展示了当功率域被耦合的情况(即，相邻VR的电感器通过互感(例如，图3A)或通过不同功率域的电感器的部分或全部重叠(例如，图3B至图3C)来电感性地耦合)。在波形502的情况下，VR开关同相(即，相位偏移角(或基偏移角)是0度或相对于这两个VR的相位角同相)。由于功率域的耦合，波形502具有比波形501更高的纹波电流。
波形503展示了当功率域被耦合的情况(即，相邻VR的电感器通过互感(例如，图3A)或通过不同功率域的电感器的部分或全部重叠(例如，图3B至图3C)来电感性地耦合)。在这种情况下，VR切换异相(即，一个VR的相位偏移角是180度或相对于其他VR的相位角异相)，这导致与波形501和502的纹波电流相比更低的纹波电流。
在一些实施例中，逻辑103提供非零相位偏移角以便减小两个不同且有区别的功率域的相邻电感器中的纹波电流。在一些实施例中，这些功率域可以彼此完全独立(即，它们具有其自己的控制器以及自己的反馈机制，并且可以向其对应功率域提供不同的功率电平)。
表1示出了在已经通过电感性耦合/互耦来耦合了功率域的两个不同VR之间引入非零相位偏移(或基偏移)的影响。
表1
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第一行是与具有未重叠电感器的未耦合域相关联的数据(即，将接近零的互感从电感器L2添加至电感器L1)。在此示例中，参照图1，通过在VR1 101a与VR2 101b之间引入180°的相位偏移，功率损耗显著降低。
例如，当Vout1和Vout2的这两个功率域被切换为180°异相时(这与当它们被切换为同相时相反)，纹波电流的峰间值降低了46％。在此，当Vin是1.7V并且Vout1和Vout2是0.7V时，功率损耗以150MHz的切换频率从77.8mW降低至40.4mW。更低的功率损耗意味着电感器的更好Q因子。在此，L11是L1的以纳亨(nH)为单位的自感，L12是从L2添加至L1的互感，Rdc是DC(低频)电阻，Rac(高频)是在147MHz下的AC电阻。一种被称为“集肤效应(skineffect)”的电磁现象使得导体的电阻根据频率而变化。
图6展示了曲线图600，示出了根据本公开的一些实施例的具有以及不具有域至域耦合的效率损失VS负载电流。要指出的是，图6的与任何其他附图的元件具有相同参考号(或名称)的那些元件可以通过与所描述的方式类似的任何方式来运行或起作用，但不限于此。在此，x轴是负载电流，并且y轴是效率损失。效率损失通常是指在调节器的元件(包括电感器)中耗散的功率与总输入功率之比。曲线图600示出了轻负载功率损耗在耦合的情况下比未耦合配置低48％，从而导致两个功率域的综合效率提高了1％至5％。
波形601展示了未耦合情况的效率损失，在这种情况中，功率域未耦合并且与功率域相关联的电感器不存在重叠。波形602展示了具有VR的切换时钟之间的180°相位偏移的耦合情况的效率损失。在这种情况下，功率域被耦合并且可能存在与功率域相关联的电感器的重叠。波形602示出了未耦合情况(即，波形601)与具有相位偏移的耦合情况(即，波形602)之间效率损失的2％至5％的提高。
图7展示了曲线图700，示出了根据本公开的一些实施例的具有以及不具有域至域耦合的效率VS负载电流。要指出的是，图7的与任何其他附图的元件具有相同参考号(或名称)的那些元件可以通过与所描述的方式类似的任何方式来运行或起作用，但不限于此。在此，x轴是以A为单位的输出电流，而y轴是效率。
在此，参照图2，波形701是当核-2相对于核-1的相位偏移为0°(即，同相)的情况。波形702是当核-1与任何其他核都不耦合的情况(即，当其他核关闭并且核-1是唯一运行的核)。波形703是当核-2相对于核-1的相位偏移为180°的情况(即，核-2与核-1之间的基偏移为异相)。曲线图700展示了不同域之间的耦合(如波形703所示的)确实可以用于获得跨有用运行范围在1％至3％的真实系统级效率益处。
图8展示了根据一些实施例的用于优化域内和跨域的相位角以便降低集成VR中的功率损耗的方法的流程图800。要指出的是，图8的与任何其他附图的元件具有相同参考号(或名称)的那些元件可以通过与所描述的方式类似的任何方式来运行或起作用，但不限于此。
尽管以特定顺序示出了参照图8的流程图中的框，但可以修改动作的顺序。因此，可按照不同的顺序执行所展示的实施例，并且可以并行执行一些动作/框。根据某些实施例，图8中列出的框和/或操作中的一些是可选的。所呈现的框的编号是为了清楚起见，并不旨在规定各个框必须出现的操作的顺序。此外，可以采用各种组合来利用来自各流程的操作。
在框801处，提取通过电感性耦合(例如，互感耦合和/或经由电感器的物理重叠)来耦合的所有不同功率域的S参数(或散射参数)。S参数描述了当线性电气网络经历电信号所产生的不同稳态刺激时线性电气网络的电气行为。如此，建立了耦合域的指示各种域之间耦合强度的综合数据库(或矩阵)。
参照图2，在各种功率域之间存在强和弱的域至域耦合。例如，在电感器203-0与电感器203-7之间的域至域耦合比在电感器203-0与电感器203-4之间的域至域耦合更弱，而在电感器203-0与电感器203-1之间的域至域耦合比在电感器203-0与电感器203-7之间以及电感器203-0与电感器203-4之间的域至域耦合更强。
在框802处，在所有所需的运行电压下确定满足纹波电压目标的相位角与切换频率的所有组合。纹波电压是电源的DC输出电压的小的不期望的残留周期性变化，并且通常在1mV至50mV的范围内。
不同功率域可以在不同电压下运行。例如，核-0可以在1.0V下运行，而核-1可以在低功率状态下并且可以在0.6V下运行(即，Vdd1＝1.0V并且Vdd2＝0.6V)。如此，电感器203-0与电感器203-1之间的电感性耦合取决于由核-0和核-1的VR提供的运行输出电压。
针对运行输出电压的不同需求，核-0和核-1的VR还可以具有不同相位角和切换频率。由于纹波电流目标，核-0和核-1的VR的相位角和切换频率也可以不同。根据一些实施例，每个VR的相位角和切换频率的所有这些组合被确定并且被列为查询表。在一些实施例中，查询表被存储在非易失性存储器中并且可由PCU 205访问。
在框803处，对在框802处确定的相位角和切换频率进行优化(即，调整)，从而使得所有域的总功率损耗(即，与每个功率域相关联的每个VR的功率损耗)降低或最小化。在一些实施例中，给定一组参数，比如，输入电压、输出电压、切换频率、输出电流以及可用的相位角，可以分析地或经由计算机模拟来计算属于每个域的电感器的功率损耗，并且提供最低总功率的输入参数的组合被选择为最优。例如，核-0和核-1的在其对应VR中提供最低功率损耗的相位角和切换频率被标识用于各种运行输出电压设定。
在一些实施例中，随着运行电压设定的变化，每个功率域的这些经优化相位角和切换频率由控制器(例如，PCU 205)设定。在一些实施例中，针对功率域的每个VR，通过硬件(例如，熔断器)或软件(例如，操作系统)对每个功率域的经优化相位角和切换频率进行编程。在一些实施例中，根据处理器或SoC 201的运行条件在运行时间设定每个功率域的经优化相位角和切换频率。如此，在框804处，感测来自每个功率域的每个VR的电流输出并且确定所有域的总功率以及每个域的功率。
在框805处，使用从电流传感器中获得的并且施加到各功率域的VR的电流的运行时间数据来建立不同功率域之间的基偏移。如此，随着处理器正在运行并且随着运行条件的变化，图2中的各种核的VR之间的基偏移被动态地设定。在一些实施例中，功率域之间的基偏移被定期更新而不是动态更新。例如，功率域之间的基偏移可以每10ms设定一次。
在一些实施例中，当电流传感器数据不可用于每个功率域以便提供运行时间基偏移调整时，从框803处获得的经优化相位角和切换频率可用于(例如，通过熔断器)静态地设定各功率域之间的基偏移。如此，各个实施例允许不同功率域之间的基偏移的硅前调整和/或在高容量制造时间点处的调整。
根据一些实施例，功率域之间的基偏移或相位偏移可以被调整用于抵消与各功率域相关联的VR时钟分配之间的任何时钟偏斜。例如，如果在时钟中提供给核-0的VR的时钟偏斜比提供给核-1的VR的时钟偏斜多，则可以调节相位或基偏移(例如，从180°至175°)，以便实现VR的目标低功率损耗以及更高的效率。
图9展示了根据一些实施例的用于在运行时间降低集成VR中的功率损耗的设备900的框图。要指出的是，图9的与任何其他附图的元件具有相同参考号(或名称)的那些元件可以通过与所描述的方式类似的任何方式来运行或起作用，但不限于此。
在一些实施例中，设备900包括嵌入在每个功率域中用于感测由功率域的VR生成的电流的电流传感器9011-N(其中，‘N’是VR、功率域或电流传感器的数量)。电流传感器统一标识为901。例如，电流传感器9011被提供用于感测向核-0提供功率的VR1的输出。在一些实施例中，对由所有功率域的电流传感器9011-N感测的电流进行感测并且将其提供给控制器902(例如，PCU205)。
在一些实施例中，控制器902通过将由对应功率域感测的电流乘以由所述功率域的VR所提供的输出电压来计算每域功率。在一些实施例中，控制器902通过使用所感测的电流数据对每个功率域的功率数据求和来计算SoC 201的总功率。在一些实施例中，使用在运行时间获得的所感测的数据并且使用从图8的框802获得的制表数据，控制器902使用每域功率以及总功率计算结果来对(与处于深度睡眠状态下的那些功率域相反的)有效功率域的基偏移进行重新编程。
在一些实施例中，控制器902使用频率和相位角优化器来执行参照图8描述的方法，以便确定基相位角偏移。在一些实施例中，重新优化的频率和相位角偏移用于重新编程熔断器。在一些实施例中，重新优化的频率和相位角偏移用于提供VR效率。如此，当SoC 201正在运行时，功率域之间的实时基偏移调整被提供用于降低功率损耗并且增大VR效率。
图10展示了根据一些实施例的具有用于降低集成VR中的功率损耗的设备的智能装置或计算机系统或SoC。要指出的是，图10的与任何其他附图的元件具有相同参考号(或名称)的那些元件可以通过与所描述的方式类似的任何方式来运行或起作用，但不限于此。
图10展示了移动装置的实施例的框图，在所述移动装置中可以使用平坦表面接口连接器。在一些实施例中，计算装置2100表示移动计算装置，比如计算平板、移动电话或智能电话、支持无线的电子阅读器或其他无线移动装置。将理解的是，总体上示出了某些部件，并且在计算装置2100中没有示出这种装置的全部部件。
在一些实施例中，计算装置2100包括根据所讨论的一些实施例的具有用于降低集成VR中的功率损耗的设备的第一处理器2110。计算装置2100的其他框也可以包括一些实施例的用于降低集成VR中的功率损耗的装置。本公开的各个实施例还可以包括2170内的网络接口(比如无线接口)，从而使得系统实施例可以并入无线装置(例如，蜂窝电话或个人数字助理)中。
在一个实施例中，处理器2110(和/或处理器2190)可以包括一或多个物理器件，如微处理器、应用处理器、微控制器、可编程逻辑器件、或其他处理装置。由处理器2110执行的处理操作包括于其上执行应用和/或装置功能的操作平台或操作系统的执行。处理操作包括与人类用户的或与其他设备的与I/O(输入/输出)有关的操作、与功率管理有关的操作、和/或与将计算装置2100连接到另一装置有关的操作。处理操作还可以包括与音频I/O和/或显示I/O有关的操作。
在一个实施例中，计算装置2100包括音频子系统2120，所述音频子系统表示与向计算装置提供音频功能相关联的硬件(例如，音频硬件和音频电路)和软件(例如，驱动器、编解码器)部件。音频功能可以包括扬声器和/或耳机输出、以及麦克风输入。用于这种功能的装置可以被集成到计算装置2100中或连接到计算装置2100。在一个实施例中，用户通过提供由处理器2110接收并处理的音频命令来与计算设备2100进行交互。
显示子系统2130表示为用户提供视觉和/或触感显示以便与计算装置2100进行交互的硬件(例如，显示装置)和软件(例如，驱动器)部件。显示子系统2130包括显示界面2132，所述显示界面包括用于为用户提供显示的特定屏幕或硬件装置。在一个实施例中，显示界面2132包括与处理器2110分离的逻辑，用于执行与显示有关的至少一些处理。在一个实施例中，显示子系统2130包括向用户提供输出和输入两者的触摸屏(或触摸板)装置。
I/O控制器2140表示与用户的交互有关的硬件装置和软件部件。I/O控制器2140可操作用于管理作为音频子系统2120和/或显示子系统2130一部分的硬件。此外，I/O控制器2140展示连接至计算装置2100的附加装置的连接点，通过所述连接点用户可以与该系统进行交互。例如，可以附接到计算设备2100的装置可以包括麦克风设备、扬声器或立体声系统、视频系统或其他显示装置、键盘或键板装置、或者如读卡器或其他装置的用于与特定应用一起使用的其他I/O装置。
如上所述，I/O控制器2140可以与音频子系统2120和/或显示子系统2130进行交互。例如，通过麦克风或其他音频装置的输入可为计算装置2100的一个或多个应用或功能提供输入或命令。此外，替代或除了显示输出之外，还可以提供音频输出。在另一个示例中，如果显示子系统2130包括触摸屏，则显示装置还充当输入装置，所述输入装置可以由I/O控制器2140至少部分地进行管理。在计算装置2100上还可以有额外的按钮或开关用于提供由I/O控制器2140管理的I/O功能。
在一个实施例中，I/O控制器2140管理装置，如加速度度计、相机、光传感器或其他环境传感器、或可以被包括在计算装置2100中的其他硬件。输入可为直接用户交互的一部分，以及向系统提供环境输入以影响其操作(如，过滤噪声、调整用于亮度检测的显示、将闪存应用于相机或者其他特征)。
在一些实施例中，计算装置2100包括功率管理2150，所述功率管理对电池功率使用、电池充电以及与节电操作有关的特征进行管理。存储器子系统2160包括用于将信息存储在计算装置2100中的存储器装置。存储器可以包括非易失性(如果存储器装置断电，则状态不改变)和/或易失性(如果存储器装置断电，则状态不定)存储器装置。存储器子系统2160可以存储应用数据、用户数据、音乐、照片、文档或其他数据，以及与计算装置2100的应用和功能的执行有关的系统数据(长期的或者临时的)。
实施例的元素还被提供为用于存储计算机可执行指令(例如，实现本文讨论的任何其他过程的指令)的机器可读介质(例如，存储器2160)。所述机器可读介质(例如，存储器2160)可以包括但不限于：闪存、光盘、CD-ROM、DVD ROM、RAM、EPROM、EEPROM、磁卡或光卡、相变存储器(PCM)、或适用于存储电子或计算机可执行指令的其他类型的机器可读介质。例如，本公开的实施例可以作为计算机程序(例如，BIOS)进行下载，其中，所述程序可以经由通信链路(例如，调制解调器或网络连接)以数据信号的方式从远程计算机(例如，服务器)传送至进行请求的计算机(例如，客户端)。
连接2170包括硬件装置(例如，无线和/或有线连接器以及通信硬件)和软件部件(例如，驱动器、协议栈)，以使计算装置2100能够与外部装置进行通信。计算装置2100可以是单独的装置(如其他计算装置、无线接入点或基站)以及外围装置(如耳机、打印机或其他装置)。
连接2170可以包括多种不同类型的连接。出于概括，展示了具有蜂窝连接2172和无线连接2174的计算装置2100。蜂窝连接2172总体上指的是由无线载波提供的蜂窝网络连接，比如经由GSM(全球移动通信系统)或其变体或衍生体、CDMA(码分多址)或其变体或衍生体、TDM(时分复用)或其变体或衍生体、或其他蜂窝服务标准提供的。无线连接(或无线接口)2174指非蜂窝的无线连接，并且可以包括个域网(比如蓝牙、近场等)、局域网(比如Wi-Fi)、和/或广域网(比如WiMax)、或其他无线通信。
外围连接2180包括用于进行外周连接的硬件接口和连接器，以及软件部件(例如，驱动器、协议栈)。将理解的是，计算装置2100可以是到其他计算装置的外围装置(“去往”2182)，也可以具有连接到其的外围装置(“来自”2184)。计算装置2100通常具有用于连接到其他计算装置的“对接”连接器，以用于如管理(例如，下载和/或上传、更改、同步)计算装置2100上的内容。此外，对接连接器可以允许计算装置2100连接到特定外围设备，所述特定外围设备允许计算装置2100控制例如到视听或其他系统的内容输出。
除了专用的对接连接器或其他专用连接硬件以外，计算装置2100可以经由基于公共或标准的连接器进行外围连接1680。公共类型可以包括通用串行总线(USB)连接器(其可以包括任意数量的不同硬件接口)、包括小型显示端口(MDP)的显示端口、高清晰度多媒体接口(HDMI)、火线或其他类型。
说明书中对“实施例”、“一个实施例”、“一些实施例”、或“其他实施例”的引用意味着结合实施例描述的特定特征、构造或特性包括在至少一些实施例中，但不必是全部实施例。“实施例”、“一个实施例”或“一些实施例”的多处出现不必全部指代相同的实施例。如果说明书陈述组件、特征、构造或特性“可以(may)”、“可能(might)”、或“可(could)”被包括，则所述特定组件、特征、构造或特性不要求被包括。如果说明书或权利要求书提及“一(a)”或“一个(an)”要素，则那并非意味着仅存在一个要素。如果说明书或权利要求书提及“一个附加的(an additional)”要素，则那并不排除存在多于一个的附加要素。
此外，在一个或多个实施例中，可以以任何适当的方式来组合特定特征、结构功能、或特性。例如，第一实施例可以与第二实施例在任何地方进行组合，其中，与这两个实施例相关联的特定特征、结构、功能或特性不相互排斥。
虽然已经结合其特定实施例描述了本公开，但是鉴于前述描述，此类实施例的许多替代方案、修改和变体对于本领域技术人员将是明显的。本公开的实施例旨在涵盖落入所附权利要求书的广泛范围内的所有这种替代方案、修改和变体。
另外，为了简化图示和讨论以及为了不使本公开模糊，在所呈现的图内可以或可以不示出与集成电路(IC)芯片和其他部件的公知的功率/接地连接。此外，安排可以以框图的形式示出，以避免模糊本公开，并且还鉴于以下事实：关于完成这样的框图安排的实现方式的细节高度依赖于在其中实现本公开的平台(即，这样的细节应当完全在本领域技术人员的视界内)。特定细节(例如，电路)被阐述以便描述本公开的示例性实施例，对本领域技术人员来说应当显而易见的是：本公开可以在无需这些具体细节或者采用这些具体细节的变化的情况下被实践。描述因此被视为是说明性的而非限制性的。
下面的示例涉及进一步的实施例。可在一个或多个实施例中的任何地方使用示例中的细节。还可以关于方法或过程实现在此所述装置的所有可选特征。
例如，一种设备，包括：第一电压调节器(VR)，耦合至第一组一个或多个电感器，所述第一VR用于向第一功率域提供功率；以及第二VR，耦合至第二组一个或多个电感器，所述第二组一个或多个电感器中的至少一个电感性地耦合至所述第一组一个或多个电感器中的至少一个，所述第二VR用于向与所述第一功率域分离的第二功率域提供功率，其中，在所述第一VR相对于所述第二VR的开关晶体管之间存在非零相位角偏移。
在一些实施例中，所述设备包括：第一电流传感器，所述第一电流传感器用于感测所述第一功率域的电流；以及第二电流传感器，所述第二电流传感器用于感测所述第二功率域的电流。在一些实施例中，所述设备包括：控制器，所述控制器用于计算所述第一域和所述第二域各自的功率、以及具有所述第一VR和所述第二VR的芯片的总功率。在一些实施例中，所述控制器用于根据所述第一域和所述第二域各自的功率、以及所述总功率来调节所述非零相位角偏移。
在一些实施例中，所述控制器用于在具有所述第一功率域和所述第二功率域的芯片的运行期间在运行时间根据所述第一域和所述第二域各自的功率、以及所述总功率来调节所述非零相位角偏移。在一些实施例中，所述第一组一个或多个电感器与所述第二组一个或多个电感器至少部分地交错。在一些实施例中，所述第一组一个或多个电感器和所述第二组一个或多个电感器是以下电感器中的至少一者：空气芯电感器(ACI)；或者磁芯电感器(MCI)。在一些实施例中，所述第一组一个或多个电感器和所述第二组一个或多个电感器被管芯外地定位于封装体中，使得所述第一组一个或多个电感器覆盖所述封装体的与所述第一功率域的区域相对应的区域。在一些实施例中，所述非零相位角偏移为180°。在一些实施例中，所述非零相位角偏移是可编程的。在一些实施例中，所述第一VR和所述第二VR是单相调节器或多相调节器中的至少一种。
在另一个示例中，一种机器可读存储介质，具有一条或多条指令，所述一条或多条指令当被执行时使一个或多个处理器执行包括以下步骤的操作：针对第一功率域和第二功率域提取S参数，所述第一功率域，所述第一功率域由耦合至第一组一个或多个电感器的第一电压调节器(VR)供电，所述第二功率域由耦合至第二组一个或多个电感器的第二VR供电，其中，所述第一组一个或多个电感器和所述第二组一个或多个电感器中的至少一组互耦；针对所述第一功率域与所述第二功率域的至少两个运行电压来确定满足纹波电流目标的相位角与切换频率的组合；并且根据所确定的相位角与切换频率的组合，在所述第一VR相对于所述第二VR的开关晶体管之间提供非零相位角偏移。
在一些实施例中，所述机器可读存储介质具有一条或多条另外的指令，所述一条或多条另外的指令当被执行时使所述一个或多个处理器执行包括以下步骤的操作：在提供所述非零相位角偏移之前，调节所述相位角和所述切换频率以便降低所述第一功率域和所述第二功率域的功率损耗。在一些实施例中，所述非零相位角偏移为180°。在一些实施例中，所述非零相位角偏移是可编程的。
在另一个示例中，提供了一种系统，所述系统包括：存储器；处理器，耦合到所述存储器，所述处理器包括根据上述设备的设备；以及无线接口，所述无线接口用于允许所述处理器与另一装置进行通信。
在另一个示例中，提供了一种方法，所述方法包括：针对第一功率域和第二功率域提取S参数，所述第一功率域由耦合至第一组一个或多个电感器的第一电压调节器(VR)供电，所述第二功率域由耦合至第二组一个或多个电感器的第二VR供电，其中，所述第一组一个或多个电感器和所述第二组一个或多个电感器中的至少一组互耦；针对所述第一功率域与所述第二功率域的至少两个运行电压来确定满足纹波电流目标的相位角与切换频率的组合；并且根据所确定的相位角与切换频率的组合，在所述第一VR相对于所述第二VR的开关晶体管之间提供非零相位角偏移。
在一些实施例中，所述方法包括：在提供所述非零相位角偏移之前，调节所述相位角和所述切换频率，以便降低所述第一功率域和所述第二功率域的功率损耗。在一些实施例中，所述非零相位角偏移为180°。在一些实施例中，所述非零相位角偏移是可编程的。
在另一个示例中，提供了一种设备，所述设备包括：用于针对第一功率域和第二功率域提取S参数的装置，所述第一功率域由耦合至第一组一个或多个电感器的第一电压调节器(VR)供电，所述第二功率域由耦合至第二组一个或多个电感器的第二VR供电，其中，所述第一组一个或多个电感器和所述第二组一个或多个电感器中的至少一组互耦；用于针对所述第一功率域与所述第二功率域的至少两个运行电压来确定满足纹波电流目标的相位角与切换频率的组合的装置；以及用于根据所确定的相位角与切换频率的组合而在所述第一VR相对于所述第二VR的开关晶体管之间提供非零相位角偏移的装置。
在一些实施例中，所述设备包括：用于调节所述相位角和所述切换频率以便降低所述第一功率域和所述第二功率域的功率损耗的装置。在一些实施例中，所述非零相位角偏移为180°。在一些实施例中，所述非零相位角偏移是可编程的。
在另一个示例中，提供了一种系统，所述系统包括：存储器；处理器，耦合至所述存储器，所述处理器包括根据上述设备的设备；以及无线接口，所述无线接口用于允许所述处理器与另一装置进行通信。
提供了将允许读者确定本技术性公开的本质和主旨的摘要。基于其将不被用于限制权利要求书的范围或者含义的理解提交所述摘要。据此将以下权利要求结合到具体实施方式中，其中每一项权利要求独立地代表单独的实施例。

Claims (21)

1.一种能够降低功率损耗的设备，所述设备包括：
第一电压调节器，耦合至第一组一个或多个电感器，所述第一电压调节器用于向第一功率域提供功率；
第二电压调节器，耦合至第二组一个或多个电感器，所述第二组一个或多个电感器中的至少一个电感性地耦合至所述第一组一个或多个电感器中的至少一个，所述第二电压调节器用于向与所述第一功率域分离的第二功率域提供功率，所述第一组一个或多个电感器中的至少一个电感器和所述第二组一个或多个电感器中的至少一个电感器互耦；
用于针对所述第一功率域和所述第二功率域提取S参数的装置；
用于针对所述第一功率域与所述第二功率域的至少两个运行电压来确定满足纹波电流目标的相位角与切换频率的组合的装置；以及
用于根据所确定的相位角与切换频率的组合而在所述第一电压调节器相对于所述第二电压调节器的开关晶体管之间提供非零相位角偏移的装置。
2.如权利要求1所述的设备，包括：
第一电流传感器，所述第一电流传感器用于感测所述第一功率域的电流；以及
第二电流传感器，所述第二电流传感器用于感测所述第二功率域的电流。
3.如权利要求2所述的设备，包括：控制器，所述控制器用于计算所述第一功率域和所述第二功率域各自的功率、以及具有所述第一电压调节器和所述第二电压调节器的芯片的总功率。
4.如权利要求3所述的设备，其中，所述控制器用于根据所述第一功率域和所述第二功率域各自的功率、以及所述总功率来调节所述非零相位角偏移。
5.如权利要求3所述的设备，其中，所述控制器用于：在具有所述第一功率域和所述第二功率域的芯片的运行期间，在运行时间根据所述第一功率域和所述第二功率域各自的功率、以及所述总功率来调节所述非零相位角偏移。
6.如权利要求1所述的设备，其中，所述第一组一个或多个电感器与所述第二组一个或多个电感器至少部分地交错。
7.如权利要求1所述的设备，其中，所述第一组一个或多个电感器和所述第二组一个或多个电感器是以下至少一者：
空气芯电感器(ACI)；或者
磁芯电感器(MCI)。
8.如权利要求1所述的设备，其中，所述第一组一个或多个电感器和所述第二组一个或多个电感器被管芯外地定位于封装体中，使得所述第一组一个或多个电感器覆盖所述封装体的与所述第一功率域的区域相对应的区域。
9.如权利要求1所述的设备，其中，所述非零相位角偏移为180°。
10.如权利要求1所述的设备，其中，所述非零相位角偏移是可编程的。
11.如权利要求1所述的设备，其中，所述第一电压调节器和所述第二电压调节器是单相调节器或多相调节器中的至少一者。
12.一种能够降低功率损耗的系统，所述系统包括:
存储器；
处理器，耦合至所述存储器，所述处理器包括根据权利要求1至11中任一项所述的设备；以及
无线接口，所述无线接口用于允许所述处理器与另一装置进行通信。
13.一种能够降低功率损耗的方法，所述方法包括：
针对第一功率域和第二功率域提取S参数，所述第一功率域由耦合至第一组一个或多个电感器的第一电压调节器供电，所述第二功率域由耦合至第二组一个或多个电感器的第二电压调节器供电，其中，所述第一组一个或多个电感器中的至少一个电感器和所述第二组一个或多个电感器中的至少一个电感器互耦；
针对所述第一功率域与所述第二功率域的至少两个运行电压来确定满足纹波电流目标的相位角与切换频率的组合；以及
根据所确定的相位角与切换频率的组合，在所述第一电压调节器相对于所述第二电压调节器的开关晶体管之间提供非零相位角偏移。
14.如权利要求13所述的方法，包括：
在提供所述非零相位角偏移之前，调节所述相位角和所述切换频率，以便降低所述第一功率域和所述第二功率域的功率损耗。
15.如权利要求13所述的方法，其中，所述非零相位角偏移为180°。
16.如权利要求13所述的方法，其中，所述非零相位角偏移是可编程的。
17.一种能够降低功率损耗的设备，所述设备包括：
用于针对第一功率域和第二功率域提取S参数的装置，所述第一功率域由耦合至第一组一个或多个电感器的第一电压调节器供电，所述第二功率域由耦合至第二组一个或多个电感器的第二电压调节器供电，其中，所述第一组一个或多个电感器中的至少一个电感器和所述第二组一个或多个电感器中的至少一个电感器互耦；
用于针对所述第一功率域与所述第二功率域的至少两个运行电压来确定满足纹波电流目标的相位角与切换频率的组合的装置；以及
用于根据所确定的相位角与切换频率的组合而在所述第一电压调节器相对于所述第二电压调节器的开关晶体管之间提供非零相位角偏移的装置。
18.如权利要求17所述的设备，包括：
用于调节所述相位角和所述切换频率以便降低所述第一功率域和所述第二功率域的功率损耗的装置。
19.如权利要求17所述的设备，其中，所述非零相位角偏移为180°。
20.如权利要求17所述的设备，其中，所述非零相位角偏移是可编程的。
21.一种能够降低功率损耗的系统，所述系统包括:
存储器；
处理器，耦合至所述存储器，所述处理器包括根据权利要求17至20中任一项所述的设备；以及
无线接口，所述无线接口用于允许所述处理器与另一装置进行通信。
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