CN110824243A

CN110824243A - 一种芯片的功耗测量装置及方法

Info

Publication number: CN110824243A
Application number: CN201911202956.9A
Authority: CN
Inventors: 卢增辉; 李庆山; 邢金鹏
Original assignee: Centec Networks Suzhou Co Ltd
Current assignee: Centec Networks Suzhou Co Ltd
Priority date: 2019-11-29
Filing date: 2019-11-29
Publication date: 2020-02-21

Abstract

本申请涉及一种芯片的功耗测量装置及方法，包括至少一个功耗测量电路，功耗测量电路包括电压监测模块和功耗计算模块，电压监测模块用于测量放置在电源输入部分的磁珠DCR的电压，所述磁珠的一端连接所述电源，所述磁珠的另一端连接待测量的芯片；所述功耗计算模块用于获取磁珠DCR的电压，并根据磁珠的DCR等效电阻值，计算所述待测量芯片在所述电源作用下的功耗。本发明利用磁珠的DCR特性代替电流检测电阻，无需额外增加电流检测电阻，避免了电源的传输跌落，不会影响到电路稳定性。

Description

一种芯片的功耗测量装置及方法

技术领域

本申请属于芯片测量技术领域，尤其是涉及一种芯片的功耗测量装置及方法。

背景技术

芯片的功耗是芯片设计阶段以及芯片运行阶段都必不可少的性能参数，其可以影响到电源功率、滤波、散热以及芯片运行环境等各个方面。因此，芯片功耗的测量至关重要。

现有技术中，对芯片功耗的测量主要通过芯片节温(电子设备中半导体的实际工作温度)反推功耗。即预先在芯片中内置温度传感器，通过温度传感器实时测量芯片运行时的节温，再根据芯片节温和芯片功耗的对应关系估算芯片运行时的功耗。

但是现有技术存在以下问题：

首先，温度传感器测量出的芯片运行时的节温除了受芯片功耗影响之外，还与芯片的运行环境有关，因此，现有技术应用范围的限制较大；其次，温度传感器的测量误差较大，导致芯片功耗的估算误差也较大；最后，若芯片连接多个电源，则现有技术估算的芯片功耗为多个电源作用下的整体功耗，无法测量每个电源作用下的功耗。

为解决现有技术中存在的技术问题，目前提出了在电源通道上传入电阻，通过检测电阻两端的电压差，从而计算出芯片所消耗的电流，再通过P＝UI得出芯片功耗。

但上述这种测量方式，需要额外增加串接电阻，电阻的引入必然增大电源的传输压降，影响芯片系统的稳定性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为解决现有技术中功耗测量方法容易增大电源传输压降，影响芯片系统稳定性的问题，提供一种芯片的功耗测量装置及方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

本发明首先提供了一种芯片的功耗测量装置，包括至少一个功耗测量电路，所述功耗测量电路包括电流采集模块、电压监测模块和功耗计算模块，所述电流采集模块为待测量芯片的电源输入部分设置的磁珠，所述磁珠串联连接在所述电源与所述待测量芯片之间，所述电压监测模块用于获取磁珠两串联点处的电压；

所述功耗计算模块用于根据所述电压监测模块获取的磁珠两串联点处的电压，以及磁珠的DCR等效电阻值，计算所述待测量芯片在所述电源作用下的功耗。

进一步地，根据本发明提供的芯片的功耗测量装置，作为一种可能的实施方式，所述功耗计算模块为CPU处理器，所述电压监测模块通过总线接口与所述CPU处理器连接。

进一步地，根据本发明提供的芯片的功耗测量装置，作为一种可能的实施方式，所述电压监测模块为LTC2991芯片，所述磁珠的两端分别连接在LTC2991芯片的两个电压监测输入端口。

进一步地，根据本发明提供的芯片的功耗测量装置，所述LTC2991芯片通过I²C总线与功耗计算模块连接。

进一步地，根据本发明提供的芯片的功耗测量装置，作为一种可能的实施方式，所述电压监测模块的温度测量输入端口连接待测量芯片，所述功耗计算模块在读取磁珠两串联点处电压的同时，读取待测量芯片的结温，计算出所述待测量芯片在不同结温下的功耗，分析待测量芯片的功耗随着芯片结温的变化情况。

进一步地，根据本发明提供的芯片的功耗测量装置，所述功耗计算模块通过下式计算芯片的功耗：

其中，P为待测量芯片的功耗，R为磁珠的DCR等效电阻值，U1为磁珠与电源相连的串联点处的电压，U2为磁珠与待测量芯片相连的串联点处的电压。

进一步地，根据本发明提供的芯片的功耗测量装置，所述的待测量芯片有多个电源共同作用时，所述功耗测量装置包括多个功耗测量电路，各功耗测量电路与各电源一一对应设置。

本发明还提供了一种芯片的功耗测量方法，包括：

获取磁珠与电源相连的串联点处的电压；

获取磁珠于待测量芯片相连的串联点处的电压；

根据磁珠两串联点处的电压，以及磁珠的DCR等效电阻值，计算待测量芯片的功耗，具体为：

进一步地，根据本发明提供的芯片的功耗测量方法，作为一种可能的实施方式，本发明的功耗测量方法还包括：

读取磁珠两串联点处电压的同时，读取待测量芯片的结温，所述磁珠DCR上电压和芯片结温形成一一对应关系，从而计算出待测量芯片在不同结温下的功耗，分析待测量芯片的功耗随芯片结温的变化情况。

当待测量芯片有多个电源共同作用时，每个电源一一对应设置一个功耗测量电路，通过各功耗测量电路计算各自对应电源作用下的芯片功耗，并将每个电源作用下的芯片功耗相加，得到待测量芯片在多个电源作用下的总功耗。

本发明的有益效果是：利用磁珠的DCR特性代替电流检测电阻，无需额外增加电流检测电阻，避免了电源的传输跌落，不会影响到电路稳定性。

且通过CPU处理器获得所有电源的电压、电流和芯片的结温等数据，可以方便快捷的自动计算出芯片的功耗。

附图说明

下面结合附图和实施例对本申请的技术方案进一步说明。

图1是本申请一实施例的功耗测量装置原理图；

图2是本申请实施例的电路结构原理图；

图3是本申请另一实施例的多电源功耗测量装置原理图；

图4是本申请实施例的功耗测量方法流程图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请的技术方案。

由于芯片功耗的测量需要在芯片功能正常运行时进行才有意义，而芯片恰恰对于电源供给上需要使用LC网络滤波，即每一路电源上均需要放置一颗磁珠。因为磁珠的DCR特性，本申请把磁珠的DCR等效电阻R测出来，利用磁珠进行电流检测，不需要额外设置电流检测电阻，避免了电源的传输压降，不会影响到电路稳定性，解决现有技术中功耗测量方法容易增大电源传输跌落，影像芯片系统稳定性的问题。

磁珠专用于抑制信号线、电源线上的高频噪声和尖峰干扰，还具有吸收静电脉冲的能力。磁珠是用来吸收超高频信号，像一些RF电路，PLL，振荡电路，含超高频存储器电路(DDRSDRAM，RAMBUS等)都需要在电源输入部分加磁珠。磁珠有很高的电阻率和磁导率，等效于电阻和电感串联。

实施例1：

本实施例提供了一种芯片的功耗测量装置，本实施例利用电源输入部分的磁珠的DCR(即直流电阻)特性实现电流检测，DCR是直流电流通过磁珠时，此磁珠所呈现的电阻值，是磁珠固有的、静态的电阻。

如图1所示，本实施例的功耗测量装置包括功耗测量电路，该功耗测量电路包括电流检测模块、电压监测模块和功耗计算模块，其中，电流检测模块即为磁珠，磁珠串联在电源S与待测量芯片之间，磁珠的一端连接电源S，磁珠的另一端连接待测量的芯片。

电压监测模块用于测量磁珠两串联点处的电压，U1为靠近电源端的电压，U2为靠近待测量芯片端的电压，磁珠DCR两端的电压为U1-U2，其中，U1可以理解为电源输出的作用于待测量芯片上的总电压。

所述功耗计算模块用于根据所述电压监测模块获取的磁珠两串联点处的电压，以及磁珠的DCR等效电阻值R，计算所述待测量芯片在所述电源作用下的功耗，具体计算如下：

磁珠DCR两端的电压为U₁-U₂，磁珠的DCR等效电阻值R为已知，从而可以得出流经磁珠的电流I为：因为磁珠与待测量芯片串联连接，因此，流经磁珠的电流值，即为待测量芯片在所述电源S作用下所消耗的实际电流I。

因为U1是电源输入的总电压，因此，U1即为电源S作用于该待测量芯片的电压，因此，待测量芯片的在所述电源S作用下的功耗P为：

本实施例利用磁珠的DCR特性代替现有技术中的电流检测电阻，无需额外增加电流检测电阻，避免了电源的传输跌落，不会影响到电路稳定性。

需要说明的是，待测量芯片可能是处理器类型的芯片，也可能是非处理器类型的芯片。当待测量芯片为处理器类芯片时，芯片功耗的计算可以通过待测量的处理器类芯片内置的功耗计算模块自己完成；当芯片为非处理器类芯片时，功耗计算模块可以设置为外接的CPU处理器，芯片的功耗计算可以由外接的CPU处理器完成。

本实施例中采用的电压监测模块为LTC2991芯片，LTC2991芯片是八路I²C串口的系统电压、电流和温度监测器，LTC2991采用16引脚MSOP封装，有8个可选可配置引脚(V1-V8)，系统电压、电流和温度监测器LTC2991的温度测量精度为0.7℃，分辨率为0.06℃，具有PWM温度输出，采用14位ADC来测量电压/电流，工作电压为3V到5.5V，内部有10ppm/℃的基准电压，最大限度地缩减了所需的支持元件数目和占用面积。

如图2所示，示出了LTC2991与待测量芯片的连接示意图。本实施例中，LTC2991的V1、V2引脚接在磁珠的两端，分别监测电压U1和U2，并通过I²C串口发送给功耗计算模块。图2示出的其中一种可行实施例中，功耗计算模块为外接的CPU，监测到的电压U1和U2通过LTC2991的ADR0引脚和ADR1引脚发送给CPU。

随着芯片的功耗越来越大，在工作的时候就会产生越来越多的热量。如果要维持芯片的结温在正常的范围以内，就需要采取一定的方法使得芯片产生的热量迅速发散到环境中去。而芯片工作性能最好情况也只在部分温度范围，在恶劣环境情况下性能肯定会下降。

作为更进一步地优化，本实施例还可以获取待测量芯片的结温，对待测量芯片的结温进行监控，得到不同结温下的芯片功耗。结温可以衡量待测量芯片从半导体晶圆到封装器件外壳间的散热能力，如果待测量芯片的工作温度超过最高结温，则待测量芯片中的晶体管就可能会被破坏，待测量芯片的功能也会随之失效。

本实施例中，功耗计算模块在读取磁珠两串联点处电压的同时，读取待测量芯片的结温，所述磁珠DCR两端的电压和芯片结温形成一一对应关系，从而计算出待测量芯片在不同结温下的功耗，形成功耗-温度对照表，分析待测量芯片的功耗随芯片结温的变化情况。

作为一种可行的实施方案，本实施例可以通过LTC2991来监控待测量芯片的温度，如图2，将LTC2991的V5、V6引脚接待测量芯片的温度感测晶体管Q，从而监控待测量芯片的结温，并实时发送给功耗计算模块。图2示出的其中一种可行实施例中，功耗计算模块为外接的CPU，监测到的温度信号通过ADR2引脚发送给CPU。

当然，作为另外一种可行的实施方案，待测量芯片的结温也可以通过外接的CPU处理器直接读取。

本实施例的上述功耗测量装置列举的是单个电源作用下的芯片功耗的计算，当有多个电源同时作用于该芯片时，可以分别为每个电源设置一个本实施例1中的芯片功耗测量电路，将每个电源作用下的芯片功耗相加，即可得到芯片在多个电源作用下的总功耗。

如图3，示出了本发明一个实施例提供的多个电源作用下的芯片测量装置结构示意图，本实施例集成有多个如图1所示的芯片功率测量电路，该多个芯片功耗测量电路与作用于该待测量芯片的多个电源一一对应。该多个芯片功耗电路装置可以分别测量芯片在各电源作用下的对应功耗，并且各电源作用下对应功耗之和即为该芯片的总功耗。

本实施例利用磁珠的DCR特性代替电流检测电阻，无需额外增加电流检测电阻，避免了电源的传输跌落，不会影响到电路稳定性。且通过CPU处理器获得所有电源的电压、电流和芯片的结温等数据，可以方便快捷的自动计算出芯片的功耗。本实施例可以解决现有技术中功耗测量方法容易增大电源传输跌落，影像芯片系统稳定性的问题。

实施例2：

本实施例提供了一种芯片的功耗测量方法，因为待测量芯片的电源输入部分本身转有磁珠，本实施例采用该磁珠DCR代替了现有技术中的电流采集电阻，无需额外增加电流采集电阻。所述磁珠串联连接在电源与待测芯片之间，磁珠的一端与电源相连，另一端与待测量的芯片相连，磁珠的DCR等效电阻值为已知。

如图4所示，示出了本实施例功耗测量方法的流程图，该芯片的功耗测量方法可以包括：

步骤1，分别获取磁珠与电源相连的串联点处的电压U1，以及磁珠与待测量芯片相连的串联点处的电压U2，，从而计算出电源作用于磁珠DCR两端的电压U1-U2；

其中，U1可以理解为电源作用于待测量芯片的总电压。

本实施例可以通过系统电压、电流和温度监测器LTC2991来获取电压U1和U2的值，本实施例中，LTC2991的V1引脚连接在磁珠靠近电源的一端，获取电压U1，LTC2991的V1引脚连接在磁珠靠近待测量芯片的一端，获取电压U2。

步骤2，根据磁珠两串联点处的电压，以及磁珠的DCR等效电阻值，计算待测量芯片在电源作用下的功耗。

本实施例中，对于非处理器类型的待测量芯片，其功耗的计算可以通过外接的CPU处理器来实现；对于处理器类型的待测量芯片，可以通过待测量芯片自身的计算模块来计算。

功耗的计算具体如下：

根据磁珠DCR两端的电压U₁-U₂，以及磁珠的DCR等效电阻值R，可以得出流经磁珠的电流I为：

因为磁珠与待测量芯片串联连接，因此，流经磁珠的电流值，即为待测量芯片在所述电源S作用下所消耗的实际电流I。

因为U1可以看做是电源输入的总电压，因此，U1即为电源作用于该待测量芯片的总电压，因此，待测量芯片的在所述电源S作用下的功耗P为：

本实施例利用磁珠的DCR特性代替电流检测电阻，无需额外增加电流检测电阻，避免了电源的传输跌落，不会影响到电路稳定性。

当有多个电源作用于待测量芯片时，针对每一路电源一一对应设置一个如实施例1描述的功耗测量电路，计算出每一个电源作用下的芯片功耗，将每个电源作用下的芯片功耗相加，即可得到芯片在多个电源作用下的总功耗。

作为进一步地实施方式，本实施例中，可以LTC2991同时监控待测量芯片的结温，功耗计算模块在读取磁珠DCR两端电压的同时，读取待测量芯片的结温，所述磁珠DCR两端的电压和芯片结温形成一一对应关系，从而计算出待测量芯片在不同结温下的功耗，形成功耗-温度对照表，分析待测量芯片的功耗随芯片结温的变化情况。

需要说明的是：上述实施例提供的芯片功耗测量装置在测量芯片功耗时，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将电路的内部结构划分成不同的功能模块，以完成上述的全部或部分功能。另外，上述实施例提供的芯片功耗测量装置与芯片功耗测量方法实施例属于同一构思，其具体实现过程详见方法实施例，这里不再赘述。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述方便，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，相关工作人员完全可以在不偏离本项申请技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。本项申请的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims

1.一种芯片的功耗测量装置，其特征在于，包括至少一个功耗测量电路，所述功耗测量电路包括电流采集模块、电压监测模块和功耗计算模块，所述电流采集模块为待测量芯片的电源输入部分设置的磁珠，所述磁珠串联连接在所述电源与所述待测量芯片之间，所述电压监测模块用于获取磁珠两串联点处的电压；

2.根据权利要求1所述的芯片的功耗测量装置，其特征在于，所述功耗计算模块为CPU，所述电压监测模块通过总线接口与所述CPU连接。

3.根据权利要求1所述的芯片功耗的测量装置，其特征在于，所述电压监测模块为LTC2991芯片，所述磁珠的两端分别连接在LTC2991芯片的两个电压监测输入端口。

4.根据权利要求3所述的芯片的功耗测量装置，其特征在于，所述LTC2991芯片通过I²C总线与功耗计算模块连接。

5.根据权利要求4所述的芯片的功耗测量装置，其特征在于，所述电压监测模块的温度测量输入端口连接待测量芯片，所述功耗计算模块在读取磁珠两串联点处电压的同时，读取待测量芯片的结温，计算出所述待测量芯片在不同结温下的功耗，分析待测量芯片的功耗随着芯片结温的变化情况。

6.根据权利要求1所述的芯片的功耗测量装置，其特征在于，所述功耗计算模块通过下式计算芯片功耗：

其中，P为待测量芯片的功耗，R为磁珠的DCR等效电阻值，U₁为磁珠DCR连接电源一端的电压，U2为磁珠与待测量芯片相连的串联点处的电压。

7.根据权利要求1所述的芯片的功耗测量装置，其特征在于，所述的待测量芯片有多个电源共同作用时，所述功耗测量装置包括多个功耗测量电路，各功耗测量电路与各电源一一对应设置。

8.一种芯片的功耗测量方法，其特征在于，所述芯片功耗的测量方法包括：

获取磁珠与电源相连的串联点处的电压；

获取磁珠于待测量芯片相连的串联点处的电压；

9.根据权利要求8所述的芯片的功耗测量方法，其特征在于，还包括：

读取磁珠两串联点处电压的同时，读取待测量芯片的结温，计算出待测量芯片在不同结温下的功耗，分析待测量芯片的功耗随芯片结温的变化情况。

10.根据权利要求8所述的芯片的功耗测量方法，其特征在于，当待测量芯片有多个电源共同作用时，每个电源一一对应设置一个功耗测量电路，通过各功耗测量电路计算各自对应电源作用下的芯片功耗，并将每个电源作用下的芯片功耗相加，得到待测量芯片在多个电源作用下的总功耗。