CN114204810A - 无缝非线性电压调节控制到线性控制的装置和方法 - Google Patents

无缝非线性电压调节控制到线性控制的装置和方法 Download PDF

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谢尔顿·翁
纳吉克特·德赛
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Abstract

本公开涉及无缝非线性电压调节控制到线性控制的装置和方法。数字控制方案控制PID滤波器的积分器实现饱和占空比的非线性控制，在此期间PID滤波器的比例和微分项被设置为0，而积分器及其内部状态(先前值或存储器)被设置到作为当前标称占空比加上deltaD之和的占空比。deltaD是用于从ICCmin到ICCmax调节电压调节器的最大占空比增量，并且是可以在流片后设置的配置寄存器。FSM从非线性全开状态转移到开环占空比，这维持了输出电压略高于所需的Vref。在此开环状态中经过一段时间后，FSM于是缓降开环占空比值，直到输出电压接近Vref为止。

Description

无缝非线性电压调节控制到线性控制的装置和方法
技术领域
本公开涉及无缝非线性电压调节控制到线性控制的装置和方法。
背景技术
在当今的现代处理器和片上系统(system-on-chip，SoC)中，电流的变化率(di/dt)一直在增大。输出供应节点上的去耦电容的量无法应对输出供应节点上的不断增大的di/dt(电流随时间的变化)，并且添加到每个电压调节器的主要防护带之一是下降防护带。集成电压调节器(integrated voltage regulator，IVR)，比如全集成电压调节器(fully-integrated voltage regulator，FIVR)，采用非线性钳位(non-linear clamp，NLC)来尽量减少电压下降对输出供应节点的影响。NLC的体系结构涉及一个非线性动作，以在短持续时间内最大限度地增大脉冲序列的占空比(例如，100％)，以迅速地为输出供应节点充电，同时允许传统的线性控制随后接管，并确保输出电压最终稳定下来。非线性控制器带宽通常为大约几百MHz(由环路延迟决定)，而线性带宽可能是几十MHz。两个控制环路带宽的这种差异可导致输出供应节点上的输出电压颤振(chatter)，导致NLC的多次动作，从而允许了线性控制器增大其占空比，并最终采取并防止进一步的非线性控制器动作。这里，颤振指的是节点上的类似振荡的噪声(电流和/或电压)。
然而，输出供应节点上的输出电压颤振并不能帮助比例-积分-微分(proportional-integral-derivative，PID)III型控制器中的积分器，因为误差电压(输出电压和参考值之间的差值)被如此频繁地改变，导致颤振的持续时间更长。此外，输出电压的下降是脉冲序列的占空比的函数，它决定了电压调节器的电感器中的电流、输出去耦电容和负载电流的量。这种颤振可导致电压下降比NLC第一次被启动(或使能)时更低，这可导致Vmin劣化。这里，Vmin指的是最低操作电压，低于这个电压，处理器的逻辑电路就不能正常和可靠地工作。这种颤振会导致电压下降的巨大可变性，从而使得Vmin不确定。不确定的Vmin最终要求添加更大的防护带，以确保设计不会低于该Vmin值，并且防护带成为大批量制造(high volume manufacturing，HVM)和验证中的试错游戏，而不是由知识产权(intellectual property，IP)规范提供的数字。
发明内容
根据本公开的一方面，提供了一种电子电路，包括：模数转换器，用于将模拟电压转换成指示出所述模拟电压与阈值电压之间的误差的数字表示；以及数字滤波器，用于接收所述数字表示并且生成占空比命令，其中所述占空比命令用于指示控制器调整用于调整所述模拟电压的信号的占空比，其中所述数字滤波器包括前馈路径和积分路径，其中所述前馈路径经由多路复用器耦合到所述积分路径。
根据本公开的一方面，提供了一种电压调节器，包括：低带宽反馈路径，用于在稳定状态期间控制输出供应电压相对于第一阈值的调节；高带宽反馈路径，用于在所述输出供应电压穿越第二阈值时控制所述输出供应电压的调节，其中所述第二阈值低于所述第一阈值；以及控制器，用于促进经由多路复用器从所述高带宽反馈路径到所述低带宽反馈路径的转变，以绕过所述控制器的前馈路径。
根据本公开的一方面，提供了一种计算机系统，包括：存储器；与所述存储器耦合的处理器；以及无线接口，用于允许所述处理器与另一设备通信，其中所述处理器包括电压调节器，该电压调节器包括：低带宽反馈路径，用于在稳定状态期间控制输出供应电压相对于第一阈值的调节；高带宽反馈路径，用于在所述输出供应电压穿越第二阈值时控制所述输出供应电压的调节，其中所述第二阈值低于所述第一阈值；以及控制器，用于促进经由多路复用器从所述高带宽反馈路径到所述低带宽反馈路径的转变，以绕过所述控制器的前馈路径。
附图说明
通过以下给出的详细描述并且通过本公开的各种实施例的附图将更充分理解本公开的实施例，然而详细描述和附图不应当被理解为将本公开限制到特定实施例，而只是用于说明和理解的。
图1图示了一组图线，示出了NLC的操作，展示了在NLC启动时输出电压上的颤振。
图2根据一些实施例图示了电压调节器，它具有用于从非线性控制到线性调节模式的无缝转变的装置。
图3图示了经典的III型数字控制器。
图4根据一些实施例图示了经修改的III型数字控制器，以促进从非线性控制到线性调节模式的无缝转变。
图5根据一些实施例图示了用于从非线性控制到线性调节模式的无缝转变的有限状态机(finite state machine，FSM)的流程图。
图6根据一些实施例图示了具有电压调节器的智能设备或计算机系统或SoC(片上系统)，该电压调节器具有用于从非线性控制到线性调节模式的无缝转变的装置。
具体实施方式
图1图示了一组图线100，示出了非线性钳位(NLC)的操作，展示了在NLC启动时输出电压上的颤振。当电源节点Vout上的电压经历低于参考阈值(下降阈值)的下降时，NLC逻辑生成脉冲(此处称为NLCFired脉冲)，该脉冲开启NLC以减轻下降的影响。NLC可包括高侧开关和与高侧开关串联耦合的低侧开关，并且其中两个开关都与输出供应节点耦合(直接或经由电感器)。当NLCFired脉冲开启时，NLC的高侧开关转动，持续时间由NLCFired脉冲的脉冲宽度决定。只要输出电压Vout低于设置的阈值，NLCFired脉冲就会保持为高。
电压调节器可包括线性反馈控制路径，其中脉冲宽度调制波的占空比被调整以控制由桥接器注入到电源节点Vout中的电流。在线性反馈控制路径中，对照参考值(调节Vout的典型参考值)来监视输出电压Vout，并且相应地调整脉冲宽度调制波的占空比。该电压调节器还包括次级反馈控制路径，其中包括NLC。当生成NLCFired脉冲时，增大脉冲宽度调制波的占空比，以向电源节点Vout提供增大的电流，以减轻输出电压Vout的下降。次级反馈控制路径具有比线性反馈控制路径的带宽更高的带宽。更高的带宽用于NLC的更快响应，以缓解下降，并且回到正常的线性反馈控制路径。两个控制环路带宽的这种差异可使得输出电压和/或电流颤振(例如，拨动)，导致NLC的多个动作，以允许线性控制器增大其占空比，并最终采取并防止进一步的非线性控制器动作，如图1所示。
然而，输出供应节点Vout上的输出电压颤振并不能帮助PID/III型控制器中的积分器，因为误差电压被如此频繁地改变，导致颤振的持续时间更长。此外，输出电压的下降是占空比的函数，它决定了电感器中的电流、输出去耦和负载电流的量。有时，这种颤振可导致电压下降比NLC第一次启动时更低，这可导致Vmin劣化，如图1所示，其中第4或第5次颤振的Vmin比第一次更低，从而抵消了设置阈值的效果，阈值不再反映可以保证的Vmin。这导致了下降的巨大可变性，从而导致了确定性Vmin的可变性。这里，Vmin指的是Vout的某个电压水平，低于这个水平，由Vout供电的逻辑电路就不会正常工作。
在一些示例中，NLC可实现为简单的基于推挽的线性调节器，相当于一个寄生电感，来减缓输出电荷的转换速率。可添加VID(电压标识提升特征)，以防止NLC特征从线性控制器那里接管输出调节。功率管理单元(power management unit，PMU)可预测输出供应节点Vout上的负载的程度，并且设置适当的VID提升。然而，VID提升特征很复杂，并且要一直保持正确是一个挑战。
由于环路中的有限带宽和延迟，Vout上的输出颤振导致了Vmin劣化。这导致了同一工作负载的非确定性下降，这可能导致对于下降的防护带膨胀。这种颤振可导致敏感的寄存器文件区域中的比特翻转，这可能导致处理器出现故障。VID提升要求及其对PMU的依从性使得该技术的成功取决于对预期的当前负载步骤的准确指示。模拟控制一般来说可扩展性和可移植性较差，并且在当今的需要若干个节点上的IP在所有细分市场中保持竞争力的时代。
各种实施例使用数字控制方案来管理比例-积分-微分(PID)III型控制器(或者PID滤波器)的状态。数字控制方案控制PID滤波器的积分器实现饱和占空比的非线性控制，在此期间PID的比例和微分项被设置为0，而积分器及其内部状态(先前值或存储器)被设置为作为当前标称占空比(Dnom)加上deltaD之和的占空比。deltaD是用于从ICCmin到ICCmax调节电压调节器的最大占空比增量，并且是可以在流片后设置的配置寄存器。这里，ICCmin指的是由负载吸取的最小电流(例如，当负载处于低功率模式时)，而ICCmax指的是由负载吸取的最大电流(例如，当负载处于高功率模式时，例如极速(Turbo)模式)。
一些实施例使用状态机，该状态机从非线性全开状态(这使输出电压Vout回到调节窗口)转移到维持输出电压略高于所需参考电压Vref的开环占空比(应用Dnom+deltaD)。在按命令的占空比的这个开环状态中经过一段时间后，状态机缓降开环占空比值，直到输出电压接近命令的Vref为止。当从模数转换器(analog-to-digital converter，ADC)的输出电压检测到的误差电压(Vout和Vref之间的差值)接近于0时，电压调节器重新进入闭环并且重新启用PID的比例和微分项。
在一些实施例中，提供了一种电压调节器，其包括低带宽反馈路径，以控制在稳定状态期间输出供应电压相对于第一阈值的调节。在一些实施例中，电压调节器包括高带宽反馈路径，以在输出供应电压穿越第二阈值时控制输出供应电压的调节，其中第二阈值低于第一阈值。在一些实施例中，电压控制器包括控制器，以促进经由多路复用器从高带宽反馈路径到低带宽反馈路径的转变，以绕过控制器的前馈路径。在一些实施例中，控制器是第一控制器，其中控制器接收输出供应电压与第一阈值之间的误差的数字表示，并且生成占空比命令。该占空比命令指示第二控制器调整用于调整输出供应电压的信号的占空比。电压调节器包括寄存器，来存储要被添加到占空比命令的偏移量，其中该偏移量在输出供应电压穿越第二阈值之前被添加到占空比。该偏移量用于延长控制开关的信号的占空比，而开关进而又控制提供给输出供应节点的电流的量。随着偏移量的增大，占空比增大，这进而又提高了输出供应电压，因为更多的电流被提供到输出供应节点。
在一些实施例中，电压调节器包括计数器，以在模拟电压和第一阈值之间的误差减小时降低偏移量。在一些实施例中，电压调节器包括逻辑，以允许前馈路径的输出在偏移量接近零时通过多路复用器到第一控制器的积分路径。在一些实施例中，电压调节器包括逻辑，以允许前馈路径的输出在输出供应电压与第一阈值之间的误差基本为零时通过多路复用器到第一控制器的积分路径。在一些实施例中，低带宽反馈路径和高带宽反馈路径包括具有高侧开关和低侧开关的桥接器，其中高侧开关和低侧开关可由第一信号和第二信号控制，其中第一和第二信号具有根据占空比命令来调整的占空比。在这种情况下，低带宽反馈路径和高带宽反馈路径两者共享相同的(一个或多个)桥接器。根据一些实施例，在任何给定时间，低带宽反馈路径和高带宽反馈路径中的一者被启用。
各种实施例有许多技术效果。例如，输出供应节点上的输出颤振被完全消除(或者基本消除)，并且只有一个单一的欠冲转变，这可导致基于比较器延迟(或ADC延迟)和负载的di/dt与可用输出去耦电容的保证Vmin。输出去耦电容是输出供应节点Vout与地之间的电容。颤振的消除导致了对于同一工作负载的确定性下降，这可导致对于电压下降的精确防护带。由于各种实施例的技术消除了来自输出电压的颤振，因此也没有电感耦合到敏感电路(例如，寄存器文件区域)上的实际风险，从而允许了处理器启用下降减小技术，而没有任何在现场感知到的风险。
各种实施例的技术提供了一种确定且有限的下降，因此简化了大批量制造(HVM)和验证，以设置正确的Vref阈值，来使得下降防护带最小化。在一些实施例中，可能不需要VID提升特征，因此，本文描述的技术是独立于数模转换器(digital-to-analogconverter，DAC)速度或者PMU接口速度的，使得该技术在处理相互接近的多个di/dt事件时更加稳健和有效。各种实施例的技术是数字的，其依赖于比较器来检测下降，使得该技术可扩展并且可移植到多个工艺世代，并且促进了最大限度的重复使用，大大改善了上市时间。各种实施例的技术改善了电压调节器的稳定时间，因此，改善了状态转变时间并且改善了功率。
由于输出波形是可重复的和可再生的，各种实施例的技术分离了数字控制器对于更高线性带宽的需要，这有利于针对面积和功率优化控制器设计，并且确保了带宽大于VID转变斜率(例如，最大可以是2V/μs)。各种实施例的技术节省了大量的静态功率开销，并且也最大限度地减少了数字控制器的面积开销，从而允许了IP(知识产权)块的整体尺寸缩小。其他技术效果将从各种附图和实施例中清楚显现。
在接下来的描述中，论述了许多细节以提供对本公开的实施例的更透彻说明。然而，本领域技术人员将会清楚，没有这些具体细节也可实现本公开的实施例。在其他情况下，以框图形式而不是详细示出公知的结构和设备，以避免模糊本公开的实施例。
注意，在实施例的相应附图中，信号以线条表示。一些线条可能更粗，以指示更多的构成信号路径，和/或在一端或多端具有箭头，以指示主信息流方向。这种指示并不打算是限制性的。更确切地说，这些线条与一个或多个示范性实施例被联合使用来帮助更容易理解电路或逻辑单元。由设计需要或优选决定的任何表示的信号可实际上包括可在任一方向上行进并且可利用任何适当类型的信号方案实现的一个或多个信号。
在整个说明书各处，以及在权利要求中，术语“连接”的意思是直接连接，例如连接的事物之间的电连接、机械连接或磁连接，没有任何中间设备。
术语“耦合”的意思是直接或间接连接，例如连接的事物之间的直接电连接、机械连接或磁连接，或者通过一个或多个无源或有源中间设备的间接连接。
这里的术语“邻近”一般指的是一个事物的位置与另一事物挨着(例如，紧挨着或者接近并且其间有一个或多个事物)或者毗邻(例如，与其邻接)。
术语“电路”或“模块”可以指被布置为与彼此合作来提供期望的功能的一个或多个无源和/或有源组件。
术语“信号”可以指至少一个电流信号、电压信号、磁信号或者数据/时钟信号。“一”和“该”的含义包括多数指代。“在…中”的含义包括“在…中”和“在…上”。
术语“模拟信号”是任何这样的连续信号：对于该连续信号，该信号的时变特征(变量)是某个其他时变量的表示，即，类似于另一时变信号。
术语“数字信号”是这样的物理信号：其是例如任意比特流的或者数字化的(采样并且模数转换的)模拟信号的离散值(量化离散时间信号)的序列的表示。
术语“缩放”一般是指将某个设计(图解和布局)从一个工艺技术转换到另一个工艺技术并且可随后减小布局面积。在一些情况下，缩放也指从一个工艺技术到另一个工艺技术扩大设计的规模并且可随后增大布局面积。术语“缩放”一般也指在同一技术节点内缩小或扩大布局和器件的规模。术语“缩放”还可以指相对于另一参数(例如电力供应水平)调整(例如，减慢或加速——即分别是缩小或放大)信号频率。
术语“基本上”、“接近”、“大致”、“近似”和“大约”一般指在目标值的+/-10％内。
除非另有指明，否则使用序数形容词“第一”、“第二”和“第三”等等来描述共同对象只是表明相似对象的不同实例被引用，而并不打算暗示这样描述的对象必须在时间上、空间上、排名上或者以任何其他方式处于给定的序列中。
对于本公开而言，短语“A和/或B”和“A或B”的意思是(A)、(B)或者(A和B)。对于本公开而言，短语“A、B和/或C”的意思是(A)、(B)、(C)、(A和B)、(A和C)、(B和C)或者(A、B和C)。
说明书中和权利要求中的术语“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“上”、“下”等等(如果有的话)是用于描述性目的的，而并不一定用于描述永久的相对位置。
要指出，附图的具有与任何其他附图的元素相同的标号(或名称)的那些元素可按与所描述的相似的任何方式来操作或工作，但不限于此。
对于实施例而言，这里描述的各种电路和逻辑块中的晶体管是金属氧化物半导体(metal oxide semiconductor，MOS)晶体管或其衍生物，其中MOS晶体管包括漏极、源极、栅极和体端子。晶体管和/或MOS晶体管衍生物也包括三栅和FinFET晶体管、全包围栅圆柱体晶体管、隧道效应FET(Tunneling FET，TFET)、方形线晶体管、或者矩形带状晶体管、铁电FET(ferroelectric FET，FeFET)或者像碳纳米管或自旋器件之类的实现晶体管功能的其他器件。即MOSFET对称源极和漏极端子是相同的端子并且在这里可互换使用。另一方面，TFET器件具有非对称源极和漏极端子。本领域技术人员将会明白，在不脱离本公开的范围的情况下，可以使用其他晶体管，例如双极结晶体管(BJT PNP/NPN)、BiCMOS、CMOS等等。
图2根据一些实施例图示了电压调节器(VR)200，它具有用于从非线性控制到线性调节模式的无缝转变的装置。VR 200(也称为集成VR(IVR))包括耦合到相应电感器L1至L8的多个级(例如，级1至级8)2011-8，输出电容Cout，模数转换器(ADC)202，III型数字控制器或滤波器203，NLC逻辑204，脉冲宽度调制(PWM)生成逻辑205(例如，2051-8)，以及级时钟生成器206。VR 200是简化版的电压调节器。本领域的技术人员将会明白，调节器可包括过流保护逻辑、电流传感器、数模转换器(DAC)、延迟锁定环(delay locked loop，DLL)、独立于多个级的钳位桥，等等。
在一些实施例中，每个级(例如，2011)包括多个桥接器。桥接器可以是温度计加权的或者二进制加权的(如图所示)。在一些实施例中，每个级包括高侧开关MPhs(例如，二进制加权的MPhs1至MPhs8)和低侧开关MNls(例如，二进制加权的MNls1至MNls8)。在一些实施例中，高侧开关MPhs直接耦合到低侧开关MNls。耦合高侧开关MPhs和低侧开关MNls的公共节点被耦合到电感器(例如，对于级1 2011是电感器L1)。
在一些实施例中，偏置晶体管MPb和MNb耦合在高侧开关MPhs和低侧开关MNls之间。例如，偏置晶体管MPb1至MPb8分别耦合到高侧开关MPhs1至MPhs8，并且偏置晶体管MNb1至MNb8分别耦合到低侧开关MNhs1至MNhs8，如图所示。偏置晶体管MPb和MNb可由偏置电压(例如Vmid(例如，Vin/2))控制。在各种实施例中，高侧开关和低侧开关由其各自的驱动器(例如，201b1至201b8)驱动，这些驱动器的大小是根据它们所驱动的开关的。高侧开关由pDrv驱动，而低侧开关由nDrv驱动。pDrv和nDrv由桥接器控制器201a生成。在各种实施例中，pDrv和nDrv是相互补充的。pDrv和nDrv的占空比被调整，以改变经由各个电感器从Cout源发和吸收的电流。
这里，负载由电流源表示。负载可以是任何适当的负载，例如处理器、处理器核心、处理器或处理器核心内的逻辑域。ADC 202对照参考值Vref监视输出电压Vout(或者Vout的分割版本)，并且生成Vout与Vref之间的差值的数字表示e(k)。这个差值是误差项。ADC 202是将连续物理量(例如，电压)转换为表示该物理量的幅度的相应数字的装置。ADC202可包括比较器，其一个输入端与Vref耦合，另一个输入端与Vout或Vout的分割版本耦合。比较器的输出是e[k]。III型数字控制器203是线性数字补偿器(Linear)或PID滤波器，它将电压误差e[k]作为输入，并且将占空比命令d[k]输出到(一个或多个)数字PWM(DPWM)块(2051至2058)，用于每个活跃级。占空比命令d[k]对控制pDrv和nDrv的脉冲宽度调制波的占空比进行控制。
在各种实施例中，III型数字控制器203利用数字控制及其控制PID滤波器、特别是PID滤波器的积分器的状态的能力。在一些实施例中，III型数字控制器203实现了饱和pDrv和/或nDrv的占空比的非线性控制，在此期间，PID的比例和微分项被设置为0，而积分器及其内部状态(先前值或存储器)被设置到作为当前标称占空比(Dnom)加上deltaD之和的占空比。deltaD是从ICCmin到ICCmax调节IVR 200所需的最大占空比增量。
在一些实施例中，deltaD被存储在可在流片后设置的配置寄存器中。在一些实施例中，deltaD是可通过软件(例如，固件)或硬件(例如，配置寄存器)来修改的可编程数字。III型数字控制器203使用NLC 204的输出(NLCfired)来确定何时实现饱和占空比命令d[k]的非线性控制，这进而又使由PWM生成逻辑205(例如，2051至2058)生成的PWM波的占空比饱和。在一些实施例中，NLC逻辑204包括比较器，该比较器将输出电压Vout与某个设置的阈值(下降阈值)进行比较。当Vout穿越此阈值(例如，低于该阈值)时，NLC逻辑204设置NLCfired信号，并且只要输出电压低于设置的阈值，此信号就保持为高。
在一些实施例中，提供了有限状态机(FSM)或任何适当的逻辑，其控制III型数字控制器203。FSM从非线性全开状态(使输出电压回到调节窗口)转移到开环占空比状态(Dnom+deltaD)，这维持了输出电压Vout略高于所需的Vref。这里，“全开”状态是指开启所有桥接器或动力系统201。在按命令的占空比的开环占空比状态中经过一段时间后，FSM缓降开环占空比值d[k]，直到输出电压Vout接近于命令的Vref(例如，ADC 202使用的Vref)为止。当从输出电压ADC 202检测到的误差电压e[k]接近于0时，根据一些实施例，调节器200重新进入到闭环并且重新启用PID控制器203的比例和微分项。
在一些实施例中，PWM生成器逻辑205(例如，2051至2058)。在一些实施例中，PWM生成器逻辑205包括三角(或其他波形)波生成器，它生成周期性三角波。该三角波被输入到比较器。比较器的另一个输入耦合到阈值电压。在一些实施例中，阈值电压被调整(例如，提高或降低)以改变比较器的输出的占空比。在一些实施例中，占空比命令d[k]提供对PWM生成器逻辑205的阈值电压的调整，以实现PWM生成器逻辑205的比较器的输出处的占空比的变化。PWM生成器逻辑205的输出是PWM波，然后被桥接器控制器201a转换为pDrv和nDrv信号。桥接器控制器201a包括FSM，以基于输出供应节点Vout上的负载条件决定启用多少个级。例如，桥接器控制器201a确定在某个级中要激活或停用的桥接器的数目。这里，节点名称和信号名称是可互换使用的。例如，Vout可以指输出供应节点Vout或输出供应电压Vout，这取决于句子的内容。在一些实施例中，PWM生成逻辑205的比较器是钟控比较器，它通过由级时钟生成器206生成的一个或多个级的时钟Clkphases对比较器的输出进行采样。
虽然这里的各种实施例是参考每个级八个桥接器、八个级、八个电感器和八个PWM生成逻辑来说明的，但可使用任何数目的每级桥接器、级、电感器和PWM生成逻辑。
图3图示了经典III型数字控制器300，其包括前馈(FF)路径301和积分路径302。FF路径301包括如图所示那样耦合的乘法器301a、延迟单元301b以及加法器301c(或者求和节点)。积分路径302包括乘法器302a，延迟单元302b以及积分器302c(或者求和节点)。
线性数字补偿器300取得误差电压e[k]作为输入，并且将占空比命令d[k]输出到(一个或多个)数字PWM(DPWM)块2051至2058，用于每个活跃级。线性补偿器是用差分方程实现的。图3示出了典型的III型控制器，其实现了积分器，以保证零稳态误差，两个复数/实数零点，以消除降压转换器的复数LC极点，以及大约放在ESR(等效串联电阻)零频率的输出处或者大约LC极点的5倍的另外两个极点，以确保在更高频率下的更快速滚落，从而将对高频噪声的任何敏感性降到最低。差分方程是用RTL(硬件描述语言)实现的，写法如下：
d(k)＝a1e(k)+a2e(k-1)+a3e(k-2)+a4e(k-3)+k1d(k-1)+k2d(k-2)+k3d(k-3)
(1)
乘法因子a1、a2、a3和a4以及k1、k2和k3是利用乘法器实现的，并且是利用寄存器来配置的。所有的数据都随着按采样频率的每一个新输出电压采样而被更新，采样频率可在1倍到8倍之间的任何地方，这取决于带宽与面积/功率要求。
图4根据一些实施例图示了经修改的III型数字控制器400(例如，滤波器203)，以促进从非线性控制到线性调节模式的无缝转变。与III型数字控制器300相比，在FF路径301和积分路径402之间提供多路复用器403。在一些实施例中，多路复用器403是由逻辑404生成的控制信号来控制的。逻辑404可包括组合门和/或顺序单元(例如，触发器、锁存器，等等)，它们接收NLCfired和定时器信号以确定控制的逻辑值。在一些实施例中，逻辑404是由FSM实现的。积分路径402由来自寄存器405的DeltaD和Dnom值进一步控制。这里，DeltaD表示打算添加到占空比项(d(k)、d(k-1)、d(k-2))的偏移量，而Dmon表示没有人为偏移量添加到或减去的标称占空比项d(k)、d(k-1)、d(k-2)、d(k-3)。
经修改的III型数字控制器400促进了从非线性模式到线性模式的无缝转变，在Vout上没有任何输出电压颤振。当NLC逻辑204中的具有设置阈值(例如，下降阈值)的比较器触发NLCfired信号时(例如，由于Vout上的电压下降)，逻辑404生成控制，该控制经由多路复用器403绕过误差项e(k)并且替换为0。例如，当NLCfired如图1所示被断言时，逻辑404断言控制信号，该控制信号选择预定的值(例如，0)作为多路复用器403的输出。同时，在NLCfired信号变为高之前，存储DeltaD值的寄存器405的内容被添加到采样的Dnom，并且被馈送到d(k-1)、d(k-2)和d(k-3)项的初始状态中。
所得到的占空比命令d(k)因此等于Dnom+DeltaD，因为k1、k2和k3之和等于1，这是无限DC增益积分器所需要的。这样，III型补偿器400被手持来输出所需的占空比的值，同时正确设置积分器状态，这将避免导致输出颤振的任何发条或其他经典机制。
FSM的下一阶段是将控制器400保持在这个上述状态，持续可配置数目的时钟周期，之后逐步降低值Dnom+DeltaD，以降低输出电压，使其更接近其标称输出电压。在一些实施例中，在NLCfired被解除断言之后，并且在定时器信号所指示的可配置数目的时钟周期之后，逻辑404生成选择求和节点301c的输出的控制信号。在一些实施例中，当输出电压Vout在参考值Vref附近(或接近参考值Vref时)，如通过观察e(k)所检测到的那样，积分器值被停止递减，并且比例值和微分值被正常送过，以执行III型方程(1)。
在e(k)值为0时，误差项的贡献为0，因为e(k-1)、e(k-2)和e(k-3)先前为0，并且e(k)也为0。在这种情况下，方程(1)可被表达为：
d(k)＝k1d(k-1)+k2d(k-2)+...(2)
另外，由于积分器输出是d(k)的值，这导致e(k)为0，也导致占空比保持不变，从而消除了输出波形的颤振，并且控制器继续按编程的对其带宽和相位裕量进行调节。这个状态机不仅消除了在从非线性模式转变到线性模式时输出电压波形Vout的颤振，而且还解除了数字控制器在其线性模式中具有更高带宽的需要，从而可优化其面积和功率。在一个示例中，这个技术的结果表明，与传统的线性控制器相比，下降有约70％的改善。
图5根据一些实施例图示了用于从非线性控制到线性调节模式的无缝转变的有限状态机所实现的流程图500。虽然流程图500中的块是以特定顺序示出的，但顺序是可以修改的。例如，一些块可在其他块之前被执行，并且一些块可与其他块并行或同时执行。流程图500执行的各种操作可以用软件、硬件或者其组合来实现。
在块501，电压调节器200利用PID控制器203的方程(1)在线性模式(例如，线性反馈模式)中操作。在这种情况下，Vout(或者Vout的分割版本)被ADC 202与Vref比较，并且pDrv和nDrv的占空比被调制以使得Vout(或其分割版本)接近或等同于Vref。这是一个低带宽操作，其随着时间的推移缓慢地调整Vout，以参考Vref(第一阈值)对其进行调节。在检测到下降时，NLC逻辑204启动或断言NLCfirst信号。当输出电压Vout降低到低于第二阈值(下降阈值)时，NLC逻辑204启动NLCfirst信号，其中第二阈值低于第一阈值。在块502，确定NLCfirst信号是否被断言。如果NLCfirst信号被断言，那么就发生了下降条件，并且pDrv和nDrv的占空比将被修改以使得Vout尽可能快地接近或等同于Vref。这是一个更高带宽的控制环路。在没有下降的情况下，如块501所示，该过程在低带宽反馈环路中进行。
在块503，逻辑404使得多路复用器403选择0作为其输出。在这种情况下，来自ADC202(或比较器)的误差项e[k]被忽略或绕过。这样，PID控制器203实现了方程(2)。在块504，DeltaD偏移量被添加到标称占空比命令项d(k)及其先前项d(k-1)、d(k-2)及其后的项。在一个示例中，在NLCfired信号变为高之前，存储DeltaD值的寄存器405的内容被添加到采样的Dnom，并且被馈送到d(k-1)、d(k-2)和d(k-3)项的初始状态中。所得到的d(k)因此等于Dnom+DeltaD，因为k1、k2和k3之和等于1，这是无限DC增益积分器所需要的。这样，III型补偿器400被手持来输出所需的占空比的值，同时正确设置积分器状态，这将避免导致输出颤振的任何发条或其他经典机制。
FSM 500随后开始从高带宽控制环路(方程2)无缝转移到低带宽控制环路(方程1)的过程。在块505，确定NLCfired是否被解除断言。如果NLCfired仍被断言，则下降缓解继续。如果NLCfired被解除断言，则该过程前进到块506，在这里DeltaD被递减。例如，DeltaD被递减或者其值被计数器减小一或某个预定的值。在一些实施例中，DeltaD最初被按较大的步长(例如4)递减(像二进制搜索算法)，随后当在块507确定Vout不接近Vref时，被按较小的步长(例如，1)递减。如果Vout接近Vref，那么多路复用器403选择误差项来实现方程(1)。在一些实施例中，在转变到块501的低带宽控制环路之前，使用定时器信号来等待可配置数目的时钟周期(如块508所示)。在一些实施例中，块508被与块506和507并行执行，并且无论块508和507中的哪一个先达到其目标，该指示就被用于将多路复用器403切换到误差项，以转移到低带宽控制环路。
各种实施例的技术也可用于利用警告即将到来的负载瞬态的功率管理(PM)信号。例如，当PM信号到达时，该方案可安全地从预先设置的开环值转变到一个稍高的值，在此之后可发生停留在那里并返回到设置点的相同状态机操作。这有利于使用具有更小电感器的IVR的固有速度，并且转变到更快的升压值，以避免在常规和传统的VID升压机制中实施DAC，以有助于容适不能在例如5ns的时间之前给出提示的PM信号。
在一些实施例中，估计或预测下降到来(例如，通过监视执行管线中的工作负载)，并且NLC 204启动NLCfired信号(例如，在di/dt事件之前5-10ns)，并且数字控制器203随后进入高于其标称电压的预编程占空步长值，并且允许负载瞬态发生在这个升高的电压水平，在此之后电压回到其原始设置点。这种机制可消除对于与下降有关的防护带的需要，并且节省总体功率消耗，这也可用于提高等功率下的性能。
在绕过比例和微分项的同时手持积分器状态及其存储器(例如，偏移量值)的技术也可被用于其他数字控制的调节器，如低压差(low dropout，LDO)调节器，数字低压调节器(digital low voltage regulator，DLVR)，其他开关转换器，如升压、降压-升压等等，线性控制器，如I/P或比例-积分(proportional-integral，PI)或PID或I型或II型或III型控制器。在绕过比例和微分项的同时手持积分器状态及其存储器(例如，偏移量值)的概念也可被用于PWM(脉冲宽度调制)到PFM(脉冲频率调制)或经典模式切换中的滞后转变以提高效率、包络跟踪或任何具有数字闭环并希望实现模式变化以包括非线性控制、可变频率控制或任何其他变化的线性系统以提升系统性能。
图6根据一些实施例图示了具有电压调节器的智能设备或计算机系统或SoC(片上系统)，该电压调节器具有用于无缝的从非线性控制到线性调节模式的转变的装置。
在一些实施例中，设备2400表示适当的计算设备，例如计算平板、移动电话或智能电话、膝上型电脑、桌面型电脑、物联网(Internet-of-Things，IOT)设备、服务器、可穿戴设备、机顶盒、具备无线能力的电子阅读器，等等。将会理解，某些组件被概括示出，并且在设备2400中没有示出这种设备的所有组件。
在一示例中，设备2400包括SoC(片上系统)2401。SoC 2401的示例边界在图6中利用虚线图示，其中一些示例组件被图示为包括在SoC2401内——然而，SoC 2401可包括设备2400的任何适当组件。
在一些实施例中，设备2400包括处理器2404。处理器2404可包括一个或多个物理设备，例如微处理器、应用处理器、微控制器、可编程逻辑器件、处理核心或者其他处理装置。处理器2404执行的处理操作包括对其上执行应用和/或设备功能的操作平台或操作系统的执行。处理操作包括关于与人类用户或与其他设备的I/O(输入/输出)的操作、关于功率管理的操作、关于将计算设备2400连接到另一设备的操作，等等。处理操作还可包括关于音频I/O和/或显示I/O的操作。
在一些实施例中，处理器2404包括多个处理核心(也称为核心)2408a、2408b、2408c。虽然在图6中只图示了三个核心2408a、2408b、2408c，但处理器2404可包括任何其他适当数目的处理核心，例如数十个或者甚至数百个处理核心。处理器核心2408a、2408b、2408c可实现在单个集成电路(IC)芯片上。另外，芯片可包括一个或多个共享和/或私有缓存、总线或互连、图形和/或存储器控制器，或者其他组件。
在一些实施例中，处理器2404包括缓存2406。在一示例中，缓存2406的一些区段可专用于个体核心2408(例如，缓存2406的第一区段专用于核心2408a，缓存2406的第二区段专用于核心2408b，等等依此类推)。在一示例中，缓存2406的一个或多个区段可以是两个或更多个核心2408之间共享的。缓存2406可被分割成不同的级别，例如级别1(L1)缓存、级别2(L2)缓存、级别3(L3)缓存，等等。
在一些实施例中，处理器核心2404可包括取得单元来取得指令(包括具有条件分支的指令)来供核心2404执行。指令可以是从诸如存储器2430之类的任何存储设备取得的。处理器核心2404也可包括解码单元来对取得的指令解码。例如，解码单元可将取得的指令解码成多个微操作。处理器核心2404可包括调度单元来执行与存储解码的指令相关联的各种操作。例如，调度单元可保存来自解码单元的数据，直到指令准备好派谴为止，例如，直到解码的指令的所有源值变得可用为止。在一个实施例中，调度单元可调度和/或发出(或派谴)解码的指令到执行单元以便执行。
执行单元可在派谴的指令被解码(例如，被解码单元解码)和派谴(例如，被调度单元派谴)之后执行这些指令。在一实施例中，执行单元可包括多于一个执行单元(例如，成像计算单元、图形计算单元、通用计算单元，等等)。执行单元也可执行各种算术操作，例如加法、减法、乘法和/或除法，并且可包括一个或多个算术逻辑单元(arithmetic logic unit，ALU)。在一实施例中，协处理器(未示出)可联合执行单元执行各种算术操作。
另外，执行单元可无序执行指令。因此，处理器核心2404在一个实施例中可以是无序处理器核心。处理器核心2404也可包括引退单元。引退单元可在执行的指令被提交之后引退这些指令。在一实施例中，执行的指令的引退可导致处理器状态被从指令的执行提交、指令使用的物理寄存器被解除分配，等等。处理器核心2404还可包括总线单元来使能处理器核心2404的组件和其他组件之间经由一个或多个总线的通信。处理器核心2404还可包括一个或多个寄存器来存储被核心2404的各种组件访问的数据(例如与指派的app优先级和/或子系统状态(模式)关联有关的值)。
在一些实施例中，设备2400包括连通性电路2431。例如，连通性电路2431包括硬件设备(例如，无线和/或有线连接器和通信硬件)和/或软件组件(例如，驱动器、协议栈)，来例如使得设备2400能够与外部设备通信。设备2400可与诸如其他计算设备、无线接入点或基站等等之类的外部设备分离。
在一示例中，连通性电路2431可包括多个不同类型的连通性。概括而言，连通性电路2431可包括蜂窝连通性电路、无线连通性电路，等等。连通性电路2431的蜂窝连通性电路一般指的是由无线运营商提供的蜂窝网络连通性，例如经由以下所列项来提供：GSM(global system for mobile communications，全球移动通信系统)或者变体或衍生物，CDMA(code division multiple access，码分多址接入)或者变体或衍生物，TDM(timedivision multiplexing，时分复用)或者变体或衍生物，第3代合作伙伴计划(3rdGeneration Partnership Project，3GPP)通用移动电信系统(Universal MobileTelecommunications Systems，UMTS)系统或者变体或衍生物，3GPP长期演进(Long-TermEvolution，LTE)系统或者变体或衍生物，3GPP LTE高级版(LTE-Advanced，LTE-A)系统或者变体或衍生物，第五代(5G)无线系统或者变体或衍生物，5G移动网络系统或者变体或衍生物，5G新无线电(New Radio，NR)系统或者变体或衍生物，或者其他蜂窝服务标准。连通性电路2431的无线连通性电路(或无线接口)指的是非蜂窝的无线连通性，并且可包括个人区域网(例如蓝牙、近场等等)、局域网(例如Wi-Fi)和/或广域网(例如WiMax)，和/或其他无线通信。在一示例中，连通性电路2431可包括网络接口，例如有线或无线接口，例如，使得系统实施例可被包含到无线设备(例如，蜂窝电话或个人数字助理)中。
在一些实施例中，设备2400包括控制中枢2432，该控制中枢2432表示关于与一个或多个I/O设备的交互的硬件设备和/或软件组件。例如，处理器2404可经由控制中枢2432与显示器2422、一个或多个外围设备2424、存储设备2428、一个或多个其他外部设备2429等等中的一个或多个通信。控制中枢2432可以是芯片集、平台控制中枢(Platform ControlHub，PCH)，等等。
例如，控制中枢2432图示了连接到设备2400的附加设备的一个或多个连接点，例如，通过这些附加设备用户可与系统交互。例如，可附接到设备2400的设备(例如，设备2429)包括麦克风设备、扬声器或立体声系统、音频设备、视频系统或其他显示设备、键盘或小键盘设备或者用于特定应用的其他I/O设备，例如读卡器或其他设备。
如上所述，控制中枢2432可与音频设备、显示器2422等等交互。例如，通过麦克风或其他音频设备的输入可为设备2400的一个或多个应用或功能提供输入或命令。此外，取代显示输出，或者除了显示输出以外，可提供音频输出。在另一示例中，如果显示器2422包括触摸屏，则显示器2422也充当输入设备，该输入设备可至少部分由控制中枢2432管理。在计算设备2400上也可以有额外的按钮或开关来提供由控制中枢2432管理的I/O功能。在一个实施例中，控制中枢2432管理诸如加速度计、相机、光传感器或其他环境传感器之类的设备，或者可被包括在设备2400中的其他硬件。输入可以是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(例如对噪声的过滤，调整显示器以进行亮度检测，对相机应用闪光灯，或者其他特征)。
在一些实施例中，控制中枢2432可利用任何适当的通信协议耦合到各种设备，这些通信协议例如是PCIe(Peripheral Component Interconnect Express，快速外围组件互连)、USB(Universal Serial Bus，通用串行总线)、Thunderbolt、高清晰度多媒体接口(High Definition Multimedia Interface，HDMI)、Firewire，等等。
在一些实施例中，显示器2422表示提供视觉和/或触觉显示来供用户与设备2400交互的硬件(例如，显示设备)和软件(例如，驱动器)组件。显示器2422可包括显示接口、显示屏和/或用于向用户提供显示器的硬件设备。在一些实施例中，显示器2422包括向用户提供输出和输入两者的触摸屏(或触摸板)设备。在一示例中，显示器2422可直接与处理器2404通信。显示器2422可以是像在移动电子设备或膝上型电脑设备中那样的内部显示设备或者经由显示接口(例如，DisplayPort等等)附接的外部显示设备中的一个或多个。在一个实施例中，显示器2422可以是头戴式显示器(head mounted display，HMD)，例如立体显示设备，来用于虚拟现实(virtual reality，VR)应用或增强现实(augmented reality，AR)应用中。
在一些实施例中，虽然在附图中没有图示，但除了处理器2404以外(或者取代处理器2404)，设备2400还可包括图形处理单元(Graphics Processing Unit，GPU)，该图形处理单元包括一个或多个图形处理核心，其可控制在显示器2422上显示内容的一个或多个方面。
控制中枢2432(或者平台控制器中枢)可包括硬件接口和连接器，以及软件组件(例如，驱动器、协议栈)，来进行例如到外围设备2424的外围连接。
将会理解，设备2400既可以是其他计算设备的外围设备，也可以有外围设备连接到它。设备2400可具有“坞接”连接器来连接到其他计算设备，以便例如管理设备2400上的内容(例如，下载和/或上传、改变、同步)。此外，坞接连接器可允许设备2400连接到某些外设，这些外设允许计算设备2400控制例如到视听或其他系统的内容输出。
除了专属坞接连接器或其他专属连接硬件以外，设备2400还可经由常见的或者基于标准的连接器来进行外围连接。常见类型可包括通用串行总线(Universal Serial Bus，USB)连接器(其可包括多种不同硬件接口中的任何一种)、包括MiniDisplayPort(MDP)的DisplayPort，高清晰度多媒体接口(High Definition Multimedia Interface，HDMI)、Firewire或者其他类型。
在一些实施例中，连通性电路2431可耦合到控制中枢2432，例如除了直接耦合到处理器2404以外或者取代直接耦合到处理器2404。在一些实施例中，显示器2422可耦合到控制中枢2432，例如除了直接耦合到处理器2404以外或者取代直接耦合到处理器2404。
在一些实施例中，设备2400包括经由存储器接口2434耦合到处理器2404的存储器2430。存储器2430包括用于存储设备2400中的信息的存储器设备。
在一些实施例中，存储器2430包括装置来维持稳定钟控，如参考各种实施例所述。存储器可包括非易失性存储器设备(如果到存储器设备的电力中断，则状态不会变化)和/或易失性存储器设备(如果到存储器设备的电力中断，则状态不确定)。存储器设备2430可以是动态随机访问存储器(dynamic random-access memory，DRAM)设备、静态随机访问存储器(static random-access memory，SRAM)设备、闪存设备、相变存储器设备或者具有适当的性能来用作进程存储器的某种其他存储器设备。在一个实施例中，存储器2430可充当设备2400的系统存储器，以存储数据和指令来在一个或多个处理器2404执行应用或进程时使用。存储器2430可存储应用数据、用户数据、音乐、照片、文档或其他数据，以及与设备2400的应用和功能的执行有关的系统数据(无论是长期的还是暂时的)。
各种实施例和示例的元素也可以被提供为用于存储计算机可执行指令(例如，实现本文论述的任何其他过程的指令)的机器可读介质(例如，存储器2430)。机器可读介质(例如，存储器2430)可包括但不限于闪存、光盘、CD-ROM、DVD ROM、RAM、EPROM、EEPROM、磁卡或光卡、相变存储器(phase change memory，PCM)或者适合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，本公开的实施例可作为计算机程序(例如，BIOS)被下载，该计算机程序可经由通信链路(例如，调制解调器或网络连接)借由数据信号被从远程计算机(例如，服务器)传送到作出请求的计算机(例如，客户端)。
在一些实施例中，设备2400包括温度测量电路2440，例如用于测量设备2400的各种组件的温度。在一示例中，温度测量电路2440可被嵌入，或者耦合或附接到其温度要被测量和监视的各种组件。例如，温度测量电路2440可测量核心2408a、2408b、2408c、电压调节器2414、存储器2430、SoC 2401的主板和/或设备2400的任何适当组件中的一个或多个的温度(或者其内的温度)。
在一些实施例中，设备2400包括功率测量电路2442，例如用于测量设备2400的一个或多个组件消耗的功率。在一示例中，除了测量功率以外，或者取代测量功率，功率测量电路2442还可测量电压和/或电流。在一示例中，功率测量电路2442可被嵌入，或者耦合或附接到其功率、电压和/或电流消耗要被测量和监视的各种组件。例如，功率测量电路2442可测量由一个或多个电压调节器2414供应的功率、电流和/或电压、供应到SoC 2401的功率、供应到设备2400的功率、由设备2404的处理器2400(或任何其他组件)消耗的功率，等等。
在一些实施例中，设备2400包括一个或多个电压调节器电路，一般称为电压调节器(voltage regulator，VR)2414。VR 2414按适当的电压水平生成信号，这些信号可被供应来操作设备2400的任何适当组件。仅作为示例，VR 2414被图示为向设备2400的处理器2404供应信号。在一些实施例中，VR 2414接收一个或多个电压标识(Voltage Identification，VID)信号，并且基于VID信号生成处于适当水平的电压信号。对于VR2414可利用各种类型的VR。例如，VR 2414可包括“降压”VR、“升压”VR、降压和升压VR的组合、低压差(low dropout，LDO)调节器、开关DC-DC调节器、基于恒定导通时间控制器的DC-DC调节器，等等。降压VR一般用于其中输入电压需要被以小于单位一的比率变换成输出电压的电力输送应用中。升压VR一般用于其中输入电压需要被以大于单位一的比率变换成输出电压的电力输送应用中。在一些实施例中，每个处理器核心具有其自己的VR，该VR被PCU 2410a/b和/或PMIC 2412控制。在一些实施例中，每个核心具有分布式LDO的网络来提供对功率管理的高效控制。LDO可以是数字的、模拟的或者数字或模拟LDO的组合。在一些实施例中，VR 2414包括电流跟踪装置来测量通过(一个或多个)电源轨的电流。
在一些实施例中，VR 2414包括数字控制方案，来管理比例-积分-微分(proportional-integral-derivative，PID)滤波器(也被称为数字III型补偿器)的状态。数字控制方案控制PID滤波器的积分器实现饱和占空比的非线性控制，在此期间PID的比例和微分项被设置为0，而积分器及其内部状态(先前值或存储器)被设置为作为当前标称占空比加上deltaD之和的占空比。deltaD是用于从ICCmin到ICCmax调节电压调节器的最大占空比增量，并且是可以在流片后设置的配置寄存器。状态机从非线性全开状态(这使输出电压Vout回到调节窗口)转移到维持输出电压略高于所需参考电压Vref的开环占空比。在按指令的占空比的这个开环状态中经过一段时间后，状态机于是缓降开环占空比值，直到输出电压接近指令的Vref为止。这样，来自VR 2414的输出供应上的输出颤振被完全消除(或基本消除)，并且只有一个单一的欠冲转变，这可导致基于比较器延迟和负载的di/dt与可用输出解耦电容的保证Vmin。
在一些实施例中，设备2400包括一个或多个时钟生成器电路，一般称为时钟生成器2416。时钟生成器2416可按适当的频率水平生成时钟信号，这些信号可被供应给设备2400的任何适当组件。仅作为示例，时钟生成器2416被图示为向设备2400的处理器2404供应时钟信号。在一些实施例中，时钟生成器2416接收一个或多个频率标识(FrequencyIdentification，FID)信号，并且基于FID信号以适当的频率生成时钟信号。
在一些实施例中，设备2400包括向设备2400的各种组件供应电力的电池2418。仅作为示例，电池2418被图示为在向处理器2404供应电力。虽然在附图中没有图示，但设备2400可包括充电电路，以例如基于从交流电(Alternating Current，AC)适配器接收的AC电力供应来对电池再充电。
在一些实施例中，设备2400包括功率控制单元(Power Control Unit，PCU)2410(也称为功率管理单元(Power Management Unit，PMU)、功率控制器，等等)。在一示例中，PCU 2410的一些部分可由一个或多个处理核心2408实现，并且PCU 2410的这些部分利用虚线框来象征性图示并且被标注为PCU 2410a。在一示例中，PCU 2410的一些其他部分可在处理核心2408外部实现，并且PCU 2410的这些部分利用虚线框来象征性图示并且被标注为PCU 2410b。PCU 2410可为设备2400实现各种功率管理操作。PCU 2410可包括硬件接口、硬件电路、连接器、寄存器等等，以及软件组件(例如，驱动器、协议栈)，来为设备2400实现各种功率管理操作。
在一些实施例中，设备2400包括功率管理集成电路(Power ManagementIntegrated Circuit，PMIC)2412，以例如为设备2400实现各种功率管理操作。在一些实施例中，PMIC 2412是可重配置功率管理IC(Reconfigurable Power Management IC，RPMIC)和/或IMVP(
Figure BDA0003176215300000241
Mobile Voltage Positioning，
Figure BDA0003176215300000242
移动电压定位)。在一示例中，PMIC在与处理器2404分离的IC芯片内。这可为设备2400实现各种功率管理操作。PMIC 2412可包括硬件接口、硬件电路、连接器、寄存器等等，以及软件组件(例如，驱动器、协议栈)，来为设备2400实现各种功率管理操作。
在一示例中，设备2400包括PCU 2410或PMIC 2412的一者或两者。在一示例中，PCU2410或者PMIC 2412中的任何一者可在设备2400中不存在，因此这些组件是利用虚线来图示的。
设备2400的各种功率管理操作可由PCU 2410、由PMIC 2412或者由PCU 2410和PMIC 2412的组合来执行。例如，PCU 2410和/或PMIC 2412可为设备2400的各种组件选择功率状态(例如，P状态)。例如，PCU2410和/或PMIC 2412可为设备2400的各种组件选择功率状态(例如，根据ACPI(Advanced Configuration and Power Interface，高级配置和电源接口)规范)。仅作为示例，PCU 2410和/或PMIC 2412可使得设备2400的各种组件转变到休眠状态、转变到活跃状态、转变到适当的C状态(例如，C0状态，或者另一适当的C状态，根据ACPI规范)，等等。在一示例中，PCU 2410和/或PMIC 2412可控制由VR 2414输出的电压和/或由时钟生成器输出的时钟信号的频率，例如分别通过输出VID信号和/或FID信号。在一示例中，PCU 2410和/或PMIC 2412可控制电池功率使用、电池2418的充电以及与功率节省操作有关的特征。
时钟生成器2416可包括锁相环(phase locked loop，PLL)、锁频环(frequencylocked loop，FLL)或者任何适当的时钟源。在一些实施例中，处理器2404的每个核心具有其自己的时钟源。这样，每个核心可按独立于其他核心的操作频率的频率来操作。在一些实施例中，PCU 2410和/或PMIC 2412执行自适应或者动态频率缩放或调整。例如，如果核心没有以其最大功率消耗阈值或限度在操作，则可增大该处理器核心的时钟频率。在一些实施例中，PCU 2410和/或PMIC 2412确定处理器的每个核心的操作条件，并且当PCU 2410和/或PMIC 2412确定核心在以低于目标性能水平操作时，机会主义地调整该核心的频率和/或供电电压，而核心钟控源(例如，该核心的PLL)不会失去锁定。例如，如果核心在从供电轨汲取电流，该电流小于为该核心或者处理器2404分配的总电流，则PCU2410和/或PMIC 2412可临时增大对于该核心或者处理器2404的功率汲取(例如，通过增大时钟频率和/或供电电压水平)，使得该核心或处理器2404可以以更高的性能水平来运转。这样，可以为处理器2404临时增大电压和/或频率，而不会违反产品可靠性。
在一示例中，PCU 2410和/或PMIC 2412可例如至少部分基于从功率测量电路2442、温度测量电路2440接收测量、接收电池2418的充电水平和/或接收可用于功率管理的任何其他适当的信息，来执行功率管理操作。为此，PMIC 2412通信地耦合到一个或多个传感器来感测/检测对于系统/平台的功率/热行为具有影响的一个或多个因素中的各种值/变化。一个或多个因素的示例包括电流、电压下降、温度、操作频率、操作电压、功率消耗、核心间通信活动，等等。这些传感器中的一个或多个可设在计算系统的一个或多个组件或者逻辑/IP块的物理近邻(和/或与其热接触/耦合)。此外，(一个或多个)传感器在至少一个实施例中可直接耦合到PCU 2410和/或PMIC 2412以允许PCU 2410和/或PMIC 2412至少部分基于由这些传感器中的一个或多个检测到的(一个或多个)值来管理处理器核心能量。
还图示了设备2400的示例软件栈(虽然没有图示该软件栈的所有元素)。仅作为示例，处理器2404可执行应用程序2450、操作系统2452、一个或多个功率管理(PowerManagement，PM)特定应用程序(例如，一般称为PM应用2458)，等等。PM应用2458也可被PCU2410和/或PMIC 2412执行。OS 2452也可包括一个或多个PM应用2456a、2456b、2456c。OS2452也可包括各种驱动器2454a、2454b、2454c等等，其中一些可以专用于功率管理目的。在一些实施例中，设备2400还可包括基本输入/输出系统(Basic Input/output System，BIOS)2420。BIOS 2420可与OS 2452通信(例如，经由一个或多个驱动器2454)，与处理器2404通信，等等。
例如，PM应用2458、2456、驱动器2454、BIOS 2420等等中的一个或多个可用于实现功率管理特定任务，例如控制设备2400的各种组件的电压和/或频率，控制设备2400的各种组件的唤醒状态、休眠状态和/或任何其他适当的功率状态，控制电池功率使用、电池2418的充电、与功率节省操作有关的特征，等等。
在一些实施例中，电池2418是锂金属电池，具有压力室，以使电池上的压力均匀。压力室由金属板(例如均压板)支撑，用于给电池均匀的压力。压力室可包括受压气体、弹性材料、弹簧板，等等。压力室的外皮可自由弯曲，在其边缘被(金属)外皮约束，但仍对压缩电池单元的板施加均匀的压力。压力室给电池以均匀的压力，用于实现高能量密度的电池，例如，电池寿命增加20％。
在一些实施例中，在PCU 2410a/b上执行的pCode具有为pCode的运行时间支持使能额外的计算和遥测资源的能力。这里pCode指的是由PCU2410a/b执行以管理2401的性能的固件。例如，pCode可为处理器设置频率和适当的电压。pCode的一部分可经由OS 2452来访问。在各种实施例中，提供了机制和方法，这些机制和方法基于工作负载、用户行为和/或系统条件动态地改变能量性能偏好(Energy Performance Preference，EPP)值。在OS 2452和pCode之间可能有定义明确的接口。该接口可允许或者促进几个参数的软件配置和/或可向pCode提供提示。作为示例，一EPP参数可告知pCode算法是性能还是电池寿命更重要。
这种支持也可由OS 2452完成，其方式是将机器学习支持包括为OS2452的一部分，并且通过机器学习预测来调节OS提示给硬件(例如，SoC 2401的各种组件)的EPP值，或者通过以与动态调节技术(Dynamic Tuning Technology，DTT)驱动器所做的类似的方式将机器学习预测递送给pCode。在这种模式中，OS 2452可看到与DTT可用的相同的遥测集合。作为DTT机器学习提示设置的结果，pCode可调节其内部算法，以实现激活类型的机器学习预测之后的最佳功率和性能结果。作为示例，pCode可增大对处理器利用率变化的责任，以使能对用户活动的快速响应，或者可通过减小对处理器利用率的责任或者通过调节能量节省优化以节省更多的功率和增大性能损失来增大对于能量节省的偏向。这种方案可促进节省更多的电池寿命，以防使能的活动的类型相对于系统能够使能的失去一些性能水平。pCode可包括用于动态EPP的算法，该算法可取得两个输入，一个来自OS 2452，并且另一个来自软件，例如DTT，并且可选择性地选择提供更高的性能和/或响应性。作为此方法的一部分，pCode可在DTT中使能一个选项，对于不同类型的活动为DTT调节其反应。
说明书中提及“一实施例”、“一个实施例”、“一些实施例”或者“其他实施例”的意思是联系这些实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在至少一些实施例中，但不一定是所有实施例中。“一实施例”、“一个实施例”或“一些实施例”的各种出现不一定全都指的是相同实施例。如果说明书陈述“可”、“可能”或者“可以”包括某一组件、特征、结构或特性，那么并不要求包括该特定组件、特征、结构或特性。如果说明书或权利要求提及“一”元素，那么并不意味着只有一个该元素。如果说明书或权利要求提及“一额外”元素，那么并不排除有多于一个额外元素。
此外，特定的特征、结构、功能或特性在一个或多个实施例中可按任何适当的方式被组合。例如，在与两个实施例相关联的特定特征、结构、功能或特性不互斥的任何地方，第一实施例可与第二实施例相组合。
虽然已结合其特定实施例描述了本公开，但本领域普通技术人员根据前述描述将清楚这种实施例的许多替换、修改和变化。本公开的实施例打算包含落在所附权利要求的宽广范围内的所有这种替换、修改和变化。
此外，为了图示和论述的简单，并且为了不模糊本公开，在给出的附图内可能示出或者不示出到集成电路(IC)芯片和其他组件的公知电源/接地连接。另外，可能以框图形式示出布置以避免模糊本公开，并且同时也考虑到了如下事实：关于这种框图布置的实现的具体细节是高度取决于要在其内实现本公开的平台的(即，这种具体细节应当完全在本领域技术人员的视野内)。在阐述具体细节(例如，电路)以便描述本公开的示例实施例的情况下，本领域技术人员应当清楚，没有这些具体细节，或者利用这些具体细节的变体，也可实现本公开。从而说明书应当被认为是说明性的，而不是限制性的。
以下示例属于进一步实施例。示例中的具体细节可用在一个或多个实施例中的任何地方。本文描述的装置的所有可选特征也可对于方法或过程实现。可按任何组合来组合这些示例。例如，示例4可与示例2相组合。
示例1：一种装置，包括：模数转换器，用于将模拟电压转换成指示出所述模拟电压与阈值电压之间的误差的数字表示；以及数字滤波器，用于接收所述数字表示并且生成占空比命令，其中所述占空比命令用于指示控制器调整用于调整所述模拟电压的信号的占空比，其中所述数字滤波器包括前馈路径和积分路径，其中所述前馈路径经由多路复用器耦合到所述积分路径。
示例2：如示例1所述的装置，其中所述阈值是第一阈值，其中所述多路复用器用于当所述模拟电压穿越第二阈值时绕过所述前馈路径，其中所述第二阈值指示出所述模拟电压中的电压下降。
示例3：如示例2所述的装置，包括寄存器，用于存储要被添加到所述占空比命令的偏移量，其中在所述模拟电压穿越所述第二阈值之前所述偏移量被添加到所述占空比。
示例4：如示例2所述的装置，其中所述第二阈值低于所述第一阈值。
示例5：如示例3所述的装置，包括计数器，用于在所述模拟电压与所述第一阈值之间的误差减小时降低所述偏移量。
示例6：如示例5所述的装置，包括逻辑，用于在所述偏移量接近零时允许所述前馈路径的输出通过所述多路复用器到所述积分路径。
示例7：如示例5所述的装置，包括逻辑，用于在所述模拟电压与所述第一阈值之间的误差基本为零时允许所述前馈路径的输出通过所述多路复用器到所述积分路径。
示例8：如示例1所述的装置，包括与所述模数转换器耦合的电感器。
示例9：如示例1所述的装置，包括具有高侧开关和低侧开关的桥接器，其中所述高侧开关和所述低侧开关是第一信号和第二信号可控制的，其中所述第一信号和第二信号具有根据所述占空比命令来调整的占空比。
示例10：一种电压调节器，包括：低带宽反馈路径，用于在稳定状态期间控制输出供应电压相对于第一阈值的调节；高带宽反馈路径，用于在所述输出供应电压穿越第二阈值时控制所述输出供应电压的调节，其中所述第二阈值低于所述第一阈值；以及控制器，用于促进经由多路复用器从所述高带宽反馈路径到所述低带宽反馈路径的转变，以绕过所述控制器的前馈路径。
示例11：如示例10所述的电压调节器，其中所述控制器是第一控制器，其中所述控制器用于接收所述输出供应电压与所述第一阈值之间的误差的数字表示，并且生成占空比命令，其中所述占空比命令用于指示第二控制器调整用于调整所述输出供应电压的信号的占空比。
示例12：如示例11所述的电压调节器，包括寄存器，用于存储要被添加到所述占空比命令的偏移量，其中在所述输出供应电压穿越所述第二阈值之前所述偏移量被添加到所述占空比。
示例13：如示例12所述的电压调节器，包括计数器，用于在所述输出供应电压与所述第一阈值之间的误差减小时降低所述偏移量。
示例14：如示例13所述的电压调节器，包括逻辑，用于在所述偏移量接近零时允许所述前馈路径的输出通过所述多路复用器到所述第一控制器的积分路径。
示例15：如示例13所述的电压调节器，包括逻辑，用于在所述输出供应电压与所述第一阈值之间的误差基本为零时允许所述前馈路径的输出通过所述多路复用器到所述第一控制器的积分路径。
示例16：如示例11所述的电压调节器，其中所述低带宽反馈路径和所述高带宽反馈路径包括具有高侧开关和低侧开关的桥接器，其中所述高侧开关和所述低侧开关是第一信号和第二信号可控制的，其中所述第一信号和第二信号具有根据所述占空比命令来调整的占空比。
示例17：一种系统，包括：存储器；与所述存储器耦合的处理器；以及无线接口，用于允许所述处理器与另一设备通信，其中所述处理器包括电压调节器，该电压调节器包括：低带宽反馈路径，用于在稳定状态期间控制输出供应电压相对于第一阈值的调节；高带宽反馈路径，用于在所述输出供应电压穿越第二阈值时控制所述输出供应电压的调节，其中所述第二阈值低于所述第一阈值；以及控制器，用于促进经由多路复用器从所述高带宽反馈路径到所述低带宽反馈路径的转变，以绕过所述控制器的前馈路径。
示例18：如示例17所述的系统，其中所述控制器是第一控制器，其中所述控制器用于接收所述输出供应电压与所述第一阈值之间的误差的数字表示，并且生成占空比命令，其中所述占空比命令用于指示第二控制器调整用于调整所述输出供应电压的信号的占空比。
示例19：如示例18所述的系统，其中所述处理器包括：寄存器，用于存储要被添加到所述占空比命令的偏移量，其中在所述输出供应电压穿越所述第二阈值之前所述偏移量被添加到所述占空比；计数器，用于在所述输出供应电压与所述第一阈值之间的误差减小时降低所述偏移量；以及逻辑，用于在所述偏移量接近零时允许所述前馈路径的输出通过所述多路复用器到所述第一控制器的积分路径。
示例20：如示例18所述的系统，其中所述低带宽反馈路径和所述高带宽反馈路径包括具有高侧开关和低侧开关的桥接器，其中所述高侧开关和所述低侧开关是第一信号和第二信号可控制的，其中所述第一信号和第二信号具有根据所述占空比命令来调整的占空比。
提供了摘要，其将允许读者确定技术公开的性质和主旨。摘要是在如下理解下提交的：它不会被用于限制权利要求的范围或含义。特此将所附权利要求并入到详细描述中，其中每个权利要求独立作为一个单独的实施例。

Claims (20)

1.一种电子电路，包括：
模数转换器，用于将模拟电压转换成指示出所述模拟电压与阈值电压之间的误差的数字表示；以及
数字滤波器，用于接收所述数字表示并且生成占空比命令，其中所述占空比命令用于指示控制器调整用于调整所述模拟电压的信号的占空比，其中所述数字滤波器包括前馈路径和积分路径，其中所述前馈路径经由多路复用器耦合到所述积分路径。
2.如权利要求1所述的电子电路，其中所述阈值是第一阈值，其中所述多路复用器用于当所述模拟电压穿越第二阈值时绕过所述前馈路径，其中所述第二阈值指示出所述模拟电压中的电压下降。
3.如权利要求2所述的电子电路，包括寄存器，用于存储要被添加到所述占空比命令的偏移量，其中在所述模拟电压穿越所述第二阈值之前所述偏移量被添加到所述占空比。
4.如权利要求2所述的电子电路，其中所述第二阈值低于所述第一阈值。
5.如权利要求3所述的电子电路，包括计数器，用于在所述模拟电压与所述第一阈值之间的误差减小时降低所述偏移量。
6.如权利要求5所述的电子电路，包括逻辑，用于在所述偏移量接近零时允许所述前馈路径的输出通过所述多路复用器到所述积分路径。
7.如权利要求5所述的电子电路，包括逻辑，用于在所述模拟电压与所述第一阈值之间的误差基本为零时允许所述前馈路径的输出通过所述多路复用器到所述积分路径。
8.如权利要求1所述的电子电路，包括与所述模数转换器耦合的电感器。
9.如权利要求1所述的电子电路，包括具有高侧开关和低侧开关的桥接器，其中所述高侧开关和所述低侧开关是第一信号和第二信号可控制的，其中所述第一信号和第二信号具有根据所述占空比命令来调整的占空比。
10.一种电压调节器，包括：
低带宽反馈路径，用于在稳定状态期间控制输出供应电压相对于第一阈值的调节；
高带宽反馈路径，用于在所述输出供应电压穿越第二阈值时控制所述输出供应电压的调节，其中所述第二阈值低于所述第一阈值；以及
控制器，用于促进经由多路复用器从所述高带宽反馈路径到所述低带宽反馈路径的转变，以绕过所述控制器的前馈路径。
11.如权利要求10所述的电压调节器，其中所述控制器是第一控制器，其中所述控制器用于接收所述输出供应电压与所述第一阈值之间的误差的数字表示，并且生成占空比命令，其中所述占空比命令用于指示第二控制器调整用于调整所述输出供应电压的信号的占空比。
12.如权利要求11所述的电压调节器，包括寄存器，用于存储要被添加到所述占空比命令的偏移量，其中在所述输出供应电压穿越所述第二阈值之前所述偏移量被添加到所述占空比。
13.如权利要求12所述的电压调节器，包括计数器，用于在所述输出供应电压与所述第一阈值之间的误差减小时降低所述偏移量。
14.如权利要求13所述的电压调节器，包括逻辑，用于在所述偏移量接近零时允许所述前馈路径的输出通过所述多路复用器到所述第一控制器的积分路径。
15.如权利要求13所述的电压调节器，包括逻辑，用于在所述输出供应电压与所述第一阈值之间的误差基本为零时允许所述前馈路径的输出通过所述多路复用器到所述第一控制器的积分路径。
16.如权利要求11所述的电压调节器，其中所述低带宽反馈路径和所述高带宽反馈路径包括具有高侧开关和低侧开关的桥接器，其中所述高侧开关和所述低侧开关是第一信号和第二信号可控制的，其中所述第一信号和第二信号具有根据所述占空比命令来调整的占空比。
17.一种计算机系统，包括：
存储器；
与所述存储器耦合的处理器；以及
无线接口，用于允许所述处理器与另一设备通信，其中所述处理器包括电压调节器，该电压调节器包括：
低带宽反馈路径，用于在稳定状态期间控制输出供应电压相对于第一阈值的调节；
高带宽反馈路径，用于在所述输出供应电压穿越第二阈值时控制所述输出供应电压的调节，其中所述第二阈值低于所述第一阈值；以及
控制器，用于促进经由多路复用器从所述高带宽反馈路径到所述低带宽反馈路径的转变，以绕过所述控制器的前馈路径。
18.如权利要求17所述的计算机系统，其中所述控制器是第一控制器，其中所述控制器用于接收所述输出供应电压与所述第一阈值之间的误差的数字表示，并且生成占空比命令，其中所述占空比命令用于指示第二控制器调整用于调整所述输出供应电压的信号的占空比。
19.如权利要求18所述的计算机系统，其中所述处理器包括：
寄存器，用于存储要被添加到所述占空比命令的偏移量，其中在所述输出供应电压穿越所述第二阈值之前所述偏移量被添加到所述占空比；
计数器，用于在所述输出供应电压与所述第一阈值之间的误差减小时降低所述偏移量；以及
逻辑，用于在所述偏移量接近零时允许所述前馈路径的输出通过所述多路复用器到所述第一控制器的积分路径。
20.如权利要求18所述的计算机系统，其中所述低带宽反馈路径和所述高带宽反馈路径包括具有高侧开关和低侧开关的桥接器，其中所述高侧开关和所述低侧开关是第一信号和第二信号可控制的，其中所述第一信号和第二信号具有根据所述占空比命令来调整的占空比。
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