CN1251050C - 中央处理器的电源 - Google Patents

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Abstract

用于中央处理器(CPU)的电压和方法。电源可以包括第一电源电路例如DC/DC转换器，用来当CPU在高的活动模式时，将第一电平电压提供给CPU，以及第二电源电路例如LDO调整电路，用来当CPU处在低活动模式时，将比第一电平低的第二电平电压提供给CPU。当CPU处在低负载或低活动模式时，第二电源电路最好有效率。在这样的电源中，当CPU处在低活动模式时，LDO调整电路工作以减少或防止效率降低，减少CPU功耗和延长CPU的电池寿命。

Description

中央处理器的电源
                       发明背景
技术领域
本发明涉及中央处理器(CPU)，尤其涉及供应电源到CPU的一种电路。
背景技术
高级配置和电源接口(ACPI)是一开放的系统解决方案，包括到硬件的接口、操作系统(OS)、软件和个人电脑(PC)的外部设备。ACPI由英特尔公司、微软公司和东芝公司开发以支持个人电脑的操作系统、主板硬件和外部设备(例如CDROM，硬盘驱动器等)，这样它们可以通过功率相互通信。
一个相关技术电源管理系统可以在装置的某些禁止周期时间流逝后中断装置电源的供应，这是因为它是基于一基本的输入/输出系统(BIOS)。不过，ACPI的主要目标是支持一操作系统引导的电源管理(OSPM)，这样，OS可以管理所有的电源活动，仅当需要时，才给装置提供电源。
ACPI在1996年公布，并定义CPU的功率状态为C0，C1，C2，C3。C0是正常状态，C1是暂停状态，C2是停止确认状态，C3是停止时钟状态。
在C2状态，CPU执行小量或最少量的活动，例如维持缓存相关性的探听操作。在C3状态，它是深度休眠状态，没有外部时钟供应到CPU，这样使得CPU的所有活动停止，除保持CPU内缓存中储存的数据的功能外。结果，C3状态的功耗与C2状态的CPU相比减少更多。在这方面，ACPI对具有有限的电池使用期限的便携系统是非常有用的。
Intel移动电压定位(IMVP)II是一种由Intel公司最近开发的先进电压调整技术。IMVP在由ACPI预先定义的功率状态C0～C3中加入了新的功率状态C4，以便在当CPU不工作时降低给CPU的供电电压，从而进一步减少功率消耗。
图1是示出在一计算机系统中将电源供应到CPU方案的示意图。如图1所示，电源10包括电源11，诸如交流电(AC)适配器或电池，以及DC/DC转换器12，将来自于电源11的直流(DC)电压转换成与CPU 20相适应电平的DC电压Vcore，并将已转换的DC电压Vcore输出到CPU 20。
DC/DC转换器12接收来自于南桥控制器(未显示)的关于CPU 20当前功率状态的信息信号DEEPSLEEP和DEEPERSLEEP，并将对应于所收到信息信号电平的DC电压送到CPU 20。例如，在CPU的功率状态是C0，C1，C2或C3时，DC/DC转换器12将来自于电源11的DC电压VCC(例如3.3V)转换成标准DC电压(例如，AC适配器/电池模式：1.15V/1.05V)，并将已转换的标准DC电压Vcore送到CPU 20。
当CPU 20在功率状态C0～C3，功率状态的信息信号DEEPSLEEP和DEEPERSLEEP的电平都是低(即逻辑0)或者信号电平分别为高(即逻辑1)和低。另一方面，如果功率状态信息信号DEEPERSLEEP是高电平(即CPU的功率状态是C4)，就是说，如果从C3状态已过去一预定的时间段，DC/DC转换器12将来自于电源11的DC电压VCC转换成低的DC电压Vcore(0.85V)，并将转换好的低电压Vcore送到CPU 20。
图2是示出图1中DC/DC转换器12的例子的电路图。如图2所示，DC/DC转换器12包括电源控制器14，它可以是例如SC1471“用于移动式奔腾IV(SpeedstepTM)处理器的电源控制器”，可从SEMTECH公司获得。电源控制器14适用于产生控制信号，以对功率状态信息信号DEEPSLEEP和DEEPERSLEEP作出响应。DC/DC转换器12进一步包括一NMOS晶体管MN1，它有在来自于电源11的电源电压VCC和节点N1之间形成的电流通路，并对来自于电源控制器14的控制信号作出响应，控制门的选通。NMOS晶体管MN2在节点N1和接地电压VSS之间形成一电流通路，并对来自于电源控制器14的控制信号作出响应，控制门的选通。电感L1和电阻R1在节点N1和输出端之间串联，该输出端输出转换的DC电压Vcore，且电容C1连接在输出端和接地电压VSS之间。
如上所述，DC/DC转换器12支持更深休眠模式和深度休眠模式。DC/DC转换器12在更深休眠模式下输出比标准电压(例如1.15V～1.05V)更低的电压(例如0.85V)。
图3是示出图1中DC/DC转换器12的基于负载有效性特性的图形。图4是示出便携计算机中通用CPU活动状态的频率的图例。
如图3所示，当负载量少于预定值，DC/DC转换器12电源效率是非常低的。就是说，当CPU 20处于低的活动状态例如深度休眠模式或更深休眠模式时，DC/DC转换器12效率很低。当CPU处于低的活动状态，由于各种因素，DC/DC转换器12效率低。首先，电源控制器14的功耗。其次，切换驱动电源到晶体管MN1和MN2。第三，当晶体管MN1和MN2打开时，电源电阻RDSCON的漏电引起的损失。第四，用于电源稳定的反馈传感电阻R1引起的损失。
另外，如图4所示，CPU 20通常处于低的活动状态比高的活动状态更频繁。这可从以下事实中理解，当用户使用计算机系统执行特定任务时，用户键盘输入、移动鼠标或读取显示器上显示的信息比CPU工作时间更长。
如上所述，在相关技术中有寻找新的电源方案的需求，使得甚至当CPU20处于低的活动状态时效率也不会减低。在此通过参考包括上述参考资料，它们适合于附加或可供选择细节、特征和/或技术背景的恰当示教内容。
发明内容
本发明的目标是至少解决上述问题和/或缺点，并提供至少以下所描述的优点。
本发明的另一个目标是为CPU提供电源，当CPU处于低的活动状态、低的负载状态或两者都存在时，能提高电源效率。
本发明的另一个目标是为CPU提供一电源，它能减少或防止效率降低。
本发明的另一个目标是为CPU提供一电源，它能降低CPU功率消耗，并延长电池寿命。
本发明的另一个目标是为CPU提供一电源，它能接收电源电压和降低了的电源电压。
本发明的另一个目标是为CPU提供一电源，它使用一个电源，该电源具有第一电源电路(该电路提供第一级CPU电源电压)和第二电源电路(该电路提供第二个较低节点平的CPU电源电压)。
依照本发明的一个方面，提供了一种用于中央处理器的电源。所述电源包括：
第一装置，用于当所述中央处理器在第一活动模式时，将第一电平电压提供给所述中央处理器；以及
第二装置，用于当所述中央处理器在第二活动模式时，将第二电平电压提供给所述中央处理器，
其中，所述第一活动模式是高活动模式，所述第二活动模式是低活动模式，所述第二电平低于所述第一电平，并且所述高活动模式是高级配置和电源接口所定义的C0，C1和C2状态，所述低活动模式是高级配置和电源接口所定义的C3状态或已降低的电压馈送状态。
依照本发明的另一方面，提供了一种便携计算机。所述计算机包括：中央处理器；和
电源电路，将电源提供给所述中央处理器，其中所述电源电路包括：电源，用于输出第一和第二参考电压；
第一电压馈送装置，它耦合到所述电源，用于接收所述第一参考电压，并在所述中央处理器的第一活动状态下将电源电压输出到所述中央处理器，以及
第二电压馈送装置，用于接收所述第二参考电压，并在所述中央处理器的第二活动状态下将电源电压输出到所述中央处理器，
其中，所述第一活动状态是高活动模式，第二活动状态是低级活动模式，并且所述高活动模式是高级配置和电源接口所定义的C0，C1和C2状态，所述低活动模式是高级配置和电源接口所定义的C3状态或已降低的电压馈送状态。
依照本发明的再一个方面，提供了一种将电源提供给便携装置中的中央处理器的方法。所述方法包括：
确定中央处理器工作在第一模式还是工作在比第一模式功耗更少的第二模式；
分别在所述第一和第二模式下提供第一和第二参考电压；
在第一模式下，对所述第一参考电压作出响应，将第一电源电压提供给所述中央处理器；
在第二模式下，对所述第二参考电压作出响应，将第二电源电压提供给所述中央处理器，
其中，第一模式是高活动模式，第二模式是低活动模式，所述第一电源电压比第二电源电压高，并且所述高活动模式是高级配置和电源接口所定义的C0，C1和C2状态，所述低活动模式是高级配置和电源接口所定义的C3状态或已降低的电压馈送状态。
以下的描述中会部分地提出本发明的其他优点、目标和特征，对那些具有本领域熟练技术的人员来说依据下述实验和本发明的实践能够明白和理解本发明的其他优点、目标和特征。
附图说明
参考下列附图，将详细描述本发明，其中相同的参考数字表示相同的元件，其中：
图1是示出提供电源电压到计算机的CPU的已有技术系统的方框图；
图2是示出图1的DC/DC转换器的例子的电路图；
图3是示出图1的DC/DC转换器的基于负载效率特性曲线的图；
图4是示出通用CPU的活动状态的频率的图例；
图5是按照本发明具有用于CPU的电源的计算机系统的较佳实现例的方框图；
图6是示出图5用于CPU的电源的较佳实现例的方框图；
图7是示出图6的LDO调整电路的基于负载效率特性的图；以及
图8是示出图6的CPU电源的基于负载效率特性的图；
具体实施方式
图5是示出具有按照本发明较佳实现例的用于CPU的电源的计算机系统的电路构造的方框图。如图5所示，计算机系统100包括耦合到总线131的中央处理器(CPU)110，以控制所有的系统操作，处理视频信号的视频控制器111，可以包括视频芯片组，以及存储器113用以储存各种程序和数据。北桥控制器112耦合到视频控制器111和存储器113，并提供总线131和周边元件扩展接口(PCI)总线132之间的接口，和南桥控制器116。南桥控制器最好驱动外围装置，例如硬盘驱动器114和CDROM驱动器115，并提供PCI总线132和工业标准结构(ISA)总线133之间的接口。计算机系统100最好进一步包括高级输入/输出(I/O)控制器119，来控制输入装置，例如键盘120和鼠标121，基本的输入/输出系统(BIOS)ROM118，它用以储存设置计算机系统100的输入/输出环境的数据和程序，以及电源模块140，用以提供计算机系统100所需的电源。在图5所示的较佳实现例，南桥控制器116最好适用于输出关于CPU的当前功率状态的信息信号(例如，DEEPSLEEP，DEEPERSLEEP等)。不过，本发明并不局限于此。
功率状态信息信号DEEPERSLEEP最好是1.5V CMOS电平信号，当它电平值为低时，表明CPU已进入更深休眠模式。在更深休眠模式，降低了的或最小电平电压必须用作CPU的核心电压。
电源模块140包括主电源160，用来将来自于AC适配器162或电池161的DC电压转换成计算机100所需的各种DC电压(5V，3.3V，1.35V，1,2V等)，并将已转换的电压提供到计算机系统100。CPU电源150将来自于主电源160的电源转换成CPU 110适用的电源，并将转换的电源提供到CPU 110。如图5所示，主电源160输出VCC电压(例如3.3V)和已降低的电压或者负载下降(LDO)电压(例如1.2V)。参考图6现在将详细描述CPU电源150的结构和操作。
图6是示出按照本发明的电源模块的较佳实现例的方框图。如图所示，图6的电源模块的较佳实现例可以用作电源模块140。不过，本发明并不局限于此。如图6所示，CPU电源150包括DC/DC转换器151和低下降(LDO)调整电路152。DC/DC转换器151在结构上与图2中DC/DC转换器12相似，但是操作上与DC/DC转换器12不同。所以，这儿省去了详细的结构的描述，而现在将描述操作。从南桥控制器116输出的CPU的功率状态信息信号DEEPERSLEEP最好由反向器INV1反向，然后输入到DC/DC转换器151的启动端EN。如果反向器INV1的输出信号是高电平(在这种情况下，因为信息信号DEEPERSLEEP是低电平)，DC/DC转换器151将来自于主电源160的DC电压VCC(例如3.3V)转换成标准DC电压(例如，1.15～1.05V)，并将转换的标准电压作为工作电压Vcore输出到CPU 110。不过，当反向器INV1的输出信号是低电平(例如，信息信号DEEPERSLEEP是高电平)，DC/DC转换器151最好不执行DC/DC转换操作。
LDO调整电路152有输入端IN，用来接收输出电压VLDO，例如，来自于主电源160的1.2V，关闭输入端/SHDN和输出端OUT。关闭输入端/SHDN最好接收来自于南桥控制器116的信息信号DEEPERSLEEP或类似信号。LDO调整电路152可以用例如LT1764系列“3A快速瞬时响应低噪声LDO调整器”实现，它可以从LINEAR TECHNOLOGY公司获得。不过，本发明并不局限于此。
当通过关闭输入端/SHDN输入的功率状态信息信号DEEPERSLEEP是高电平，LDO调整电路152将来自于主电源160的DC电压VLDO(例如1.2V)转换成降低了的或低电压(例如0.85V)，并将转换好的低电压作为CPU 110的工作电压Vcore。或者，如果信息信号DEEPERSLEEP是低电平，LDO调整电路52最好关闭它的输出，也不执行DC电压调整。
换句话说，DC/DC转换器151接收第一输入电压VCC(例如3.3V)并将1.15到1.05V的标准电压作为工作电压Vcore提供给CPU 110，而LDO调整电路152接收第二输入电压VLDO(例如1.2V)，并提供0.85V的降低了的电压作为工作电压Vcore。最好，根据来自南桥控制器16的CPU功率状态信息信号DEEPERSLEEP，DC/DC转换器151或LDO调整电路152将工作电压Vcore提供给CPU 110。DC/DC转换器151或LDO调整电路152中的另一个最好失效。
另一方面，CPU很典型地分类成标准电压模式型和低压模式型。标准电压型的CPU有范围从1.4V(AC适配器方式)到1.15V(电池方式)的工作电压，低电压模式型的CPU有范围从1.15V(AC适配器方式)到1.05V(电池方式)的工作电压。
现在将描述把工作电压提供给标准电压模式和低压模式各种类型的CPU的方法的较佳实现例。将参考图5-6对该方法的较佳实施例进行描述。
在C4状态中(例如，DEEPERSLEEP状态)，CPU的两种型式最好都提供0.85V。一旦通电，在电池方式，如图6所示，电压识别(VID)数据[4：0]从CPU通过多路复用器(Mux)170输入到DC/DC转换器151中的VID比较器(未显示)。
DC/DC转换器有将VID与VDAC电压相联系的数据。VID比较器最好将输入VID数据[4：0]与储存在DC/DC转换器的(VIS)数据相比较，并将VDAC作为比较的结果输出。一旦接通电源，在电池模式，VID数据[4：0]是01110。
当CPU在ACPI C0-C3状态中的任意一个时，VID数据[4：0]也是01110，所以，使得1.05V的VDAC是作为来自于DC/DC转换器151的CPU的工作电压来提供的。
另一方面，一旦在AC适配器方式中通电，系统BIOS首先将南桥中的GPIO寄存器或VID[4：0]设置到01100，然后将Mux 170切换到南桥GPIO寄存器的输出，这样，当在电池模式时，DC/DC转换器151中的VID比较器输出1.15V的VDAC。在AC适配器方式，当CPU处于C0-C3中任一状态时也用DC/DC转换器为CPU提供1.15V的电源。
在AC适配器状态或电池状态，南桥或功率管理装置可以确定系统活动，并作为确认的结果输出更深休眠信号。如图6所示，反向器INV1将更深休眠信号反向，然后加到DC/DC转换器151的使能端EN。这样，当输入“高”到LDO调整电路152的内部关闭端时，DC/DC转换器151输出停止。
如果“低”输入到关闭端，LDO调整电路152关闭它的输出，而如果“高”输入到关闭端/SHDN，则提供输出。当CPU在低的负载状态时，DC/DC转换器151效率突然降低，引起功耗增加。不过，当CPU在低的负载状态和当在高的负载状态时，LDO调整电路152都表现出优异的效率特性。这样，如果更深休眠信号输入表明CPU在C4状态，或者在低的负载状态，最好使用LDO调整电路输出152(0.85V)。结果，降低了功耗。
LDO调整电路输入最好约1.2V以提供0.85V的LDO调整电路输出。另外，DC/DC转换器和LDO调整电路可以设计在一个或二个芯片解决方案或电路中。
图7是示出图6的LDO调整电路152的基于负载特性的图，而图8是示出图6的CPU电源150的基于负载效率特性的图。如图7所示，当CPU 110在高的活动状态或者低的活动状态时，LDO调整电路152最好总有相同的近似的高效率。不过，如图3所示，当CPU 110在低的活动状态时，DC/DC转换器151效率很低，但当CPU 110在高的活动状态时，DC/DC转换器151效率效率相对较高。
因此，当CPU 110在低活动状态(例如，ACPI的C3状态(深度休眠状态)，更深休眠状态或类似状态)，LDO调整电路152工作，当CPU 110在高活动状态(例如，ACPI的C0，C1或C2状态)，DC/DC转换器151工作，这使得CPU电源150展示优良的效率特性，例如，如图8所示。这样，当CPU处在低的活动状态或低的负载状态时，DC/支流转换器效率低，它消耗的功率量也减少或消除以延长整个系统电池寿命。
尽管揭示LDO调整电路152通常仅在CPU 110的更深休眠状态下工作，本领域的熟练技术人员知道可以将它修改以在其它的方式例如在CPU 110的深度休眠状态或C3状态工作。
正如以上所述，电源装置和用于个人电脑的方法的较佳实现例有各种优点。按照本发明的较佳实现例为CPU提供一电源，其中LDO调整电路工作在CPU的低活动方式下，以防止功率效率下降，以降低系统功率消耗并延长电池的使用寿命。
上述的实现例和优点仅仅是示范性的，并不是作为限制本发明来构造的。目前的论述可以很容易地适用于其它类型的装置。本方面的描述是说明性的，并不限制权利专利范围。对于本领域的熟练技术人员来说，许多改变、修改和变化是显而易见的。在权利要求中，当执行所引用的功能，方法加上功能的条款是打算包括此处描述的结构，并且不仅是结构上的等价物，而且还有等价的结构。

Claims (17)

1.一种用于中央处理器的电源，其特征在于，所述电源包括：
第一装置，用于当所述中央处理器在第一活动模式时，将第一电平电压提供给所述中央处理器；以及
第二装置，用于当所述中央处理器在第二活动模式时，将第二电平电压提供给所述中央处理器，
其中，所述第一活动模式是高活动模式，所述第二活动模式是低活动模式，所述第二电平低于所述第一电平，并且所述高活动模式是高级配置和电源接口所定义的C0，C1和C2状态，所述低活动模式是高级配置和电源接口所定义的C3状态或已降低的电压馈送状态。
2.如权利要求1所述的电源，其特征在于，所述低活动模式包括深度休眠状态。
3.如权利要求1所述的电源，其特征在于，所述低活动模式包括更深休眠状态。
4.如权利要求1所述的电源，其特征在于，所述第一和第二装置配置在一个芯片中。
5.如权利要求1所述的电源，其特征在于，进一步包括用于确定所述中央处理器是在所述第一还是第二活动模式，并将一控制信号作为所述确定结果输出到所述第一和第二装置的装置。
6.如权利要求5所述的电源，其特征在于，所述第一和第二装置对所述的控制信号作出响应来工作。
7.如权利要求1所述的电源，其特征在于，如果所述第一装置在所述中央处理器处于第二活动模式时工作，那么所述第一装置的效率低于所述第二装置在所述中央处理器处于第二活动模式时工作的效率。
8.一种便携计算机，其特征在于，所述计算机包括：
中央处理器；和
电源电路，其将电源提供给所述中央处理器，其中所述电源电路包括：
电源，用于输出第一和第二参考电压；
第一电压馈送装置，它耦合到所述电源，用于接收所述第一参考电压，并在所述中央处理器的第一活动状态下将电源电压输出到所述中央处理器，以及
第二电压馈送装置，用于接收所述第二参考电压，并在所述中央处理器的第二活动状态下将电源电压输出到所述中央处理器，
其中，所述第一活动状态是高活动模式，第二活动状态是低级活动模式，并且所述高活动模式是高级配置和电源接口所定义的C0，C1和C2状态，所述低活动模式是高级配置和电源接口所定义的C3状态或已降低的电压馈送状态。
9.如权利要求8所述的便携计算机，其特征在于，提供到所述中央处理器的电源电压在所述第一活动状态中为第一电平，在所述第二活动状态中为较低的第二电平。
10.如权利要求9所述的便携计算机，其特征在于，所述第一电平是1.05V或1.15V，而所述第二电平是0.85V。
11.如权利要求8所述的便携计算机，其特征在于，所述电源耦合到AC适配器和电池中的一个。
12.如权利要求8所述的便携计算机，其特征在于，所述低活动模式包括更深休眠状态。
13.如权利要求8所述的便携计算机，其特征在于，所述第一和第二电压馈送装置构造在一块芯片中。
14.如权利要求8所述的便携计算机，其特征在于，进一步包括控制器，用于确定所述中央处理器是在所述第一还是第二活动状态，并将一控制信号作为所述确定结果输出到第一和第二电压馈送装置，并且所述第一和第二电压馈送装置中仅有一个装置响应所述控制信号来工作，而所述第一和第二电压馈送装置中的另一个装置失效。
15.一种将电源提供给便携装置中的中央处理器的方法，其特征在于，所述方法包括：
确定中央处理器工作在第一模式还是工作在比第一模式功耗更少的第二模式；
分别在所述第一和第二模式下提供第一和第二参考电压；
在第一模式下，对所述第一参考电压作出响应，将第一电源电压提供给所述中央处理器；
在第二模式下，对所述第二参考电压作出响应，将第二电源电压提供给所述中央处理器，
其中，第一模式是高活动模式，第二模式是低活动模式，所述第一电源电压比第二电源电压高，并且所述高活动模式是高级配置和电源接口所定义的C0，C1和C2状态，所述低活动模式是高级配置和电源接口所定义的C3状态或已降低的电压馈送状态。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，提供所述第一电源电压是由第一发电电路完成的，而提供所述第二电源电压是由第二发电电路完成的。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，在第一模式下，所述第二发电电路失效，而在第二模式下，第一发电电路无效。
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