DE102010019711B4

DE102010019711B4 - Schaltungsanordnung zur Spannungsversorgung, Computersystem, Verfahren zum automatischen Konfigurieren eines mehrphasigen Spannungswandlers und Computerprogrammprodukt

Info

Publication number: DE102010019711B4
Application number: DE102010019711A
Authority: DE
Inventors: Thorsten Zießler; Nikola Skordev
Original assignee: Fujitsu Technology Solutions Intellectual Property GmbH
Current assignee: Fujitsu Technology Solutions Intellectual Property GmbH
Priority date: 2010-05-07
Filing date: 2010-05-07
Publication date: 2012-03-01
Anticipated expiration: 2030-05-08
Also published as: DE102010019711A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung (200) zur Spannungsversorgung einer digitalen Schaltung mit wenigstens einem Prozessor (220). Die Schaltungsanordnung weist eine Mehrzahl von Spannungsreglern zur Regelung der Ausgangsspannung, eine Erk der digitalen Schaltung und eine Steuerschaltung zum Ansteuern der Mehrzahl der Spannungsregler durg ist dazu eingerichtet, in Abhängigkeit des erkannten Systemausbaus eine Anzahl von aktiven Phasen zu bestimmen, die den aktiven Phasen zugeordneten Spannungsregler zu aktivieren sowie wenigstens einen Parameter der Schaltungsanordnung (200) in Abhängigkeit der Anzahl der aktiven Phasen zu konfigurieren. Die Erfindung betrifft außerdem ein Computersystem, ein Verfahren zum automatischen Konfigurieren eines mehrphasigen Spannungswandlers sowie ein Computerprogrammprodukt, die zur Verwendung mit einer derartigen Schaltungsanordnung geeignet sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Spannungsversorgung einer digitalen Schaltung mit wenigstens einem Prozessor. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Computersystem, aufweisend eine derartige Schaltungsanordnung, ein Konfigurationsverfahren für eine derartige Vorrichtung sowie ein Computerprogrammprodukt zum Durchführen des Verfahrens.
Um die Verlustleistung moderner, leistungsstarker Prozessoren möglichst gering zu halten und gleichzeitig eine immer weitergehende Miniaturisierung der darin enthaltenen digitalen Schaltungen zu ermöglichen, werden Prozessoren mit einer verhältnismäßig geringen Betriebsspannung, typischerweise im Bereich zwischen 1 V und 2,5 V, versorgt. Derartige Betriebsspannungen stehen auf einer Systemplatine nicht unmittelbar zur Verfügung, sondern werden durch Schaltungsanordnungen zur Spannungsversorgung aus einer eingangsseitigen Gleichspannung von beispielsweise 12 V mittels so genannter DC-DC-Wandler erzeugt.
Um die Leistungsaufnahme aktueller Prozessoren sicherzustellen, ist dabei ein Betriebsstrom im Bereich zwischen 5 A und 150 A notwendig. Derart hohe Ströme werden in der Regel durch eine Mehrzahl von Spannungsreglern, die zeitlich versetzt zueinander betrieben werden, bereitgestellt. Dies besitzt den Vorteil, dass die zum Stabilisieren der Ausgangsspannung erforderlichen Kapazitäten gering gehalten werden können, und reduziert somit sowohl die Bauteilkosten als auch den für ihre Anordnung benötigten Platz auf der Systemplatine. Derartige Schaltungsanordnungen werden nachfolgend auch als mehrphasige Spannungswandler, die pro Phase eingesetzten Schaltungen als Spannungsregler bezeichnet.
Mehrphasige Spannungswandler unterschiedlichen Typs sind aus dem Stand der Technik bekannt. In Verbindung mit ihrem Einsatz in Computersystemen, insbesondere modular aufgebauten Servercomputern, deren Leistungsaufnahme über einen verhältnismäßig großen Bereich variieren kann, besteht jedoch das Problem, dass die Verwendung eines mehrphasigen Spannungswandlers bei Bereitstellung einer nur geringen Ausgangsleistung die Effektivität der Schaltungsanordnung insgesamt reduziert. Wird beispielsweise ein sechsphasiger Spannungswandler eingesetzt, der pro Phase einen mittleren Betriebsstrom von 30 A bereitstellen kann, ist das Computersystem jedoch nur mit einem von einer Vielzahl möglicher Prozessoren bzw. Speichereinheiten ausgerüstet, sodass sich eine maximale Stromaufnahme von nur etwa 50 A ergibt, ist die Verwendung des sechsphasigen Spannungswandlers ineffizient.
Aus der US 2009/0179619 A1 ist eine Schaltungsanordnung für einen mehrphasigen Spannungswandler bekannt, bei der die Effizienz des Spannungswandlers durch Hinzufügen, Weglassen oder Beibehalten einer gegenwärtig aktiven Anzahl von Phasen des mehrphasigen Spannungswandlers basierend auf einer Ausgangsspannung, einem Ausgangsstrom und einer Eingangsspannung bestimmt wird. Nachteilig an der offenbarten Schaltungsanordnung ist es jedoch, dass sich diese nicht zum Einsatz mit modernen Prozessoren eignet, da die Prozessoren ihrerseits sehr hohe Anforderungen an die Ausgangskennwerte der Spannungswandler stellen und bei einem Abweichen von diesen Kennwerten möglicherweise einen Fehler verursachen.
Aus der DE 11 2004 000 209 T5 ist ein mehrphasiger Abwärtswandler mit programmierbarer Phasenauswahl bekannt. Der Abwärtswandler weist eine Vielzahl von Ausgangsschalteinrichtungen auf, die jeweilige mit einer Ausgangskapazität verbundene Ausgangsdrosseln besitzen, wobei die Schalteinrichtungen. steuerbar sind, jeweilige Phasenausgangsströme an der Ausgangskapazität durch die jeweiligen Ausgangsdrosseln bereitzustellen. Die Ausgangsschalteinrichtungen sind durch Phasenausgangseinrichtungen abschaltbar, falls ein Signal, das einen Ausgangsstrom des Abwärtswandlers abbildet, unter ein jeweils programmierbares Schwellwertsignal fällt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Schaltungsanordnung der oben genannten Art zu beschreiben, die sich insbesondere zum Einsatz mit digitalen Schaltungen mit wenigstens einem Prozessor eignen, wobei insbesondere von Seiten der Prozessorhersteller vorgegebene Randbedingungen berücksichtigt werden sollen. Darüber hinaus soll ein Computersystem, ein Verfahren zum automatischen Konfigurieren eines mehrphasigen Spannungswandlers sowie ein Computerprogrammprodukt beschrieben werden, die sich zur Verwendung mit einer derartigen Schaltungsanordnung eignen.
Die oben genannte Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung zur Spannungsversorgung einer digitalen Schaltung mit wenigstens einem Prozessor gelöst, die eine Mehrzahl von Spannungsreglern zur Regelung der Ausgangsspannung, eine Erkennungsschaltung zum Erkennen eines Systemausbaus der digitalen Schaltung und eine Steuerschaltung zum Ansteuern der Mehrzahl der Spannungsregler durch geeignete Steuersignale umfasst. Dabei ist die Steuerschaltung dazu eingerichtet, in Abhängigkeit einer maximalen Leistungsaufnahme des erkannten Systemausbaus eine Anzahl von aktiven Phasen zu bestimmen, die den aktiven Phasen zugeordneten Spannungsregler zu aktivieren und die nicht den aktiven Phasen zugeordneten Spannungsregler zu deaktivieren. Des Weiteren ist die Steuerschaltung dazu eingerichtet, wenigstens einen Parameter der Schaltungsanordnung in Abhängigkeit der Anzahl der aktiven Phasen zu konfigurieren, der wenigstens eine der folgenden elektrischen Größen der Schaltungsanordnung betrifft: eine Lastkennlinie, eine Regelkreiskompensation und/oder ein Überwachungssignal zur Angabe des aktuellen Ausgangsstroms.
Die oben genannte Schaltungsanordnung konfiguriert sich im Wesentlichen automatisch, um eine bestmögliche Effizienz der Schaltungsanordnung zu erreichen. Hierzu werden insbesondere die folgenden drei Schritte durch die Komponenten der Schaltungsanordnung durchgeführt. Zunächst wird die Konfiguration der digitalen Schaltung bestimmt, die durch die Schaltungsanordnung mit einer Betriebsspannung versorgt wird. Ausgehend von der Konfiguration der digitalen Schaltung wird dann durch die Steuerschaltung eine Anzahl von aktiven Phasen bestimmt, die zur effizienten Versorgung der digitalen Schaltung erforderlich ist. Um den effizienten und korrekten Betrieb der Schaltungsanordnung sicherzustellen, wird die Schaltungsanordnungen nachfolgend durch die Steuerschaltungen so konfiguriert, dass eine gewünschte Lastkennlinie, eine Regelkreiskompensation und/oder ein Überwachungssignal zur Angabe des aktuellen Ausgangsstroms die von der digitalen Schaltung erwarteten Werte bei Verwendung der berechneten Anzahl von aktiven Phasen einhält.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Steuerschaltung dazu eingerichtet, wenigstens einen Koeffizienten zur Ansteuerung der Mehrzahl der Spannungsregler in Abhängigkeit der Phasenanzahl so zu ändern, dass die Lastkennlinie, die Regelkreiskompensation und/oder das Überwachungssignal der Schaltungsanordnung bei geänderter Phasenzahl konstant gehalten wird. Durch die oben genannte Weiterbildung wird die Konfiguration der Schaltungsanordnung transparent für die durch sie versorgte digitale Schaltung. Insbesondere ist für einen Prozessor nicht zu erkennen, wie viele der Mehrzahl von Spannungsreglern durch die Schaltungsanordnung zur Bereitstellung der Betriebsspannung verwendet werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Steuerschaltung wenigstens einen Mikrocontroller, der dazu eingerichtet ist, ein Computerprogramm zur Konfiguration der Schaltungsanordnung auszuführen. Durch Verwendung eines durch einen Mikrocontroller ausgeführten Computerprogramms kann die Konfiguration der Schaltungsanordnung besonders flexibel durchgeführt werden. Insbesondere ist eine nachträgliche Anpassung der Schaltungsanordnung an neuere Prozessortypen oder anderen Komponenten möglich.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die Steuerschaltung wenigstens einen digitalen Steuerbaustein mit wenigstens einem Register zum Konfigurieren der Schaltungsanordnung auf. Die Verwendung eines oder mehrerer digitaler Steuerbausteine zur Ansteuerung der Mehrzahl von Spannungsreglern ermöglicht eine einfache und effiziente Konfiguration der Schaltungsanordnung durch Setzen der Registerwerte.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Erkennungsschaltung dazu eingerichtet, eine Änderung des Systemausbaus zu erkennen. Des Weiteren ist die Steuerschaltung dazu eingerichtet, die Schaltungsanordnung bei Erkennung einer Änderung des Systemausbaus neu zu konfigurieren. Durch Überwachen des Systemausbaus der digitalen Schaltung auf eine Änderung kann eine Konfiguration immer dann vorgenommen werden, wenn sich der Systemausbau und damit die maximale Leistungsaufnahme der digitalen Schaltung geändert hat.
Die oben genannte Aufgabe wird ebenso gelöst durch ein Computersystem, umfassend wenigstens ein Netzteil zum Erzeugen wenigstens einer ersten Gleichspannung zum Betrieb des Computersystems, wenigstens eine Systemplatine mit wenigstens einem Prozessor und wenigstens einer Speichereinheit und einer Schaltungsanordnung gemäß einer der oben genannten Ausgestaltungen. Die Schaltungsanordnung ist dazu eingerichtet, die wenigstens eine ersten Gleichspannung des Netzteils in wenigstens eine zweite Gleichspannung zur Versorgung des wenigstens einen Prozessors und/oder der wenigstens einen Speichereinheit umzuwandeln.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Systemplatine des Weiteren einen von dem Prozessor unabhängig betreibbaren Mikrocontroller auf, z. B. einen Baseboard Management Controller, der zur Ausführung von Programmcodes zur Konfiguration der Schaltungsanordnung eingerichtet ist. Durch Verwendung eines von dem Prozessor unabhängig betreibbaren Mikrocontrollers kann die Konfiguration des Spannungswandlers unabhängig von und gegebenenfalls schon vor der vollständigen Aktivierung des Prozessors vorgenommen werden.
Die Aufgabe wird des Weiteren durch ein Verfahren zum automatischen Konfigurieren eines mehrphasigen Spannungswandlers gelöst. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:

– Erkennen eines Systemausbaus einer digitalen Schaltung,
– Bestimmen einer maximalen Leistungsaufnahme der digitalen Schaltung mit dem erkannten Systemausbau,
– Bestimmen einer Anzahl von Phasen zur effizienten Spannungsversorgung der digitalen Schaltung in Abhängigkeit der bestimmten maximalen Leistungsaufnahme des Systemausbaus und
– Konfigurieren wenigstens eines Parameters des mehrphasigen Spannungswandlers in Abhängigkeit der bestimmten Phasenanzahl, der wenigstens eine der folgenden elektrischen Größen des Spannungswandlers betrifft: eine Lastkennlinie, eine Regelkreiskompensation und/oder ein Überwachungssignal zur Angabe des aktuellen Ausgangsstroms.

Die oben genannte Aufgabe wird schließlich durch ein Computerprogrammprodukt, umfassend Programmcode zum Durchführen eines derartigen Verfahrens gelöst, wenn der Programmcode auf wenigstens einem Mikrocontroller ausgeführt wird.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in der nachfolgenden detaillierten Beschreibung von Ausführungsbeispielen sowie in den Patentansprüchen offenbart.
Die Erfindung wird nachfolgend auf Grundlage von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf Figuren näher erläutert. In den Figuren zeigen:
1 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Wählen und Einstellen einer Anzahl von Phasen eines mehrphasigen Spannungswandlers,
2 eine schematische Darstellung eines Computersystems mit einer Schaltungsanordnung zur Spannungsversorgung,
3 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum automatischen Konfigurieren eines mehrphasigen Spannungswandlers und
4 ein Diagramm, das den Wirkungsgrad eines mehrphasigen Spannungswandlers in Abhängigkeit des Ausgabestroms darstellt.
1 zeigt ein Ablaufdiagramm für den Betrieb einer Schaltungsanordnung zur Spannungsversorgung einer digitalen Schaltung.
In einem ersten Schritt 110 wird der Systemausbau überprüft. Beispielsweise wird bei einer Systemplatine eines Computersystems überprüft, wie viele und welche Art von Prozessoren auf der Systemplatine angeordnet sind und wie viele und welche Art von Speichereinheiten in dem Computersystem vorhanden sind. Bei den Speichereinheiten kann es sich beispielsweise um in Speicherbänke eingesteckte Speichermodule, direkt auf eine Systemplatine aufgelötete Speicherchips oder in andere Komponenten integrierte Speichervorrichtungen handeln. Selbstverständlich kann auch das Vorhandensein oder die Art weiterer Komponenten im Schritt 110 bestimmt werden. Beispiele hierfür sind in die Systemplatine eingesteckte Erweiterungskarten oder auf der Systemplatine angeordnete zusätzliche Komponenten des Computersystems.
Der Schritt 110 wird im Falle von Computersystemen beispielsweise durch das Basic Input/Output System, abgekürzt BIOS, beim Einschalten des Computersystems durchgeführt. So umfasst ein Programm-Baustein einen BIOS-Programmcode zum Starten des Computersystems, der beim Anlegen einer Versorgungsspannung durch einen Prozessor oder anderen Mikrocontroller ausgeführt wird. Das Überprüfen des Systemausbaus in Schritt 110 wird bei gängigen Computersystemen im Rahmen des so genannten Power-On Self-Test, abgekürzt POST, durchgeführt.
Ist eine Spannungsversorgung des Prozessors zu diesem Zeitpunkt bereits erforderlich, die genaue Konfiguration des Computersystems aber noch nicht bekannt, wird die Schaltungsanordnung zunächst in einer Konfiguration für eine maximale Ausgangsleistung betrieben. Insbesondere werden sämtliche Spannungsregler eines mehrphasigen Spannungswandlers zunächst aktiviert.
Im Schritt 112 wird überprüft, ob sich der Systemausbau geändert hat. Hierzu wird im Ausführungsbeispiel eine anhand der im Schritt 110 ermittelten Komponenten berechnete Prüfsumme mit einer vorherigen Prüfsumme von einem früheren Systemstart verglichen. Hat sich die Prüfsumme geändert, beispielsweise, weil zusätzliche Speichereinheiten in dem Computersystem installiert wurden, wird das Verfahren im Schritt 120 fortgesetzt. Anderenfalls, d. h. wenn keine Änderung des Systemausbaus vorgenommen wurde, ist eine Neukonfiguration der Schaltungsanordnung nicht erforderlich und das Verfahren endet.
Im Schritt 120 wird die maximale Leistungsaufnahme der Schaltungsanordnung mit dem erkannten Systemausbau bestimmt. Beispielsweise können die Leistungsaufnahmedaten der einzelnen Komponenten aus geeigneten Registerwerten der individuellen Komponenten direkt abgefragt werden. Alternativ ist es auch möglich, auf Grundlage einer Tabelle mit Gerätekennungen und zugeordneten Leistungsdaten die Leistungsaufnahme der einzelnen Geräte zu bestimmen.
Im Schritt 130 wird überprüft, ob zum Erreichen der berechneten maximalen Leistung alle Phasen einer Schaltungsanordnung mit mehreren Spannungsreglers erforderlich sind. Im in der 1 dargestellten Beispiel handelt es sich bei der Schaltungsanordnung um einen fünfphasigen Spannungswandler, sodass im Schritt 130 überprüft wird, ob der parallele Betrieb aller fünf Spannungsregler erforderlich sind.
Sind alle fünf Phasen erforderlich, wird die Schaltungsanordnung zur Spannungsversorgung in Schritt 132 durch Einstellen der Spannungsregler konfiguriert. Dabei werden geeignete Parameter für einen so genannten Fünf-Phasen-Modus durch eine Steuerschaltung bereitgestellt, die die Lastkennlinie, eine Regelkreiskompensation und ein so genanntes IMON-Überwachungssignal zur Ausgabe des aktuellen Ausgangsstroms der Schaltungsanordnung für einen Fünf-Phasen-Modus betreffen. In dieser Betriebsart werden alle fünf Spannungsregler für einen aktiven Betrieb konfiguriert.
Wurde im Schritt 130 dagegen ermittelt, dass nicht fünf Phasen notwendig sind, wird im Schritt 140 überprüft, ob vier Phasen zum Betrieb der Schaltungsanordnung erforderlich sind. Ist dies der Fall, wird im Schritt 142 in äquivalenter Weise zum Schritt 132 ein so genannter Vier-Phasen-Modus konfiguriert, wobei Parameter des Spannungsreglers, der für den Betrieb der Schaltungsanordnung nicht benötigt wird, selbstverständlich auch nicht konfiguriert werden müssen. Stattdessen wird beispielsweise ein Steuerregister des Spannungsreglers deaktivieret, so dass ein Aktivierungssignal für den entsprechenden Kanal zurückgenommen oder erst gar nicht erzeugt wird.
Werden auch keine vier Phasen zur Versorgung der digitalen Schaltung benötigt, wird im Schritt 150 überprüft, ob drei Phasen zum Betrieb erforderlich sind. Ist dies der Fall, wird in Schritt 152 in äquivalenter Weise zu den Schritten 132 und 142 ein so genannter Drei-Phasen-Modus eingestellt.
Sind zum Betrieb der digitalen Schaltung auch nicht drei Phasen erforderlich, wird im Schritt 160 überprüft, ob zwei Phasen der Schaltungsanordnung zur Stromversorgung der digitalen Schaltung benötigt werden. Ist dies der Fall, werden im Schritt 162 in äquivalenter Weise geeignete Parameterwerte für einen so genannten Zwei-Phasen-Modus eingestellt. Anderenfalls werden im Schritt 172 geeignete Parameterwerte zum Betrieb der Schaltungsanordnung mit nur einem einzelnen Spannungsregler eingestellt.
In einem nachfolgenden Schritt 180 werden sämtliche Spannungsregler des Schaltungsanordnung aus- und nachfolgend nur diejenigen Spannungsregler wieder eingeschaltet, die zum Betrieb der Schaltungsanordnung zur Spannungsversorgung der digitalen Schaltung benötigt werden. Das heißt, dass in Abhängigkeit des gewählten Modus zwischen einem und fünf der Spannungsregler des fünfphasigen Spannungswandlers im Schritt 180 aktiviert werden, beispielsweise durch Aktivieren eines geeigneten Steuersignals.
Nachfolgend wird die Schaltungsanordnung in der ermittelten Konfiguration betrieben und das Computersystem geht in einen Normalbetriebszustand über.
2 zeigt einen beispielhaften Aufbau einer Schaltungsanordnung zur Spannungsversorgung einer digitalen Schaltung.
Die Schaltungsanordnung 200 umfasst einen mehrphasigen Spannungswandler 210. Der Spannungswandler 210 dient unter anderem zur Umwandlung einer Ausgangsspannung V_CC eines in der 2 nicht dargestellten Netzteils in eine Gleichspannung V_REG zur Versorgung der Komponenten 220 oder 240 mit einer Betriebsspannung. Beispielsweise handelt es sich bei der Komponente 220 um einen Prozessor einer Systemplatine und bei der Komponente 240 handelt es sich um ein oder mehrere Speichermodule, die in Speicherbänke der Systemplatine eingesteckt sind. Üblicherweise werden die Komponenten 220 und 240 dabei mit unterschiedlichen Spannungen versorgt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Einfachheit halber nur eine erste Versorgungsleitung für die Komponente 220 dargestellt.
Der Prozessor 220 und die Speichereinheiten 240 sind über einen oder mehrere Speicherbusse miteinander verbunden. Des weiteren ist der Prozessor 220 über einen zusätzlichen Bus mit einem Chipsatz 230 verbunden.
Die Schaltungsanordnung 200 weist im Ausführungsbeispiel des Weiteren einen Programm-Baustein 250 und einen Mikrocontroller 260 auf. Im Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem Programm-Baustein 250 um einen Flash-Speicherbaustein zum Speichern von Programmcode und bei dem Mikrocontroller 260 um einen so genannten Baseboard Management Controller (BMC). In dem Programm-Baustein 250 ist Programmcode zum Starten des Computersystems sowie zum Bereitstellen von Basisoperationen, die von einem nachfolgend gestarteten Betriebssystem angesprochen werden können. Der Mikrocontroller 260 überwacht den Betrieb des Computersystems. Insbesondere überwacht der Mikrocontroller 260, ob ein Fehler in dem Prozessor 220 oder beim Zugriff auf den Speicher 240 aufgetreten ist. Der Mikrocontroller 260 ermöglicht zudem eine Fernwartung des Computersystems und ist dazu mit einer in der 2 nicht dargestellten Netzwerkschnittstelle verbunden. Zur Kommunikation zwischen den einzelnen Systemkomponenten ist im Ausführungsbeispiel ein gesonderter Systemmanagementbus 270 vorgesehen, an den die Komponenten 220, 230, 240, 250 und 260 angeschlossen sind.
Der mehrphasige Spannungswandler 210 umfasst im dargestellten Ausführungsbeispiel einen Steuerbaustein 212 für sechs Spannungsregler, sechs Treiberschaltungen 216a bis 216f sowie sechs Leistungsstufen 218a bis 218f. Der Steuerbaustein 212 ist als digitale Ansteuerschaltung für die Treiberschaltungen 216a bis 216f ausgestaltet und stellt unter anderem sechs, in der 2 nicht dargestellte Aktivierungssignale zum Aktivieren der Treiberschaltungen 216a bis 216f bereit. Darüber hinaus erzeugt der Steuerbaustein 212 sechs unterschiedliche, pulsweitenmodulierte Ansteuersignals PWM1 bis PWM6 zur Ansteuerung der Treiberstufen 216a bis 216f. Die pulsweitenmodulierten Ansteuersignale PWM1 bis PWM6 sind in der Phase zueinander versetzt, sodass über einen vollständigen Phasenumlauf eine gleichmäßige Belastung der Leistungsendstufen 218a bis 218f gewährleistet ist.
Der Steuerbaustein 212 umfasst im dargestellten Ausführungsbeispiel sechs Steuerregister 214a bis 214f, die den einzelnen Treiberschaltungen 216a bis 216f zugeordnet sind. Stattdessen können auch mehrere Steuerregister in Form eines Registersatzes pro Spannungsregler vorgesehen sein. Es können jedoch auch weitere, nicht einzelnen Treiberschaltungen 216 zugeordnete Register oder Registersätze in dem Steuerbaustein 212 vorgesehen sein.
Durch Setzen entsprechender Koeffizienten, insbesondere Verstärkerkoeffizienten zur Ansteuerung der Treiberschaltungen 216a bis 216f wird der mehrphasige Spannungswandler 210 zum Betrieb mit einer bestimmten Anzahl von Phasen konfiguriert. Beispielsweise kann der in der 2 dargestellte mehrphasige Spannungswandler 210 zum Betrieb mit einer, zwei, drei, vier, fünf oder sechs Phasen konfiguriert werden. Je nach Konfiguration werden dann nur eine Untermenge der Spannungsregler des mehrphasigen Spannungswandlers 210 zum Bereitstellen der Betriebsspannung für den Prozessor 220 oder den Speicher 240 verwendet.
Um den gewünschten effizienten Betrieb der Schaltungsanordnung 200 sicherzustellen, wird, wie oben beschrieben, zunächst der Systemausbau des Computersystems bestimmt. Dies wird im dargestellten Ausführungsbeispiel durch Bestimmung der verwendeten Komponenten durch im Programm-Baustein 250 gespeicherte Software zum Starten des Computersystems durchgeführt. Geeignete Daten, wie beispielsweise die so genannte CPU ID des Prozessors 220 oder SPD-Daten der Speichereinheiten 240 werden über den System Management Bus 270 ausgelesen.
Ergibt sich im Verlauf der so genannten POST-Phase eine Änderung der Systemkonfiguration gegenüber einer zuvor erkannten Systemkonfiguration, wird dies, beispielsweise über den System Management Bus 270, an den Mikrocontroller 260 signalisiert. Der Mikrocontroller 260 führt daraufhin weiteren Programmcode durch einen internen Mikrocontroller aus, der den mehrphasigen Spannungswandler 210 durch Setzen der entsprechenden Registerwerte 214a bis 214f entsprechend dem Ablaufdiagramm nach 1 konfiguriert. Hierbei muss insbesondere auf die Spezifikation des jeweils verwendeten Prozessors 220 Rücksicht genommen werden.
Um zum Beispiel die strenge Intel-Spezifikation für die Spannungsversorgung von Prozessoren zu erfüllen, werden bei der Phasen Ab- bzw. Zuschaltung gleichzeitig einige wichtige elektrische Parameter des Spannungswandlers 210 angepasst, insbesondere:

– Anpassung einer Lastkennlinie des Spannungswandlers (englisch: Loadline) – Hierunter versteht man, dass die Ausgangspannung laut Intel Spezifikation z. B. mit 0,8 mV pro 1 A Ausgangsstrom absinkt. Dies entspricht einer Lastkennlinie von 0,8 mΩ. Die Lastkennlinie ändert sich in der Regel umgekehrt proportional zu der Phasenanzahl.
– Anpassung einer Regelkreiskompensation (englisch: Feedback Loop Compensation) – Jeder Spannungsregler stellt aus Sicht der Regelungstechnik eine geschlossene Regelschleife dar, die stets stabil sein muss. Um diese Anforderung zu erfüllen wird eine so genannte Rekelkreiskompensation vorgenommen.
– Anpassung des Steuersignals IMON (englisch: Load Current Monitor) – Das IMON-Signal ist am Prozessor 220 angeschlossen und direkt proportional zum Ausgangsstrom des Spannungswandlers 210. Dieses Signal liefert dem Prozessor 220 wichtige Informationen, über seine augenblickliche Stromaufnahme. Daraufhin entscheidet der Prozessor 220 beispielsweise über das Aktivieren/Deaktivieren des Turbo Boost Mode. IMON ist von Intel sehr genau spezifiziert und ändert sich umgekehrt proportional zu der Phasenanzahl.

Im Ausführungsbeispiel werden Lastkennlinie, Regelkreiskompensation und IMON-Steuersignal gleichzeitig mit der Änderung der Phasenanzahl angepasst. Selbstverständliche können bei vorliegen anderen Randbedingungen auch nur einzelne der genannten Parameter oder auch zusätzliche Parameter des Spannungswandlers 210 konfiguriert werden.
Diese Anpassung des Spannungswandlers 210 wird vom Programm-Baustein 250 oder dem Mikrocontroller 260 durch das Programmieren einer neuen Konfiguration in die Register 214 des Steuerbausteins 212 vorgenommen.
Durch eine derartige Konfiguration der Schaltungsanordnung 200 wird erreicht, dass die elektrischen Größen des mehrphasigen Spannungswandlers 210 den Anforderungen des Prozessors 220 beim Betrieb in jeder möglichen Konfiguration des Spannungswandlers 210 entsprechen. Auch das von dem Steuerbaustein 212 bereitgestellte Steuersignal IMON, das den Ausgangsstrom des mehrphasigen Spannungswandlers 210 angibt, wird auf diese Weise unabhängig von der Anzahl der aktuell verwendeten Spannungsregler an dem Prozessor 220 bereitgestellt.
3 zeigt noch einmal schematisch die einzelnen Stufen des Verfahrens 300 zum automatischen Konfigurieren des mehrphasigen Spannungswandlers 210.
In einem ersten Abschnitt 320 umfassend die Schritte 322 und 324 wird der Systemausbau eines Computersystems bestimmt. Hierzu wird zunächst im Schritt 322 der Typ des verwendeten Prozessors 220, auch bekannt als so genanntes CPU-ID-Signal, erfasst.
In einem weiteren, optionalen Schritt 324 wird des Weiteren die Anzahl und gegebenenfalls der Typ der verwendeten Speichereinheiten 240 bestimmt. Die Schritte 322 und 324 werden im beschriebenen Ausführungsbeispiel durch die in dem Programm-Baustein 250 gespeicherte Software zum Starten des Computersystems durchgeführt. Alternativ ist eine Durchführung jedoch auch durch Abfrage geeigneter Daten durch den Mikrocontroller 260 über einen System Management Bus 270 möglich.
In einem weiteren Abschnitt 340 wird die Anzahl der Phasen zum effizienten Betrieb des mehrphasigen Spannungswandlers 210 bestimmt. Hierzu wird in einem ersten, optionalen Schritt 342 zunächst die maximale Stromaufnahme I_MAX der Systemkonfiguration bestimmt. Beispielsweise kann aus einer Tabelle die maximale Stromaufnahme für sämtliche erkannte Prozessoren 220 und Speichereinheiten 240 abgerufen und aufaddiert werden.
Zusätzlich können im Schritt 342 weitere Komponenten, die ebenfalls über den Spannungswandler 210 mit einer Betriebsspannung versorgt werden, berücksichtigt werden.
In einem Schritt 344 wird ausgehend von dem maximalen Ausgangsstrom des Spannungswandlers 210 die Anzahl der Phasen #Ph bestimmt, die zum effizienten Betrieb des Spannungswandlers 210 für den bestimmten Ausgangsstrom I_MAX erforderlich sind. Beispielsweise kann aus einer Tabelle mit Grenzwerten für maximale Ausgabeströme für einen Ein-, Zwei-, Drei-, Vier-, Fünf- oder Sechs-Phasen-Betrieb des Spannungswandlers 210 die Anzahl der erforderlichen Phasen #Ph bestimmt werden.
Die Schritte 342 und 344 werden im Ausführungsbeispiel bevorzugt durch den Mikrocontroller 260 durchgeführt. Alternativ ist eine Ausführung jedoch auch durch den Prozessor 220 oder einen sonstigen Mikrocontroller des Computersystems möglich.
In einem letzten Abschnitt 360 wird der mehrphasige Spannungswandler 210 gemäß der im Schritt 344 bestimmten Phasenanzahl #Ph konfiguriert. Hierzu werden in einem Schritt 362 zunächst die einzelnen Spannungsregler umfassend die zugeordneten Treiberschaltungen 216 und Leistungsschaltungen 218 des mehrphasigen Spannungswandlers 210 konfiguriert. Beispielsweise können geeignete Verstärkungskoeffizienten in die Register 214a bis 214f des digitalen Steuerbausteins 212 eingeschrieben werden.
In einem nachfolgenden Schritt 364 werden die den aktiven Phasen zugeordneten Spannungsregler des mehrphasigen Spannungswandlers 210 durch Anlegen geeigneter Steuersignale aktiviert. Beispielsweise können die Steuerleitungen der Treiberschaltungen 216a bis 216f durch den digitalen Steuerbaustein 212 mit einem geeigneten Steuersignal beaufschlagt werden. Im Falle einer Selbstregelung des mehrphasigen Spannungswandlers 210 durch dessen digitalen Steuerbaustein 212 ist nach dem Setzen der Registerwerte 214a bis 214f gegebenenfalls ein Neustart des digitalen Steuerbausteins 212 erforderlich.
4 zeigt die Effizienz des mehrphasigen Spannungswandlers 210 für unterschiedliche Betriebsarten mit ein bis sechs aktiven Phasen in Abhängigkeit des Ausgabestroms I_out. Wie sich aus 4 ergibt, kann die Effizienz des mehrphasigen Spannungswandlers 210 über einen breiten Bereich von Ausgabeströmen von etwa 30 bis 110 A weitgehend konstant gehalten werden, wenn eine geeignete Konfiguration des mehrphasigen Spannungswandlers 210 gewählt und eingenommen wird.
Bezugszeichenliste

100: Verfahren
110 bis 180: Verfahrensschritte
200: Schaltungsanordnung
210: mehrphasiger Spannungswandler
212: Steuerbaustein
214: Register
216: Treiberschaltung
218: Leistungsschaltung
220: Prozessor
230: Chipsatz
240: Speichereinheit
250: Programm-Baustein
260: Mikrocontroller
270: System Management Bus
300: Konfigurationsverfahren
320: erster Abschnitt
322 bis 324: Verfahrensschritte
340: zweiter Abschnitt
342 bis 344: Verfahrensschritte
360: dritter Abschnitt
362 bis 364: Verfahrensschritte

Claims

Schaltungsanordnung (200) zur Spannungsversorgung einer digitalen Schaltung mit wenigstens einem Prozessor (220), umfassend – eine Mehrzahl von Spannungsreglern zur Regelung der Ausgangsspannung, – eine Erkennungsschaltung zum Erkennen eines Systemausbaus der digitalen Schaltung und – eine Steuerschaltung zum Ansteuern der Mehrzahl der Spannungsregler durch geeignete Steuersignale, wobei die Steuerschaltung dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit einer maximalen Leistungsaufnahme des erkannten Systemausbaus eine Anzahl von aktiven Phasen zu bestimmen, die den aktiven Phasen zugeordneten Spannungsregler zu aktivieren, die nicht den aktiven Phasen zugeordneten Spannungsregler zu deaktivieren sowie wenigstens einen Parameter der Schaltungsanordnung (200) in Abhängigkeit der Anzahl der aktiven Phasen zu konfigurieren, der wenigstens eine der folgenden elektrischen Größen der Schaltungsanordnung (200) betrifft: eine Lastkennlinie, eine Regelkreiskompensation und/oder ein Überwachungssignal zur Ausgabe des aktuellen Ausgangsstroms.
Schaltungsanordnung (200) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltung dazu eingerichtet ist, wenigstens einen Koeffizienten zur Ansteuerung der Mehrzahl der Spannungsregler in Abhängigkeit der Phasenzahl so zu ändern, dass die Lastkennlinie, die Regelkreiskompensation und/oder das Überwachungssignal der Schaltungsanordnung (200) bei geänderter Phasenzahl konstant gehalten wird.
Schaltungsanordnung (200) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltung wenigstens einen Mikrocontroller umfasst, der dazu eingerichtet ist, ein Computerprogramm zur Konfiguration der Schaltungsanordnung (200) auszuführen.
Schaltungsanordnung (200) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltung wenigstens einen digitalen Steuerbaustein (212) mit wenigstens einem Register (214) zum Konfigurieren der Schaltungsanordnung (200) aufweist.
Schaltungsanordnung (200) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Erkennungsschaltung dazu eingerichtet ist, eine Änderung des Systemausbaus zu erkennen, und die Steuerschaltung dazu eingerichtet ist, die Schaltungsanordnung (200) bei Erkennung einer Änderung des Systemausbaus neu zu konfigurieren.
Schaltungsanordnung (200) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltung des Weiteren dazu eingerichtet ist, nach einer Konfiguration der Schaltungsanordnung (200) die Spannungsregler aus- und wieder einzuschalten.
Computersystem, umfassend – wenigstens ein Netzteil zum Erzeugen wenigstens einer ersten Gleichspannung (V_CC) zum Betrieb des Computersystems, – wenigstens eine Systemplatine mit wenigstens einem Prozessor (220) und wenigstens einer Speichereinheit (240) und – eine Schaltungsanordnung (200) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Schaltungsanordnung (200) dazu eingerichtet ist, die wenigsten eine erste Gleichspannung (V_CC) des Netzteils in wenigstens eine zweite Gleichspannung (V_REG) zur Versorgung des wenigstens einen Prozessors (220) und/oder der wenigstens einen Speichereinheit (240) umzuwandeln.
Computersystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Systemplatine des Weiteren einen von dem Prozessor (220) unabhängig betreibbaren Mikrocontroller aufweist, insbesondere einen Baseboard Management Controller (260), der zur Ausführung von Programmcodes zur Konfiguration der Schaltungsanordnung (200) eingerichtet ist.
Computersystem nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Systemplatine des Weiteren eine Vorrichtung zum Erkennen eines Systemausbaus aufweist, insbesondere einen Programm-Baustein (250) mit Programmcode zum Erkennen einer Änderung der Bestückung der Systemplatine.
verfahren (300) zum automatischen Konfigurieren eines mehrphasigen Spannungswandlers (210), umfassend: – Erkennen eines Systemausbaus einer digitalen Schaltung, – Bestimmen einer maximalen Leistungsaufnahme der digitalen Schaltung mit dem erkannten Systemausbau, – Bestimmen einer Anzahl von Phasen (#Ph) zur effizienten Spannungsversorgung der digitalen Schaltung in Abhängigkeit der bestimmten maximalen Leistungsaufnahme des Systemausbaus, – Konfigurieren wenigstens eines Parameters des mehrphasigen Spannungswandlers (210) in Abhängigkeit der bestimmten Phasenanzahl (#Ph), der wenigstens eine der folgenden elektrischen Größen des Spannungswandlers (210) betrifft: eine Lastkennlinie, eine Regelkreiskompensation und/oder ein Überwachungssignal zur Angabe des aktuellen Ausgangsstroms.
Verfahren nach Anspruch 10, weiter umfassend: – Ansteuern einer der bestimmten Anzahl von Phasen zugeordneten Spannungsregler mit wenigstens einem geeigneten Steuersignal, um eine Versorgungsspannung (V_REG) für die digitale Schaltung bereitzustellen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte des Verfahrens nach dem Bereitstellen einer Versorgungsspannung vor oder während des Initialisierens der digitalen Schaltung durchgeführt werden.
Computerprogrammprodukt, umfassend Programmcode zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wenn der Programmcode auf wenigstens einem Mikrocontroller ausgeführt wird.