DE112011105947B4

DE112011105947B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Präzisions-CPU-Überwachen

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Publication number: DE112011105947B4
Application number: DE112011105947.7T
Authority: DE
Inventors: Victor Vogman
Original assignee: Intel Corp
Current assignee: Intel Corp
Priority date: 2011-12-15
Filing date: 2011-12-15
Publication date: 2018-07-12
Anticipated expiration: 2031-12-16
Also published as: US9523721B2; WO2013089748A1; DE112011105947T5; CN103999007A; US20140218007A1; CN103999007B

Abstract

Prozessor-Stromüberwacher, der Folgendes umfasst:einen Schaltspannungsregler, der einen in Reihe geschalteten LC-Filter enthält, der eine erste Induktivität enthält, wobei die erste Induktivität einen Induktivitätswert von L1, einen ersten Anschluss, der an einen Schalter gekoppelt ist, und einen zweiten Anschluss hat, der an einen ersten Knoten gekoppelt ist, und wobei der LC-Filter ferner einen ersten Kondensator enthält, wobei der erste Kondensator einen Kapazitätswert von C1, einen ersten Anschluss, der an den ersten Knoten gekoppelt ist, und einen zweiten Anschluss hat, der an einen zweiten Knoten gekoppelt ist, wobei der Schalter konfiguriert ist, um die Induktivität an eine Eingangsspannung mit einer gewählten Frequenz zu koppeln, und wobei der Schaltspannungsregler konfiguriert ist, um einen Prozessor mit einem Ausgabestrom von dem ersten Knoten zu versorgen;ein an die erste Induktivität gekoppeltes Induktivitätsstromüberwachungselement (719), das zur Ausgabe eines ersten Signals konfiguriert ist, das eine Höhe eines durch die erste Induktivität fließenden Stroms anzeigt;ein an den ersten Kondensator gekoppeltes Kondensatorstromüberwachungselement (729), das zur Ausgabe eines zweiten Signals konfiguriert ist, das eine Höhe eines durch den ersten Kondensator fließenden Stroms anzeigt; undein Summierelement (741), das zum Empfang der ersten und zweiten Signale gekoppelt und konfiguriert ist, um ein Stromüberwachungssignal auszugeben, das die Summe der ersten und zweiten Signale angibt, und wobei das Stromüberwachungssignal eine Höhe des Ausgangsstroms angibt.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die anschließend beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen betreffen allgemein das Abtasten des Stroms, der durch einen Schaltspannungsregler bereitgestellt wird.
Serverfarmen, die High-End-Prozessoren einsetzen, können Leistungs- und Kühlressourcen stark belasten. Kontrolleinrichtungen für Serversysteme überwachen den Leistungsverbrauch, und im dynamischen Modus werden Prozessoren zwischen unterschiedlichen Leistungszuständen geschaltet, um Energie zu sparen. Der Leistungsverbrauch des Prozessors wird ermittelt, indem der Prozessorstrom gemessen wird.
Spannungsregler-(VR)-Designs beinhalten eine einfache Stromabtasttechnik, die den parasitären Reihenwiderstand (R_L) der VR-Induktivität nutzt. Der Strom durch die Induktivität des VR ist praktisch gleich dem Prozessorstrom, wenn der Prozessorstrom konstant ist, und diese Technik bietet während des statischen Modus eine akzeptable Genauigkeit. Im dynamischen Modus bietet das Überwachen des Induktivitätsstroms anstelle des tatsächlichen Prozessorstroms jedoch keine akzeptablen Ergebnisse, weil sich der Strom durch die VR-Induktivität aufgrund von LC-Filtereffekten auf das Induktivitätsstromsignal langsam ändert, während sich der Prozessorstromwert rasch ändert und einen weiten Bereich überspannt. Infolgedessen führt im dynamischen Modus die Technik, den tatsächlichen Prozessorstrom durch den VR-Induktivitätsstrom darzustellen, sowohl in der Zeit als auch beim Überwachen der Stromhöhe zu Fehlern.
Typischerweise wird ein DC-zu-DC-Spannungsregler verwendet, um eine DC-Eingangsspannung in eine höhere oder niedrigere DC-Ausgangsspannung umzuwandeln. Eine Art von Spannungsregler ist ein Schaltregler, der oft aufgrund seiner geringen Größe sowie der Effizienz gewählt wird. Der Schaltregler beinhaltet typischerweise einen oder mehrere Schalter, die rasch geöffnet und geschlossen werden, um Energie zwischen einer Induktivität (beispielsweise einer eigenständigen Induktivität oder einem Transformator) und einer Eingangsspannungsquelle in einer Weise zu übertragen, die die Ausgangsspannung regelt.
Mit Bezug auf 1 ist beispielsweise eine Art von Schaltregler ein Abwärtsschaltregler (Buck-Schaltregler) 10, der eine Eingangs-DC-Spannung (als V_IN bezeichnet) erhält und die V_IN-Spannung in eine niedrigere geregelte Ausgangsspannung (als V_OUT bezeichnet) umwandelt, die an einem Ausgangsanschluss 11 erscheint. Um dieses zu bewirken, kann der Regler 10 einen Schalter 20 (beispielsweise einen Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET)) einschließen, der (über ein als V_SW bezeichnetes Schaltsteuersignal) in einer Weise betrieben wird, um die Spannung V_OUT, wie anschließend beschrieben, zu regeln.
Insbesondere, auch mit Bezug auf 2 und 3, öffnet und schließt der Schalter 20, um die Bestromungs-/Abschaltungszyklen 19 (jeweils mit einer als T_S bezeichneten Dauer) einer Induktivität 14 zu steuern. In jedem Zyklus 19 aktiviert der Regler 10 (beispielsweise durch Hoch-Steuern) das V_SW-Signal während eines Ein-Intervalls (als T_ON bezeichnet), um den Schalter 20 zu schließen und Energie von einer Eingangsspannungsquelle 9 an die Induktivität 14 zu übertragen. Während des T_ON-Intervalls hat ein Strom (als I_L bezeichnet) der Induktivität 14 eine positive Neigung. Während eines Aus-Intervalls (als T_OFF bezeichnet) des Zyklus 19 deaktiviert (beispielsweise durch Tief-Steuern) der Regler 10 die Spannung V_SW, um den Schalter 20 zu öffnen und die Eingangsspannungsquelle 9 von der Induktivität 14 zu isolieren. An diesem Punkt kommt der Pegel des Stroms I_L nicht abrupt zu einem Halt, sondern stattdessen beginnt eine Diode 18 zu leiten, um Energie von der Induktivität 14 an einen Bulk-Kondensator 16 und eine Last (nicht gezeigt) zu übertragen, die an den Ausgangsanschluss 11 gekoppelt sind. Der Strom I_L hat während des T_OFF-Intervalls eine negative Neigung, und der Regler 10 kann einen Schalter 21 schließen, um die Diode 18 parallel zu schalten, um die Leistungsmenge zu reduzieren, die die Diode 18 ansonsten ableitet. Der Bulk-Kondensator 16 dient als Quelle für gespeicherte Energie, die durch die Last verbraucht wird, und während jedes T_ON-Intervalls wird zusätzliche Energie von der Induktivität 14 an den Bulk-Kondensator 16 übertragen.
Beim Abwärtsschaltregler wird das Verhältnis des T_ON-Intervalls zu dem T_S-Intervall (d. h. die Summe der T_ON- und T_OFF-Intervalle) als Arbeitszyklus des Reglers bezeichnet und bestimmt allgemein das Verhältnis der V_OUT-Spannung zu der V_IN-Spannung. Um die V_OUT-Spannung zu erhöhen, kann somit der Arbeitszyklus des Reglers erhöht werden, und um die V_OUT-Spannung zu senken, kann der Arbeitszyklus verringert werden.
Der Regler 10 kann beispielsweise einen Controller 15 (siehe 1) einschließen, der die Spannung V_OUT mittels einer Strommodussteuerungstechnik regelt. Der Controller 15 kann auf diese Weise einen Fehlerverstärker 23 einschließen, der die Differenz zwischen einer Referenzspannung (als V_REF bezeichnet) und einer Spannung (als V_P bezeichnet (siehe 1)) verstärkt, die proportional zu der Spannung V_OUT ist, um eine Fehlerspannung (als V_CNTRL bezeichnet) herzustellen, die zur Steuerung der Pegel der Spannung V_OUT und des Induktivitätsstroms I_L verwendet wird.
Der Controller 15 verwendet die Spannung V_CNTRL und eine Spannung (als V_CS bezeichnet), die den Induktivitätsstrom I_L angibt, um das Schaltsteuersignal V_SW herzustellen, um den Schalter 20 zu steuern. Ebenfalls in Bezug auf 5 kann insbesondere der Controller 15 einen Komparator 25 einschließen, der die Spannungen V_CNTRL und V_SC vergleicht. Die Spannung V_CS wird von einem Differenzialverstärker 24 bereitgestellt, der die Spannungsdifferenz (als V_R bezeichnet) über einem Stromabtastwiderstand 29 abtastet, der mit der Induktivität 14 in Reihe geschaltet ist.
Der Ausgangsanschluss des Komparators 25 kann mit einem Schaltkreis 27 gekoppelt sein, der das Schaltersteuersignal V_SW erzeugt. Als Beispiel für einen Typ von Strommodussteuerung kann der Schaltkreis 27 das Zeitintervall T_OFF konstant halten und die positive Neigung der Spannung V_CS verwenden, um die Dauer des Zeitintervalls T_ON zu steuern. Das Zeitintervall T_ON endet somit, wenn die Spannung V_CS die Spannung V_CNTRL erreicht, und beginnt beim Ablauf des konstanten T_OFF-Intervalls.
Wenn die Spannung V_OUT ansteigt, nimmt aufgrund der oben beschriebenen Anordnung die Spannung V_CNTRL ab und führt dazu, dass der Arbeitszyklus des Reglers 10 abnimmt, um dem Anstieg von V_OUT entgegenzuwirken. Wenn im Gegensatz dazu die Spannung V_OUT abnimmt, steigt die Spannung V_CNTRL und führt den Anstieg des Arbeitszyklus herbei, um der Abnahme von V_OUT entgegenzuwirken. Wenn der durchschnittliche Wert oder die DC-Komponente des Stroms I_L ansteigt, steigt die DC-Komponente der Spannung V_CS an und führt die Abnahme des Arbeitszyklus herbei, um dem Anstieg des Stroms I_L entgegenzuwirken. Wenn im Gegensatz dazu die DC-Komponente des Stroms I_L abnimmt, nimmt die DC-Komponente der Spannung V_CS ab und führt die Zunahme des Arbeitszyklus herbei, um der Abnahme des Stroms I_L entgegenzuwirken. Die Schaltfrequenz (d. h. 1/T_S) steuert typischerweise die Höhe einer AC-Welligkeitskomponente (als V_WELLIGKEIT bezeichnet (siehe 4)) der Spannung V_OUT, da eine höhere Schaltfrequenz typischerweise die Höhe der Spannung V_WELLIGKEIT reduziert.
Genaue Überwachung des Stroms von High-End-Prozessoren liefert präzise Informationen über Leistungsverbrauch, was optimale Steuerung des Serversystems ermöglicht und zur besten Leistung des Datenzentrums führt. Je schneller und genauer die Stromabtastschaltung ist, umso besser ist die Leistung von Prozessor und Serverplattform.
Zum Überwachen des CPU-Stroms (der Leistung) beziehen aktuelle Spannungsregler-(VR)-Designs eine einfache Stromabtasttechnik ein, die den parasitären Reihenwiderstand, RL, der VR-Induktivität nutzt. Wenn der Prozessorstrom konstant ist, ist der Strom durch die Induktivität praktisch gleich dem CPU-Strom, und bietet diese Technik akzeptable Genauigkeit. Im dynamischen Modus hat das Abtasten des Induktivitätsstroms anstelle des tatsächlichen CPU-Stroms jedoch einen großen Nachteil: Während der CPU-Stromwert sich rasch ändert und einen weiten Bereich überspannt, ändert sich der Strom durch die Induktivität hindurch aufgrund des LC-Filtereffekts des Stromsignals langsam. Diese Technik erzeugt demnach im dynamischen Modus Fehler sowohl in der Zeit als auch im Überwachen der Stromhöhe.
US 7 233 122 B1 betrifft einen Schaltspannungsregler mit mehreren, insbesondere magnetisch, gekoppelten Induktivitäten. Induktionsstromüberwachungselemente dienen zur Erfassung der Ströme durch die gekoppelten Induktivitäten und zur Bestimmung des Gesamtstroms durch die Induktivitäten.
US 8 013 580 B2 offenbart ein an einen ersten Kondensator gekoppeltes Kondensatorstromüberwachungselement, das zur Ausgabe eines zweiten Signals konfiguriert ist, das die Höhe des durch den ersten Kondensator fließenden Stroms anzeigt, und ein Summierelement, das zum Empfangen der ersten und zweiten Signale gekoppelt und konfiguriert ist, um ein Stromüberwachungssignal auszugeben, das die Summe der ersten und zweiten Signale angibt, und wobei das Stromüberwachungssignal die Höhe des Ausgangsstroms angibt.
Der vorliegende Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine wahre Darstellung des Prozessorstroms sowohl im statischen als auch im dynamischen Modus zu liefern.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Prozessor/Stromüberwacher nach Anspruch 1, ein Verfahren nach Anspruch 5, ein System nach Anspruch 10 und ein System nach Anspruch 15 gelöst.
Die jeweiligen Unteransprüche betreffen jeweilige besonderes vorteilhafte Ausführungsformen derselben.
Figurenliste

1 zeigt ein Schemadiagramm eines Schaltspannungsreglers des Standes der Technik.
2, 3, 4 und 5 zeigen Wellenformen, die den Betrieb des Reglers von 1 illustrieren.
6 zeigt ein Schemadiagramm eines Spannungsreglersystems, das in beispielhaften Ausführungsformen genutzt wird.
7 zeigt ein Schemadiagramm einer beispielhaften Ausführungsform.
8 zeigt eine Graphik, die den Vergleich der Ausgabe einer beispielhaften Ausführungsform mit dem tatsächlichen Prozessorstrom im dynamischen Modus darstellt.
9 zeigt ein Blockdiagramm eines Systems, das einen Spannungsregler einschließt.
10 zeigt ein Blockdiagramm einer beispielhaften Ausführungsform.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Es wird nun detailliert auf verschiedene Ausführungsformen der Erfindung Bezug genommen. Beispiele für diese Ausführungsformen sind in den angefügten Zeichnungen illustriert. In der folgenden Beschreibung werden zahlreiche konkrete Details angegeben, um ein weitergehendes Verständnis der verschiedenen Ausführungsformen zu ermöglichen. Die vorliegende Erfindung kann jedoch ohne einige oder alle dieser konkreten Details umgesetzt werden. In anderen Fällen sind gut bekannte Prozessabläufe nicht detailliert beschrieben worden, um die vorliegende Erfindung nicht unnötig zu verschleiern. Jedes Auftreten der Formulierung einer „beispielhaften Ausführungsform“ an verschiedenen Stellen der Beschreibung bezieht sich nicht notwendigerweise auf dieselbe beispielhafte Ausführungsform.
In 6 schließt eine Ausführungsform eines Spannungsregelungssystems 100, das in der beispielhaften Ausführungsform genutzt wird, einen Abwärtsschaltregler ein, der eine Eingangsspannung (als V_IN bezeichnet) in eine Ausgangsspannung (als V_OUT bezeichnet) umwandelt. Der Regler empfängt die Eingangsspannung V_IN und regelt die Spannung V_OUT, die an dem Ausgangsanschluss 107 (von System 100) erscheint. Die Spannung V_IN kann durch einen Spannungsregler bereitgestellt werden, der beispielsweise eine AC-Steckdosenspannung empfängt und eine DC-Spannung produziert, die durch einen Tiefpassfilter (gebildet durch eine Induktivität 114 und einen Kondensator 116) gefiltert wird, um die Eingangsspannung V_IN zu bilden. Ein Bulk-Kondensator 109 ist zwischen dem Ausgangsanschluss 107 und der Erde gekoppelt. Das System 100 schließt, wie anschließend beschrieben, auch einen Pulsbreitenmodulations-(PWM)-Controller 104 ein, der eine Strommodustechnik verwendet, um den Betrieb des Schaltreglers 102 zu steuern.
Der Schaltregler 102 schließt in diesem Beispiel einen Schalter 108 (beispielsweise einen Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET)) ein, der zwischen dem positiven Anschluss einer Eingangsspannungsleitung 118 (die die Eingangsspannung V_IN bereitstellt) und einer Klemme 123 einer Induktivität 106 (des Schaltreglers 102) gekoppelt ist. Der andere Anschluss der Induktivität 106 ist an den Ausgangsanschluss 107 gekoppelt.
Das Schließen des Schalters 108 führt dazu, dass Energie von der Eingangsspannungsleitung 118 übertragen und in der Induktivität 106 gespeichert wird, um die Induktivität 106 zu bestromen, und das Öffnen des Schalters 108 führt dazu, dass die gespeicherte Energie von der Induktivität 106 an den Ausgangsanschluss 107 übertragen wird, eine Übertragung, die die Induktivität 106 abschaltet. Wenn der Schalter 108 offen ist, wird auf diese Weise eine Diode 112 leitend (deren Anode an Erde gekoppelt ist und deren Kathode an den Anschluss 123 gekoppelt ist) und/oder ein Schalter 110 geschlossen (der über ein Schaltsteuersignal, das als V₂ (für die Stufe 102₁) bezeichnet wird, oder ein Schaltsteuersignal, das als V₄ (für die Stufe 102₂) bezeichnet wird, gesteuert wird), um die Klemme 123 an Erde zu koppeln, um den Fluss von Energie zum Ausgangsanschluss 107 zu ermöglichen.
7 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform mit einem Schaltspannungsregler, der ein CPU-Stromüberwachungssignal ausgibt, das die Summe des Stroms angibt, der von der Induktivität und Resonanzkondensator (tank capacitor) der in 6 abgebildeten Spannungsreglerschaltung fließt. Elemente in 7, die entsprechenden Elementen in 6 gleich oder ähnlich sind, werden durch die gleichen Bezugszahlen gekennzeichnet.
In 7 beinhaltet ein PWM-Controller 104 Ausgangsports V₁ und V₂. Bei einem ersten MOS-Schalter Q1 ist ein Gate-Anschluss an einen ersten Knoten 700 gekoppelt, ein Drain-Anschluss ist an einen zweiten Knoten 702 gekoppelt, und ein Source-Anschluss ist an einen dritten Knoten 704 gekoppelt. Der erste Knoten 700 ist an den Ausgang V₁ des Controllers 105 gekoppelt, und der zweite Knoten 702 ist an die Eingangsspannung V_CC gekoppelt. Bei einem zweiten MOS-Schalter Q2 ist ein Gate-Anschluss an einen vierten Knoten 706 gekoppelt, ein Drain-Anschluss ist an einen dritten Knoten 704 gekoppelt, und ein Source-Anschluss ist an einen fünften Knoten 708 gekoppelt. Der vierte Knoten 707 ist an den Ausgang V₂ des Controllers 105 gekoppelt, und der fünfte Knoten 708 ist an Erde gekoppelt.
Eine Induktivität L1 hat einen ersten Anschluss, der an einen sechsten Knoten 710 gekoppelt ist, und einen zweiten Anschluss, der an einen siebten Knoten 712 gekoppelt ist, und ein Bulk-Kondensator C1 hat einen ersten Anschluss, der an den siebten Knoten 712 gekoppelt ist, und einen zweiten Anschluss, der an einen achten Knoten 714 gekoppelt ist. Der sechste Knoten 710 ist an den dritten Knoten 704 gekoppelt, und der achte Knoten 714 ist an Erde gekoppelt. Ein Prozessor 716, der die Last des Spannungsreglers ist, hat einen ersten Anschluss, der an den siebten Knoten 712 gekoppelt ist, und einen zweiten Anschluss, der an einen neunten Knoten 718 gekoppelt ist. Der neunte Knoten 718 ist an Erde gekoppelt.
Eine Induktivitätsstromüberwachungsschaltung 719, die den Strom überwacht, der durch L1 fließt, schließt Widerstand R1, Kondensator C2, einen L1-Stromverstärker 720 und Spannungsteilerwiderstände R3 und R4 ein. R1 hat einen ersten Anschluss, der an den sechsten Knoten 710 gekoppelt ist, und einen zweiten Anschluss, der an einen zehnten Knoten 722 gekoppelt ist. C2 hat einen ersten Anschluss, der an den siebten Knoten 712 gekoppelt ist, und einen zweiten Anschluss, der an den zehnten Knoten 722 gekoppelt ist. Der L1-Stromverstärker 720 hat einen Plus-Eingang, der an den zehnten Knoten 722 gekoppelt ist, einen Minus-Eingang, der an den siebten Knoten 712 gekoppelt ist, und einen Ausgang, der an einen elften Knoten 724 gekoppelt ist. R3 hat einen ersten Anschluss, der an den elften Knoten 724 gekoppelt ist, und einen zweiten Anschluss, der an einen zwölften Knoten 726 gekoppelt ist. R4 hat einen ersten Anschluss, der an den zwölften Knoten 726 gekoppelt ist, und einen zweiten Anschluss, der an den dreizehnten Knoten 728 gekoppelt ist. Der dreizehnte Knoten ist an Erde gekoppelt.
Eine Kondensatorstromüberwachungsschaltung 729, die den Strom überwacht, der durch C1 fließt, schließt Kondensator C3, Widerstand R2, C1-Stromverstärker 730 und Spannungsteilerwiderstände R5 und R6 ein. C3 hat einen ersten Anschluss, der an den siebten Knoten 712 gekoppelt ist, und einen zweiten Anschluss, der an den vierzehnten Knoten 732 gekoppelt ist. R2 hat einen ersten Anschluss, der an den vierzehnten Knoten 732 gekoppelt ist, und einen zweiten Anschluss, der an einen fünfzehnten Knoten 734 gekoppelt ist. Der C1-Stromverstärker 730 schließt einen Minus-Eingang, der an den vierzehnten Knoten 732 gekoppelt ist, einen Plus-Eingang, der an den fünfzehnten Knoten 734 gekoppelt ist, und einen Ausgangsanschluss ein, der an einen sechzehnten Knoten 736 gekoppelt ist. R5 hat einen ersten Anschluss, der an den sechzehnten Knoten 736 gekoppelt ist, und einen zweiten Anschluss, der an einen siebzehnten Knoten 740 gekoppelt ist. R6 hat einen ersten Anschluss, der an den siebzehnten Knoten 738 gekoppelt ist, und einen zweiten Anschluss, der an den achtzehnten Knoten 740 gekoppelt ist. Der achtzehnte Knoten 740 ist an Erde gekoppelt.
Eine Stromsummierschaltung, die die Ströme addiert, die durch die Induktivitätsstromüberwachungsschaltung 719 und Kondensatorstromüberwachungsschaltung 729 gemessen wurden, schließt R7 mit einem ersten Anschluss, der an den zwölften Knoten 726 gekoppelt ist, und einem zweiten Anschluss, der an einen neunzehnten Knoten 742 gekoppelt ist, R8 mit einem ersten Anschluss, der an den siebzehnten Knoten 738 gekoppelt ist, und einem zweiten Anschluss, der an den neunzehnten Knoten 742 gekoppelt ist, und einen Summierverstärker mit einem Plus-Eingang, der an den neunzehnten Knoten 742 gekoppelt ist, einem Minus-Eingang, der an einen zwanzigsten Knoten gekoppelt ist, und einem Ausgang ein, der an einen einundzwanzigsten Knoten 748 gekoppelt ist. R9 hat einen ersten Anschluss, der an den zwanzigsten Knoten 746 gekoppelt ist, und einen zweiten Anschluss, der an Erde gekoppelt ist, und R10 hat einen ersten Anschluss, der an den zwanzigsten Knoten gekoppelt ist, und einen zweiten Anschluss, der an den einundzwanzigsten Knoten 748 gekoppelt ist. Der einundzwanzigste Knoten 748 ist an einen V_OUT-Kontakt 750 gekoppelt.
Der Betrieb einer beispielhaften konventionellen Induktivitätsstromüberwachungsschaltung, beispielsweise von Induktivitätsstromüberwachung 719, wird nun beschrieben. Wie in der Technik bekannt ist, wird eine Induktivität, wie Induktivität L1, als einen induktivitätsäquivalenten Reihenwiderstand (R_L) einschließend modelliert. Die Reihenschaltung, die R1 und C2 einschließt, ist an den sechsten Knoten 710 und den siebten Knoten 712 gekoppelt. Die Zeitkonstante für diese Reihenschaltung ist gleich R1*C2. Wenn die Werte für R1 und C2 so gewählt werden, dass der Wert von R1*C2 gleich der Eigenzeitkonstante der Induktivität L1/R_L ist, dann stellt die Spannung über C2 ein Signal dar, das proportional zu dem Strom ist, der durch die Induktivität L1 fließt (der proportional zu dem Spannungsabfall über R_L ist).
Dieser Spannungsabfall über C2 wird durch den L1-Stromverstärker 720 gemessen, und ein Signal, das die Amplitude des Spannungsabfalls angibt, wird am Ausgabeanschluss des L1-Stromverstärkers 720 ausgegeben.
Der Betrieb einer beispielhaften Kondensatorstromüberwachungsschaltung 729 wird nun beschrieben. Wie in der Technik bekannt ist, wird ein Kondensator, wie Kondensator C1, als einen kondensatoräquivalenten Reihenwiderstand (R_C) einschließend modelliert. Die Reihenschaltung, die C3 und R2 einschließt, wird an den siebten und fünfzehnten Knoten 712 und 734 gekoppelt. Die Zeitkonstante für diese Reihenschaltung ist gleich R2*C3. Wie anschließend demonstriert wird, stellt die Spannung über dem R2, wenn die Werte von R2 und C3 so gewählt werden, dass der Wert von R2*C3 gleich dem Wert der Eigenzeitkonstante des Kondensators C1*R_C gewählt wird, dann ein Signal dar, das proportional zu dem Strom ist, der durch den Kondensator C1 fließt.
Wenn die Spannung über dem Kondensator C1 in der s-Domäne durch V_C(s) wiedergegeben wird, dann wird der Kondensatorstrom I_C1(s) in der s-Domäne wiedergegeben durch: $I_{c 1} (s) = \frac{v_{c} (s)}{z_{c} (s)} = \frac{v_{c} (s)}{R_{C} + \frac{1}{s C_{1}}} = \frac{v_{c} (s)}{R_{C} (1 + \frac{1}{s * R_{C} * C_{1}})}$
Die Spannung -V_C(s) über dem Ausgangskondensator C1 und der kapazitiven Reihenabtastschaltung von C3 und R2 ist gleich, da beide mit dem sechsten und siebten Knoten 710 und 712 verbunden sind. Die Spannung über R2 in der s-Domäne wird dadurch wiedergegeben als: $V_{R 2} (s) = \frac{v_{c} (s) * R_{2}}{z_{c 2} (s)} = \frac{v_{c} (s) * R_{2}}{R_{2} + \frac{1}{s C_{3}}} = \frac{v_{c} (s)}{(1 + \frac{1}{s * R_{2} * C_{3}})}$
Wenn R2*C3 gleich C1*R_C ist, dann folgt aus Gleichungen (1) und (2), dass die Spannung über dem R2 direkt proportional zu dem Strom durch den Spannungsreglerausgangskondensator C1 ist, d. h. V_R(s) = I_C1(s)*R_C.
Dieser Spannungsabfall über R2 wird durch den C1-Stromverstärker 730 gemessen, und ein Signal, das die Amplitude des Spannungsabfalls angibt, wird am Ausgabeanschluss des C1-Stromverstärkers 730 ausgegeben.
In dieser beispielhaften Ausführungsform werden die Ausgaben des C1-Stromverstärkers 720 und des LI-Stromverstärkers durch den Summierverstärker 744 addiert. Die durch R3, R4 und R5, R6 gebildeten Spannungsteiler werden verwendet, um die verstärkten Signale auf die selbe Größenordnung zu bringen, wenn, wie es allgemein der Fall ist, die Ersatz-Reihenwiderstände von C1 und L1 nicht gleich sind. Das selbe Ergebnis kann alternativ erreicht werden, indem die Verstärkungen der Stromsignalverstärker 720 und 730 umgekehrt proportional zu den Reihenwiderstandswerten festgelegt werden, d. h. G_C/G_L = R_L/R_C, wobei G_C und G_L die Verstärkungen des C1-Stromverstärkers 730 beziehungsweise des L1-Stromverstärkers 720 sind. Die Ausgaben der Spannungsteiler werden über Pufferwiderstände R7 und R8 an den Summierverstärker gekoppelt.
Der Wert von I_OUT, Strom, der dem Prozessor 716 zugeführt wird, ist gemäß dem Kirchhoff schen Gesetz gleich der Summe der Werte der Ströme, die durch L1 und C1 fließen. Der Wert des Signalausgangs von Summierverstärker 744 repräsentiert demnach eine Spannung, die direkt proportional zu I_OUT ist.
8 ist ein Zeitdiagram, das Ergebnisse unter Verwendung eines Spannungsreglers mit den folgenden Komponentenwerten zeigt: L1 = 0,5 µH, RL = 0,25 mOhm, C1 = 2000 µF, R1 = 2 kOhm, C2 = C3 = 1 µF, Schaltfrequenz F_SW = 400 kHz und Ausgangsspannung V_OUT = 1,00 V. Das Prozessorverhalten wurde durch eine Laststufe simuliert: 0-15 A und Laststufenfrequenz F = 111 kHz. Die Verstärkungen der Stromverstärker 720, 730 und 744 werden so eingestellt, dass ein Signal der Größenordnung 0,5 V/A erzeugt wird.
In 8 sind der tatsächliche Prozessorstrom 800, das I_OUT-Signal 810, das durch die oben in Bezug auf 7 beschriebene Schaltung erzeugt wird, und das I_MON-Signal 820 dargestellt, das durch das konventionelle Induktivitätsstromverfahren erzeugt wurde. Das I_OUT-Signal 810 ist mit sehr hoher Präzision direkt proportional zu dem tatsächlichen Prozessorstrom 800. Das konventionelle I_MON-Sägezahnsignal ist jedoch ein sich langsam änderndes Signal, das nur zu dem durchschnittlichen Prozessorstrom proportional ist. Das I_OUT-Signal liefert somit eine wahre Darstellung des Prozessorstroms sowohl im statischen als auch im dynamischen Modus. Der Betrieb dieser Stromabtastkomponenten in einem Schaltregler, der einen anderen Lasttyp (beispielsweise Speicher-VR) mit Leistung versorgt, oder in einer Mehrphasen-Abwärtsreglerkonfiguration ist ähnlich der in 7 gezeigten Einphasenkonfiguration. Fachleuten ist dies vollkommen klar, und daher wird es hier nicht weiter erläutert.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann in Bezug auf 9 das Spannungsregelungssystem 100 einen Prozessor 901 und andere Komponenten, wie Chipsätze eines Computersystems 900 mit Leistung versorgen (zum Beispiel über eine oder mehrere Spannungskommunikationsleitungen, die vom Ausgangsanschluss 107 ausgehen). Der Begriff „Prozessor“ kann sich beispielsweise in diesem Kontext auf mindestens einen Microcontroller, X86-Prozessor, Advanced RISC Machine (ARM)-Prozessor oder Pentium-Prozessor beziehen. Andere Prozessortypen sind möglich und liegen innerhalb des Umfangs der folgenden Ansprüche.
Der Prozessor 901 kann an einen lokalen Bus 902 nebst einer Northbridge oder einem Speicher-Hub 904 gekoppelt sein. Der Speicher-Hub 922 kann eine Sammlung von Halbleiterbauelementen oder einen „Chipsatz“ darstellen und bietet Schnittstellen zu einem Peripheral Component Interconnect (PCI)-Bus 916 und einem Accelerated Graphics Port (AGP)-Bus 910. Die PCI-Spezifikation ist von The PCI Special Interest Group, Portland, Oreg. 97214, USA, erhältlich. Der AGP ist in der Accelerated Graphics Port Interface Specification, Revision 1.0, veröffentlicht am 31. Juli 1996 von Intel Corporation of Santa Clara, Calif., USA, detailliert beschrieben.
An den AGP-Bus 910 kann ein Grafikbeschleuniger 912 gekoppelt sein und Signale zum Treiben einer Anzeige 914 bereitstellen. Der PCI-Bus 916 kann beispielsweise an einen Netzwerkschnittstellenadapter (NIC) 920 gekoppelt sein. Der Speicher-Hub 904 kann auch eine Schnittstelle zu einem Speicherbus 906 bereitstellen, der an einen Systemspeicher 908 gekoppelt ist.
Eine Southbridge oder ein Eingabe-/Ausgabe-(E/A)-Hub 924 kann über einen Hub Link 922 an den Speicher-Hub 904 gekoppelt werden. Der E/A-Hub 924 repräsentiert eine Sammlung von Halbleiterbauelementen oder einen Chipsatz und stellt Schnittstellen für ein Festplattenlaufwerk 938, ein CD-ROM-Laufwerk 940 und einen E/A-Erweiterungsbus 926 zur Verfügung, um nur einige Beispiele zu nennen. Ein E/A-Controller 928 kann an den E/A-Erweiterungsbus 926 gekoppelt sein, um von einer Maus 932 und einer Tastatur 934 Eingangsdaten zu empfangen. Der E/A-Controller 928 kann auch den Betrieb eines Diskettenlaufwerks 930 steuern.
10 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform, die einen Schaltregler 1000 einschließt, der einen PWM-Controller 1002, ein induktives Element 1004 und ein kapazitives Element 1006 einschließt, die in Reihe gekoppelt sind. Ein Prozessor 1008 ist an einen Knoten 1010 zwischen den induktiven und kapazitiven Elementen 1004 und 1006 gekoppelt. Der Prozessorstrom ist die Summe der Ströme, die durch das induktive Element und die kapazitiven Elemente 1004 und 1006 bereitgestellt werden.
Eine induktives Element-Stromüberwachungsschaltung 1012 ist an das induktive Element 1004 gekoppelt und gibt ein erstes Signal aus, das die Höhe des Induktivitätsstroms angibt. Eine kapazitives Element-Überwachungsschaltung 1014 ist an das kapazitive Element 1006 gekoppelt und gibt ein zweites Signal aus, das die Höhe des Kondensatorstroms angibt. Die ersten und zweiten Signale werden an den Eingängen eines Summierelements 1016 erhalten, das ein Prozessorstromüberwachungssignal ausgibt, das die Summe der Induktivitäts- und Kondensatorströme angibt und den Prozessorstrom präzise überwacht.

Claims

Prozessor-Stromüberwacher, der Folgendes umfasst: einen Schaltspannungsregler, der einen in Reihe geschalteten LC-Filter enthält, der eine erste Induktivität enthält, wobei die erste Induktivität einen Induktivitätswert von L1, einen ersten Anschluss, der an einen Schalter gekoppelt ist, und einen zweiten Anschluss hat, der an einen ersten Knoten gekoppelt ist, und wobei der LC-Filter ferner einen ersten Kondensator enthält, wobei der erste Kondensator einen Kapazitätswert von C1, einen ersten Anschluss, der an den ersten Knoten gekoppelt ist, und einen zweiten Anschluss hat, der an einen zweiten Knoten gekoppelt ist, wobei der Schalter konfiguriert ist, um die Induktivität an eine Eingangsspannung mit einer gewählten Frequenz zu koppeln, und wobei der Schaltspannungsregler konfiguriert ist, um einen Prozessor mit einem Ausgabestrom von dem ersten Knoten zu versorgen; ein an die erste Induktivität gekoppeltes Induktivitätsstromüberwachungselement (719), das zur Ausgabe eines ersten Signals konfiguriert ist, das eine Höhe eines durch die erste Induktivität fließenden Stroms anzeigt; ein an den ersten Kondensator gekoppeltes Kondensatorstromüberwachungselement (729), das zur Ausgabe eines zweiten Signals konfiguriert ist, das eine Höhe eines durch den ersten Kondensator fließenden Stroms anzeigt; und ein Summierelement (741), das zum Empfang der ersten und zweiten Signale gekoppelt und konfiguriert ist, um ein Stromüberwachungssignal auszugeben, das die Summe der ersten und zweiten Signale angibt, und wobei das Stromüberwachungssignal eine Höhe des Ausgangsstroms angibt.
Prozessor-Stromüberwacher nach Anspruch 1, wobei der erste Kondensator mit einem Kapazitätswert von C1 und einem äquivalenten Reihenwiderstand R_C modelliert ist, wobei das Kondensatorstromüberwachungselement (719) Folgendes umfasst: eine Reihenschaltung, die einen zweiten Kondensator und einen ersten Widerstand enthält, wobei der zweite Kondensator einen Kapazitätswert C2, einen ersten Anschluss, der an den ersten Knoten gekoppelt ist, und einen zweiten Anschluss hat, der an einen dritten Knoten gekoppelt ist, und wobei der erste Widerstand einen Widerstandswert R1, einen ersten Anschluss, der an den dritten Knoten gekoppelt ist, und einen zweiten Anschluss hat, der an einen vierten Knoten gekoppelt ist, wobei der Wert des Produkts von R1 und C2 gleich dem Wert des Produkts von C1 und R_C ist.
Prozessor-Stromüberwacher nach Anspruch 1, der ferner Folgendes umfasst: einen Stromsummierverstärker (720) mit einem Minus-Eingang, der an den dritten Knoten gekoppelt ist, einem Plus-Eingang, der an den vierten Knoten gekoppelt ist, und einem Ausgangsanschluss, der an einen fünften Knoten gekoppelt ist, konfiguriert zur Ausgabe des zweiten Signals.
Prozessor-Stromüberwacher nach Anspruch 3, der ferner Folgendes umfasst: einen Spannungsteiler, der an den fünften Knoten gekoppelt ist, konfiguriert zur Skalierung der Höhe des zweiten Signals.
Verfahren, das Folgendes umfasst: Abtasten einer Höhe eines Stroms, der durch eine Induktivität fließt, die in einen LC-Filter eines Schaltspannungsreglers eingeschlossen ist, wobei der Schaltspannungsregler konfiguriert ist, um einen Prozessor mit einem Ausgangsstrom zu versorgen, wobei der LC-Filter eine Induktivität und einen Kondensator aufweist, die in Reihe geschaltet sind; Abtasten einer Höhe eines durch den Kondensator fließenden Stroms; Addieren der Höhen der durch die Induktivität und den Kondensator fließenden Ströme, um ein Stromüberwachungssignal zu bilden; und Ausgeben des eine Höhe des Ausgangsstroms kennzeichnenden Stromüberwachungssignals.
Verfahren nach Anspruch 5, das ferner Folgendes umfasst: Ausgeben eines ersten Signals mit einer Amplitude, die die Höhe des durch die Induktivität fließenden Stroms angibt.
Verfahren nach Anspruch 6, die ferner Folgendes umfasst: Ausgeben eines zweiten Signals mit einer Amplitude, die die Höhe des durch den Kondensator fließenden Stroms angibt.
Verfahren nach Anspruch 7, das ferner Folgendes umfasst: Anpassen der Amplituden des ersten und des zweiten Signals auf dieselbe Größenordnung.
Verfahren nach Anspruch 8, das ferner Folgendes umfasst: Addieren angepasster erster und zweiter Signale, um das Stromüberwachungssignal zu erzeugen.
System, das das Folgende umfasst: Mittel zum Abtasten einer Höhe eines Stroms, der durch eine Induktivität fließt, die in einen LC-Filter eines Schaltspannungsreglers eingeschlossen ist, wobei der Schaltspannungsregler konfiguriert ist, um einen Prozessor mit einem Ausgangsstrom zu versorgen, wobei der LC-Filter eine Induktivität und einen Kondensator aufweist, die in Reihe gekoppelt sind; Mittel zum Abtasten einer Höhe eines durch den Kondensator fließenden Stroms; Mittel zum Addieren der Höhen der durch die Induktivität und den Kondensator fließenden Ströme, um ein Stromüberwachungssignal zu bilden; und Mittel zum Ausgeben des eine Höhe des Ausgangsstroms kennzeichnenden Stromüberwachungssignals.
System nach Anspruch 10, das ferner Folgendes umfasst: Mittel zum Ausgeben eines ersten Signals mit einer Amplitude, die die Höhe des durch die Induktivität fließenden Stroms angibt.
System nach Anspruch 11, das ferner Folgendes umfasst: Mittel zum Ausgeben eines zweiten Signals mit einer Amplitude, die die Höhe des durch den Kondensator fließenden Stroms angibt.
System nach Anspruch 12, das ferner Folgendes umfasst: Mittel zum Anpassen der Amplituden des ersten und des zweiten Signals auf dieselbe Größenordnung.
System nach Anspruch 13, das ferner Folgendes umfasst: Mittel zum Addieren angepasster erster und zweiter Signale, um das Stromüberwachungssignal zu erzeugen.
System, das Folgendes umfasst: einen Chipsatz 922 und ein Schaltnetzteil, das einen LC-Filter mit einer Induktivität und einem Kondensator enthält, die in Reihe geschaltet sind, wobei das Schaltnetzteil an den Chipsatz gekoppelt ist, um den Chipsatz mit einem Ausgangsstrom zu versorgen, und wobei das Schaltnetzteil ein Stromüberwachungssignal ausgibt, das eine Summe von Höhen von sowohl durch die Induktivität als auch durch den Kondensator fließenden Strömen angibt, um eine Höhe des Ausgangsstroms anzugeben.
System nach Anspruch 15, wobei der Chipsatz mit mindestens einem der Folgenden assoziiert ist: (i) einem Speicher-Hub, (ii) einem Peripheral Component Interconnect (PCI)-Bus oder (ii) einem Accelerated Graphics Port (AGP)-Bus.
System nach Anspruch 15, wobei ein erstes Signal mit einer Amplitude, die die Höhe des durch die Induktivität fließenden Stroms angibt, erzeugt wird.
System nach Anspruch 17, wobei ein zweites Signal mit einer Amplitude, die die Höhe des durch den Kondensator fließenden Stroms angibt, erzeugt wird.
System nach Anspruch 18, wobei die Amplituden der ersten und zweiten Signale auf die selbe Größenordnung angepasst sind.
System nach Anspruch 19, wobei die angepassten ersten und zweiten Signale addiert werden, um das Stromüberwachungssignal zu erzeugen.