TWI250398B - A dynamic protection circuit - Google Patents

Description

1250398 (1) 玖、發明說明 【發明所屬之技術領域】 v 本發明係關於電腦系統；更特別地，本發明關於對例 如伺服器系統等電力敏感系統之配電。 【先前技術】 電腦（或伺服器）系統內的積體電路會由提供直流（ DC )電壓的多輸出電源供予電力。目前，大部份的電腦 系統爲了充份操作而對電源所產生的每一電壓具有相當低 的電力需求（舉例而言，小於安全限制24〇VA (或是12V 的電軌2 0 A電流）。此相當低的電力配送對於使用者不 具危險，因此，過電流（或過電力）保護限制可以設定在 符合安全標準需求及防止對接取電源電路的使周者有任何 傷害之位準下。但是，新世代的積體電路（舉例而言，處 理器）具有超過240VA的電力需求。結果，需要無護可 由使用者接取的電源電路（主要是+ 1 2 V電軌）以免超過 此電力位準以防傷害使用者。 在高電力系統中防止超過可由使用者接取的安全電力 限制之一方法係將1 2 V電軌分成二或更多電軌。此保護 方法對於負載也可以分成數個獨立的負載通道之系統而言 是可行的。在此情形中，這些通道中的每一通道具有個別 的2 4 0 V A保護電路，但是由所有通道配送的合倂電力可 能超過此位準。 一旦任一電軌上超過2 4 0 V A的限制’則每—·保護電 1250398 (2) 路會將電力限定在下限（在240VA之下），或幾乎立即 關閉電源。但是，將負載及輸出分成數個電軌，舉例而言 ，增加通道，將會增加電源及系統成本。此外，此僅在二 或更多積體電路被供電之情形中爲可行的。在例如單一處 理器等單一積體電路要求全電力配送之情形中，需要其它 解決之道。 一解決之道係將機械式屏障導入電腦系統以防止使用 者接取電源電路。但是，機械式屏障的實施會增加電腦系 統的製造成本。 另一解決之道是將電腦系統的進入權限定給經過特別 訓練的個人。在大部份的情形中，由於個人電腦的趨勢是 使用者可以接取，所以，此替代方式是令人無法接受的。 【發明內容】及【實施方式】

說明高電力電腦系統電源之過電流保護電路。在本發 明的下述詳細說明中，揭示不同的具體細節以助於完整瞭 解本發明。但是，對於習於此技藝者而言，可以不用這些 特定即節，亦可實施本發明。在其它情形中，習知的結構 及裝置係以方塊圖形式而非詳細地顯示，以免模糊本發明 本說明書中所指之「一實施例」或「實施例」意指配 合實施例所述之特定特點、結構、或特徵包含於發明的至 少一實施例中。在本說明書中不同處中出現之「在一實施 例中」並非都指相同的實施例。 1250398 (3) 圖1係電腦系統1 0 0的一實施例之方塊圖。電腦系統 1 〇 〇包含耦合至匯流排1 0 5之中央處理單元（C P U )晶片 組102。CPU晶片組102包含處理器1及處理器2。在一 實施例中，每一處理器係可以從加州Santa Clara的Intel 公司取得之Pentium處理器系列的處理器，包含Pentium 11處理器系列、P e n t i u m 111處理器、及P e n t i u m IV處理 器。或者5可以使用其它處理器。 晶片組107也會耦合至匯流排105。晶片組107包含 記憶體控制集線器（MCH ) 1 1 0。MCH 1 1 0包含記憶體控 制器1 1 2，其係耦合至主系統記憶體1 1 5。主系統記憶體 1 15會儲存CPU晶片組102之內的處理器或系統100中包 含的任何其匕裝置所執行的資料及指令序列。在一實施例 中，主系統記憶體1 1 5包含動態隨機存取記憶體（DRAM );但是’可以使用其它記憶體型式以實施主系統記憶體 1 1 5。例如多CPU及/或多系統記憶體等其它裝置也可以 耦合至匯流排1 0 5。 M CH 110也包含圖形介面113，耦合至圖形加速器 1 3 0。在一實施例中，圖形介面1 1 3經由加速的圖形璋（ AGP )耦合至圖形加速器1 3 0，加速圖形璋係根據加州 Santa Clara的Intel公司所發展的AGP規格修正版2.0介 面。

此外，集線器介面會將MCH ] 1 0經由集線器介面耦 合至輸入/輸出控制集線器（1 C Η ) 1 4 0。I C Η 1 4 0會提供 介面給電腦系統]〇〇內的輸入/輸出（I/O )裝置。ICH (4) 1250398 140可以親合至根據位於Oregon Portia η之PCI Special Interest Group所發展的規格修正本2.1之週邊元件互連 匯流排。因此，ICH 140包含PCI橋接器146，其提供介 面給PCI匯流排142。PCI橋接器]46在CPU 102與週邊 裝置之間提供資料路徑。 PCI匯流排142包含音頻裝置150及碟片驅動器155 。但是，習於此技藝者將瞭解其它裝置可以耦合至PCI匯 流排 1 42。此外，習於此技藝者將可認知到 Cpu 1 02與 MCH 1 1 0可以合倂形成單一晶片。在其它實施例中，其它 的圖形加速器1 3 0又可以包含於M C Η 1 1 0中。 此外，電腦系統1 00包含電源供應器1 65，將電力供 應給CPU晶片組1 02。根據一實施例，爲了處理器1及處 理器2的操作，晶片組1 〇 2對於1 2 V電軌上的要求會超 過2 4 0 V A。如上所述般，在此高位準的操作電壓需要預防 措施以防止電腦系統 100的使用者進入具有超過 240 V A 安全限制的電力位準之電力電路。根據一實施例，提供過 電biL保護（〇 C P )電路以防止可能造成危險短路條件之電 流電湧。 圖2係顯示電力分配電路的一實施例之方塊圖。在一 實施例中，電力分配電路包括電源供應器1 6 5內及電腦系 統1 0 0的主機板上的元件。但是，習於此技藝者將瞭解 〇CP電路可以以其它元件或是在電腦系統100的中央元件 中實施。 參考圖2，其顯示電源供應器i 6 5及主機板2 0 0。如 (5) 1250398 上所述，電源供應器會配送超過240 VA的電力給主機板 2 00。主機板是實體配置，舉例而言’包含電腦系統的基 本電路及元件之電腦系統中的印刷電路板（P CB )。主機 板200包含調壓器模組（VRM ) 210、感測電路220、及 包含處理器1和2之CPU晶片組102。 VRM 2 10耦合至電源供應器165。VRM 210提供電力 給CPU晶片組102的處理器。特別地，VRM 210會從電 源供應器1 6 5接收1 2 V D C電壓以及將所收到的電壓轉換 成較低電壓（舉例而言，1 · 5 V )以用於處理器操作。感測 電路220會耦合至VRM 210 ' CPU晶片組102及主機板 200 〇 感測電路220會量測處理器晶片>1 02或VRM 2 1 0所 消耗的電流。所測得的電流會傳送給主機板200作爲用於 監視負載消耗電流之負載狀態電壓訊號。根據一實施例， 感測器電路220可以由低阻抗電阻器實施。但是，習於此 技藝者將瞭解其它的元件可以用以實施感測器電路22 0。 圖3係顯示電力分配電路的另一實施例之方塊圖。在 本實施例中，感測電路220會整合於VRM 210中。圖4 係顯示電源供應器1 6 5的一實施例。電力供應器1 6 5包含 AC/DC轉換器410、電流感測器4] 5、OCP比較器420、 及參考控制比較器（RCC) 43 0。 AC/DC轉換器410會將所收到的AC電壓源轉換成 ]2VDC電壓訊號。在一實施例中，AC/DC轉換器1 40會 將1 20VAC訊號轉換成輸出電壓訊號。電流感測器4 1 5會 1250398 (6) 感測電源供應器165供應給例如VRM 210等負載之電流 。OCP比較器420會耦合至電流感測器415及位於主機板 的 VRM 2 1 0。 OCP比較器420會比較從電流感測器4 1 5收到的輸入 電壓（與負載電流成比例）與參考電壓。一旦輸入電壓超 過參考電壓，則比較器會將 AC/DC轉換器41 0 (及電源 165 )斷開及關閉。這會提供AC/DC轉換器410過電流保 護以及提供使用者安全保護。 根據一實施例，OCP比較器420會實施作爲OCP元 件。但是，習於此技藝者將瞭解可以使用關閉轉換器或是 限制負載電流於某位準之其它元件以實施OCP功能。 RCC 4 3 0會耦合至OCP 420及主機板200處的感測電 路220。RCC 4 3 0會從感測電路220接收負載狀態電壓訊 號，比較所收到的訊號與參考電壓Vref以及控制OCP比 較器42 0的參考電壓。在一實施例中，參考電壓Vref會 決定RCC 4 3 0是否開啓或關閉其輸出。因此，當VRM消 耗的電力低時（舉例而言，在睡眠模式中），負載電流會 低且與負載電流（VRM輸入）成比例之負載狀態訊號電 壓會保持在RCC參考電壓Vref之下。結果，RCC 43 0輸 出不會改變狀態，以致於OCP比較器420臨界（參考） 電壓維持低。 —旦負載電流超過預定限制，在RCC 430 收到的負載狀態訊號會超過參考電壓 Vref。結果，RCC 4 3 0會觸發及拉升OCP比較器4 2 0的參考電壓，舉例而言 1250398 (7) ，將過電流保護限制（觸發點）切換至較高位準。較高的 過電流保護限制將使得CPU晶片組1 02之內的處理器能 夠比其於RCC 43 0關閉時被設定還消耗更多電力。 一旦負載電流掉至預定限制Itheshdd之下時，RCC 43 0再度關閉及降低OCP 42 0的參考電壓。結果，將過保 護限制設回至下限，防止負載消耗比240 W ( 24 0 VA )還 多的電力。 圖5係顯示上述臨界轉換。在過電流保護電路中，過 電流保護臨界値會視負載電流而定（舉例而言，由負載消 耗的電力（在此情形中，VRM 210及CPU晶片組102 ) )。一旦負載電流掉至預定臨界値Ithresh()ld (舉例而言， 6A )之、。下時，RCC 4 3 0會產生參考電;壓控制訊號，改變 OCP 420臨界値（舉例而言，從25A至18A)。一旦負載 電流超過RCC臨界値時，OCP比較器420臨界値會回至 其原始位準（25A)。 如上所述，OCP電路會藉由偵測例如 VRM 210及 CPU晶片組1 02等積體電路的負載狀態，防止橫跨電源供 應器1 6 5輸出（或電壓軌（參見圖2及3 ))之過電流條 件或短路所造成的過電流條件。 假使輸出被橋接而大負載由CPU晶片組1 02經由相 當高的電流限制汲出時，由於電源供應器能夠配送之電流 中的大部份將由負載（VRM 2 1 0 )消耗，所以，可用於橋 接之電流將不會超過安全限制。根據克希荷夫第一定律， 進入節點之電流總合等於離開之電流總合。 -10- 1250398 (8) 因此，流經240 VA短路開關（可以置於電壓軌與任 何接地點之間）的最大電流將等於〇CP臨界値與負載電 流之間的改變。因此，假使R c c 4 3 0臨界値設定成使得 過電流保護與RCC 4 3 0之間的改變小於20A時（舉例而 言 ’ I〇CP - Ithreshold < 20A，或是 I〇CP < ^threshold + 2 0 A )，則可用於240 VA短路開關的電流將不會超過20 A ( 或240V A電力限制）。 舉例而言，假使設定成接近2.0A時，則相較 於允許的24 0W位準，可用於VRM 210的電力將幾乎變 二倍。因此，藉由增加步驟的數目（或RCC臨界値）， 則可進一步增加可用於處理器的電流。在一實施例中’多 重臨界値功能.也可藉由微控制器的幫助而:實施。 圖6係圖形，顯示可由過電流保護電路所實施的最大 電流之一實施例。圖6係顯示可用於12V ( 240VA )短路 開關之最大電流l24GmaX ’等於19A，未超過安全標準所需 的2 0A位準，而可用於處理器的電流等於25A (功率= 12*25 = 300 W )。注意，使用克希荷夫第一定律： ( I0CP - IIoad) 。0CP 位準 IOCP = 25A (舉例而 言，3 00W可用於處理器）；以負載狀態臨界位準 Ithresuid = 6A。因此，最壞情況之24 0VA短路開關電流（

Iload^Ithreshold ) : l 2 4 0 max= ( I 0 C P ~ I 1 h r e s h 〇 1 d ) = 1 9 A < 20A ( 240VA )。

圖7是顯示可由過電流保護電路實施的最大電流之另 一實施例。圖7顯示藉由拉升臨界位準至較接近2 4 0 V A -11 - 1250398 Ο) 位準（舉例而言，從6A至1 5A )，則可用於12V短路開 關之最大電流仍然未超過安全標準所要求的20A (舉例而 言，18A )，而可用於處理器的電流達到33A (電力 =1 2 * 3 3 = 3 9 6 W )。在此情形中，〇 c P 位準 I 〇 c p = 3 3 A ( 3 96W 可用於處理器）；以負載狀態臨界位準 IthreSh〇ld=15A。如此，最壞情況的短路開關電流I24Gmax = (I〇CP - Ithreshold) = 1 8 A < 20A ( 240VA)。 過電流保護電路會增加可用於處理器VRM的電力至 240W以上，並符合240VA安全要求，因此，解決處理器 所消耗的電力要增加至240W以上的需求與提供使用者安 全進入主機板區及系統元件之需求等二者的衝突。 對習於此技藝者而言.，在閱讀上述說明之後，將可 淸楚知道本發明的很多改變及修改，應瞭解，所示及說明 之任何特定實施例絕非被視爲限定之用。因此，不同實施 例的細節並非用以限定申請專利範圍之範圍，申請專利範 圍本身僅記載被視爲發明必要之特點。 【圖式簡單說明】 在附圖中以舉例說明而非限定的方式，說明本發明， 其中’類似代號代表類似元件，其中： 圖I係電腦系統的一實施例之方塊圖； 圖2係過電流保護電路的一實施例之方塊圖； 圖3係過電流保護電路的另一實施例方塊圖； 圖4係電源的一實施例之方塊圖； -12- 1250398 (10) 圖 5 係 以 圖 形 表 示 來 顯 不過電 流 保 護 電 路 的 臨 限 値 改 變的 一 實 施 例 > 及 圖 6 係 以 圖 形 來 表 示 操 作期間 由 CJ3, 電 流 保 護 電 路 所 富 施的 可 取 得 之 最 大 電 流 的 — 實施例 及 圖 7 係 以 圖 形 來 表 示 操 作期間 由 過 電 流 保 護 電 路 所 實 施的 可 取 得 之 最 大 電 流 的 另 一實施 例 〇 【主 要 元 件 對 昭 表 ] 100 電 腦 系 統 102 中 央 處 理 單 元 晶 片組 105 匯 流 排 1 07 晶 片 組 110 記 憶 體 控 制 集 線 器 112 記 憶 體 控 制 器 113 圖 形 介 面 115 主 系 統 二—f m 憶 體 13 0 圖 形 加 速 器 140 輸 入 /輸出控制集線器 142 週 邊 元 件 互 連 匯 流排 1 46 週 邊 元 件 互 連 橋 接器 1 50 頻 裝 置 15 5 碟 片 驅 動 器 1 65 電 源 供 應 器 200 主 機 板 -13- 1250398 (11) 2 10 調 壓 器 模 組 220 感 測 電 路 4 10 AC/DC 轉 換 器 4 15 電 流 感 測 器 420 過 電 流 保 護 比 較器 430 參 考 控 制 比 較 器 -14

Claims (1)

1. (1) 1250398 拾、申請專利範圍 1. 一種電腦系統，包括： 積體電路； 電源供應器，供應電力給該積體電路；及 過電流保護（〇 c P )電路，防止在跨越該電源供應器 輸出之短路條件下超過預定的電力限制。 2. 如申請專利範圍第1項之電腦系統，其中，該過電 流保護電路包括： 感測電路，耦合至該積體電路，偵測積體電路所汲取 的電流之量値； . 參考控制比較器，耦合以從該感測電路接收負載狀態 電壓以及比較負載狀態電壓與參考電壓；及 過電流保護比較器，耦合至參考控制比較器，根據從 參考控制比較器接收的參考訊號，調整電源供應器的電流 產生。 3 .如申請專利範圍第2項之電腦系統，其中，假使該 狀態電壓小於該參考電壓，則該參考控制比較器傳送該參 考訊號給該過電流保護比較器。 4 .如申請專利範圍第3項之電腦系統，其中，假使該 狀態電壓小於該參考電壓，則該電源供應器電流產生係設 定於第一電流臨界値。 5 .如申請專利範圍第4項之電腦系統，其中，假使該 狀態電壓大於該參考電壓時，則該參考控制比較器不傳送 該參考訊號給該過電流保護比較器。 -15- 1250398 (2) 6. 如申請專利範圍第3項之電腦系統，其中，假使該 狀態電壓大於該參考電壓時，該電源供應器電流產生設定 於第二電流臨界値。 7. 如申請專利範圍第6項之電腦系統，其中，第二電 流臨界値大於第一電流臨界値。 8 ·如申請專利範圍第2項之電腦系統，又包括調壓器 模組，耦合過電流保護比較器及感測電路。 9.如申請專利範圍第2項之電腦系統，其中，該感測 電路包含於調壓器模組之內。 1 0 .如申請專利範圍第2項之電腦系統，其中，該參 考控制比較器及過電流保護比較器包含於該電源供應器之 內。 1 1 .如申請專利範圍第1項之電腦系統，其中，該積 體電路是中央處理單元晶片組。 】2 .如申請專利範圍第1 1項之電腦系統，其中，該中 央處理單元晶片組包括： 第一中央處理單元；及 第二中央處理單元。 1 3 ·如申請專利範圍第2項之電腦系統，其中，該感 測電路是電阻器。 1 4 . 一種過電流保護方法，包括： 偵測印刷電路板上的感測電路之負載電流； 比較對應於負載電流之負載電壓與參考電壓；及 假使該負載電壓小於該參考電壓，則將電源供應器所 -16- 1250398 (3) 產生的電流設定在第一臨界値。 1 5 .如申請專利範圍第1 4項之方法’又包括假使該負 載電壓大於該參考電壓，則將電源供應器所產生的電流設 定在弟一臨界値。 1 6。如申請專利範圍第1 5項之方法，其中，第二電流 臨界値大於第一電流臨界値。 1 7 · —種電力分配電路，包括： 電源供應器； 感測電路，偵測由積體電路負載所汲取的電流之量値 5 參考控制比較器，耦合以從該感測電路接收負載狀態 電壓以及比較負載狀態電壓與參考電壓；及 過電流保護比較器，耦合至參考控制比較器，根據從 參考控制比較器接收的參考訊號，調整電源供應器的電流 產生，以防止在跨越該電源供應器輸出之短路條件下超過 預定的電力限制。 1 8 .如申請專利範圍第1 7項之電力分配電路，又包括 耦合至過電流保護比較器之電流感測器。 1 9 .如申請專利範圍第1 7項之電力分配電路，其中， 假使該狀態電壓小於該參考電壓，則該參考控制比較器會 傳送參考訊號給該過電流保護比較器。 2 0 .如申請專利範圍第1 9項之電力分配電路，其中， 假使該狀態電壓小於該參考電壓時，則將該電流供應器電 流產生設定於第一臨界値。 -17- 1250398 (4) 2 1 .如申請專利範圍第2 0項之電力分配電路，其中， 假使該狀態電壓大於該參考電壓，則該參考控制比較器不 會傳送參考訊號給該過電流保護比較器。 2 2 .如申請專利範圍第1 9項之電力分配電路，其中， 假使該狀態電壓大於該參考電壓時，則該電流供應器電流 產生設定於第二臨界値。 23 .如申請專利範圍第2 2項之電力分配電路，其中， 該第二電流臨界値大於該第一電流臨界値。 24.如申請專利範圍第1 7項之電力分配電路，又包括 調壓器模組，耦合該過電流保護比較器與感測電路。 -18 -