TWI517543B - 具功率轉換器之晶片上系統 - Google Patents
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Description
本發明是關於一種具有功率轉換器之晶片上系統（SoC）。
晶片上系統的核心通常是由位於一個別的積體電路上的晶片上系統外之功率轉換器所啟動。第1圖說明了一晶片上系統11，其中晶片邊界是由虛線所指示。該晶片上系統11包括複數個核心12（核心-1、…、核心-n），其中每一個核心係由複數個功率轉換器中之一個別的功率轉換器13所啟動。可替代地，每一個核心都與數個不同核心一起共享一功率轉換器。可觀察到每一個功率轉換器13都包括一可切換之功率級16、一驅動器15與一控制器14，其各是位於晶片上系統外部。各功率轉換器13是一切換之直流對直流（DC-DC）轉換器。每一個功率轉換器都包括每一功率級16與控制器14之複數個相位。每一個控制器14係實施一控制定律以決定用於控制該驅動器15之一控制訊號，其中驅動器15是藉由一數位脈寬調變（DPWM）訊號來驅動該功率級16。該驅動器包括一脈衝寬度調變器，其產生該DPWM訊號以切換該可切換之功率級。為控制該驅動器而產生之該控制訊號係一負載比，其定義了DPWM訊號之一工作週期。該負載比與重複率可以週期循環基礎而加以調節。此外，該晶片上系統包括複數個功率軌（軌-1、軌-2、軌-x），其各包括一功率軌晶片介面110。一功率軌係將一功率轉換器13連接於一核心12。此外，在晶片上系統18上係設有動態電壓與頻率調整裝置，其係經由一慢速週邊裝置控制匯流排19而自控制匯流晶片介面111向前連接至一功率轉換器13的每一個控制器14。控制器處理由動態電壓頻率調整裝置所提供之資訊，以決定控制訊號。該慢速週邊裝置控制匯流排19係位於該晶片上系統外部。
本發明與一種晶片上系統有關，該晶片上系統包括一控制器以產生一切換訊號，以驅動一切換功率轉換器的一功率級之一切換元件，該功率級係根據該切換訊號與該切換元件之一輸入電壓而產生一輸出電壓，其中該控制器是位於與該晶片上系統相同之晶片上，且其中該輸出電壓係產生以啟動該晶片上系統的一供應域。此外，該輸出電壓係產生以啟動不在該晶片上系統上的其他軌。 在與晶片上系統（SoC）本身相同的矽上具有控制器，其具備在負載與控制器之間有一更簡單且更快速介面之優點。 在一個具體實施例中，供應域包括位於該晶片上系統內部之一核心。因此，該控制器係位於與該核心相同的晶片上。 在一個具體實施例中，該核心是連接至一動態電壓與頻率調整裝置，該動態電壓與頻率調整裝置是連接至功率轉換器的控制器。由於功率轉換器的控制器是位於與該晶片上系統相同的晶片上，因此該動態電壓與頻率調整裝置係經由一快速晶片上控制匯流排而被連接至該控制器。 在一個具體實施例中，該功率轉換器的驅動器與功率級係以一獨立的積體電路來實施。 可替代地，功率轉換器的驅動器是位於與該複數個核心相同的晶片上。具體而言，該驅動器係疊置於該晶片的頂部上。 在一個具體實施例中，該供應域包括該控制器。因此，該控制器並不需要一獨立的電源供應器。 本發明進一步是關於一種晶片上系統（SoC），其包括雙向通訊及以集成於一晶片上系統內之一控制器所進行的功率轉換器之控制。該晶片上系統可為一微控制器，其具有外部記憶體與獨立的其他積體電路（ICs）或一獨立晶片上系統。提供一共同介面以建立對該晶片上系統內部之複數個控制器、以及可能同時對該晶片上系統外部的一外部控制器之雙向通訊。更進一步，為每一控制器提供一功率介面，以於一控制器及/或該控制器正控制的一功率級之間建立一雙向通訊。更進一步，在該晶片上系統內部的一監督模組可控制來自該晶片上系統內部的一控制器之類比或數位訊號是否可被提供至外部功率級，以維持一調節之功率控制。 一種應用是僅具有一個供應域之晶片上系統。在此例中，該直流對直流（DCDC）控制器係位於與晶片上系統相同的矽與供應域上。另一個應用是，具有多個供應域之晶片上系統，其中每一個供應域可具有一本身的直流對直流控制器，其位於相同供應域上，或是一主供應域具有多於僅有一個供應域之控制器。另一種應用是，該系統具有一主晶片上系統，其於獨立的矽基板上具有獨立的積體電路（ICs）。在此例中，在主晶片上系統的集成之直流對直流控制器將使得該主晶片上系統可藉由具有集成於主晶片上系統的整個系統之DCDC控制器而控制整個系統功率管理。在另一種應用中，監督功能是一獨立的單元，其監督個別的直流對直流控制器，無論是在晶片上系統內部或外部。通訊可從直流對直流控制器發送至監督或其他DCDC控制器。控制器可接著直接通訊/驅動外部電源。
第2圖顯示了一種包括複數個核心22（核心-1、…、核心-n）的晶片上系統，其中每一核心22係由複數個功率轉換器中的一獨立的功率轉換器23所啟動。每一個功率轉換器23係一切換之直流對直流轉換器，其包括一可切換之功率級26、一驅動器25、以及一數位控制器24。每一個控制器24都實施一控制定律以決定用於控制其驅動器25（其驅動一可切換之功率級26）之一控制訊號。 可觀察到每一個控制器24都位於與該晶片上系統21相同的晶片上，其中該晶片上系統21係包括複數個核心22。因此，每一個控制器24係一完全集成之數位控制器。 更進一步，每一核心22被連接至一動態電壓與頻率調整裝置28。該動態電壓與頻率調整裝置28係經由一超快速晶片上控制匯流排29而連接至一功率轉換器的各數位控制器。各驅動器211係疊置在該晶片的頂部上。一驅動器控制介面211被提供以使各數位控制器24連接至正所控制之驅動器25。各驅動器25包括一脈衝寬度調變器，其產生一數位脈寬調變（DPWM）訊號，以切換各可切換之功率級。為控制驅動器而產生之控制訊號係一負載比，其定義了該數位脈寬調變訊號之一工作週期。該負載比與重複率係可在週期循環的基礎上進行調節。該數位脈寬調變訊號係經由一驅動器-功率級介面212而提供至一可切換之功率級26，其中該驅動器-功率級介面212係位於該晶片邊界上。此外，該晶片上系統包括複數個功率軌（軌-1、軌-2、軌-x），其各包含一功率軌晶片介面210。每一個功率軌17係使一功率轉換器23與一核心22連接。 此一具體實施例允許一種「冷卻矽」方式，同時具有針對每一核心22之最佳化功率軌27。當每軌額定值（ratings）降低時，外部構件即可製作得較小。在晶片上系統內控制器的整合造成係使直流對直流轉換器的較快速瞬時響應，這是因為具有小形狀因子的較小線圈之故。此外，本發明方法允許動態效率之最佳化。更進一步，可使用較低額定之晶片電感器。由於，本發明是一種數位解決方式，可應用因作為數位架構的一種成熟技術而降低風險。此外，具有一集成驅動器金屬氧化物半導體（MOS）之最佳堆疊晶片亦可允許高電壓輸入軌。 第3圖顯示用於啟動一晶片上系統31之功率轉換器的一具體實施例。該功率轉換器包括一功率級32，其根據一切換訊號以及一切換元件35之一輸入電壓而產生一輸出電壓。該功率級進一步包括一電感36與一電容器37。在充電相中，電容器37係經由電感36而進行充電。在放電相中，電容器37被放電。切換元件35係由一控制器33控制。控制器33根據一控制定律而產生切換訊號。該控制定律可處理輸出電壓與電感電流。該輸出電壓係藉由用於感測輸出電壓38的裝置而提供，而電感電流是由用於感測電感電流39的裝置所提供。 控制器係位於與該晶片上系統相同之晶片上。輸出電壓係產生以啟動該晶片上系統31的一供應域34。該供應域34包括控制器33。 因此，此一具體實施例是關於一種單相、單一供應域。由於控制器位於與晶片上系統相同的晶片上、且是由該晶片上系統的一單一供應域（其同樣是由控制器用來控制的相同功率轉換器啟動）所啟動，可省略該控制器的一專屬電源供應器。 第4圖顯示一種多個供應域之功率轉換器的具體實施例。切換之功率轉換器包括一第一功率級42與一第二功率級410，該第一功率級42係由一第一控制器43所驅動以產生一第一輸出電壓Vsup1，該第二功率級410是由一第二控制器411所驅動以產生一第二輸出電壓Vsup2。第一控制器43與第二控制器411是位於與該晶片上系統21相同之晶片上。第一輸出電壓Vsup1被產生以啟動該晶片上系統41的一第一供應域44。第二輸出電壓Vsup2被產生以啟動該晶片上系統41的一第二供應域412。第一供應域44包括第一控制器43，而第二供應域412包括第二控制器411。 功率級42、410可為相同的。功率級包括一切換元件45、413，一電感46、414，一電容器47、415，用於感測一輸出電壓之裝置48、416，以及用於感測一電感電流之裝置49、417。 第一輸出電壓與第二輸出電壓為同相，其對應於單相、多個供應域。或者是，第一和第二輸出電壓可為異相。 第5圖顯示一晶片上系統之功率轉換器的另一具體實施例。切換之功率轉換器包括一第一功率級52與一第二功率級510，該第一功率級52由一第一控制器53驅動以產生一第一輸出電壓Vsup1，該第二功率級510由一第二控制器511驅動以產生一第二輸出電壓Vsup2。 第一控制器53與第二控制器511係位於與晶片上系統51相同之晶片上。第一輸出電壓Vsup1係產生以啟動該晶片上系統51的一第一供應域54。該第一供應域包括第一控制器53與第二控制器511。第二輸出電壓Vsup2是產生以啟動該晶片上系統51外的一第二供應域512。該晶片上系統51被視為是一主晶片上系統。第二供應域則屬於一從屬晶片上系統、或是主晶片上系統外部的任何其他積體電路。 功率級53、510可為相同的。功率級包括一切換元件55、513，一電感56、514，一電容器57、515，用於感測一輸出電壓之裝置58、516，以及用於感測一電感電流之裝置59、517。 第6圖顯示一晶片上系統之功率轉換器的另一具體實施例。切換之功率轉換器包括用於產生一第一輸出電壓Vsup1之一第一功率級62、以及用於產生一第二輸出電壓Vsup2之一第二功率級610。該第一與第二功率級62、610是由位於與該晶片上系統61相同之晶片上的一單一控制器63所驅動。第一輸出電壓Vsup1係產生以啟動包含該單一控制器63的該晶片上系統的一第一供應域64。第二輸出電壓Vsup2是產生以啟動在該晶片上系統的一第二供應域612。 功率級63、610可為相同的。功率級包括一切換元件65、613，一電感66、614，一電容器67、615，用於感測一輸出電壓之裝置68、616，以及用於感測一電感電流之裝置69、617。 第7圖顯示了一晶片上系統之功率轉換器的另一具體實施例。切換之功率轉換器71包括用於產生一輸出電壓Vsup之一第一功率級72、以及耦接至該第一功率級的一第二功率級，使得該第一功率級72與第二功率級包括一單一電容器77，其係由該第一功率級72與該第二功率級進行充電與放電。該第一功率級包括一切換元件75、一電感76、該單一電容器77、用於感測一輸出電壓之裝置78、以及用於感測一電感電流之裝置79。第二功率級包括一切換元件710、一電感711、用於感測一電感電流之裝置79、該單一電容器77、以及用於感測一輸出電壓之裝置78。 第一與第二功率級是由位於與該晶片上系統71相同之晶片上的一控制器73所驅動。輸出電壓Vsup係產生以啟動晶片上系統71的一供應域74。供應域74包括控制器73。 第8圖顯示一種包括一控制器82之晶片上系統，用產生一切換訊號以驅動一切換功率轉換器的一功率級83之切換元件，該功率級根據該切換訊號以及該切換元件之一輸入電壓而產生一輸出電壓，其中該控制器82是位於與該晶片上系統81相同之晶片上，且其中該輸出電壓係產生以啟動該晶片上系統的一供應域。該晶片上系統進一步包括一雙向通訊匯流排84，其使該控制器82連接至另一切換功率轉換器的另一控制器。 該雙向通訊匯流排84係使該控制器82連接至控制另一切換功率轉換器的一功率級810之另一控制器89。該另一控制器89係位於與該晶片上系統61相同的晶片上。 該雙向通訊匯流排進一步使控制器82連接至另一控制器86，該另一控制器86控制位於晶片上系統81外的另一切換功率轉換器的一功率級87。 該晶片上系統81進一步包括被連接至該雙向通訊匯流排84的一監督控制器85。該監督控制器85係控制了在與晶片上系統相同的晶片上的一控制器82、89所產生之類比或數位訊號是否應供應至位於該晶片上系統外的另一控制器86。 更進一步，該雙向通訊匯流排84被連接至一調節器88。 控制器82連接至正受到一雙向功率匯流排811控制的一功率級83。
11、18、21、31、41、51、61、71、81．．．晶片上系統
12、22．．．核心
13、23．．．功率轉換器
14、24、33、43、53、73、82、86、89、420、511．．．控制器
15、25．．．驅動器
16、32、42、52、62、72、83、87、410、510、610、810．．．功率級
17、27．．．功率軌
19．．．慢速週邊裝置控制匯流排
26．．．可切換之功率級
28．．．動態電壓與頻率調整裝置
29．．．超快速晶片上控制匯流排
34、44、54、64、74、412、512、612．．．供應域
35、45、55、65、75、413、513、613、710．．．切換元件
36、46、56、66、76、414、514、614、711．．．電感
37、47、57、67、415、515、615．．．電容器
38．．．輸出電壓
39．．．電感電流
48、58、68、78、416、516、616．．．用於感測輸出電壓之裝置
49、59、69、79、417、517、617．．．用於感測電感電流之裝置
63．．．單一控制器
77．．．單一電容器
84．．．雙向通訊匯流排
85．．．監督控制器
88．．．調節器
110、210．．．功率軌晶片介面
111．．．控制匯流晶片介面
211．．．驅動器控制介面
212．．．驅動器功率級介面
811．．．雙向功率匯流排
現將參照如附圖式，其中： 第1圖顯示一晶片上系統，其包括在晶片上系統內的複數個核心、以及完全位於晶片上系統外部的複數個功率轉換器； 第2圖顯示一種晶片上系統，其包括在晶片上系統內的複數個核心以及複數個功率轉換器，該功率轉換器各包括位於該晶片上系統內之一控制器； 第3圖顯示一單相、單一供應域之直流對直流轉換器的方塊圖； 第4圖顯示一單相、多個供應域之直流對直流轉換器的方塊圖； 第5圖顯示一種以在主晶片上系統內的直流對直流控制器進行系統功率管理之直流對直流轉換器的方塊圖； 第6圖顯示具有在晶片上系統內之多軌控制器的一直流對直流轉換器的方塊圖； 第7圖顯示具有在晶片上系統內之多相控制器的一直流對直流轉換器的方塊圖；以及 第8圖顯示一種包括雙向通訊之晶片上系統，其用於控制複數個直流對直流轉換器（其具有在該晶片上系統內之一控制器）。
21．．．晶片上系統
22．．．核心
23．．．功率轉換器
24．．．控制器
25．．．驅動器
26．．．可切換之功率級
27．．．功率軌
28．．．動態電壓與頻率調整裝置
29．．．超快速晶片上控制匯流排
210．．．功率軌晶片介面
211．．．驅動器控制介面
212．．．驅動器功率級介面
Claims (22)
- 一種晶片上系統，包括： 一控制器，用於產生一切換訊號，以驅動一切換功率轉換器的一功率級的一切換元件，該功率級係根據該切換訊號以及該切換元件之一輸入電壓而產生一輸出電壓，其中該控制器係位於與該晶片上系統相同之晶片上，且其中該輸出電壓被產生以啟動該晶片上系統的一供應域。
- 如申請專利範圍第1項所述之晶片上系統，其中該供應域包括一核心（core），且其中該核心係連接至一動態電壓與頻率調整裝置，該動態電壓與頻率調整裝置係經由一晶片上控制匯流排而被連接至該控制器。
- 如申請專利範圍第1項所述之晶片上系統，其包括複數個供應域，其中該複數個供應域中的每一個供應域都包括一核心，該核心由複數個功率轉換器中的一獨立的功率轉換器所啟動，各功率轉換器係一切換之直流對直流（DC-DC）轉換器，其中各控制器係位於與該晶片上系統相同之晶片上，且其中各核心被連接至一動態電壓與頻率調整裝置，該動態電壓與頻率調整裝置係經由一晶片上控制匯流排而被連接至該複數個功率轉換器中的一功率轉換器的各控制器。
- 如申請專利範圍第1項所述之晶片上系統，其中該驅動器係疊置在該晶片的頂部。
- 如申請專利範圍第1項所述之晶片上系統，其中該驅動器係疊置在該晶片的頂部上之一集成金屬氧化物半導體（MOS）。
- 如申請專利範圍第1項所述之晶片上系統，其中該驅動器與該功率轉換器的該功率級係實施為一獨立的積體電路。
- 如申請專利範圍第1項所述之晶片上系統，其中該功率轉換器的該驅動器是在與該複數個核心相同的晶片上。
- 如申請專利範圍第1項所述之晶片上系統，其中該驅動器包括一脈衝寬度調變器，其產生一脈寬調變（PWM）訊號以切換該可切換之功率級，且其中用於控制該驅動器之該控制訊號係一負載比，其定義了該脈寬調變訊號的一工作週期。
- 如申請專利範圍第1項所述之晶片上系統，其中該驅動器包括一脈衝寬度調變器，其產生一脈寬調變（PWM）控制訊號以切換該可切換之功率級，且其中用於控制該驅動器之該控制訊號係一負載比，其定義了該脈寬調變訊號的一工作週期，其中該負載比與重複率係以週期循環（cycle to cycle）為基礎加以調節。
- 如申請專利範圍第1項所述之晶片上系統，其中該功率級係經由一功率軌而被連接至該核心，該功率包括一晶片介面。
- 如申請專利範圍第1項所述之晶片上系統，其中該供應域包括該控制器。
- 如申請專利範圍第1項所述之晶片上系統，其中該切換功率轉換器包括一第一功率級和一第二功率級，該第一功率級係由一第一控制器所驅動以產生一第一輸出電壓，該第二功率級係由一第二控制器所驅動以產生一第二輸出電壓，其中該第一控制器與該第二控制器係位於與該晶片上系統相同的晶片上，且其中該第一輸出電壓係產生以啟動該晶片上系統的一第一供應域，且其中該第二輸出電壓係產生以啟動該晶片上系統的一第二供應域。
- 如申請專利範圍第11項所述之晶片上系統，其中該第一輸出電壓與該第二輸出電壓為同相或反相。
- 如申請專利範圍第1項所述之晶片上系統，其中該切換功率轉換器包括一第一功率級與一第二功率級，該第一功率級係由一第一控制器所驅動以產生一第一輸出電壓，該第二功率級係由一第二控制器所驅動以產生一第二輸出電壓，其中該第一控制器與該第二控制器係位於與該晶片上系統相同之晶片上，且其中該第一輸出電壓係產生以啟動該晶片上系統的一第一供應域，且其中該第二輸出電壓係產生以啟動在該晶片上系統外的一第二供應域。
- 如申請專利範圍第13項所述之晶片上系統，其中該第一供應域包括該第一控制器與該第二控制器。
- 如申請專利範圍第1項所述之晶片上系統，其中該切換功率轉換器包括一第一功率級以產生一第一輸出電壓、以及一第二功率級以產生一第二輸出電壓，其中該第一與第二功率級係由位於與該晶片上系統相同之晶片上的一單一控制器所驅動，且其中該第一輸出電壓係產生以啟動包含該單一控制器的該晶片上系統的一第一供應域，且其中該第二輸出電壓係產生以啟動該晶片上系統的一第二供應域。
- 如申請專利範圍第1項所述之晶片上系統，其中該切換功率轉換器包括一第一功率級以產生一輸出電壓、以及耦接至該第一功率級之一第二功率級，使得該第一功率級與該第二功率級包括由該第一與第二功率級予以充電及放電之一單一電容器，其中該第一與第二功率級是由位於與該晶片上系統相同之晶片上的一控制器加以驅動，其中該輸出電壓是產生以啟動該晶片上系統的一供應域，且其中該供應域包括該控制器。
- 如申請專利範圍第1項所述之晶片上系統，更包括一雙向通訊匯流排，其使該控制器連接至另一切換功率轉換器的另一控制器。
- 如申請專利範圍第17項所述之晶片上系統，其中該雙向通訊匯流排將該控制器連接至位於與該晶片上系統相同之晶片上的另一切換功率轉換器的另一控制器。
- 如申請專利範圍第17項所述之晶片上系統，其中該雙向通訊匯流排將該控制器連接至在該晶片上系統外的另一切換功率轉換器的另一控制器。
- 如申請專利範圍第17項所述之晶片上系統，進一步包括一監督控制器，其連接至該雙向通訊匯流排而控制在與該晶片上系統相同之晶片上的一控制器所產生的類比或數位訊號是否應被提供至位於該晶片上系統外的另一控制器。
- 如申請專利範圍第17項所述之晶片上系統，其中一控制器係藉由一雙向功率匯流排而連接至其正控制之一功率級。
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