TWI605331B - 電源控制裝置 - Google Patents

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TWI605331B
TWI605331B TW104135544A TW104135544A TWI605331B TW I605331 B TWI605331 B TW I605331B TW 104135544 A TW104135544 A TW 104135544A TW 104135544 A TW104135544 A TW 104135544A TW I605331 B TWI605331 B TW I605331B
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俞日龍
周宇
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上海兆芯集成電路有限公司
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Description

電源控制裝置
本發明係有關於一種電源控制裝置，特別是有關於一種具有效能監控電路的電源控制裝置，其能藉由監控一目標處理模組的操作狀況來產生供應電壓給目標處理模組作為其操作電壓。
電子裝置中處理器執行操作時的耗能大小變為越來越重要，尤其是對於移動式裝置而言，更為重要。當處理器在特定效能下操作時，期望能降低供應電壓，藉以減少耗能。一般而言，一個動態頻率-電壓調整(dynamic voltage-frequency scaling，DVFS)表單包含了多個操作頻率以及對應的操作電壓。以往，對於一批次的晶片而言，在一特定的操作頻率下，可藉由DVFS表單來找出施加的操作電壓給該批次的所有晶片。然而，在一批次的晶片中，每個晶片可能有不同的頻率-電壓特性，且甚至在不同的操作環境下，同一晶片的頻率-電壓特性也可能會改變。因此，若實施一個固定的DVFS表單給一批次的所有晶片，對於可能以更低的電壓來達到相同期望的操作頻率的晶片而言，則無法進一步降低其耗能大小。
本發明提供一種電源控制裝置，用以產生並控制 一供應電壓。電源控制裝置包括可變延遲鏈、取樣電路、比較電路、以及電源管理器。可變延遲鏈具有延遲長度。可變延遲鏈接收初始信號，且根據延遲長度來對初始信號進行延遲操作以產生延遲信號。取樣電路接收延遲信號，且對延遲信號進行取樣以產生取樣信號。比較電路接收取樣信號，且對取樣信號以及參考信號進行比較以產生比較結果信號。電源管理器接收比較結果信號，且根據比較結果信號來調整供應電壓。
1‧‧‧電子系統
10‧‧‧電源控制裝置
11‧‧‧處理模組
12‧‧‧時脈產生器
13‧‧‧中央處理單元
20‧‧‧反向器
21...25‧‧‧正反器
26‧‧‧互斥或閘
30-0...30-N‧‧‧多工器
50‧‧‧處理模組(CPU)
100‧‧‧效能監控器
101‧‧‧電源管理器
1000‧‧‧可變延遲鏈
1001‧‧‧取樣電路
1002‧‧‧比較電路
1003‧‧‧初始信號產生電路
1004‧‧‧參考信號產生電路
1005‧‧‧溫度感測器
1010‧‧‧電源管理單元
1011‧‧‧電源管理積體電路
1012‧‧‧儲存單元
CLK‧‧‧時脈信號
S40...S44‧‧‧方法步驟
S101A、S101B‧‧‧控制信號
S1000‧‧‧延遲信號
S1001‧‧‧取樣信號
S1002‧‧‧比較結果信號
S1003‧‧‧初始信號
S1004‧‧‧參考信號
S1005‧‧‧溫度信號
SEL-0...SEL-N‧‧‧選擇信號
Vsupply‧‧‧供應電壓
第1圖表示根據本發明一實施例的電子系統。
第2圖表示根據本發明一實施例的效能監控器的電路架構。
第3圖表示根據本發明一實施例的可變延遲鏈的電路架構。
第4圖表示根據本發明一實施例的調整方法，以調整可變延遲鏈的延遲長度。
第5圖表示根據本發明另一實施例的電子系統。
第1圖係表示根據本發明一實施例的電子系統。電子系統1可以是智慧型手機、平板電腦、數位相機等移動式裝置。參閱第1圖，電子系統1包括電源控制裝置10、處理模組11、時脈產生器12、以及中央處理單元(central processing unit，CPU)13。電源控制裝置10包括效能監控器100以及電源管理器101。效能監控器100包括可變延遲鏈1000、取樣電路1001、比較電路1002、初始信號產生電路1003、參考信號產生電路1004、以及溫度感測器1005。電源管理器101包括電源管理單 元(power management unit，PMU)1010以及電源管理積體電路(power management integrated circuit，PMIC)1011。在第1圖的實施例中，電源管理積體電路1011與電源管理電單元1010為兩個不同的元件或裝置，且電源管理積體電路1011係由電源管理電單元1010所控制。而在其他實施例中，電源管理積體電路1011係配置在電源管理電單元1010之內，即電源管理積體電路1011為電源管理單元1010的一部份。在此情況下，電源管理單元1010則作為電源管理器101。
電源管理單元1010具有一儲存單元1012，其儲存一個動態頻率-電壓調整(dynamic voltage-frequency scaling，DVFS)表單。DVFS表單包含了多個操作頻率以及對應的操作電壓。在電子系統1初始操作時，中央處理器13依據處理模組11的期望操作效能來控制電源管理單元1010從DVFS表單中初始選擇一期望的操作頻率以及對應的操作電壓。電源管理單元1010根據選擇的操作頻率以及操作電壓分別產生控制信號S101A與S101B至電源管理積體電路1011以及時脈產生器12。電源管理積體電路1011根據控制信號S101A來初始產生具有預設位準的供應電壓Vsupply(此預設位準對應電源管理單元1010所選擇的操作電壓)，而時脈產生器12則根據控制信號S101B來產生時脈信號CLK。在此實施例中，時脈產生器12係以相位鎖定迴路架構來實現。
處理模組11接收供應電壓Vsupply作為其操作電壓，並接收時脈信號CLK作為其操作時的時脈依據。效能監控器100也接收供應電壓Vsupply作為其操作電壓，同時也接收時 脈信號CLK。換句話說，處理模組11與效能監控器100共享供應電壓Vsupply以及時脈信號CLK。效能監控器100係用來監控處理模組11的操作效能，且監控的結果可用來控制電源管理器101是否調整供應電壓Vsupply。以下將說明效能監控器100的監控操作。在效能監控器100中，初始信號產生電路1003接收時脈信號CLK，且根據時脈信號CLK來產生初始信號S1003。可變延遲鏈1000接收初始信號S1003，且根據其當前的延遲長度來對初始信號S1003進行延遲操作，並產生延遲信號S1000。在此實施例中，可變延遲鏈1000是用來模仿處理模組11中的關鍵路徑，可變延遲鏈1000的延遲長度則是對應關鍵路徑的時序。如此一來，效能監控器100則能透過可變延遲鏈1000來得知處理模組11的關鍵路徑以及其時序。在本發明的實施例中，可變延遲鏈1000僅是延遲初始信號S1003的時序以產生延遲信號S1000，而不會對初始信號S1003進行反向後輸出，即是，延遲信號S1000的位準變化相同於初始信號S1003的位準變化。取樣電路1001接收延遲信號S1000，並對延遲信號S1000進行取樣，以產生取樣信號S1001。參考信號產生電路1004也接收初始信號S1003，且根據時脈信號CLK來對初始信號S1003進行取樣後產生參考信號S1004。
比較電路1002接收來自取樣電路1001的取樣信號S1001以及來自參考信號產生電路1004的參考信號S1004。比較電路1002對取樣信號S1001以及參考信號S1004進行比較，且根據比較結果來產生比較結果信號S1002。比較結果信號S1002則傳送至電源管理單元1010。比較電路1002比較出取樣信號 S1001相同於參考信號S1004的情況是表示，可變延遲鏈1000是正常地操作。由於可變延遲鏈1000是模仿處理模組11中的關鍵路徑，因此，比較電路1002比較出取樣信號S1001相同於參考信號S1004的情況也可表示出，處理模組11在目前的操作電壓(即供應電壓Vsupply)下能正常地操作。此時，電源管理器單元1010根據比較結果信號S1002可得知目前所產生的供應電壓Vsupply能夠讓處理模組11正常操作，因此控制電源管理積體電路1011來降低供應電壓Vsupply(即降低電壓位準)。另一方面，比較電路1002比較出取樣信號S1001不同於參考信號S1004的情況表示出，可變延遲鏈1000並非正常地操作，也進一步表示出處理模組11在目前的操作電壓(即供應電壓Vsupply)下無法正常地操作(即操作失敗)。此時，電源管理單元1010根據比較結果信號S1002可得知繼續降低供應電壓Vsupply已不足以讓處理模組11正常操作，並控制電源管理積體電路1011不調整供應電壓Vsupply(即不調整電壓位準)，例如，不降低整供應電壓Vsupply的位準。換句話說，當電源管理器單元1010根據比較結果信號S1002可得知繼續降低供應電壓Vsupply已不足以讓處理模組11正常操作時，供應電壓Vsupply維持在當前的位準或略有提高。
根據上述可得知，在電源管理器101初始根據DVFS表單來產生具有初始位準的供應電壓Vsupply之後，電源控制裝置10藉由效能監控器100的可變延遲鏈1000來模擬處理模組11的關鍵路徑，藉以監控處理模組11在當前的操作電壓下的操作效能並依據監控結果來動態地調整供應電壓Vsupply。當效 能監控器100判斷出處理模組11在當前的操作電壓下能正常操作時，電源管理器101則降低提供至處理模組11的供應電壓Vsupply，藉此可減少處理模組11的耗能。此外，根據本發明的實施例，即使同一批次的所有晶片都採用相同的DVFS表單，但由於電源控制裝置10的電壓調整機制，使得每個晶片能操作在更符合其頻率-電壓特性的操作電壓下。如此能具有較佳的操作效能以及較低的功耗。
第2圖係表示根據本發明一實施例，效能監控器100的詳細電路架構。參閱第2圖，初始信號產生電路1003包括反向器20以及正反器21。反向器20的輸入端耦接正反器21的輸出端Q，且其輸出端耦接正反器21的輸入端D。正反器21的輸出端Q則輸出初始信號S1003。可變延遲鏈1000接收初始信號S1003並產生延遲信號S1000。取樣電路1001包括正反器22與23。正反器22的輸入端D接收延遲信號S1000。正反器23的輸入端D耦接正反器22的輸出端Q。取樣電路1001透過正反器22與23的操作來對延遲信號S1000進行取樣，以在正反器23的輸出端Q上產生取樣信號S1001。參考信號產生電路1004包括正反器24與25。正反器24的輸入端D接收初始信號S1003。正反器25的輸入端D耦接正反器24的輸出端Q。參考信號產生電路1004透過正反器24與25的操作來對初始信號S1003進行取樣，以在正反器25的輸出端Q上產生參考信號S1004。比較電路1002包括互斥或(XOR)閘26。互斥或閘26的兩輸入端分別接收取樣信號S1001以及參考信號S1004。當取樣信號S1001相同於參考信號S1004時，互斥或閘26產生低位準的比較結果信號S1002。此 時，電源管理單元1010根據低位準的比較結果信號S1002來控制電源管理積體電路1011來降低供應電壓Vsupply。當取樣信號S1001與參考信號S1004不同時，互斥或閘26產生高位準的比較結果信號S1002。電源管理器單元1010根據高位準的比較結果信號S1002來控制電源管理積體電路1011不調整供應電壓Vsupply，例如，不降低整供應電壓Vsupply的電壓位準。
第3圖係表示根據本發明一實施例的可變延遲鏈1000。如第3圖所示，可變延遲鏈1000包括複數串接的多工器30-0~30-N。除了多工器30-0以外，多工器30-1~30-N中每一者的一端(0)耦接前一多工器的輸出端，而另一端(1)接收初始信號1003。多工器30-0的兩輸入端都接收初始信號S1003。多工器30-N的輸出端產生延遲信號S1000。在本發明的實施例中，可變延遲鏈1000的延遲長度是可調整的。參閱第1與3圖，可變延遲鏈1000受控於電源管理單元1010。電源管理單元1010產生複數選擇信號SEL-0~SEL-N給可變延遲鏈1000，以分別控制多工器30-0~30-N。電源管理單元1010透過選擇信號SEL-0~SEL-N來調整或改變可變延遲鏈1000的延遲長度。
在第2與3圖的實施例中，可變延遲鏈1000、取樣電路1001、比較電路1002、初始信號產生電路1003、以及參考信號產生電路1004的架構僅為一示範例子。在實際應用上，這些電路可依據系統需求以及規格而有不同的架構。
再次參閱第1圖，在本發明一實施例中，可變延遲鏈1000的延遲長度可依據電源控制裝置10的環境溫度(即處理模組11的環境溫度)來調整或改變。以下將配合第1圖4圖來說 明依據環境溫度來調整可變延遲鏈1000的延遲長度的操作。效能監控器100的溫度感測器1005感測其周圍的環境溫度，以產生溫度信號S1005(步驟S40)。溫度感測器1005根據偵測到的環境溫度來產生溫度信號S1005給電源管理單元1010。電源管理單元1010則透過溫度感測信號S1005來得知環境溫度(步驟S41)。電源管理單元1010判斷偵測到的環境溫度是否到達溫度上限臨界值(步驟S42)。當電源管理單元1010判斷出環境溫度到達溫度上限臨界值時，電源管理單元1010發布一個中斷信號給中央處理單元13。此時，中央處理單元13反應於中斷信號而傳送指令信號給電源管理單元1010，使電源管理單元1010控制電源管理積體電路1011來降低供應電壓Vsupply(步驟S43)。如此一來，可避免處理模組11的晶片損壞。在另一實施例的步驟S43中，當電源管理單元1010判斷出環境溫度到達溫度上限臨界值時，電源管理單元1010可直接控制電源管理積體電路1011來降低供應電壓Vsupply，而不會發布中斷信號給中央處理單元13。
當電源管理單元1010判斷出環境溫度尚未到達溫度上限臨界值時，電源管理單元1010發布一個中斷信號給中央處理單元13。此時，中央處理單元13根據處理模組11的先前以及當前的操作狀態來傳送指令信號給電源管理單元1010，使在需要的情況下電源管理單元1010可調整可變延遲鏈1000的延遲長度(步驟S44)。根據上述，電源管理積體電路1010係透過選擇信號SEL-0~SEL-N來調整可變延遲鏈1000的延遲長度。在另一實施例的步驟S44中，當電源管理單元1010判斷出環境溫 度尚未到達溫度上限臨界值時，電源管理單元1010可直接透過選擇信號SEL-0~SEL-N來調整可變延遲鏈1000的延遲長度，而不會發布中斷信號給中央處理單元13。
在上述的實施例中，受到效能監控器100所監控的處理模組11可以是圖形處理器、微控制器、或是專用控制器。在一些實施例中，如第5圖所示，受到效能監控器100所監控的處理模組50是中央處理單元(CPU)。在此情況下，則可以不另外具有中央處理單元13。在第4圖的步驟S43與S44中，電源管理單元1010則是發布中斷信號給處理模組50，而由處理模組50反應於中斷信號而傳送指令信號給電源管理單元1010。換句話說，第1圖實施例中由中央處理單元13所執行的操作，在第5圖的實施例中則是由處理模組50來執行。
提供本發明之先前描述以使得任何熟習此項技術者能夠製造或使用本發明。對本發明之各種修改對熟習此項技術者而言將易於顯而易見，且可在不偏離本發明之精神或範疇的情況下將本文中所定義之一般原理應用於其他變化。因此，本發明不意欲限於本文中所描述之實例及設計，而應符合與本文中所揭示之原理及新穎特徵相一致的最廣範疇。
1‧‧‧電子系統
10‧‧‧電源控制裝置
11‧‧‧處理模組
12‧‧‧時脈產生器
13‧‧‧中央處理單元
100‧‧‧效能監控器
101‧‧‧電源管理器
1000‧‧‧可變延遲鏈
1001‧‧‧取樣電路
1002‧‧‧比較電路
1003‧‧‧初始信號產生電路
1004‧‧‧參考信號產生電路
1005‧‧‧溫度感測器
1010‧‧‧電源管理單元
1011‧‧‧電源管理積體電路
1012‧‧‧儲存單元
CLK‧‧‧時脈信號
S101A、S101B‧‧‧控制信號
S1000‧‧‧延遲信號
S1001‧‧‧取樣信號
S1002‧‧‧比較結果信號
S1003‧‧‧初始信號
S1004‧‧‧參考信號
S1005‧‧‧溫度信號
SEL-0...SEL-N‧‧‧選擇信號
Vsupply‧‧‧供應電壓

Claims (11)

  1. 一種電源控制裝置，用以產生並控制一供應電壓，包括：一可變延遲鏈，具有一延遲長度，該可變延遲鏈接收一初始信號，且根據該延遲長度來對該初始信號進行一延遲操作以產生一延遲信號；一取樣電路，接收該延遲信號，且對該延遲信號進行取樣以產生一取樣信號；一比較電路，接收該取樣信號，且對該取樣信號以及一參考信號進行比較以產生一比較結果信號；以及一電源管理器，接收該比較結果信號，且根據該比較結果信號來調整該供應電壓。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之電源控制裝置，其中，當該比較電路比較出該取樣信號相同於該參考信號時，該電源管理器根據該比較結果信號來降低該供應電壓的位準。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之電源控制裝置，其中，當該比較電路比較出該取樣信號不同於該參考信號時，該電源管理器根據該比較結果信號而不調整該供應電壓的位準。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之電源控制裝置，更包括：一溫度感測器，用以感測其周圍的一環境溫度，且根據偵測到的該環境溫度來產生一溫度信號；其中，該電源管理器根據該溫度信號來判斷該環境溫度是否到達一溫度上限臨界值；以及當該電源管理器根據該溫度信號判斷出該環境溫度尚未到達該溫度上限臨界值時，該電源管理器可調整該可變延遲 鏈的該延遲長度。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之電源控制裝置，其中，當該電源管理器根據該溫度信號判斷出該環境溫度到達該溫度上限臨界值時，該電源管理器降低該供應電壓的位準。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之電源控制裝置，更包括：一初始信號產生電路，根據一時脈信號來產生該初始信號；以及一參考信號產生電路，接收該初始信號，且根據該時脈信號以及該初始信號來產生該參考信號。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之電源控制裝置，其中，該電源管理器包括：一電源管理積體電路，產生該供應電壓；以及一電源管理單元，接收該比較結果信號，且根據該比較結果信號來控制該電源管理積體電路以調整該供應電壓。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之電源控制裝置，其中，該電源管理器產生該供應電壓給一處理模組以作為一操作電壓，且該可變延遲鏈透過該延遲長度來模仿該處理模組中一關鍵路徑的時序。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之電源控制裝置，其中，該處理模組為一中央處理器、一圖形處理器、一微控制器、或一專用控制器。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之電源控制裝置，其中，該電源管理器初始根據一操作頻率來產生一初始位準的該供應電壓，之後再根據該比較結果信號來調整該供應電壓的位準。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之電源控制裝置，其中，該電源管理器產生該供應電壓給一處理模組以作為一操作電壓，且該操作電壓的一預設位準係對應於該處理模組的一期望操作頻率。
TW104135544A 2015-09-02 2015-10-29 電源控制裝置 TWI605331B (zh)

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