一种提供动态工作电压的处理器供电系统及方法
【专利摘要】本发明提供一种提供动态工作电压的处理器供电系统，包括电感式电压调整器、开关电容式电压调整器和控制单元，所述电感式电压调整器与电源连接，所述电感式电压调整器的后级连接所述开关电容式电压调整器，所述控制单元用于根据处理器需要的工作电压的大小，选择由所述电感式电压调整器直接向处理器供电，或者由所述电感式电压调整器和所述开关电容式电压调整器的级联输出向处理器供电。本发明能够在实现高质量的电压转化的同时，能够在宽动态范围内均保持较高的功耗转化效率。并且本发明面积开销小，便于推广。
【专利说明】一种提供动态工作电压的处理器供电系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及处理器供电【技术领域】，具体地说，本发明涉及一种提供动态工作电压 的处理器供电系统及方法。
【背景技术】
[0002] 现代微处理器设计已经逐渐从以高性能为目标转向为以高效能为目标。为了实现 计算高效能，现代处理器已提供了多个工作模式（P-states)以实现灵活的功耗管理。处 理器的多个工作模式是通过动态电压频率调节（DVFS)的技术来实现的，动态频率的调节 是通过片上的锁相环路（PLL)来进行的，而动态电压的调节需要一个能输出多种电压的供 电系统的支持。例如，在Intel奔腾系列处理器中，PO状态（最高性能模式），所需电压为 I. 4V;P5状态（高效能模式），所需电压为0. 9V，因此该供电系统必须具备提供0. 9V?I. 4V 输出电压的能力。随着一些新技术的引入和发展，如提高瞬时响应速度的睿频技术（Turbo Boost)和高效能的近阈值电压计算（NearThresholdComputing),处理器的动态电压范围 进一步增大，这就需要有动态范围更宽的供电系统支持。
[0003] 处理器供电系统主要由电压调整器构成，它负责将电源的能量传输到处理器上， 它的主要设计目标是实现高质量的电压转化和高功耗转化效率。在一些理想的情况下，采 用一个设计良好的板上电压调整器，即片外电感式电压调整器（片外电压调整器），功耗转 化效率往往可以达到80?90 %。但是，在偏离理想状态的情况下，功耗转化效率会显著地 降低。例如，一个典型的片外电压调整器（Off-VR)从3. 7V向0. 3V?I. 2V进行电压转化 时功耗转化效率的情况，功耗转化效率在最高输出电压I. 2V的时候达到了较高值73%，然 而，在最低输出电压0. 3V的情况下，功耗转化效率降低到了仅仅只有12%。显而易见地，在 低输出电压的情况下，供电系统功耗损失在整个功耗中占了主导，这导致处理器宽动态范 围的功耗管理所带来的好处被减少甚至被完全消耗。
[0004] 因此，当前迫切需要一种在实现高质量的电压转化的同时，能够提高功耗转化效 率的宽动态范围的处理器供电解决方案。
【发明内容】
[0005] 本发明的任务是提供一种在实现高质量的电压转化的同时，能够提高功耗转化效 率的宽动态范围的处理器供电解决方案。
[0006] 为实现上述发明目的，本发明提供了一种提供动态工作电压的处理器供电系统， 包括电感式电压调整器、开关电容式电压调整器和控制单元，所述电感式电压调整器与电 源连接，所述电感式电压调整器的后级连接所述开关电容式电压调整器，所述控制单元用 于根据处理器需要的工作电压的大小，选择由所述电感式电压调整器直接向处理器供电， 或者由所述电感式电压调整器和所述开关电容式电压调整器的级联输出向处理器供电。
[0007] 其中，所述电感式电压调整器设置在需要供电的处理器芯片外，所述开关电容式 电压调整器集成在需要供电的处理器芯片上。
[0008] 其中，所述控制单元还用于判断处理器需要的工作电压是否超过预设电压阈值， 如果判断为是，则控制所述电感式电压调整器直接将电源电压转化为处理器需要的工作电 压；如果判断为否，则控制所述电感式电压调整器和所述开关电容式电压调整器的转化效 率，使得电源电压在经过二者的两级转化后得到所述处理器需要的工作电压。
[0009] 其中，所述电感式电压调整器具有多个工作相位，当处理器需要的工作电压超过 预设电压阈值时，所述电感式电压调整器打开多个工作相位，当处理器需要的工作电压不 超过预设电压阈值时，所述电感式电压调整器仅打开一个工作相位。
[0010] 其中，所述开关电容式电压调整器的输入电压与输出电压的比率固定，当处理器 需要的工作电压不超过预设电压阈值时，所述电感式电压调整器通过调节信号占空比将电 源电压转化为对应的中间值，使得所述开关电容式电压调整器输出的电压与所述处理器需 要的工作电压吻合。
[0011] 其中，当处理器需要的工作电压不超过预设电压阈值时，所述电感式电压调整器 以指定的比率将电源电压转化为中间值，所述开关电容式电压调整器通过调整自身的切换 频率进一步对中间值进行转化，使得所输出的电压与所述处理器需要的工作电压吻合。
[0012] 其中，所述电感式电压调整器为四相位电感式电压调整器。
[0013] 其中，所述开关电容式电压调整器为3:1串并联拓扑结构开关电容式电压调整 器。
[0014] 其中，所述中间值在1.3V?2.OV之间。
[0015] 其中，所述电感式电压调整器单相位工作模式下的电感超过1.5uH(本文中"uH" 表不"微亨"）。
[0016] 其中，所述提供动态工作电压的处理器供电系统还包括切换电路，所述切换电路 用于将处理器的供电端与所述电感式电压调整器的输出端或者所述开关电容式电压调整 器的输出端接通。
[0017] 其中，所述切换电路包括第一输入端、第二输入端和输出端，第一输入端连接所述 电感式电压调整器的输出端，第二输入端连接所述开关电容式电压调整器的输出端，输出 端用于为处理器供电；所述电感式电压调整器的输出端还连接所述开关电容式电压调整器 的输入端，所述电感式电压调整器的输入端连接所述电源，所述控制单元还用于在处理器 需要的工作电压超过预设电压阈值时，控制所述切换单元将其第一输入端与输出端连通， 且将其第二输入端与输出端断开，在处理器需要的工作电压不超过预设电压阈值时，控制 所述切换单元将其第一输入端与输出端断开，且将其第二输入端与输出端连通。本发明中， 可以直接利用处理器的功耗管理单元实现对切换电路的控制，此时，处理器的功耗管理单 元中用于控制切换电路的模块可以视作所述控制单元的一部分。
[0018] 本发明还提供了一种基于前文所述的提供动态工作电压的处理器供电方法，包括 下列步骤：
[0019] 1)判断处理器当前需要的工作电压是否超过预设电压阈值；如果判断为是，进入 步骤2)，如果判断为否，则进入步骤3);
[0020] 2)控制所述电感式电压调整器将电源电压转化为处理器需要的工作电压，并控制 所述电感式电压调整器直接向处理器供电；
[0021] 3)控制所述电感式电压调整器和所述开关电容式电压调整器的转化效率，使得电 源电压在经过二者的两级转化后得到所述处理器需要的工作电压，并由所述开关电容式电 压调整器的输出端为处理器供电。
[0022] 其中，所述步骤2)还包括：控制所述电感式电压调整器打开多个工作相位，所述 步骤3)还包括：控制所述电感式电压调整器仅打开一个工作相位。
[0023] 其中，所述步骤3)还包括：所述开关电容式电压调整器的输入电压与输出电压的 比率固定，所述电感式电压调整器通过调节信号占空比将电源电压转化为对应的中间值， 使得所述开关电容式电压调整器输出的电压与所述处理器需要的工作电压吻合。
[0024] 其中，所述步骤3)还包括：所述电感式电压调整器以固定的比率将电源电压转化 为中间值，所述开关电容式电压调整器通过调节自身切换频率进一步对中间值进行转化， 使得所输出的电压与所述处理器需要的工作电压吻合。
[0025] 与现有技术相比，本发明具有下列技术效果：
[0026] 1、能够在实现高质量的电压转化的同时，能够在宽动态范围内均保持较高的功耗 转化效率。
[0027] 2、面积开销较小。
[0028] 3、本发明的供电系统只需在现已广泛使用的基于电感式片外电压调整器的供电 方案的基础上，进行少量改动升级即可得到，可节省成本，便于推广。
【专利附图】
【附图说明】
[0029] 以下，结合附图来详细说明本发明的实施例，其中：
[0030] 图1示出了典型的电感式片外电压调整器供电系统和片上LDO电压调整器供电系 统在整个电压动态范围内的功耗转化效率示意图；
[0031] 图2示出了典型的单相位电感式片外电压调整器的电路示意图；
[0032] 图3示出了典型的3:1串并联拓扑结构开关电容式电压调整器在其电压动态范围 内的功耗转化效率示意图；
[0033] 图4示出了典型的3:1串并联拓扑结构开关电容式电压调整器的电路示意图；
[0034] 图5示出了本发明一个实施例的提供动态工作电压的处理器供电系统的结构示 意图；
[0035] 图6示出了本发明一个实施例中所采用的四相位电感式片外电压调整器的电路 示意图；
[0036] 图7不出了本发明一个实施例的提供动态工作电压的处理器供电系统输出电压 从I. 2V切换至0. 5V的波形示意图；
[0037] 图8示出了本发明一个实施例中输出电压波动值随电感式片外电压调整器的电 感值变化而变化的示意图。
【具体实施方式】
[0038] 为便于理解，下面首先介绍目前在处理器供电技术中常用的电感式片外电压调整 器。
[0039] 电感式电压调整器的原理是通过周期性地对电感进行充放电来实现电压的转 换。由于电感元件体积的限制，通常的供电系统设计中电感电压调整器被置于片外，因此 也称之为"片外电感式电压调整器"。典型的单相位片外电压调整器（Single-PhaseBuck Regulator)的基本电路结构如图2所示。它的功能由两部分共同实现：开关部分Bridge和 电感部分Inductor。在开关部分，周期性地打开和关闭两开关，产生方波形式的直流电压， 在一个周期内，开关Sl关闭开关S2打开的时候输出一个等于输入电压的电压值，开关S2 关闭开关Sl打开的时候输出电压为0。通常，开关都是用半导体器件，如晶体管和二极管来 实现的。切换频率等于转换周期的倒数，转换频率常常是几百KHz到几MHz，这个取决于半 导体器件的切换频率的大小。占空比是指开关Sl关闭开关S2打开的开关状态在一个周期 中所占的比例。
[0040] 开关电路降低了输出电压的DC部分：开关电路的输出电压Vs⑴的DC部分低于 电压调整器的输入电压Vg。通过傅里叶分析，可以得到输出电压Vs(t)的DC部分是Vs(t) 的均值，也就是：
【权利要求】
1. 一种提供动态工作电压的处理器供电系统，包括电感式电压调整器、开关电容式电 压调整器和控制单元，所述电感式电压调整器与电源连接，所述电感式电压调整器的后级 连接所述开关电容式电压调整器，所述控制单元用于根据处理器需要的工作电压的大小， 选择由所述电感式电压调整器直接向处理器供电，或者由所述电感式电压调整器和所述开 关电容式电压调整器的级联输出向处理器供电。
2. 根据权利要求1所述的提供动态工作电压的处理器供电系统，其特征在于，所述电 感式电压调整器设置在需要供电的处理器芯片外，所述开关电容式电压调整器集成在需要 供电的处理器芯片上。
3. 根据权利要求2所述的提供动态工作电压的处理器供电系统，其特征在于，所述控 制单元还用于判断处理器需要的工作电压是否超过预设电压阈值，如果判断为是，则控制 所述电感式电压调整器直接将电源电压转化为处理器需要的工作电压；如果判断为否，则 控制所述电感式电压调整器和所述开关电容式电压调整器的转化效率，使得电源电压在经 过二者的两级转化后得到所述处理器需要的工作电压。
4. 根据权利要求3所述的提供动态工作电压的处理器供电系统，其特征在于，所述电 感式电压调整器具有多个工作相位，当处理器需要的工作电压超过预设电压阈值时，所述 电感式电压调整器打开多个工作相位，当处理器需要的工作电压不超过预设电压阈值时， 所述电感式电压调整器仅打开一个工作相位。
5. 根据权利要求3所述的提供动态工作电压的处理器供电系统，其特征在于，所述开 关电容式电压调整器的输入电压与输出电压的比率固定，当处理器需要的工作电压不超过 预设电压阈值时，所述电感式电压调整器通过调节信号占空比将电源电压转化为对应的中 间值，使得所述开关电容式电压调整器输出的电压与所述处理器需要的工作电压吻合。
6. 根据权利要求3所述的提供动态工作电压的处理器供电系统，其特征在于，当处理 器需要的工作电压不超过预设电压阈值时，所述电感式电压调整器以固定的比率将电源电 压转化为中间值，所述开关电容式电压调整器通过调节自身切换频率进一步对中间值进行 转化，使得所输出的电压与所述处理器需要的工作电压吻合。
7. 根据权利要求1?6所述的提供动态工作电压的处理器供电系统，其特征在于，所述 电感式电压调整器为四相位电感式电压调整器。
8. 根据权利要求5所述的提供动态工作电压的处理器供电系统，其特征在于，所述开 关电容式电压调整器为3:1串并联拓扑结构开关电容式电压调整器。
9. 根据权利要求1?6所述的提供动态工作电压的处理器供电系统，其特征在于，还包 括切换电路，所述切换电路包括第一输入端、第二输入端和输出端，第一输入端连接所述电 感式电压调整器的输出端，第二输入端连接所述开关电容式电压调整器的输出端，输出端 用于为处理器供电；所述电感式电压调整器的输出端还连接所述开关电容式电压调整器的 输入端，所述电感式电压调整器的输入端连接所述电源，所述控制单元还用于在处理器需 要的工作电压超过预设电压阈值时，控制所述切换单元将其第一输入端与输出端连通，且 将其第二输入端与输出端断开，在处理器需要的工作电压不超过预设电压阈值时，控制所 述切换单元将其第一输入端与输出端断开，且将其第二输入端与输出端连通。
10. 根据权利要求5所述的提供动态工作电压的处理器供电系统，其特征在于，所述中 间值在1.3V?2. OV之间。
11. 一种基于权利要求1所述的提供动态工作电压的处理器供电系统的处理器供电方 法，包括下列步骤： 1) 判断处理器需要的工作电压是否超过预设电压阈值；如果判断为是，进入步骤2)， 如果判断为否，则进入步骤3); 2) 控制所述电感式电压调整器将电源电压转化为处理器需要的工作电压，并控制所述 电感式电压调整器直接向处理器供电； 3) 控制所述电感式电压调整器和所述开关电容式电压调整器的转化效率，使得电源电 压在经过二者的两级转化后得到所述处理器需要的工作电压，并由所述开关电容式电压调 整器的输出端为处理器供电。
【文档编号】G06F1/26GK104317379SQ201410535695
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年10月11日 优先权日:2014年10月11日
【发明者】何昕, 鄢贵海, 韩银和, 李晓维 申请人:中国科学院计算技术研究所