[發(fā)明專利]一種提供動態(tài)工作電壓的處理器供電系統(tǒng)及方法

在審

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• 申請日: 2014-10-11
• 公開（公告）號: CN104317379A
• 公開（公告）日: 2015-01-28
• 發(fā)明（設計）人: 何昕;鄢貴海;韓銀和;李曉維
• 申請（專利權）人: 中國科學院計算技術研究所
• 主分類號: G06F1/26
• 分類號: G06F1/26
• 代理公司: 北京泛華偉業(yè)知識產權代理有限公司 11280
• 代理人: 王勇;李科

技術領域

本發(fā)明涉及處理器供電技術領域，具體地說，本發(fā)明涉及一種提供動態(tài)工作電壓的處理器供電系統(tǒng)及方法。

背景技術

現代微處理器設計已經逐漸從以高性能為目標轉向為以高效能為目標。為了實現計算高效能，現代處理器已提供了多個工作模式(P-states)以實現靈活的功耗管理。處理器的多個工作模式是通過動態(tài)電壓頻率調節(jié)(DVFS)的技術來實現的，動態(tài)頻率的調節(jié)是通過片上的鎖相環(huán)路(PLL)來進行的，而動態(tài)電壓的調節(jié)需要一個能輸出多種電壓的供電系統(tǒng)的支持。例如，在Intel奔騰系列處理器中，P0狀態(tài)(最高性能模式)，所需電壓為1.4V；P5狀態(tài)(高效能模式)，所需電壓為0.9V，因此該供電系統(tǒng)必須具備提供0.9V～1.4V輸出電壓的能力。隨著一些新技術的引入和發(fā)展，如提高瞬時響應速度的睿頻技術(Turbo?Boost)和高效能的近閾值電壓計算(Near?Threshold?Computing)，處理器的動態(tài)電壓范圍進一步增大，這就需要有動態(tài)范圍更寬的供電系統(tǒng)支持。

處理器供電系統(tǒng)主要由電壓調整器構成，它負責將電源的能量傳輸到處理器上，它的主要設計目標是實現高質量的電壓轉化和高功耗轉化效率。在一些理想的情況下，采用一個設計良好的板上電壓調整器，即片外電感式電壓調整器(片外電壓調整器)，功耗轉化效率往往可以達到80～90％。但是，在偏離理想狀態(tài)的情況下，功耗轉化效率會顯著地降低。例如，一個典型的片外電壓調整器(Off-VR)從3.7V向0.3V～1.2V進行電壓轉化時功耗轉化效率的情況，功耗轉化效率在最高輸出電壓1.2V的時候達到了較高值73％，然而，在最低輸出電壓0.3V的情況下，功耗轉化效率降低到了僅僅只有12％。顯而易見地，在低輸出電壓的情況下，供電系統(tǒng)功耗損失在整個功耗中占了主導，這導致處理器寬動態(tài)范圍的功耗管理所帶來的好處被減少甚至被完全消耗。

因此，當前迫切需要一種在實現高質量的電壓轉化的同時，能夠提高功耗轉化效率的寬動態(tài)范圍的處理器供電解決方案。

發(fā)明內容

本發(fā)明的任務是提供一種在實現高質量的電壓轉化的同時，能夠提高功耗轉化效率的寬動態(tài)范圍的處理器供電解決方案。

為實現上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供了一種提供動態(tài)工作電壓的處理器供電系統(tǒng)，包括電感式電壓調整器、開關電容式電壓調整器和控制單元，所述電感式電壓調整器與電源連接，所述電感式電壓調整器的后級連接所述開關電容式電壓調整器，所述控制單元用于根據處理器需要的工作電壓的大小，選擇由所述電感式電壓調整器直接向處理器供電，或者由所述電感式電壓調整器和所述開關電容式電壓調整器的級聯(lián)輸出向處理器供電。

其中，所述電感式電壓調整器設置在需要供電的處理器芯片外，所述開關電容式電壓調整器集成在需要供電的處理器芯片上。

其中，所述控制單元還用于判斷處理器需要的工作電壓是否超過預設電壓閾值，如果判斷為是，則控制所述電感式電壓調整器直接將電源電壓轉化為處理器需要的工作電壓；如果判斷為否，則控制所述電感式電壓調整器和所述開關電容式電壓調整器的轉化效率，使得電源電壓在經過二者的兩級轉化后得到所述處理器需要的工作電壓。

其中，所述電感式電壓調整器具有多個工作相位，當處理器需要的工作電壓超過預設電壓閾值時，所述電感式電壓調整器打開多個工作相位，當處理器需要的工作電壓不超過預設電壓閾值時，所述電感式電壓調整器僅打開一個工作相位。

其中，所述開關電容式電壓調整器的輸入電壓與輸出電壓的比率固定，當處理器需要的工作電壓不超過預設電壓閾值時，所述電感式電壓調整器通過調節(jié)信號占空比將電源電壓轉化為對應的中間值，使得所述開關電容式電壓調整器輸出的電壓與所述處理器需要的工作電壓吻合。

其中，當處理器需要的工作電壓不超過預設電壓閾值時，所述電感式電壓調整器以指定的比率將電源電壓轉化為中間值，所述開關電容式電壓調整器通過調整自身的切換頻率進一步對中間值進行轉化，使得所輸出的電壓與所述處理器需要的工作電壓吻合。

其中，所述電感式電壓調整器為四相位電感式電壓調整器。

其中，所述開關電容式電壓調整器為3:1串并聯(lián)拓撲結構開關電容式電壓調整器。

其中，所述中間值在1.3V～2.0V之間。

其中，所述電感式電壓調整器單相位工作模式下的電感超過1.5uH(本文中“uH”表示“微亨”)。