[发明专利]一种提供动态工作电压的处理器供电系统及方法

说明书

技术领域

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

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，P0状态(最高性能模式)，所需电压为1.4V；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～1.4V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(Near Threshold Computing)，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。

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～1.2V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1.2V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。

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

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

其中，所述电感式电压调整器为四相位电感式电压调整器。

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。

其中，所述中间值在1.3V～2.0V之间。

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”表示“微亨”)。