高效的電壓感測系統(tǒng)和方法
【專利摘要】本發(fā)明的系統(tǒng)和方法可以促成高效的電壓感測和調(diào)整。在一個實施例中，本發(fā)明的多點電壓感測系統(tǒng)包括多點電壓感測。多點感測處理是這樣一種方案，其中從硅片到電壓調(diào)節(jié)器的電壓反饋是源于裸片上的多個感測點的平均值。在一個實施例中，多點感測處理是通過在分區(qū)/硅片上放置多個感測點以及通過使用平衡路由處理合并源于每個感測點的感測跡來完成的。在一個實施例中，所給出的多點電壓感測系統(tǒng)包括使用確保的非浮動反饋的虛擬VDD感測處理。在一個例示實施方式中，使用確保的非浮動反饋的虛擬VDD感測處理能夠在某元件斷電時通過去除與該元件相關(guān)的感測結(jié)果來實施更精確的感測處理。
【專利說明】高效的電壓感測系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電源系統(tǒng)。特別地，本發(fā)明涉及一種系統(tǒng)電源調(diào)節(jié)(例如用于改善性能，改善電池壽命等等)系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]電子系統(tǒng)和電路對現(xiàn)代社會進步做出了極大貢獻，其被用在了大量應(yīng)用中以實現(xiàn)有利的結(jié)果。數(shù)字計算機、計算器、音頻設(shè)備、視頻設(shè)備和電話系統(tǒng)之類的諸多電子技術(shù)極大促進了生產(chǎn)力的提升，并且在商業(yè)、科技、教育及娛樂等諸多領(lǐng)域中降低了分析和傳遞數(shù)據(jù)的成本。此類活動的性能通常都涉及功耗。提供和保持電力的方式會極大地影響性能及最終結(jié)果。然而，在提供恰當(dāng)電源方面所做的傳統(tǒng)嘗試往往效率低下且不夠精確。
[0003]圖1是常規(guī)電源配送系統(tǒng)的一個實施例的例圖。VR (電源調(diào)節(jié)器)將電力配送至電路板，然后則將電力配送至該封裝(package)和硅片(silicon)中的晶體管。電壓感測是圖1所示的VR模塊的一個輸入。VR模塊基于感測反饋來調(diào)節(jié)器電壓輸出。所述VR通過多比特電壓ID (VID)碼來設(shè)置預(yù)期電壓。VID也被稱為動態(tài)電壓設(shè)置(DVS)。VID設(shè)置電壓是指感測點而不是物理VR模塊輸出端的電壓。物理VR模塊輸出端的實際電壓要高于VID設(shè)置。換句話說，嘗試通過源于電壓感測設(shè)計的封閉反饋回路來補償來自VR且經(jīng)過電路板、封裝及硅電源柵網(wǎng)/通孔的IR壓降。然而，在常規(guī)方法中往往很難精確感測帶有恰當(dāng)補償?shù)碾妷?，而且這種感測是很不準(zhǔn)確的。
[0004]一些傳統(tǒng)的供電方案嘗試使用帶有單個感測點的反饋環(huán)路。常規(guī)的單感測點方法往往會受到限制(例如“靜態(tài)”等等)，并且會包含多個低效補償(例如電壓噪聲規(guī)格提升，2*VDC_VAR等等)。此外，很多裸片特性往往會在傳統(tǒng)的單感測點方法中導(dǎo)致出現(xiàn)大量疑難問題(例如裸片上的電壓變化，電源門控部分的浮點電壓等等)。一些傳統(tǒng)的方法可以嘗試通過添加多個附加感測點來處理一些問題，然而，此類傳統(tǒng)方法通常需要每一個附加感測點都具有附加電壓調(diào)節(jié)器。而每一個附加電壓調(diào)節(jié)器是相對昂貴且效率低下的(例如消耗額外的裸片面積和資源等等)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]所給出的系統(tǒng)和方法可以促成高效的電壓感測和調(diào)整。在一個實施例中，所給出的多點電壓感測系統(tǒng)包括多點或多個點的電壓感測處理。多點感測結(jié)果被組合成單個反饋指示。所組合的多點感測的單個反饋指示可以包括針對多種狀況的補償。在一個實施例中，多點感測處理包括這樣一種方案，其中從裸片到電壓調(diào)節(jié)器的電壓反饋是源于裸片上的多個感測點的平均值。在一個實施例中，多點感測處理是通過在分區(qū)/硅片上放置多個感測點以及通過使用平衡路由(balanced routing)合并源于每個感測點的感測跡(sensetrace)來完成的。在一個實施例中，所給出的多點電壓感測系統(tǒng)包括使用非浮動反饋的虛擬VDD感測處理。在一個例示實施方式中，使用非浮動反饋的虛擬VDD感測處理能夠在一元件斷開電源時通過去除與該元件相關(guān)的感測結(jié)果來實施更精確的感測處理?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0006]在這里引入并構(gòu)成本說明書一部分的附圖舉例示出了本發(fā)明的實施例，但其不具有限制意義。除非特別指示，否則本說明書中引用的附圖應(yīng)被理解成為未按比例繪制的。
[0007]圖1是例示的常規(guī)電力輸送系統(tǒng)的框圖。
[0008]圖2A是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的例示多點電壓感測系統(tǒng)的框圖。
[0009]圖2B是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的使用電源門控處理的例示多點電壓感測系統(tǒng)的框圖。
[0010]圖2C是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的例示多點電壓感測系統(tǒng)的另一個例示示意圖。
[0011]圖3是描述關(guān)于電源輸送系統(tǒng)的例不簡化電子模型的一個實施例的框圖。
[0012]圖4顯示的是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的帶有非門控電源VDD和虛擬/門控VVDD的電源門控分區(qū)的例示實施方式的框圖。
[0013]圖5是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的例示方法的框圖。
[0014]圖6是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的例示感測控制信號方案的框圖。
【具體實施方式】
[0015]現(xiàn)在將詳細參考附圖例示的本發(fā)明的優(yōu)選實施例。雖然本發(fā)明是結(jié)合優(yōu)選實施例示出的，但是應(yīng)該理解，本發(fā)明并不局限于這些實施例。相反，本發(fā)明旨在覆蓋可能包含在附加權(quán)利要求所定義的發(fā)明實質(zhì)和范圍以內(nèi)的替換、修改及等價物。此外，為了提供對于本發(fā)明的全面理解，在以下關(guān)于本發(fā)明的詳細描述中闡述了眾多細節(jié)。然而，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員清楚了解，本發(fā)明是可以在沒有這些具體細節(jié)的情況下實施的。在其他實例中沒有詳細描述眾所周知的方法、過程、元件和電路，以免不必要地與本發(fā)明的方面相混淆。
[0016]所給出的系統(tǒng)和方法能夠促成高效的電壓感測和調(diào)節(jié)處理。在一個實施例中，所給出的多點電壓感測系統(tǒng)包括多點或使用多個點的電壓感測處理。多點感測結(jié)果被組合到單個反饋指示中。所組合的多點感測信號反饋指示可以包括針對多種狀況(例如位置，電源門控性能，應(yīng)用等等)的補償。在一個實施例中，多點感測是通過在裸片上(例如在硅片上的不同位置，在不同分區(qū)，在各種元件上等等)放置多個感測點以及通過使用平衡路由合并源于每個感測點的感測跡來完成的。在一個實施例中，所給出的多點電壓感測系統(tǒng)包括使用非浮動反饋的虛擬VDD (VVDD)感測處理。在一個例示實施方式中，在將元件電源斷開時，使用非浮動反饋的虛擬VDD感測允許通過去除與該元件相關(guān)的感測結(jié)果來實現(xiàn)更精確的感測。
[0017]圖2A是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的例示多點電壓感測系統(tǒng)250的框圖。多點電壓感測系統(tǒng)250包括裸片部分251，裸片部分252，裸片部分253，感測點271，感測點272，感測點273，以及多點感測組合元件275。多點電壓感測系統(tǒng)250的元件通過協(xié)同操作來執(zhí)行裸片的電壓感測處理。部分251、252、253包括執(zhí)行多種操作的功能元件。部分251、252和253可以以多種粒度(例如核心，分區(qū)，邏輯塊，元件，晶體管等等)來配置。感測點271、272和273分別感測部分251、252和253的輸入端的電壓電平。感測結(jié)果被轉(zhuǎn)發(fā)至多點感測組合元件275,該元件將感測結(jié)果組合成一個組合多點感測指示279。應(yīng)該預(yù)料到的是,在感測點與供電VDD之間可能存在不同元件(未顯示)。[0018]圖2B是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的使用電源門控的例示多點電壓感測系統(tǒng)200的框圖。多點電壓感測系統(tǒng)200包括組合電路201，分區(qū)210，電源門211，分區(qū)220和電源門221。分區(qū)210與電源門控211耦合，分區(qū)220與電源門221耦合。電源門211和221的輸出與組合電路20耦合。
[0019]多點電壓感測系統(tǒng)200的元件通過協(xié)同操作來執(zhí)行電壓感測護理。分區(qū)210和220包括執(zhí)行多種功能的功能元件。電源門211和221分別控制分區(qū)210和220的供電。所述電源門211和221的輸出被轉(zhuǎn)發(fā)至組合元件201，該元件則將組合結(jié)果轉(zhuǎn)發(fā)至電壓調(diào)節(jié)器299。圖2C是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的例示多點電壓感測系統(tǒng)200的示意圖。
[0020]通過這里給出的多點感測方案，可以克服常規(guī)單點電壓感測處理中的很多缺陷。在一個實施例中，多點感測處理是通過在分區(qū)/硅片(silicon)上放置多個感測點以及通過使用平衡路由合并源自每個感測點的感測跡來完成的，并且該處理與電阻平均網(wǎng)絡(luò)是類似的。通過在不同的位置使用多個感測點，可以平均裸片上的不同點的晶體管活動。由此，如果使用了足夠多的感測位置，那么所產(chǎn)生的電壓感測反饋可以是不同使用情形的平均值。因此，在大多數(shù)的使用情形中，裸片上的大多數(shù)位置的電壓處于平均感測電壓的+/-VDC_VAR/2以內(nèi)。這種狀況可以是如上所述的“理想”場景，并且將會降低電壓噪聲規(guī)格(VDC_VAR)。由此，多點感測處理可以減小VDC_VAR并提高性能。
[0021]圖3是描述關(guān)于電源輸送系統(tǒng)的例示簡化電子模型的一個實施例的框圖。如圖3所述，在裸片上包含了多個感測點。應(yīng)該指出的是，感測點與裸片上的晶體管越接近，則開關(guān)晶體管上的編程電壓越精確。通過減小晶體管上的電壓的不確定性，可以減小系統(tǒng)需要的電壓余量，由此減小系統(tǒng)消耗的電力。因此，在一個實施例中，所希望的是讓感測點盡可能接近開關(guān)晶體管。
[0022]應(yīng)該預(yù)料到的是，感測點可被包含在裸片的不同位置(例如硅頂層金屬之上，硅底層金屬之上(例如Ml等等))。此外還應(yīng)該預(yù)料到的是，其他感測點可以位于裸片之外的其他位置。在一個實施例中，除了裸片上的多個感測點之外，在電路板、球柵陣列封裝(BGA)區(qū)域中也可以具有感測點。
[0023]傳統(tǒng)的電壓感測方案嘗試往往存在若干個爭議或問題，這里給出的多點系統(tǒng)和方法則可以減小或克服這些爭議或問題。這其中的一個問題包括無法預(yù)測“理想”感測點。常規(guī)電壓感測方案往往嘗試的是確保將感測點位置設(shè)置在預(yù)期電壓VN0M。然而，在硅片上是存在電壓變化的，這些電壓變化往往會使遠離硅片的晶體管看到一個與VNOM不同的電壓。關(guān)于電壓變化的一系列可能的原因可以包括:
[0024]1.在不同使用情形中，硅片上的晶體管活動將會改變；
[0025]2.硅片上的電源網(wǎng)格設(shè)計會發(fā)生變化；
[0026]3.泵浦電源輸送在空間上是離散的；以及
[0027]4.封裝電源的空間配電不均。
[0028]在一個實施例中，電壓噪聲規(guī)格(VDC_VAR)設(shè)定了硅片上的最大DC電壓變化。在一個例示實施方式中，如果使用單個感測點，那么接近于“理想”的位置可以是選擇一個具有平均電壓的位置，由此，一半的點要比該感測點高+VDC_VAR/2，另一半的點則比該感測點低VDC_VAR/2。在大多數(shù)或所有狀況中，滿足上述判據(jù)的感測點的位置往往是很難確定的。在以上列舉的DC變化的可能原因中，晶體管活動變化通常是最難預(yù)測和設(shè)計的。在不同的場景中，單個感測點要么在裸片上具有最高的活動性(并且存在一個具有電壓+VDC_VAR的位置)，要么在裸片上具有最低的活動性(并且存在一個具有_VDC_VAR的位置)。為了同時覆蓋上述場景，在一個實施例中，VDC_VAR的規(guī)格被增大至2*VDC_VAR。而這有可能導(dǎo)致產(chǎn)生較高的電壓余量，并且由此導(dǎo)致性能較低。
[0029]在一個實施例中，電源門控是一種通過休眠晶體管或電源門來從例示電源中切斷裸片元件的區(qū)域/領(lǐng)域的技術(shù)。圖4顯示的是使用無門控電源VDD和虛擬/門控電源VVDD的電源門控分區(qū)的例示實施方式的框圖。如所示，在電源門VIR_PG上存在電壓降。在一個例示實施方式中，有兩個位置可用于電壓感測:VDD或VVDD。VVDD感測的一個優(yōu)點在于其可以感測更接近于開關(guān)晶體管的電壓，并且由此如前所述改善了性能。應(yīng)該指出的是，在本示例中，VIR_PG是分區(qū)消耗的電流，因此其并不是一個恒量。在一個例示實施方式中，通過在VVDD上執(zhí)行感測，可以減小開關(guān)晶體管上的電壓的不確定性，由此減小了電壓余量并且改良了電源。
[0030]然而，在常規(guī)方法中，VVDD感測存在一個問題，那就是在對分區(qū)執(zhí)行電源門控時，VVDD上的電壓是浮動且不可預(yù)測的。由此可能會使反饋至調(diào)節(jié)器的電壓浮動，這一點是不可接受的。因此，在一個實施例中，除非驅(qū)動一個不會浮動的反饋，否則無法使用VVDD感測。
[0031]在一個實施例中，由于涉及電源門控且需要包含更多控制信號來實施針對VR的持續(xù)反饋，因此，VVDD域上的多點感測是一個更復(fù)雜的方案。在一個例示實施方式中，用于VVDD多點感測方案的邏輯可以是:
[0032]1.當(dāng)所有域都活動時，感測反饋應(yīng)該是所有域的平均值。
[0033]2.在對任何一個域執(zhí)行電源門控時，應(yīng)該從感測反饋回路中移除所述域。
[0034]3.當(dāng)所有的域都被電源門控時，從非門控/實際VDD提供反饋。
[0035]在一個實施例中，上述邏輯判據(jù)是用名為“感測選擇MUX，，專用單元實現(xiàn)的。在圖4中顯示了例示感測選擇MUX的一個實施例的示意性框圖。
[0036]圖4是顯示根據(jù)本發(fā)明一個實施例的具有多個電源門控域以及感測選擇MUX設(shè)計的例示電源軌的示意圖。在這里考慮圖4所示的兩個獨立電源門控分區(qū)A和B。如所示，這些分區(qū)的電源門控處理受Sle^)_A和Sle^)_B信號的控制。如圖4所示，來自每一個域的VVDD感測探針可被路由至感測選擇MUX。在一個例示實施方式中，感測選擇MUX是一個受控于與分區(qū)相同的休眠信號的選通(pass-gate) MUX。在下表中給出了用于圖4所示的感測選擇MUX的真值表:
[0037]
【權(quán)利要求】
1.一種系統(tǒng)，包括: 至少一個元件，其可操作為執(zhí)行功能； 感測相應(yīng)電壓的多個電壓感測元件；以及 轉(zhuǎn)發(fā)關(guān)于所述相應(yīng)電壓的組合的指示的多點感測組合元件。
2.權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中至少一個電壓感測元件處于電源門元件的下游側(cè)。
3.權(quán)利要求2的系統(tǒng)，其中被處于電源門下游側(cè)的所述電壓感測元件感測到的電壓的指示不與所述多個電壓感測元件中其他電壓感測元件感測到的電壓的指示相組合。
4.權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中關(guān)于組合的感測電壓的指示是平均值。
5.權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中至少一個電壓感測元件處于電源門元件的上游側(cè)。
6.權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中所述多個電壓感測元件處于不同的位置。
7.權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中所述多個電壓感測元件包含在電壓反饋回路中。
8.一種方法，包括: 使用至少一個元件來執(zhí)行功能； 調(diào)節(jié)針對所述至少一個元件的電壓源； 感測相應(yīng)的電壓以及將關(guān)于組合的感測電壓的指示轉(zhuǎn)發(fā)到電壓調(diào)節(jié)器。
9.權(quán)利要求8的方法，其中至少一個感測電壓處于電源門元件的下游側(cè)。
10.權(quán)利要求9的方法，其中被處于電源門的下游側(cè)的電壓感測感測到的電壓的指示不與多個電壓感測元件中其他電壓感測元件感測到的電壓的指示相組合。
11.權(quán)利要求8的方法，其中關(guān)于組合的感測電壓的指示是平均值。
12.權(quán)利要求8的方法，其中至少一個電壓感測處于電源門元件的上游側(cè)。
13.權(quán)利要求8的方法，其中將與電源斷開的一功能元件相關(guān)聯(lián)的感測電壓從該組合中移除。
14.權(quán)利要求8的方法，其中當(dāng)所有感測電壓都與電源導(dǎo)通的功能元件相關(guān)聯(lián)時，使用非門控感測電壓。
15.—種系統(tǒng),包括: 至少一個元件，其可操作為執(zhí)行功能； 用于調(diào)節(jié)針對所述至少一個元件的電壓源的電壓調(diào)節(jié)器； 多個電壓感測元件，其感測相應(yīng)的電壓，并且將關(guān)于組合的感測電壓的指示轉(zhuǎn)發(fā)到所述電壓調(diào)節(jié)器；以及 感測選擇元件，用于選擇所述感測相應(yīng)電壓的組合。
16.權(quán)利要求15的系統(tǒng)，其中至少一個電壓感測元件處于電源門元件的下游側(cè)。
17.權(quán)利要求15的方法，其中將與電源斷開的一功能元件相關(guān)聯(lián)的感測電壓從該組合中移除。
18.權(quán)利要求15的方法，其中當(dāng)所有感測電壓都與電源導(dǎo)通的功能元件相關(guān)聯(lián)時，使用非門控感測電壓。
19.權(quán)利要求15的系統(tǒng)，其中所述感測選擇元件是選通MUX，該選通MUX受與分區(qū)相同的休眠信號控制。
20.權(quán)利要求15的系統(tǒng)，其中所述多個電壓感測元件包含在電壓反饋回路中。
【文檔編號】G01R19/00GK103913624SQ201310743802
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2013年12月30日 優(yōu)先權(quán)日:2012年12月31日
【發(fā)明者】泰扎斯威·拉賈, 薩吉爾·艾哈邁德 申請人:輝達公司