减轻电压调节器中的过冲/欠冲的架构的制作方法

1.本说明书总体上涉及电压调节器，并且更具体地涉及减轻电压调节器中的过冲(overshoot)和欠冲(undershoot)的架构。


背景技术：

2.电源管理系统可应用于多种应用，诸如服务器、存储、通信、汽车、个人计算机和游戏。在电源管理系统中，处理单元与电压调节器通信。基于其功率要求，处理单元动态控制电压调节器的多个参数，诸如输出电压、摆率(slew rate)和功率状态。此外，处理单元监控电压调节器的关键事件、故障和遥测信息。
3.处理单元请求电压调节器根据其瞬态要求生成新电压。电压调节器将从当前电压转变到新电压。在一些情况下，电压调节器也可以基于其内部要求转变到新电压。当新电压高于当前电压时，在此电压转变期间出现过冲。当新电压低于当前电压时，在此转变期间出现欠冲。过冲和欠冲导致电压调节器中的稳定(settling)延迟。在一些情况下，由于与系统部件相关联的偏移，电压调节器没有稳定(settle)到新电压。
4.电压调节器通常被设计用于单个行业协议，其包括svid(串行电压识别)、svi(串行电压识别接口)和avs(自适应电压缩放)。这严重限制了电压调节器的使用。电压调节器不适应行业协议的规范的任何改变。例如，如果在行业协议的规范中，对命令、摆率、寄存器进行了改变或添加了新的电压电平，则电压调节器将不对此类修改做出响应。因此，电压调节器不对多个标准协议提供支持，因此不能参与多个应用段。


技术实现要素：

5.在所描述示例中，控制器包括转换器。转换器响应于输入信号生成第一信号。求和块耦合到转换器。求和块接收第一信号并生成第二信号。限制器耦合到求和块并且响应于第二信号和代码信号生成第三信号。逻辑块响应于第三信号生成目标信号。第三信号以第一摆率转变到中间电平，并且第三信号以第二摆率从中间电平转变到目标信号。
附图说明
6.图1是其中可以实施示例实施例的若干个方面的示例系统的框图；
7.图2是根据实施例的电压调节器的框图；
8.图3(a)和图3(b)分别是现有电压调节器和根据实施例的电压调节器中在向上转变期间的波形图；
9.图4(a)和图4(b)分别是现有电压调节器和根据实施例的电压调节器中在向下转变期间的波形图；
10.图5是根据实施例的电压调节器的操作方法的流程图；并且
11.图6是其中可以实施示例实施例的若干个方面的示例设备的框图。
具体实施方式
12.图1是其中可以实施示例实施例的若干个方面的示例系统100的框图。系统100包括电压调节器102、处理单元110、高速串行接口(hssi)106和如104a、104b至104n所示的多个功率级。在一个示例中，功率级104a至104n位于电压调节器102内部。电压调节器102接收输入电压vin 108并生成表示为pwm1、pwm2和pwmn的多个pwm(脉冲宽度调制)信号，其中n是大于2的正整数。每个功率级接收来自电压调节器102的pwm信号以及输入电压vin 108。功率级的输出被组合以向处理单元110提供经调节的输出电压vcc 112。
13.处理单元110通过高速串行接口(hssi)106与电压调节器102通信。hssi 106也称为电源总线接口或电源总线架构。hssi的规范由处理单元110的相应制造商定义。hssi的行业标准协议的示例包括svid(串行电压识别)、svi(串行电压识别接口)和avs(自适应电压缩放)。基于处理单元110的兼容性，这些协议在类似于系统100的各种系统中是有用的。
14.处理单元110通过hssi 106控制经调节的输出电压vcc 112。基于来自处理单元110的输入，电压调节器102生成期望的经调节的输出电压vcc 112。处理单元110基于其功率要求动态地向电压调节器请求新电压。在一个示例中，处理单元110对电压调节器102进行编程，以便以定义的摆率转变到新电压。在另一示例中，电压调节器102基于其内部要求以定义的摆率转变到新电压。摆率定义为一段时间内电压的改变。摆率包括两个参数，电压阶跃(step)和时间阶跃。在一个示例中，摆率是通过在定义数量的时间阶跃中递增/递减电压阶跃来实现的。
15.当电压调节器102转变到较高电压时，当电压调节器102达到新电压时观察到过冲。类似地，当电压调节器102转变到较低电压时，当电压调节器102达到新电压时观察到欠冲。由电压调节器102接收的电压转变请求分为四类：对启动电压的通电请求、对零电压的断电请求、用以转变到较高电压的请求、用以转变到较低电压的请求。这些请求中的每一个具有不同的摆率要求，并导致过冲/欠冲。
16.系统100适用于多个领域，诸如服务器、存储、通信、汽车、个人计算机和游戏。基于应用，系统100中使用的处理单元110和对应的hssi 106不同。然而，现有电压调节器102不支持来自处理单元110的定制摆率。因此，在现有系统中使用的电压调节器102只能支持单个类型的处理单元110和用于hssi 106的单个协议。
17.hssi的行业标准协议不时地更新。更新包括摆率范围和分辨率的改变、电压电平的改变、新命令的添加以及新寄存器的添加。然而，现有系统中的电压调节器102不适用于此类更新。此外，现有电压调节器102不支持针对hssi的行业标准协议进行的定制。一种方法包括使用多个电压调节器，它们实施响应行业标准协议，但这种方法大大增加了系统100面积(这是不期望的)。现有系统中的电压调节器102不支持包括新优化协议或新命令的新开发的处理单元。需要开发定义新的多相电压调节器的独立ip(知识产权)，以便与此类新开发的处理单元相互作用。这种独立ip的开发是耗时且密集的过程。此外，开发可能会以增加面积、复杂性和功率为代价。
18.图2是根据实施例的电压调节器200的框图。电压调节器200包括电压调节器102(图1)的部件，但为了简单起见，图2中未示出这些部件。电压调节器200可以包括一个或多个常规部件，为了描述的简单性，本文未对其进行描述。类似于电压调节器102，电压调节器200与电压调节器200外部的处理单元204通信。在一个示例中，处理单元204可以放置在与
电压调节器200相同的pcb(印刷电路板)或板上。电压调节器200可以是单相或多相电压调节器。电压调节器200还可以用作多相功率控制器。在一个版本中，电压调节器200与诸如cpld(复杂可编程逻辑设备)和fpga(现场可编程门阵列)的可编程设备通信。
19.电压调节器200通过高速串行接口(hssi)206与处理单元204通信。电压调节器200包括控制器202、数模转换器(dac)230、寄存器组236和处理器240。控制器202包括转换器212、求和块214、偏移逻辑块216、限制器218和逻辑块224。控制器202的所有部件能够彼此通信以及与控制器202外部的其他部件通信。然而，为了简单起见，图2中未示出所有此类连接。
20.求和块214耦合到转换器212和偏移逻辑块216。限制器218耦合到求和块214。逻辑块224耦合到限制器218。dac 230耦合到逻辑块224。寄存器组236耦合到控制器202和处理器240。寄存器组236耦合到控制器202中的逻辑块224。处理器240耦合到控制器202。处理器240能够与控制器202的所有块通信。电压调节器200的每个块或部件也可以耦合到图2中的其他块，但是为了简洁起见，本文不描述那些连接。此外，图2的每个块或部件可以耦合到电压调节器的常规部件，为了简单起见，图2中未示出这些常规部件。
21.在电压调节器200的操作中，转换器212接收输入信号in 210并生成第一信号。在一个示例中，通过hssi 206直接从处理单元204接收输入信号in210。在另一示例中，输入信号in 210由电压调节器200的另一个部件提供。在又一示例中，输入信号in 210由控制器202直接或间接从可编程设备(诸如cpld(复杂可编程逻辑设备)和fpga(现场可编程门阵列))接收。在一个版本中，输入信号in 210包括目标信号的信息。在另一版本中，输入信号in 210是电压调节器200的自生成触发器。在又一版本中，输入信号in 210从次级设备接收，该次级设备可以在电压调节器200的内部或外部。
22.偏移逻辑块216存储一个或多个偏移值。在一个示例中，一个或多个偏移值包括与电压调节器200的多个部件相关联的偏移值。在另一示例中，一个或多个偏移值包括与电压调节器200的多个部件相关联的修整(trim)值。求和块214从转换器212接收第一信号，并且还从偏移逻辑块216接收一个或多个偏移值。求和块214生成第二信号。在一个示例中，求和块214将第一信号和一个或多个偏移值求和以生成第二信号。在一个版本中，求和块214不存在于控制器202中，并且来自转换器212的第一信号被提供给限制器218。
23.限制器218接收第二信号和代码信号c 220。代码信号c 220包括主代码和次代码。在一个示例中，主代码和次代码分别表示控制器202可以适应的最大电压电平和最小电压电平。限制器218生成第三信号，并且第三信号被维持在主代码和次代码之间。在一个版本中，限制器218不存在于控制器202中，并且来自求和块214的第二信号被提供给逻辑块224。在另一版本中，求和块214和限制器218不存在于控制器202中，并且来自转换器212的第一信号被提供给逻辑块224。
24.逻辑块224接收第三信号并生成目标信号。第三信号以第一摆率转变到中间电平，并且第三信号以第二摆率从中间电平转变到目标信号。中间电平处于第三信号和目标信号之间。摆率定义为一段时间内电压的改变。摆率包括两个参数，电压阶跃和时间阶跃。在一个示例中，摆率是通过在定义数量的时间阶跃中递增/递减电压阶跃来实现的。在一个示例中，逻辑块224能够支持定制的电压阶跃和时间阶跃以满足期望的摆率。在一种情况下，电压阶跃为250微伏的倍数，并且时间阶跃为20纳秒的倍数。这使得电压调节器能够使用小的
电压阶跃实现高摆率。在另一种情况下，电压调节器200能够支持宽范围的摆率，例如0.006mv/us至800mv/u，具有更精细的分辨率，这使得电压调节器200能够用于多个应用段。应当理解，逻辑块224可以使用三个或更多的摆率转变到目标信号，具体取决于hssi协议和处理单元204的要求。为了便于理解和简单，使用第一摆率和第二摆率来解释电压调节器200的操作。
25.目标信号被提供给dac 230。dac 230生成提供给处理单元204的第一模拟信号。在一个示例中，第一模拟信号在通过一个或多个功率级提供给处理单元204之前被提供给电压调节器200中的接口部件。
26.在一个示例中，寄存器组236存储第一摆率、第二摆率、主代码和次代码的值。处理器至少部分基于输入信号in 210对寄存器组236和逻辑块224进行编程。在一个版本中，处理器240基于输入信号in 210确定第一摆率和第二摆率的值。处理器240将第一摆率和第二摆率的值存储在寄存器组236中。处理器240还向逻辑块224提供第一摆率和第二摆率的值。在一个版本中，逻辑块224被动态地配置为确定第一摆率和第二摆率。在另一版本中，逻辑块224由处理器240至少部分基于输入信号in 210进行编程。
27.第一摆率与在第一时间段内中间电平和第三信号的差值成比例。第二摆率与在第二时间段内目标信号和中间电平的差值成比例。在一个示例中，当目标信号大于第三信号时，第一摆率大于第二摆率。在另一个示例中，当第三信号大于目标信号时，第二摆率大于第一摆率。在又一示例中，当第三信号大于目标信号时，第一摆率的绝对值大于第二摆率的绝对值。
28.在一个版本中，逻辑块224被动态地配置为确定第一摆率和第二摆率。在一个示例中，电压调节器200基于其内部瞬态要求，可以提供包括目标信号的信息的输入信号in 210。目标信号表示电压调节器200的期望电压电平。逻辑块224至少部分地基于电压调节器200的期望电压电平和当前操作电压来动态地确定第一摆率和第二摆率。
29.在另一版本中，输入信号in 210包括处理单元204基于其功率要求所期望的新电压的信息。在一个示例中，电压调节器200基于其内部设置期望新电压。逻辑块224生成的目标信号与处理单元204期望的新电压相关。当处理单元204期望的新电压高于由电压调节器200提供给处理单元204的当前电压时，目标信号高于第三信号。在这种情况下，由逻辑块224生成的第三信号使用第一摆率和第二摆率转变到目标信号，因此导致在第三信号达到目标信号的电平时没有过冲。在一个版本中，逻辑块224使用第一摆率、第二摆率和第三摆率转变到目标信号，其中第一摆率具有大于第二摆率和第三摆率的斜率，并且第二摆率具有大于第三摆率的斜率。这使得在目标信号大于第三信号的条件下，电压调节器200能够在电压调节器200达到目标信号时减轻过冲。
30.类似地，当处理单元204期望的新电压低于电压调节器200提供给处理单元204的当前电压时，目标信号低于第三信号。在这种情况下，逻辑块224生成的第三信号使用第一摆率和第二摆率转变到目标信号，因此导致在第三信号达到目标信号的电平时没有欠冲。在一个版本中，逻辑块224使用第一摆率、第二摆率和第三摆率转变到目标信号，其中第一摆率具有大于第二摆率和第三摆率的绝对斜率，并且第二摆率具有大于第三摆率的绝对斜率。这使得在第三信号大于目标信号的条件下，电压调节器200能够在电压调节器达到目标信号时减轻欠冲。
31.在一种情况下，电压调节器200接收到的电压转变请求分为四类：对启动电压的通电请求、对零电压的断电请求、用以转变到较高电压的请求、用以转变到较低电压的请求。这些请求中的每一个具有不同的摆率要求。此外，不同的行业标准协议的电压范围和摆率分辨率不同。无论行业标准协议如何，电压调节器200能够处理所有这些请求而没有任何过冲和欠冲。逻辑块224使用一个或多个摆率转变到目标信号，从而避免任何过冲和欠冲。由于逻辑块224是可配置的，因此电压调节器200可以在给定的摆率下支持任何动态电压转变请求。控制器202使得电压调节器200能够平滑转变到目标信号。
32.在一些情况下，电压调节器200被要求以最终摆率从当前操作电平转变到目标信号。为了减轻当电压调节器200达到目标信号时的过冲和欠冲，目标信号和当前操作电平之间的斜坡被划分为具有可配置阈值的一个或多个区。这些区中的每一个具有定义的摆率，可基于最终摆率配置这些定义的摆率。在一个示例中，每个区的定义的摆率的平均值等于最终摆率。在另一个示例中，每个区的定义摆率的调和平均值等于最终摆率。在又一示例中，基于最终摆率选择第一摆率和第二摆率。
33.因此，电压调节器200支持针对行业标准协议进行的任何定制。例如，当处理单元204的制造商通过添加新的摆率或通过添加新的电压电平或通过改变命令来更新标准协议时，电压调节器200能够支持此类定制。
34.电压调节器200克服了现有电压调节器中的多个限制。电压调节器200支持用于hssi的一个或多个行业标准协议。每个行业标准协议具有定义的摆率和定义的电压电平，并且电压调节器200能够响应多个行业标准协议，诸如svid(串行电压识别)、svi(串行电压识别接口)和avs(自适应电压缩放)。此外，电压调节器200能够响应这些标准协议的任何版本，诸如svi2和svi3。
35.电压调节器200可用于各种应用(诸如服务器、存储、通信、汽车、个人计算机、游戏服务器、存储、通信、汽车、个人计算机和游戏)的电源管理系统。电压调节器200能够支持来自不同制造商的处理单元。因此，电压调节器200不需要开发附加硬件来解决处理单元204的摆率或电压电平的改变。否则，附加硬件的此类开发将消耗时间和人力，电压调节器200中的摆率的动态配置避免了这一点。
36.图3(a)和图3(b)分别是现有电压调节器和根据实施例的电压调节器中在向上转变期间的波形图。当前信号电平302表示电压调节器的当前操作电平，并且电压调节器转变到表示电压调节器的期望状态的目标信号电平304。图3(a)表示现有电压调节器中从当前信号电平302向目标信号电平304的向上转变。向上转变以定义的摆率308发生，这在电压调节器达到目标信号电平304时导致过冲。这导致现有电压调节器中稳定延迟。在一些情况下，由于过冲，电压调节器没有稳定到目标信号电平304。
37.图3(b)表示根据实施例的电压调节器中的向上转变。图3(b)中所示的向上转变由电压调节器200启用。电压调节器使用第一摆率312、第二摆率314和第三摆率316从当前信号电平302转变到目标信号电平304。在一个示例中，电压调节器动态地选择第一摆率312、第二摆率314和第三摆率316的值。在另一示例中，电压调节器基于其内部瞬态要求选择第一摆率312、第二摆率314和第三摆率316的值。在又一示例中，电压调节器基于来自内部或外部处理单元的命令选择第一摆率312、第二摆率314和第三摆率316的值。
38.使用一个或多个摆率导致在电压调节器达到目标信号电平304时没有过冲。电压
调节器动态地选择一个或多个摆率以从当前信号电平302转变到目标信号电平304的能力使得它能够适用于不同的行业标准协议，诸如svid、svi和avs。每个行业标准协议具有定义的摆率和定义的电压电平，在并且在一些情况下，这些协议的规范不时地更新。电压调节器能够支持标准协议中的任何此类定制。电压调节器还能够与任何处理器相互作用，无论其规范如何。
39.图4(a)和图4(b)分别是现有电压调节器和根据实施例的电压调节器中在向下转变期间的波形图。当前信号电平402表示电压调节器的当前操作电平，并且电压调节器转变到表示电压调节器的期望状态的目标信号电平404。图4(a)表示现有电压调节器中从当前信号电平402到目标信号电平404的向下转变。向下转变以定义的摆率408发生，这在电压调节器达到目标信号电平404时导致欠冲。这导致现有电压调节器中的稳定延迟。在一些情况下，由于欠冲，电压调节器没有稳定到目标信号电平404。
40.图4(b)表示根据实施例的电压调节器中的向下转变。图4(b)所示的向下转变由电压调节器200启用。电压调节器使用第一摆率412、第二摆率414和第三摆率416从当前信号电平402转变到目标信号电平404。在一个示例中，电压调节器动态地选择第一摆率412、第二摆率414和第三摆率416的值。在另一示例中，电压调节器基于其内部瞬态要求选择第一摆率412、第二摆率414和第三摆率416的值。在又一示例中，电压调节器基于来自内部或外部处理单元的命令选择第一摆率412、第二摆率414和第三摆率416的值。
41.使用一个或多个摆率导致在电压调节器达到目标信号电平404时没有欠冲。电压调节器动态地选择一个或多个摆率以从当前信号电平402转变到目标信号电平404的能力使其适用于不同的行业标准协议，诸如svid、svi和avs。每个行业标准协议具有定义的摆率和定义的电压电平，并且在一些情况下，这些协议的规范不时地更新。电压调节器能够支持标准协议中的任何此类定制。电压调节器还能够与任何处理器相互作用，无论其规范如何。
42.图5是根据实施例的电压调节器的操作方法的流程图示500。结合图2的电压调节器200描述流程图示500。在步骤502处，接收输入信号。输入信号包括目标信号的信息。在电压调节器200中，转换器212接收输入信号in 210。在一个示例中，电压调节器200基于其内部瞬态要求，可以提供包括目标信号的信息的输入信号in 210。目标信号表示电压调节器200的期望电压电平。在另一版本中，输入信号in 210包括处理单元204基于其功率要求所期望的新电压的信息。在一个示例中，电压调节器200基于其内部设置期望新电压。
43.在步骤504处，将输入信号限制在主代码和次代码之间，以生成第三信号。例如，在电压调节器200中，限制器218生成第三信号，并且第三信号被维持在主代码和次代码之间。在一个示例中，主代码和次代码分别表示控制器202可以适应的最大电压电平和最小电压电平。
44.在步骤506处，逻辑块被动态地配置为确定第一摆率和第二摆率。电压调节器200中，逻辑块224被动态地配置为确定第一摆率和第二摆率。逻辑块224至少部分地基于电压调节器200的期望电压电平和当前操作电压来动态地确定第一摆率和第二摆率。在一个版本中，处理器240基于输入信号in210确定第一摆率和第二摆率的值。处理器240将第一摆率和第二摆率的值存储在寄存器组236中。处理器240还向逻辑块224提供第一摆率和第二摆率的值。
45.在步骤508处，第三信号以第一摆率转变到中间电平，并且在步骤510处，第三信号
以第二摆率从中间电平转变到目标信号。中间电平处于第三信号和目标信号之间。摆率定义为一段时间内电压的改变。摆率包括两个参数，电压阶跃和时间阶跃。在一个示例中，摆率是通过在定义数量的时间阶跃中递增/递减电压阶跃来实现的。第一摆率与在第一时间段内中间电平和第三信号的差值成比例。第二摆率与在第二时间段内目标信号和中间电平的差值成比例。
46.电压调节器200使用一个或多个摆率转变到目标信号，从而避免任何过冲和欠冲。由于逻辑块224是可配置的，因此电压调节器200可以在给定的摆率下支持任何动态电压转变请求。控制器202使得电压调节器200能够平滑转变到目标信号。
47.使用流程图示500所示的方法在电压调节器中使用一个或多个摆率导致在电压调节器达到目标信号电平时没有过冲或欠冲。该方法提供的能力使得电压调节器能够动态地选择一个或多个摆率，以从当前信号电平转变到目标信号电平，从而使其适用于不同的行业标准协议，诸如svid、svi和avs。每个行业标准协议具有定义的摆率和定义的电压电平，并且在一些情况下，这些协议的规范不时地更新。该方法使电压调节器能够支持标准协议中的任何此类定制。
48.图6是其中可以实施示例实施例的若干个方面的示例设备600的框图。设备600是服务器场、车辆、通信设备、收发器、个人计算机、游戏平台、计算设备或任何其他类型的电子系统，或者合并到它们中，或者作为它们的一部分。设备600可以包括一个或多个常规部件，为了描述的简单性，在本文中没有描述这些常规部件。
49.在一个示例中，设备600包括微控制器单元602和存储器模块606。微控制器单元602可以是cisc型(复杂指令集计算机)cpu、risc型cpu(精简指令集计算机)、数字信号处理器(dsp)、处理器、cpld(复杂可编程逻辑设备)或fpga(现场可编程门阵列)。
50.存储器模块606(其可以是诸如ram、闪存或磁盘存储装置的存储器)存储一个或多个软件应用程序(例如，嵌入式应用程序)，当由微控制器单元602执行时，该应用程序执行与设备600相关联的任何适当功能。
51.微控制器单元602通常包括存储器和逻辑，其存储频繁从存储器模块606访问的信息。设备600包括电压调节器608。在一个示例中，微控制器单元602可以放置在与电压调节器608相同的pcb或板上。在另一示例中，微控制器单元602位于设备600的外部。电压调节器608可以是单相或多相电压调节器。电压调节器608还可以用作多相功率控制器。
52.电压调节器608在连接和操作上类似于图2的电压调节器200。电压调节器608包括控制器、寄存器组和处理器。该控制器包括转换器、求和块、偏移逻辑块、限制器和逻辑块。在电压调节器608中，转换器接收输入信号。在一个示例中，基于其内部瞬态要求，电压调节器608可以提供包括目标信号的信息的输入信号。目标信号表示电压调节器608的期望电压电平。在一个示例中，电压调节器608基于其内部设置期望目标信号。
53.输入信号限制在主代码和次代码之间，以生成第三信号。在一个示例中，主代码和次代码分别表示控制器可以适应的最大电压电平和最小电压电平。该逻辑块被动态地配置为确定第一摆率和第二摆率。逻辑块至少部分地基于电压调节器608的期望电压电平和当前操作电压来动态地确定第一摆率和第二摆率。
54.第三信号以第一摆率转变到中间电平，并且第三信号以第二摆率从中间电平转变到目标信号。中间电平处于第三信号和目标信号之间。摆率定义为一段时间内电压的改变。
摆率包括两个参数，电压阶跃和时间阶跃。在一个示例中，摆率是通过在定义数量的时间阶跃中递增/递减电压阶跃来实现的。第一摆率与在第一时间段内中间电平和第三信号的差值成比例。第二摆率与在第二时间段内目标信号和中间电平的差值成比例。
55.电压调节器608使用一个或多个摆率转变到目标信号，从而避免任何过冲和欠冲。由于电压调节器608中的逻辑块是可配置的，因此电压调节器608可以在给定的摆率下支持任何动态电压转变请求。控制器使得电压调节器608能够平滑转变到目标信号。
56.使用一个或多个摆率导致在电压调节器608达到目标信号时没有过冲或欠冲。电压调节器608动态地选择一个或多个摆率以从当前信号电平转变到目标信号的能力使得其适用于不同的行业标准协议，诸如svid、svi和avs。每个行业标准协议具有定义的摆率和定义的电压电平，并且在一些情况下，这些协议的规范不时地更新。电压调节器608能够支持标准协议中的任何此类定制。电压调节器608还能够与任何处理器相互作用，而无论其规范如何。
57.在权利要求的范围内，在所描述的实施例中修改是可能的，并且其他实施例也是可能的。