中央处理器的电源管理装置 【技术领域】
本发明涉及计算机的功率消耗管理，特别是涉及一种降低计算机功率消耗的装置。
背景技术
自从个人计算机发明以来，几乎所有的专业领域，都有计算机的参与。过去必须使用大量人力处理的计算工作，不仅耗时而且容易出错。利用计算机的高速运算能力，能够在短时间内完成大量的数据处理。目前计算机的中央处理器(CPU)，在运算速度方面的提升，不断地进行突破。
现有计算机平台，通常会支持多款中央处理器。每款中央处理器有不同的价格和效能，依据实际工作上的需要，选择合适的中央处理器。每款中央处理器的功率消耗(power consumption)也都不同。针对此项问题，现有计算机平台消耗功率的选择，是依据计算机平台所能支持的多款中央处理器中，选择消耗功率最大者，来作为计算机平台的消耗功率设计标准。
现有计算机的电源供应单元(power supply unit)设计，使用多相直流-直流转换器(multi-phases DC/DC converter)的架构，根据计算机平台的消耗功率来决定使用的相数。因为供应中央处理器的功率消耗是固定的，当使用消耗功率较小的中央处理器时，会造成计算机电源供应单元(power supply unit)的转换效率(conversion efficiency)较差。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种计算机的电源管理装置，针对计算机平台所使用中央处理器的消耗功率信息，调整计算机电源供应单元的功率输出，提升电源供应单元的转换效率。
本发明提供一种计算机的电源管理装置，包含节电模块和功率转换器(power converter)。其中节电模块向中央处理器请求功耗信息，并依据功耗信息产生电源控制信号。功率转换器耦接于中央处理器和节电模块之间，用于提供多个功率输出到中央处理器，功率转换器依据电源控制信号决定功率输出的数量。
依据本发明的较佳实施例，前述功率转换器包含脉宽调变控制器(pulsewidth modulation controller，PWM controller)和多个直流-直流转换器(DC/DCconverter)。脉宽调变控制器产生相位信号。每一个直流-直流转换器耦接至中央处理器，相位信号用于致能直流-直流转换器输出功率到中央处理器。
依据本发明的较佳实施例，上述多个直流-直流转换器以串联型态连结，耦接到脉宽调变控制器，用于接收相位信号。
依据本发明的另一较佳实施例，上述多个直流-直流转换器以并联型态连结，耦接到脉宽调变控制器，用于接收相位信号。
依据本发明的较佳实施例，前述直流-直流转换器包含电压调整电路、相位芯片和开关。开关耦接到相位芯片，依据电源控制信号来禁能相位芯片。相位芯片耦接到脉宽调变控制器和电压调整电路。相位芯片依据相位信号，用以驱动电压调整电路。电压调整电路提供功率输出。
依据本发明的较佳实施例，节电模块包含基板管理控制器(baseboardmanagement controller，BMC)、多个控制电路。各控制电路耦接至基板管理控制器。基板管理控制器向中央处理器请求功耗信息，依据功耗信息产生启动信号至各控制电路。各控制电路依据启动信号，产生电源控制信号。
依据本发明的较佳实施例，前述控制电路包含第一晶体管、第一电阻和第二电阻。其中第一晶体管的基极耦接到基板管理控制器，第一晶体管的集电极耦接到开关，第一晶体管的发射极耦接至第一参考电压。第一电压源经第一电阻，提供上拉(pull high)电压给第一晶体管的基极。第二电压源经第二电阻耦接到第一晶体管的集电极，提供上拉电压给第一晶体管的集电极。依据启动信号，第一晶体管的集电极产生电源控制信号。
依据本发明的较佳实施例，上述节电模块更包含短路端子(jumper)。其中，短路端子用于人为控制，使用短路端子耦接于第一晶体管的基极和发射极之间，以控制第一晶体管输出电源控制信号。
依据本发明的较佳实施例，上述基板管理控制器包含检测模块。此检测模块用于向中央处理器请求功耗信息，以致使基板管理控制器依据功耗信息产生启动信号。
依据本发明的较佳实施例，其中前述开关包含金属氧化物半导体场效晶体管，以及相位芯片为国际整流器公司(International Rectifier，IR)的IR3505集成电路。金属氧化物半导体场效晶体管用于将漏极与源极分别耦接至IR3505集成电路的第9引脚与第14引脚。金属氧化物半导体场效晶体管根据电源控制信号，用于禁能IR3505集成电路。
依据本发明的较佳实施例，前述电压调整电路包含第一输出电压阳极引脚、第一输出电压阴极引脚、第一电容器、第一n型金属氧化物半导体场效晶体管、第二n型金属氧化物半导体场效晶体管和第一电感。第一输出电压阳极引脚，为前述直流-直流转换器功率输出的阳极引脚，第一输出电压阴极引脚，为前述直流-直流转换器功率输出的阴极引脚。第一电容器耦接于第一输出电压阳极引脚和第一输出电压阴极引脚中间，用于直流-直流转换器功率输出的稳压效果。第一n型金属氧化物半导体晶体管的漏极耦接到第三电压源，第一n型金属氧化物半导体晶体管的栅极耦接至前述相位芯片IR3505集成电路的第11引脚。第二n型金属氧化物半导体场效晶体管的漏极耦接到第一n型金属氧化物半导体晶体管的源极，第二n型金属氧化物半导体场效晶体管的源极耦接到第一输出电压阴极引脚，第二n型金属氧化物半导体场效晶体管的栅极耦接到IR3505集成电路的第8引脚。第一电感的一端耦接到第一n型金属氧化物半导体晶体管的源极，第一电感的另一端耦接到第一输出电压阳极引脚。IR3505集成电路驱动电压调整电路输出为功率输出其中之一。
依据本发明的较佳实施例，前述节电模块经由芯片组，耦接至中央处理器。依据本发明的较佳实施例，上述节电模块经由低脚位总线(Low Pin Countbus，LPC bus)耦接到芯片组。依据本发明地较佳实施例，上述芯片组，包含北桥芯片和南桥芯片，其中北桥芯片耦接到中央处理器，南桥芯片耦接于北桥芯片和节电模块之间。
现有支持多款中央处理器的计算机平台，使用多相功率转换器来设计中央处理器的电源供应单元。为了在使用不同功率消耗的中央处理器时，增加电源供应单元的转换效率，本发明提出一种计算机的电源管理装置，向中央处理器取得功耗信息，来决定多相功率转换器所使用的相数，以驱动功率输出到中央处理器。借由本发明提出的电源管理装置，可提升电源供应单元的转换效率。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
【附图说明】
图1为根据本发明所绘示的一种中央处理器的电源管理装置结构图。
图2是依照本发明较佳实施例所绘示的功率转换器结构图。
图3A-图3B是依照本发明较佳实施例所绘示的相位信号传输架构图。
图4依照本发明较佳实施例所绘示的直流-直流转换器结构图。
图5是依照本发明较佳实施例所绘示的节电模块架构图。
图6A-图6B是依照本发明较佳实施例所绘示的控制电路图。
图7是依照本发明较佳实施例所绘示的开关和相位芯片的电路图。
图8是依照本发明较佳实施例所绘示的电压调整电路图。
图9是依照本发明较佳实施例所绘示的中央处理器功耗信息存取流程图。
主要元件符号说明：
100：电源管理装置 110：中央处理器
200、200’：功率转换器
310：开关 320：相位芯片
330：电压调整电路
400：脉宽调变控制器
500：节电模块 510：基板管理控制器
930：芯片组 931：北桥芯片
932：南桥芯片 950：低脚位总线
C1：电容器
CVT1～CVTN：直流-直流转换器
J1：短路端子
L1：电感
MC1～MCN、MC1’：控制电路
P1～PN：功率输出
Q1：晶体管
Q2：金属氧化物半导体场效晶体管
Q3、Q4：n型金属氧化物半导体场效晶体管
R1、R2：电阻
SA1～SAN：启动信号
SDR：驱动信号
SPC[N..1]：电源控制信号
SPC[1]～SPC[N]：电源控制信号
SP、SP0、SP1～SPN：相位信号
V1、V2、V3、V4：电压源
VOUT+：输出电压阳极引脚
VOUT-：输出电压阴极引脚
【具体实施方式】
以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出一种计算机的电源管理装置，其特征及其功效详细说明如后。
本发明所属领域的通常技术人员应知现有计算机的新一代中央处理器，如英特尔(Intel)的Pentium 4，依循英特尔的新一代电源管理标准-降压式电压调整器(voltage regulator down，VRD)规范，来设计中央处理器的电源供应单元。降压式电压调整器使用多相降压转换器(multi-phases bulk converter)，使用多相功率输出，提供中央处理器所需功率消耗。此处所提中央处理器不限定于Pentium4，可以是任一款支持降压式电压调整器规范的中央处理器。图1为根据本发明所绘示的一种中央处理器的电源管理装置结构图。由于计算机平台能支持的中央处理器不限定于一种，而多款中央处理器的消耗功率也不尽相同。
本发明所提出电源管理装置100，由节电模块500向中央处理器110请求功耗信息，而依据中央处理器110所响应的功耗信息，输出电源控制信号SPC[N..1]到功率转换器200。电源控制信号SPC[N..1]具有N个信号，分别控制功率转换器200中的各相直流-直流转换器，此直流-直流转换器提供多个功率输出分别为P1～PN。功率转换器200依据电源控制信号SPC[N..1]决定致能所述功率输出P1～PN的数量。也就是说，当电源控制信号SPC[N..1]禁能功率转换器200中的任一直流-直流转换器时，因应电源控制信号SPC[N..1]，功率转换器200调整总功率输出，提供中央处理器110所需用于运作的功耗。英特尔的另一电源管理规范-企业电压调整器模块(Enterprise VRD，EVRD)规范，与降压式电压调整器规范的差异在于企业电压调整器模块规范支持多处理器的计算机平台；依据本发明可视为多个中央处理器-电源管理装置组，故在此不再赘述。
如前所述，功率转换器200用于决定输出功率。图2是依照本发明较佳实施例所绘示的功率转换器结构图。功率转换器200包含脉宽调变控制器400和N个直流-直流转换器CVT1～CVTN。脉宽调变控制器400产生相位信号SP；本发明所属领域的通常技术人员应知此相位信号SP是参考中央处理器110的电压辨识(voltage ID，VID)决定，此一过程不再赘述。脉宽调变控制器400输出相位信号SP至直流-直流转换器CVT1～CVTN，各直流-直流转换器CVT1～CVTN产生功率输出到中央处理器110。以下将用图3A-图3B对于驱动直流-直流转换器CVT1～CVTN的过程，做进一步描述。
图3A-图3B是依照本发明较佳实施例所绘示的相位信号传输架构图。节电模块500产生电源控制信号SPC[N..1]，分别用于禁能直流-直流转换器CVT1～CVTN。当任一直流-直流转换器被致能时，此被致能的直流-直流转换器依据相位信号产生功率输出；当任一直流-直流转换器被禁能时，此被禁能的直流-直流转换器即关闭功率输出。图3A中所示为相位信号传递的方式依据国际整流器公司的XPhase3TM架构。其中直流-直流转换器CVT1～CVTN串联耦接至所述脉宽调变控制器400，脉宽调变控制器400输出相位信号SP1至直流-直流转换器CVT1。当直流-直流转换器CVT1被致能时，直流-直流转换器CVT1产生功率输出P1至中央处理器110。同时直流-直流转换器CVT1将相位信号SP1移位(shift)输出相位信号SP2到直流-直流转换器CVT2，以此类推。最终相位信号SPN经由直流-直流转换器CVTN移位输出相位信号SP0反馈给脉宽调变控制器400。此XPhase3TM架构的特性在于直流-直流转换器CVT1～CVTN以串联型态耦接以接收相位信号，优点是利用相位信号移位的方式，可节省产生相位信号的引脚数量。
以下将另举一实施例，说明相位信号用不同传递方式的应用。图3B与图3A的差异处，在于相位信号的传递方式。请参照图3B，其中直流-直流转换器CVT1～CVTN并联耦接至所述脉宽调变控制器400。节电模块500产生电源控制信号SPC[N..1]，分别用于禁能直流-直流转换器CVT1～CVTN。当直流-直流转换器被致能时，即依据相位信号产生功率输出。脉宽调变控制器400依序移位产生相位信号SP1～SPN，个别输出至直流-直流转换器CVT1～CVTN；在此仅以直流-直流转换器CVT1作为说明。直流-直流转换器CVT1默认为致能状态，直流-直流转换器CVT1依据脉宽调变控制器400的相位信号SP1，产生功率输出P1至中央处理器110。当相位信号SP1产生后，脉宽调变控制器400移位产生相位信号SP2以输出至直流-直流转换器CVT2。其它直流-直流转换器以此类推。
以下针对直流-直流转换器的架构，仅以直流-直流转换器CVT1作为说明例。图4依照本发明较佳实施例所绘示的直流-直流转换器CVT1结构图，包含电压调整电路330、相位芯片320和开关310。在此所述开关310可以是晶体管、其它电路等。开关310耦接到相位芯片320的致能端口EN。相位芯片320依据脉宽调变控制器400输出的相位信号SP1，驱动电压调整电路330产生功率输出P1。当节电模块500产生电源控制信号SPC[1]输出至开关310时，开关310禁能相位芯片320。
图5是依照本发明较佳实施例所绘示的节电模块架构图。节电模块500包含基板管理控制器510和N个控制电路MC1～MCN。基板管理控制器510包含检测模块，请参照图1，基板管理控制器510的检测模块向中央处理器110请求功耗信息，而后基板管理控制器510依据中央处理器110所响应的功耗信息来决定功率转换器200产生功率输出的相数。本发明所属领域的通常技术人员可以任何方式实现基板管理控制器510的检测模块，使得所述检测模块可以向中央处理器110取得功耗信息。例如，检测模块的实现方式可以如同基本输入输出系统(BIOS)在计算机的开机过程中对中央处理器进行检测。亦即，本发明所属领域的通常技术人员可依据本实施例的说明，透过更改基板管理控制器510的韧体(firmware)来达成检测模块的功效。
在此仅以控制电路MC1代表说明之，本发明所属领域的通常技术人员可依据本实施例的说明，类推至其它的控制电路。基板管理控制器510耦接至控制电路MC1，控制电路MC1耦接至功率转换器200的直流-直流转换器CVT1。当基板管理控制器510产生启动信号SA1时，控制电路MC1依据启动信号SA1产生电源控制信号SPC[1]。控制电路MC1输出电源控制信号SPC[1]至直流-直流转换器CVT1，用以禁能直流-直流转换器CVT1。
图6A-图6B是依照本发明较佳实施例所绘示的控制电路图，在此仅以控制电路MC1说明。控制电路MC1耦接于基板管理控制器510和功率转换器200之间，依据基板管理控制器510输出的启动信号SA1，控制电路MC1产生电源控制信号SPC[1]。图6A并未绘出控制电路MC1的完整电路，仅择要地绘示晶体管Q1、电阻R1和电阻R2。其中晶体管Q1可以是PNP、NPN、其它晶体管(依据所使用实施例修改控制电路)。电阻R1耦接于电压源V1和晶体管Q1的基极之间，提供上拉电压给晶体管Q1的基极(晶体管Q1的基极默认为高电平)。晶体管Q1的基极耦接到底板控制管理器510，用以接收底板控制管理器510产生的启动信号SA1。电阻R2耦接于电压源V2和晶体管Q1的集电极之间，提供上拉电压给晶体管Q1的集电极(晶体管Q1的集电极默认为高电平)。晶体管Q1的集电极耦接至功率转换器200的直流-直流转换器CVT1，用以致能直流-直流转换器CVT1。晶体管Q1的发射极耦接到参考电压VSS1。当晶体管Q1的基极为高电平(默认值)，此时晶体管Q1导通，晶体管Q1的集电极电压电平参考至参考电压VSS；晶体管Q1的集电极电压维持低电平状态，输出至直流-直流转换器CVT1。当基板管理控制器510产生启动信号SA1(低电平)时，晶体管Q1截止，晶体管Q1的集电极电压电平参考至上拉电压，此时晶体管Q1的集电极产生电源控制信号SPC[1](高电平)，输出至直流-直流转换器CVT1。
上述实施例是以基板管理控制器510来控制功率转换器200内部多个直流-直流转换器CVT1～CVTN的致能状态。以下将另举一实施例，说明以人为控制的方式，来控制功率转换器200内部多个直流-直流转换器CVT1～CVTN的致能状态。图6B是依照本发明另一较佳实施例所绘示的控制电路MC1’架构图，在此仅以控制电路MC1说明。此处并未绘出控制电路MC1的完整电路，仅择要地绘示晶体管Q1、电阻R1和电阻R2。请参照图6B，在控制电路MC1’中设置一个短路端子J1，耦接于在晶体管Q1的基极和发射极之间。如果已经知道中央处理器110的功耗信息，使用此短路端子J1将晶体管Q1的基极和发射极短路(short)，使晶体管Q1的基极电压电平参考至参考电压VSS1(低电平)。此举等同于基板管理控制器510发出启动信号SA1(低电平)，使晶体管Q1截止，晶体管Q1的集电极电压电平参考至上拉电压。此时晶体管Q1的集电极产生电源控制信号SPC[1](高电平)，输出至直流-直流转换器CVT1。
依据前述图3A-图3B所述相位信号的传递方式，相位芯片320实际规格与硬件规划有关。图7是依照本发明较佳实施例所绘示开关和相位芯片的电路图，此处并未绘出开关310和相位芯片320的完整电路，仅择要地绘示金属氧化物半导体场效晶体管Q2、IR3505集成电路。其中开关310包含金属氧化物半导体场效晶体管Q2，相位芯片320为国际整流器公司的IR3505集成电路；本实施例虽以金属氧化物半导体场效晶体管Q2作为开关310的实施代表，但所属技术领域的通常技术人员亦可以依据本实施例的说明，而类推至pMOS场效晶体管、nMOS场效晶体管、具有开关功能的电子组件、其它电路。依据IR3505集成电路的规格说明书，当IR3505集成电路第14引脚的输入电压，被上拉到和第9引脚的电压相同时，IR3505集成电路将进入调试模式(debug mode)，等同于禁能IR3505集成电路。
在此仅以控制电路MC1、开关310和相位芯片320的耦接关系说明。控制电路MC1耦接至直流-直流转换器CVT1，直流-直流转换器CVT1包含开关310和相位芯片320。金属氧化物半导体场效晶体管Q2的漏极与源极分别耦接至IR3505集成电路的第9引脚与第14引脚。电压源V4耦接至IR3505集成电路的第9引脚。金属氧化物半导体场效晶体管Q2的栅极耦接至节电模块500的控制电路MC1，参照前文，金属氧化物半导体场效晶体管Q2的栅极电压电平默认为低电平；因此，金属氧化物半导体场效晶体管Q2截止，IR3505集成电路的第9引脚的电压不同于第14引脚的电压。
要关闭直流-直流转换器CVT1，可利用基板管理控制器510产生启动信号SA1(低电平)，使控制电路MC1产生电源控制信号SPC[1](高电平)输出至金属氧化物半导体场效晶体管Q2的栅极，此时金属氧化物半导体场效晶体管Q2导通，IR3505集成电路的第9引脚和第14引脚之间形成短路，禁能IR3505集成电路。
在本实施例中，直流-直流转换器包含电压转换电路和相位芯片，此处举直流-直流转换器CVT1代表说明。请参照图8，电压转换电路330耦接于相位芯片320和中央处理器110之间，相位芯片320驱动电压转换电路330产生功率输出至中央处理器110。图8是依照本发明较佳实施例所绘示电压调整电路图，此处并未绘出电压调整电路330的完整电路图，仅择要地绘示输出电压阳极引脚VOUT+、输出电压阴极引脚VOUT-、电容器C1、n型金属氧化物半导体场效晶体管Q3、n型金属氧化物半导体场效晶体管Q4和电感L1。输出电压阳极引脚VOUT+为直流-直流转换器CVT1的功率输出阳极引脚，输出电压阴极引脚VOUT-为前述直流-直流转换器CVT1的功率输出阴极引脚。电容器C1耦接于输出电压阳极引脚VOUT+和输出电压阴极引脚VOUT-中间，用于直流-直流转换器CVT1所产生功率输出的稳压效果。n型金属氧化物半导体晶体管Q3的漏极耦接到电压源V3。前述驱动信号SDR由相位芯片IR3505集成电路的第8引脚和第11引脚传递。
n型金属氧化物半导体场效晶体管Q3的栅极耦接至IR3505集成电路的第11引脚。n型金属氧化物半导体场效晶体管Q4的漏极耦接到n型金属氧化物半导体场效晶体管Q3的源极，n型金属氧化物半导体场效晶体管Q4的源极耦接到输出电压阴极引脚VOUT-，n型金属氧化物半导体场效晶体管Q4的栅极耦接到IR3505集成电路的第8引脚。电感L1的一端耦接到n型金属氧化物半导体场效晶体管Q3的源极。电感L1的另一端耦接到输出电压阳极引脚VOUT+。当IR3505集成电路的第11引脚输出高电平而IR3505集成电路的第8引脚输出低电平时，n型金属氧化物半导体场效晶体管Q3的源极和漏极导通，n型金属氧化物半导体场效晶体管Q4的源极和漏极断开，电压源V3储存电能电感L1。当IR3505集成电路的第11引脚输出低电平而IR3505集成电路的第8引脚输出高电平时，n型金属氧化物半导体场效晶体管Q3的源极和漏极断开，n型金属氧化物半导体场效晶体管Q4的源极和漏极导通，此时电感L1释放电能，透过电容器C1稳压输出为功率输出P1。
在本实施例中，节电模块500向中央处理器110请求功耗信息。图9是依照本发明较佳实施例所绘示中央处理器功耗信息的存取流程图。节电模块500的基板管理控制器510，耦接至低脚位总线950；芯片组930耦接至低脚位总线950和中央处理器110。基板管理控制器510经由低脚位总线950向芯片组930发出中央处理器110功耗信息的请求命令。芯片组930包含南桥芯片932和北桥芯片931，南桥芯片932耦接至北桥芯片931和低脚位总线950，北桥芯片931耦接至中央处理器110。本发明所属领域的通常技术人员应知计算机的内部芯片组和总线架构，故不在此赘述详细过程。前述功耗信息的请求命令经由低脚位总线950、南桥芯片932、北桥芯片931转送至中央处理器110。中央处理器110接收请求命令后，响应功耗信息经北桥芯片931、南桥芯片932、低脚位总线950转送至基板管理控制器510，作为产生启动信号SA1～SAN的依据，进而调整功率产生器200的功率输出，因应中央处理器110的功率消耗以关闭多余的直流-直流转换器，提升电源供应单元的转换效率。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的结构及技术内容作出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施例，但是凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。