功率域电流平衡技术领域
本说明书涉及用于功率管理的系统、方法、设备、装置、制品和指令。
背景技术
低功率是多种多样的下一代产品的关键区分因素。由于物联网(IoT)引入的应用
的新时代的多样性，同一计算平台可能必需在多个应用中工作。在许多现有或即将来临的
功率性能敏感的产品中已经看到了上述趋势。
对于这样的功率敏感系统，可以利用使用电荷再循环的能量最小化。能量/电荷再
循环应用于具有两个或更多个功率域的电路或系统。
能量/电荷再循环是用于优化一组功率域(例如电路和/或计算平台)的能效的技
术。这样的技术可以基于使用电路堆叠(例如逻辑上设存储器)以再循环电荷，这样会得到
静态和/或动态的功率降低。这样的技术会减少电压调节功率损耗。
发明内容
根据示例实施例，一种用于功率管理的设备，其包括：电流吸收器/源传感器，其被
配置成监视电源至功率域间吸收器/源的电流，并且如果电源至功率域间吸收器/源的电流
超出阈值范围，则生成电流不匹配信号；以及电流不平衡控制器，其经耦合以接收所述电流
不匹配信号，并且配置成生成一组功率域控制信号；其中所述组功率域控制信号减小电源
至功率域间吸收器/源的电流的绝对值。
在另一示例实施例中，所述阈值范围包括零安培。
在另一示例实施例中，电源至功率域间吸收器/源的电流是供应到顶部功率域与
底部功率域之间的电节点的电流或者从所述节点吸收的电流。
在另一示例实施例中，所述顶部和底部功率域是采用电荷再循环的堆叠配置。
在另一示例实施例中，所述顶部和底部功率域是匹配电路。
在另一示例实施例中，所述功率域中的一个是存储器电路，另一个是计算逻辑电
路。
在另一示例实施例中，所述组功率域控制信号包括以下各项中的至少一者：电压
控制信号、频率控制信号和任务控制信号。
在另一示例实施例中，进一步包括功率域电压控制器，其耦合到电流不平衡控制
器；其中所述电压控制器向所述组功率域控制信号添加顶部功率域电压选择信号和底部功
率域电压选择信号；并且其中所述电压选择信号被配置成减小电源至功率域间吸收器/源
的电流的绝对值。
在另一示例实施例中，如果电流不匹配信号指示顶部功率域电流大于底部功率域
电流，则顶部功率域电压选择信号选择减小的顶部功率域电压。
在另一示例实施例中，如果电流不匹配信号指示顶部功率域电流大于底部功率域
电流，则底部功率域电压选择信号选择增加的底部功率域电压。
在另一示例实施例中，进一步包括功率域频率控制器，其耦合到电流不平衡控制
器；其中所述频率控制器向所述组功率域控制信号添加顶部功率域频率选择信号和底部功
率域频率选择信号；并且其中所述频率选择信号被配置成减小电源至功率域间吸收器/源
的电流的绝对值。
在另一示例实施例中，如果电流不匹配信号指示顶部功率域电流大于底部功率域
电流，则顶部功率域频率选择信号选择减小的顶部功率域频率。
在另一示例实施例中，进一步包括功率域任务控制器，其耦合到电流不平衡控制
器；其中所述任务控制器向所述组功率域控制信号添加顶部功率域任务选择信号和底部功
率域任务选择信号；并且其中所述任务选择信号被配置成减小电源至功率域间吸收器/源
的电流的绝对值。
在另一示例实施例中，如果电流不匹配信号指示顶部功率域电流大于底部功率域
电流，则顶部功率域任务选择信号选择顶部功率域任务的减小的负载。
在另一示例实施例中，所述任务选择信号包括以下各项中的至少一者：逻辑选择
信号、固件选择信号或软件执行信号。
在另一示例实施例中，任务选择信号指令功率域中的至少一个的一部分接通或断
开。
在另一示例实施例中，所述任务选择信号指令功率域中的至少一个的一部分执行
一组软件指令或者不执行一组软件指令。
在另一示例实施例中，所述电流不平衡控制器是自适应相对电压和频率按比例调
整(ARVFS)控制器。
根据示例实施例，一种制品包括至少一个非暂时性有形机器可读存储媒体，其包
括用于功率管理的可执行机器指令，其中所述指令包括：监视电源至功率域间吸收器/源的
电流；如果电源至功率域间吸收器/源的电流超出阈值范围，则生成电流不匹配信号；以及
响应于所述电流不匹配信号生成一组功率域控制信号，以便减小电源至功率域间吸收器/
源的电流的绝对值。
在另一示例实施例中，所述组功率域控制信号包括以下各项中的至少一者：电压
控制信号、频率控制信号、任务控制信号和衬底偏压控制信号。
在另一示例实施例中，进一步包括：当物件加电时，将电压、频率和任务控制信号
同时初始化成一组值。
以上论述并不意图表示当前或将来权利要求集的范围内的每一示例实施例或每
一实施方案。附图和具体实施方式还举例说明了各种示例实施例。
考虑结合附图的以下详细描述可更全面地理解各种示例实施例，在附图中：
附图说明
图1是用于功率域电流平衡的设备的一个示例。
图2是用于功率域电流均衡的一组指令的一个示例。
图3是用于功率域电流平衡的设备的另一示例。
图4是用于托管用于支持功率域电流平衡设备的指令的示例系统。
虽然本发明容许各种修改和替代形式，但其细节已经借助于示例在附图中示出且
将详细地描述。然而，应理解，超出所描述的特定实施例的其它实施例也是可能的。也涵盖
落在所附权利要求书的精神和范围内的所有修改、等效物和替代实施例。
具体实施方式
但是，由于所述组功率域之间的能耗不匹配，能量/电荷再循环技术的有效性可能
是有限的。
电路分割会直接影响可以在两个或更多个功率域之间在多大程度上优化能量/电
荷再循环和负载平衡(即，使电流变化最小化)。
在一种负载平衡方法中，一个电路要将电路分割成两个或更多个差不多相等的电
流消耗块(即，对称/镜像电路分割)。举例来说，在双CPU系统中，一个CPU在顶部功率域中，
第二CPU在底部功率域中。类似地，比如(SRAM)之类的其它功能性也可以在两个或更多个功
率域之间相等地划分。这样的镜像功能性使得顶部和底部功率域能够尽可能相同并且以相
同的电压及频率运行。
然而，即使功率域划分成两个相等/对称的功能半部，这样也只是使其固有电容相
等。其中I-top(即用于顶部功率域的电流)大致等于I-bottom(即用于底部功率域的电流)，
于是这可以在数学上表达为：
等式1顶部功率域的(aCVf)～底部功率域的(aCVf)
其中，‘a’：活动，‘C’：本征电容，‘V’：电压(例如VDD-top和VDD-bottom)和‘f’：频
率。因而，在此设计中，当CPU或子系统消耗相等或差不多相等的电流时，发生高效电荷再循
环。
这样的双重CPU执行的任务(即执行的软件代码)之间的变化还会引起电流不平
衡，这是因为其活动因子(‘a’)对于不同任务和/或软件将是不同的，即使‘C’是平衡的。
在其它示例中，这样的对称/镜像功能性可能是不可能的或者不是优选的。举例来
说，顶部功率域中的CPU可能需要第一电压和频率，而底部功率域中的存储器可能需要第二
不同电压和频率。这些不同功能性还可能具有不相等的电流需求。举例来说，存储器消耗的
功率比MCU或CPU中的逻辑少20-40％。
现在论述使用一组自适应相对电压和频率按比例调整(ARVFS)技术包含任务调度
来限制一组功率域之间的能量/电荷和电流不匹配的电路。
这些电路和技术更好地对准一组功率域之间的电流消耗因而对准负载平衡。
虽然通常针对一组堆叠(即共享电流)功率域论述示例实施例，但是这些技术也可
以用于平坦(即共享电压)电路设计。并且，虽然这些示例实施例论述用于仅两个堆叠功率
域的功率管理技术，但是这些技术可以按比例调整为三个或更多个堆叠域或者还有平坦
域。
图1是用于功率域电流平衡的设备100的一个示例。设备100包括：顶部功率域102，
其通过顶部电压(VDD-top)104和顶部电流(I-top)106通电；底部功率域108，其通过底部电
压(VDD-bottom)110和底部电流(I-bottom)112通电；电流吸收器/源传感器114，其输出电
流不匹配信号(I-mismatch/I-imbalance信号)116。
顶部和底部功率域102、108之间的信号电平移位器(未图示)使得针对顶部功率域
102限定的第一组模拟和/或数字电压信号范围能够翻译成针对底部功率域108限定的第二
组模拟和/或数字电压信号范围，由此使得这些功率域102、108之间能够实现正确的通信。
顶部和底部功率域102、108的属性根据其应用而变化。在各种实施例中，功率域
102、108可以是匹配电路，或者一个可以是存储器电路，另一个可以是计算逻辑电路(例如
逻辑上设存储器的MOTL配置)。
顶部和底部功率域102、108可以基于其工作任务(例如逻辑、固件和/或软件功能
性)、工作电压和/或工作频率具有不同的功率消耗曲线。在一些示例实施例中，可以通过接
通或断开功率域102、108中的一或多个中的电路或者通过重新分配功率域102、108中的每
一个执行的软件而改变任务负载。
电源118向顶部和底部功率域102、108供应电压和电流。电源118连接到电压调节
器120并且不仅向功率域102、108供应顶部电流(I-top)106和底部电流(I-top)112，而且必
要时还供应吸收器/源电流(I-sink/source)122。请注意：I-bottom＝I-top±I-sink/
source。
电流不平衡控制器124接收电流不匹配信号(I-mismatch信号)116并且减少顶部
和底部功率域102、108之间的任何电流不平衡。电流不平衡控制器124使用电压控制器126、
频率控制器128、任务控制器130和/或衬底偏压控制器132减少顶部和底部功率域102、108
之间的电流不平衡。这些控制器确保嵌入式闭环控制环路架构并且提供负反馈以补偿不平
衡。
在一个示例实施例中，电流吸收器/源传感器114被配置成监视功率域间吸收器/
源电流(即吸收器/源电流122)的电源。电源至功率域间吸收器/源的电流是供应到如图1所
示的顶部功率域与底部功率域之间的电节点的电流或者从所述节点吸收的电流。在一个示
例中，这个电节点还可以用于监视底部电压(VDD-bottom)110或顶部电压(VDD-top)104，这
取决于电流吸收器/源传感器114的配置。
如果功率域间吸收器/源电流122的电源超出阈值范围，则电流吸收器/源传感器
114生成电流不匹配信号116。示例阈值范围可以是以0安培为中心+/-1μA，或者可以偏移并
且以非零电流或电压电平为中心。对此，存在内置滞后作用以在循环控制中提供稳定性。
电流不平衡控制器124接收并且监视电流不匹配信号116，在各种实施例中还可包
括接收和监视阈值范围。电流不平衡控制器124生成一组功率域控制信号，其被发送到功率
域102、108中的一或多个以减小电源至功率域间吸收器/源的电流的绝对值。
在一个示例中，功率域电流不平衡控制器124包括被配置成使用自适应相对电压
和频率按比例调整(ARVFS)技术减少任何电流不匹配的逻辑、固件和/或软件。ARVFS技术是
监视功率域(例如堆叠元件)之间的电流不匹配量，并且作为控制元素调整电压、频率和任
务分配(例如逻辑、固件和/或软件功能性)以补偿任何负载不平衡。在一个示例中，所述指
令是嵌入控制环路的一部分。
现在提出电流不平衡控制器124使用电压、频率、任务和衬底偏压控制器126、128、
130、132的操作的示例。
应注意，由于功率域102、108的物理设计(即最大和最小工作电压及频率，以及执
行某些任务的能力)，电流不平衡控制器124改变电压、频率和任务分配的能力是有限的。这
些限制因素可能包括：各个功率域的最小处理量或两个功率域的组合总处理量；各个功率
域的电压余量和/或两个功率域的总余量(即V-top+V-bottom)；以及每个功率域的允许频
率对比电压(即电压和频率的相依关系)。
电压控制器126向所述组功率域控制信号添加顶部功率域电压选择信号和底部功
率域电压选择信号。这些电压选择信号被配置成减小电源至功率域间吸收器/源的电流的
绝对值。
举例来说，如果电流不匹配信号116指示顶部功率域电流106大于底部功率域电流
112，则顶部功率域电压选择信号可以选择减小的顶部功率域电压，或者底部功率域电压选
择信号可以选择增加的底部功率域电压。
频率控制器128向所述组功率域控制信号添加顶部功率域频率选择信号和底部功
率域频率选择信号。这些频率选择信号还可被配置成减小电源至功率域间吸收器/源的电
流的绝对值。
举例来说，如果电流不匹配信号指示顶部功率域电流106大于底部功率域电流
112，则顶部功率域频率选择信号可以选择减小的顶部功率域频率。
任务控制器130向所述组功率域控制信号添加顶部功率域任务选择信号和底部功
率域任务选择信号。这些任务选择信号可以类似地被配置成减小电源至功率域间吸收器/
源的电流的绝对值。
举例来说，如果电流不匹配信号指示顶部功率域电流大于底部功率域电流，则顶
部功率域任务选择信号可以选择顶部功率域任务的减小的负载。所述任务选择信号包括以
下各项中的至少一者：逻辑选择信号、固件选择信号或软件执行信号。在各种示例中，任务
选择信号可以指令功率域中的至少一个的一部分接通或断开以执行一组软件指令或者不
执行一组软件指令。
所述衬底偏压控制器132包括衬底偏压信号，其可以更改顶部或底部功率域102、
108的电流消耗以便减小电源至功率域间吸收器/源的电流的绝对值。
在各种示例中，电流不平衡控制器124可以使用例如牛顿-拉普森算法中的递归步
骤而以最小不匹配电流(即吸收器/源电流(I-sink/source)122)为目标。在其它示例中，电
流不平衡控制器124可以通过下面的方式以最小不匹配电流122为目标：直接观察不匹配电
流(即吸收器/源电流(I-sink/source)122的量，并且计算或存取查找表(例如存储器映像)
以确定平衡I-top 106和I-bottom 112电流所需的电压、频率和/或调整任务量。
电流不平衡控制器124可以用静态或动态模式工作。在静态模式中，电流不平衡控
制器124减少电路的备用不匹配电流。在另一示例实施例中，功率域电流不平衡控制器124
以动态模式工作，以便减小电路的实时工作不匹配电流。
现在提出电流不平衡控制器124仅使用电压控制器126和频率控制器128的工作的
示例。在一个示例中，当I-top 106＞I-bottom 112时，电流不平衡控制器124可以分别相对
于VDD-bottom 110和/或f-bottom减小VDD-top 104和/或f-top。
然而，此VDD-top 104的减小将增加顶部功率域的临界路径延迟T-top。本文中将
T-top定义为顶部功率域102内的最长寄存器间延迟、软件代码执行延迟等等。T-top随着分
配给顶部功率域102的任务、逻辑、软件等变化。
为了解决T-top的增加，VDD-bottom 110可以升高，使得总电路临界路径延迟(即
T-top+T-bottom)保持相同。
替代地，VDD-bottom 110和/或f-bottom可以分别相对于VDD-top 104和/或f-top
增加。在另一个替代方案中，同时全部调整示例VDD-bottom 110、f-bottom、VDD-top 104和
f-top(例如对于一个功率域增加，对于另一个功率域减小)。
在另一个示例中，如果电压和频率都减小，则首先减小频率，其次减小电压，对于
增加的情况，则顺序相反(如果应用部署传统的DVFS类按比例调整机制的话)。
如果I-top＜I-bottom，则上文论述的示例技术可以反过来执行。
应注意，当设备100第一次通电时，顶部电压(VDD-top)104、顶部频率(f-top)和顶
部任务负载可能等于或者可能不等于底部电压(VDD-bottom)110、底部频率(f-bottom)和
底部任务负载。
因此，虽然对称地分割的系统可以从相等的值开始，但是不对称分割系统可以选
择有差别的值。举例来说，当存储器(例如SRAM)处于顶部功率域102并且逻辑(例如CPU)处
于底部功率域108时，CPU可以第次在0.7V通电，而SRAM第一次在1.1V通电，同时CPU和SRAM
都以相同频率工作。
图2是用于功率域电流均衡的一组指令的一个示例。论述指令的次序并不限制其
它示例实施例实施该指令的次序，除非以另外的方式专门陈述。另外，在一些实施例中，并
行实现该指令。
第一示例指令集在202中通过在功率域加电时将一组功率域控制信号同时初始化
成一组值而开始。所述组功率域控制信号包括以下各项中的至少一者：电压控制信号、频率
控制信号和任务控制信号。
接下来在204中，监视电源至功率域间吸收器/源的电流。在206中，如果功率域间
吸收器/源电流的绝对值超出阈值，则生成电流不匹配(包括极性)信号。接着在208中，响应
于电流不匹配信号生成一组功率域控制信号以便减小功率域间吸收器/源电流的绝对值。
图3是用于功率域电流平衡的设备300的另一示例。设备300包括：顶部功率域302，
其通过顶部电压(VDD-top)和顶部电流(I-top)通电；底部功率域308，其通过底部电压
(VDD-bottom)和底部电流(I-bottom)通电；电流吸收器/源传感器314，其输出电流不匹配
信号(I-mismatch/I-imbalance信号)316。
顶部和底部功率域302、308之间的信号电平移位器312使得针对顶部功率域302限
定的第一组模拟和/或数字电压信号范围能够翻译成针对底部功率域308限定的第二组模
拟和/或数字电压信号范围，由此使得这些功率域302、308之间能够实现正确的通信。
顶部和底部功率域302、308基于其工作任务(例如逻辑、固件和/或软件功能性)、
工作电压和/或工作频率具有不同的功率消耗曲线。
电池318向顶部和底部功率域302、308供应电压和电流。电池318连接到电压调节
器320(示出了LDO调节剂拓扑，但是也可以使用开关电容器)，并且不仅向功率域302、308供
应顶部电流(I-top)、顶部电压(VDD-top)、底部电流(I-top)和底部电压(VDD-bottom)，而
且视需要供应吸收器/源电流(I-sink/source)322。
电流不平衡控制器324接收电流不匹配信号(I-mismatch信号)316并且减少顶部
和底部功率域302、308之间的任何电流不平衡。电流不平衡控制器324使用V-ref控制326、
时钟控制模块328和任务控制器(未图示)减少顶部和底部功率域302、308之间的电流不平
衡。
在一个示例实施例中，吸收器/源电流(I-sink/source)322馈送到电流不平衡控
制器324的控制环路，从而使得可以对每个功率域302、308的电压、频率和任务进行调整。
图4是用于托管用于支持功率域电流平衡设备的指令的示例系统。系统400示出了
与电子装置404的输入/输出数据接口402。电子装置404包括处理器406、存储装置408和非
暂时性机器可读存储媒体410。机器可读存储媒体410包括指令412，其控制处理器406如何
接收输入数据402并且通过使用存储装置408内的数据将输入数据转变成输出数据402。存
储在机器可读存储媒体410中的示例指令412在本说明书的其它地方论述。在替代示例实施
例中，机器可读存储媒体为非暂时性计算机可读存储媒体。
处理器(例如中央处理单元、CPU、微处理器、专用集成电路(ASIC)等)控制存储装
置(例如用于临时数据存储的随机存取存储器(RAM)、用于永久性数据存储的只读存储器
(ROM)、固件、闪存、外部和内部硬盘驱动器等等)的整体操作。处理器装置使用总线与存储
装置和非暂时性机器可读存储媒体通信并执行实现存储在机器可读存储媒体中的一或多
个指令的操作和任务。在替代示例实施例中，机器可读存储媒体为计算机可读存储媒体。
除非明确陈述特定次序，否则可以任何次序执行以上图式中的指令和/或流程图
步骤。另外，本领域的技术人员将认识到，尽管已经论述一个示例指令集/方法，但是本说明
书中的材料可通过多种方式组合，从而还产生其它示例，并且应在此详细描述提供的上下
文内来理解。
在一些示例实施例中，上述的一组指令被实施为功能和软件指令，其具体实施为
在非暂时性计算机可读或计算机可用媒体中的一组可执行指令，所述非暂时性计算机可读
或计算机可用媒体在用所述可执行指令编程并且受到所述可执行指令控制的计算机或机
器上实行。所述指令被加载用于在处理器(例如，一个或多个CPU)上执行。所述处理器包括
微处理器、微控制器、处理器模块或子系统(包括一或多个微处理器或微控制器)或其它控
制或计算装置。处理器可以指代单个组件或指代多个组件。所述计算机可读或计算机可用
存储媒体被视为物品(或制品)的一部分。物品或制品可指代任何所制造的单个组件或多个
组件。如本文所定义的非暂时性机器或计算机可用媒体不包括信号，但此媒体可能够接收
和处理来自信号和/或其它暂时性媒体的信息。
本说明书中论述的材料的示例实施例可整体或部分经由网络、计算机或基于数据
的装置和/或服务实施。这些可以包括云、因特网、内联网、移动装置、台式计算机、处理器、
查找表、微控制器、消费者设备、基础架构，或其它致能装置和服务。如本文和权利要求书中
可使用，提供以下非排他性定义。
在一个示例中，使本文论述的一个或多个指令或步骤自动化。术语自动化或自动
(及其类似变化)意味着使用计算机和/或机械/电气装置的设备、系统和/或过程的受控制
的操作，而不需要人类干预、观测、努力和/或决策。
在本说明书中，已经依据选定细节集合呈现示例实施例。然而，本领域的普通技术
人员将理解，可以实践包括这些细节的不同选定集合的许多其它示例实施例。希望所附权
利要求书涵盖所有可能的示例实施例。