校准方法和校准电路.pdf

用于在多个时帧内对功率进行测量和管理的方法和系统以及校准技术提供了在满足全局系统功耗和功率耗散限制的同时，提供做出响应而进行的功率控制。对一个或多个系统电源的功率输出进行测量和处理，从而产生在多个不同时帧内的功率值。来自不同时帧的测量值被用于判断是否应该对系统功耗进行调节，然后，响应于进行的判断，对一个或多个设备进行功率管理。判断可以将一组最大和/或最小阈值与来自不同时帧的每个测量值进行比较。校准技术利用精确基准电阻器和受电压基准控制的电流源，在电源检测电阻器的输入侧引起电压降，在电源输出

1.  一种方法，用于对电源功率测量进行校准方法，其中，所述功率测量包括测量与所述电源的输出串联的检测电阻器两边的差动电压降，所述方法包括如下步骤：
将精确基准电阻器的第一节点连接到所述检测电阻器的输入节点；
使精确的预定电流水平通过所述精确基准电阻器，以便在所述精确基准电阻器的第二节点产生电压降；
对所述精确基准电阻器的所述第二节点与所述检测电阻器的所述输入节点之间的差动电压进行测量，从而确定基准电流校准值，由此，在近似所述电源输出的共模电压下得到所述基准电流校准值。

2.  如权利要求1所述的方法，其中，所述精确预定电流水平是从精确电压水平得到的，并且还包括对所述精确电压源的电压进行的第二测量，以确定基准电压校准值。

3.  如权利要求2所述的方法，其中，通过使所述精确预定电流水平通过第二精确电阻器，生成所述精确电压水平。

4.  如权利要求1所述的方法，还包括如下步骤：
在所述检测电阻器的输出节点与所述精确基准电阻器的所述第二节点之间进行选择；并且
通过抗混叠滤波器对所述选择的节点的电压进行滤波，由此，能够在后续测量中去除反映在所述基准电流校准值中的所述抗混叠滤波器的偏移和非线性。

5.  如权利要求1所述的方法，其中，所述精确预定电流水平是从精确电压水平得出的，并且，所述方法还包括如下步骤：
对所述精确电压源的电压进行第二测量，以确定基准电压校准值；
在所述检测电阻器的输入节点与所述精确电压源之间进行第二选择；以及
通过第二抗混叠滤波器对所述第二选择的节点的电压进行滤波，由此，能够在后续测量中去除反映在所述基准电压校准值中的所述第二抗混叠滤波器的偏移和非线性。

6.  一种校准电路，用于对在电源输出端上进行的功率测量进行校准，所述电源输出端包括具有输入节点和输出节点的在线检测电阻器，所述校准电路包括：
精确电流基准，用于产生校准电流；
精确基准电阻器，被耦合在所述精确电流基准的输出端和所述检测电阻器的所述输入节点之间，由此，所述基准电阻器使所述校准电流连续通过所述基准电阻器；
选择器，具有被耦合到所述检测电阻器的所述输出节点的第一输入端和被耦合到所述精确电流基准的所述输出端的第二输入端；
差动放大器，具有被耦合到所述检测电阻器的所述输入节点的第一输入端和被耦合到所述选择器的输出端的第二输入端；以及
模数转换器，用于当所述选择器选择了所述精确电流基准的所述输出时，生成与所述检测电阻器两边的电压对应的电流校准值，由此，在所述电源输出端的共模电压下，对所述电流校准值进行测量。

7.  如权利要求6所述的校准电路，还包括：
第二精确电阻器，在功能上与所述精确电流基准串联连接，用于生成精确基准电压；以及
第二选择器，具有被耦合到所述第二精确电阻器与所述精确电流基准之间的公共连接的第一输入端和被耦合到所述检测电阻器的所述输入节点的第二输入端，其中，所述第二选择器具有被可选择地耦合到所述模数转换器的输入端的输出端，由此，当所述第二选择器被选择为输入到所述模数转换器，并且，所述第二选择器选择在所述第二精确电阻器与所述精确电流基准之间的公共连接时，对电压校准值进行测量。

8.  如权利要求6所述的校准电路，还包括抗混叠滤波器，被耦合在所述第一选择器的所述输出端与所述模数转换器之间，用于通过抗混叠滤波器对所述选择的节点的电压进行滤波，由此，能够在后续测量中去除反映在所述基准电流校准值中的所述抗混叠滤波器的偏移和非线性。

9.  如权利要求8所述的校准电路，还包括第二抗混叠滤波器，被耦合在所述第二选择器的所述输出端与所述模数转换器之间，用于对所述第二选择的节点的电压进行滤波，由此，能够在后续测量中去除反映在所述电压校准值中的所述第二抗混叠滤波器的偏移和非线性。

10.  如权利要求7所述的校准电路，还包括抗混叠滤波器，被耦合在所述第二选择器的所述输出与所述模数转换器之间，用于通过抗混叠滤波器对所述第二选择节点的电压进行滤波，由此，能够在后续测量中去除反映在所述电压校准值中的所述抗混叠滤波器的偏移和非线性。

校准方法和校准电路
相关申请
本申请是申请号为200610005835.1、发明名称为“用于功率管理的方法和系统”、申请日为2006年1月10日的中国发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明总体上涉及在处理系统中的功率管理，更具体地说，涉及利用多个时帧功率测量值(measurement)，对功耗变化进行估计和对系统功耗进行控制的功率管理方案。
背景技术
出于各种原因，现代的计算系统包括复杂的功率管理方案。对于便携式计算机如“笔记本”、“膝上型”以及包括个人数字助理(PDA)的其它便携式设备，主要的电源是电池。智能功率管理延长了电池的寿命，并且由此延长了在不连接二次电源的情况下用户能够操作该系统的时间。功率管理的实施也是出于对“绿色系统”的考虑，因而由于能量守恒和减少发热等原因，减少了在建筑物内消散的功率。
近来，功率管理已经成为连接线路电源的系统，尤其是大处理功率核心和/或系统中的需要，这是由于现在的部件和/或系统是按照总的潜在功耗水平进行设计的，而总的潜在功耗水平超过了各个集成电路或机箱的功率耗散极限，或者由于总可用电源不是为了适合于所有设备同时运行而设计的。例如，多个处理系统可以被设计为具有多个子系统，但是，多个处理系统的电源系统不能提供每个子系统同时运行需要的最大潜在功率。在另一个例子中，处理器可以被设计为具有多个执行单元，由于过大的功率耗散水平或者在不产生过大电压降的情况下给整个处理器分配必须的电流水平方面的问题，多个执行单元不能一起同时运行。来自电源的可用潜在功率不是单个值，而通常是功率水平与时间之间的关系，其中，在到达最大功率水平之前，时间间隔越短，可用功率越大，超过最大功率水平，电源在任何功率水平上都会出现故障(由保护电路导致的或者绝对故障如在电压调节设备中的过电流)。
通常，利用通过电流检测确定的静态功率测量和/或利用使系统内的热积累与功耗相关的热测量，提供关于系统内功耗改变的信息。对于精细粒化(fine-grained)的功率管理方案来说，这两种测量都是不够精确的。如在以上引用的专利申请中披露的、需要精细粒化的功耗信息的功率管理方案，或者在相当慢的速度下测量消耗的电流，或者基于按照系统中的每个设备的节能状态进行的计算来估计功耗。由于电流测量不考虑系统电源的瞬时电压，因此，精度较低，这会影响任何关于功率使用的计算的精度。此外，基于设备状态的估计只能近似于系统消耗的实际功率。即使在设备这一层面上，由于根据对设备或系统的负载的计算或者基于全部启用的子单元进行对功率的估算不能准确地反映系统的实际功耗，因此近似很少是准确的。此外，由电源子系统进行的一般长时测量通常用于根据热或者电流故障条件进行控制并且不能提供用于对功耗的短时变化进行控制的足够信息。因此，在短时内的实际可用功率可能比实际使用的功率多，或者，如果系统在接近功率容限的情况下运行，则短时性能可能导致系统超过理想的运行功率水平。
一般情况下，对于精细粒化的功率管理的目的来说，电源电流测量也是不准确的。具体地说，在不断开提供给系统的功率的情况下，一般难以对通过在电源的输出端引入小的电压降进行的电流测量进行准确校准。
因此，希望提供一种方法和系统，用于响应于反映短时和长时限制的、对系统和设备功耗的更准确的测量，在处理系统内进行功率管理，从而能够优化系统功率使用。还希望提供一种方法和设备，用于在不断开提供给系统的功率的情况下，对功率测量进行校准。
发明内容
在用于功率测量和管理的方法和系统中，实现响应于精细粒化的功率测量、在处理系统内提供功率管理的目的。在用于对功率测量进行校准的方法和设备中，实现在不切断系统功率的情况下，对测量进行校准的目的。
用于功率管理的方法和系统对在长度不同的多个时帧内由一个或多个电源提供的功率进行测量，然后响应于所述测量，对系统的功耗进行调节。然后，可以将测量值与多个阈值进行比较，以判断对于所述时帧中的任何一个，系统功率是否超过允许功耗水平。或者，或同时，还可以将测量值与最小阈值进行比较，使得当对某些需要的设备进行功率管理时，能够使系统的运行最优化。通过有效地测量功耗并且在多个设备中的每个设备对功耗进行限制，可以在子单元的层面上执行本方法。或者，可以在系统或设备的层面上进行测量，并且将测量值传递给全局功率管理算法，该全局功率管理算法对整个系统进行功率管理。
功率管理的硬件和/或软件使用多个滤波器中的每一个，以便为每个时帧确定电源的电流和电压，并且，可以通过A/D转换器和滤波算法实现功率管理的硬件和/或软件。抗混叠滤波器(anti-aliasing filter)在A/D转换器之前，以便通过从电源的电压和电流的测量值中去除大于尼奎斯特速率(Nyquist rate)的频率信息，提高测量的精度。
通过对精确电压源进行测量，实现对电压测量的校准。利用在精确基准电阻器两边产生已知的电压降和由精确电压源控制的精确电流源，实现对电流测量的校准。从电源检测电阻器的输入节点产生电压降，作为电流测量电压降，从而在利用电源检测电阻器两边的电位差进行实际电流测量的同时，利用参考电阻器两边的电位差进行电流校准测量。在校准处理中，使用了相同的抗混叠滤波器和A/D转换器，因而考虑了在共模电压下系统中的任何非线性和偏移。因此，在检测电阻器的输入节点，作为结果的测量具有相同的共模电压，并且，通过对电流源和基准电阻器进行适当选择，作为结果的测量能够具有与在第二测量节点的精度相匹配的共模电压。
根据后文，更具体地说，根据对在附图中示出的本发明的优选实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特性和优点将更加清楚。
附图说明
在所附权利要求中叙述了被认为能够表征本发明的新颖特征。然而，当结合附图阅读时，通过参照以下对说明性实施例的详细描述，本发明本身以及优选使用方式、其它目的和其优点会被理解得最好，在附图中，相同的标号表示相同的部件，其中：
图1为按照本发明的实施例的计算系统的框图。
图2为示出了按照本发明的实施例的电源测量电路的框图，包括按照本发明另一个实施例的校准电路。
图3为示出了按照本发明的实施例的功率测量单元的框图。
图4为说明按照本发明的实施例的方法的流程图。
具体实施方式
本发明涉及用于功率管理的技术，这种技术依靠对电源电流和电压进行测量，从而对各个设备或整个系统的功耗进行准确测量并且根据所述测量对功率管理的设定进行向上和/或向下调节。新颖的测量方案通过在多个不同的预定时间段内对电流和电压进行滤波(例如积分)，在多个时标(time scale)内提供功耗信息。这种多个时标测量提供了对可用功率的最佳使用，并且，为每个时帧避免了电源过载情况。
下面参照图1对按照本发明的实施例的处理系统进行描述。处理子系统10A-10D是整个系统中的相同的子单元，并且，没有详细画出处理子系统10A-10D之间的相互连接。但应该理解，这样的连接和设备一般存在于处理系统中，并且，本发明的技术通常可以应用于处理系统内的外设以及电子系统。
电源单元(power supply unit，PSU)16给处理子系统10A-10D供电，并且可以包括不止一个协同运行的电源单元或者可以给系统的独立部分供电。示出了在PSU 16内的功率测量单元12以及位于处理子系统10A内的其它测量单元12A。检测器件(一般为电阻器)18和18A给功率测量单元12和12A提供对系统(通过检测器件18)或者对各个子系统或设备(通过检测器件18A)消耗的电流进行的测量。检测器件18和18A被分开示出，以便说明高端(high-side)电源到子系统的连接(没有示出电源的返回路径)。如果有分布的测量单元12A，则一般不使用测量单元12，但是，为了完整性而示出了测量单元12，因为可以在任何层面上对功率进行测量，只要它们呈现了必须被限制的全局系统功耗的完整画面或者呈现了用于施加例如由以上引用的专利申请强加的本地界限(bound)的本地功耗的完整画面。因此，本发明的技术可以与在以上引用的专利申请中披露的技术结合起来使用，提供了可以对不同的时标施加并优化设备功耗的本地界限的机制。
可以以各种方式实现对功耗的控制。在本申请的范围内，对“受功率管理的设备(power-managed device)”的引用不仅包括响应于功率管理指令来改变功耗的设备，而且包括这样的设备或子系统，它们包括分立的功率控制电子设备或者电源，分立的功率控制电子设备将电源线路与设备或子系统隔离，电源给响应于使主输出功率失效的命令或信号的子系统供电。在处理子系统10A内示出了本地功率管理单元(power magement unit，PMU)14A，从而示出了从测量单元12A到能够响应于本发明的测量对功耗进行调节的目的地的路径，并且，本地功率管理单元14A一般是处理器和程序指令，用于响应从测量单元12A或测量单元12接收的信息，进行功率管理。但是，在替换或组合中，来自测量单元12A或测量单元12的信息可以被发送到全局PMU14，全局PMU 14根据自上而下的角度，对设备的功率管理状态进行控制。一般情况下，全局PMU 14是可以在处理子系统10A内的任何处理器或者被耦合到示出的系统的另一个处理器上执行的操作系统或者BIOS程序指令。但是，在本发明的系统内，希望使用由硬件实现的全局PMU 14，例如，当硬件控制器对给子系统供电的各个电源的组合进行控制时，或者通过发出多个子系统的功率管理状态的信号进行控制时。在本例中，全局PMU 14对各个设备或电源发出信号，从而对功率管理施加影响。
一般来说，如果提供了本地控制，则将在系统中使用全局PMU 14和本地PMU 14A这两者，这是因为如果在本地层面包含所有信息和功率使用以及对功率管理状态的控制，则只支持本地限制，并且，不能以最佳方式使用总系统电源。因此，本发明不仅提供了用于功耗分析和控制的本地多时帧功率波形，而且，直接向全局PMU 14发送波形信息或波形信息的复合函数。全局PMU 14也许不提供任何直接的功率管理控制，但是能够对每个处理子系统的本地限制进行调整，从而使对来自PSU 16的可用功率的使用最优化。作为替换，或者同时，全局PMU 14或本地PMU 14A可以代表操作系统或者处理器控制功能，如调度程序(scheduler)，用于：通过为指定的处理器调度或多或少的线程来影响对功率管理的控制；调节CPU的运行频率；使处理器内的执行模块或者实现设备或处理器内的功率管理的任何其它机制失效。这样，应该将术语“调节功率管理状态”理解为包括上述技术，而不应该理解为局限于具体的功率管理指令结构。
参照图2，示出了按照本发明实施例的功率测量电路，包括按照本发明的另一个实施例的校准电路。在PMU 22，通过检测电阻器(sense resistor)Rs接收12V电源输入。检测电阻器Rs的输入侧还被连接到差动放大器A1。选择器24A在检测电阻器Rs的输出端与电流测量校准电路的输出之间进行选择，因此，当由服务处理器29提供的校准/测量信号处在校准状态时，通过测量由精确电流基准在基准电阻器(reference resistor)Rr两边产生的电压降，对电流测量电路进行校准，其中，精确电流基准是由晶体管Q1、电阻器Rv、放大器A2、稳压二极管VR1以及电阻器R1形成的。通过电阻器Rr吸引的电流形成了PMU 22所在的设备的部分功耗，并且因此应该是不使可用功率减小的小电流，并且，对电阻器Rr进行定标，使得在额定运行条件下，Rs和Rr的电压降近似相等。在电源输出端的共模电压(而不是像典型的情况那样，按照与Rs两边的电压降对应的特定基准电压)下对电流测量电路进行的校准，提供了不包含在电源输出端的共模电压的非线性误差的校准值，当放大器A1和选择器24A靠近它们自己的电源线(power supply rail)时，这种非线性误差会很大(例如，当没有更高的电压源可用于给测量电路供电时)。
通过选择器24B提供PMU 22的电压测量部分，选择器24B在当校准/测量信号处在测量状态时由电阻器R2和R3提供的电源电压的分压值与当校准/测量信号处在校准状态时在电阻器Rv两边产生的基准电压之间进行选择。电压和电流的校准或测量信号都被提供给对应的抗混叠滤波器26B和26A，抗混叠滤波器26B和26A按照大于尼奎斯特速率(f_s/2)的频率从电源中去除谐波，将电压或者电流波形选择为到模数转换器(ADC)28的输入。然后，服务处理器29采集电流和电压波形的样本，利用在周期性的校准间隔期间得到的校准值对它们进行调节，按照多个时标对电流和电压波形进行滤波。实际上，滤波的算法可以是未加权的平均算法，或者，可以使用更复杂的加权滤波器和基于反馈的数字滤波。可以将低通滤波器或者带通滤波器用于时帧滤波器，尽管最长的时帧滤波器一般具有低通特性。使用带通滤波器仅提供功耗方面的相对变化信息，而不是在对应的时帧期间的绝对功耗，这使得计算变复杂，因此一般不优先选用。
然后，将与每个时帧对应的、经过滤波的电流和电压波形相乘，从而确定设备或系统在每个时帧中的实际功耗。已经测试和示出了一组时标分别为1毫秒、60毫秒和1秒的三个滤波器，以便提供适合功耗改变的响应。但是，按照系统和电源的性能，可以使用任意数量的滤波器和波形。服务处理器29利用以上计算的功率波形判断是否对系统中的一个或多个设备的功率管理状态进行调节。设备一般处于功率测量的下游，但这对本发明没有限制，由于关于在系统的一个部分中的功耗的信息与整体的功耗有关，因此，可以将关于一个部分中的功耗的信息用于对在另一个部分中的功率管理水平进行调节。例如，在功率管理响应于对特定设备的基于需要的功耗低于其预定值的判断，使资源的在线(on-line)可用性增加的系统中，系统可以增加另一个设备中的资源可用性。
在典型实施例中，服务处理器29将每个时帧的功率波形与最大或最小阈值进行比较，并且，响应于进行的比较，或者直接进行功率管理控制，或者将功率管理信息传递到另一个单元、操作系统或BIOS，以便实现功率管理。多个时帧比较提供了能够利用短时的、比单个时帧的方案的情况下可能的功率等级更高的功率等级进行功率管理。多个时帧比较还提供了一般比任何热或常规的功率测量更高的响应性，因而可以快速检测和防止会导致故障的变化情况。
参照图3，示出了按照本发明实施例的功率测量单元。图示提供了可以在模拟、数字或者开关电容器硬件中实现，或者可以利用执行程序指令的处理器如服务处理器29实现的功能层面的描述。电流测量电路40A的输出和电压测量电路40B的输出被加到提供多个时帧波形的相应的滤波器组42A-C和42D-F。然后，多个乘法器46A-C将电流和电压波形相乘，将输出提供给比较单元44，比较单元44将时帧功率波形与最大和/或最小阈值进行比较。比较单元44将信息提供给本地PMU和/或全局PMU，因而能够响应于进行的比较，对系统和/或设备的功耗进行调节。
尽管附图提供了实施上述的功率波形计算和比较的架构的具体例子，但是，不应该将示出的架构理解为限制。例如，可以在进行了对电流测量电路40A的输出与电压测量电路40B的输出的单个乘法之后进行滤波，并且，比较单元可以提供对经过滤波产生的功率波形进行更复杂的处理，作为功耗的趋势以及最大和/或希望的最小功耗之间的函数关系。或者，滤波器组42A-C和42D-F可以是级联滤波器组，其中，将最短时帧的滤波器布置在级联中的第一位，以此类推。
参照图4，在流程图中示出了按照本发明的功率测量方法。首先，得到用于电流和电压测量的校准值(步骤40)，并且，确定用于每个时标的最大和/或最小功耗界限(步骤42)。然后，按照每个时帧对电流和电压进行测量，并且计算功率波形(步骤44)。将每个时帧的波形与最小和/或最大限制进行比较(步骤46)，然后，如果对于特定时标使用的功率超出界限(判定48)，则按照界限比较对设备的功率管理水平进行调节(步骤50)。然后，重复电流和电压测量、功率计算和比较，直到方案结束或者系统关闭(步骤52)。
尽管已经参照本发明的优选实施例对本发明进行了具体的示出和描述，但是，本领域技术人员应该理解，可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下，在形式和细节方面进行上述和其它改变。