動態保護電路的制作方法

專利名稱：動態保護電路的制作方法
技術領域：
本發明涉及計算機系統；本發明特別涉及向諸如服務器系統一類的功率敏感系統輸送功率。
背景技術：
計算機(或服務器)系統中的集成電路由提供直流電壓的多輸出電源供電。目前，大多數計算機系統為了充分工作，對電源所產生的每一個電壓具有相對較低的功率要求(例如，低于240VA的安全極限，或者說對于12V軌(rail)20A的電流)。
這樣相對較低的功率輸送對用戶是無害的，因此，過流(或超功率)保護極限可以被設置在滿足安全標準要求的這個水平之下，并防止傷害可接觸到電源電路的用戶。但是，新一代的集成電路(例如處理器)具有超過240VA的功率要求。因此，為了防止傷害到用戶，有必要阻止可由用戶接觸到的電源電路(主要是+12V軌)超過這個功率水平。
一種在高功率系統中阻止超過可由用戶接觸到的安全功率極限的方法是把12V軌劃分(分割)成兩條或更多條軌。這種保護方法對于負載也可以被分割成幾個獨立的負載通道的系統來說是可行的。在這種情況下，每一個通道將具有單獨的240VA保護電路，但是所有通道所輸送的組合功率可以超過這個水平。
每一個保護電路將功率限制在較低水平(低于240VA)上，或者一旦在任何電線上超過了240VA的極限，就幾乎立刻關閉電源。但是，將負載和輸出分割到幾條軌中，例如增加通道，這增加了電源和系統成本。此外，這僅僅是一種在提供兩個或更多集成電路的情況下的可行選擇。在單個集成電路(例如單個處理器)需要全功率輸送的情況下，需要其他的解決方案。
一種這樣的解決方案是將機械屏障引入計算機系統，以防止用戶接觸到電源電路。但是，采用機械屏障增加了計算機系統的制造成本。
另外一種解決方案是將對計算機系統的接觸限制于經過特殊培訓的人員。在大多數情況下，這樣的替換方案是不可接受的，因為計算機系統的趨勢是可以被用戶接觸。


在附圖中以示例而非限制的方式圖示說明了本發明，其中，類似的參考標記指示類似的元件，并且其中圖1是計算機系統的一個實施方案的框圖圖2是過流保護電路的一個實施方案的框圖；圖3是過流保護電路的另一個實施方案的框圖；圖4是電源的一個實施方案的框圖；圖5是示出過流保護電路處的閾值改變的一個實施方案的圖形表示；圖6是示出在工作期間，過流保護電路所實現的最大可用電流的一個實施方案的圖形表示；以及圖7是示出在工作期間，過流保護電路所實現的最大可用電流的另一個實施方案的圖形表示。
具體實施例方式
描述了一種用于高功率計算機系統電源的過流保護電路。在下面的對本發明的詳細描述中，為了提供對本發明的透徹理解，給出了許多具體的細節。但是，本領域的技術人員很清楚，無需這些具體細節也可以實現本發明。此外，為了突出本發明，公知的結構和設備被以框圖形式而不是被詳細地示出。
在說明書中提及“一個實施方案”或“實施方案”意指結合該實施方案所描述的特定特征、結構或特性被包括在本發明的至少一個實施方案中。短語“在一個實施方案中”在說明書中各處的出現不一定全都指的同一個實施方案。
圖1是計算機系統100的一個實施方案的框圖。計算機系統100包括耦合到總線105的中央處理單元(CPU)芯片組102。CPU芯片組102包括處理器1和處理器2。在一個實施方案中，每一個處理器均是可以從加州圣克拉拉的英特爾公司獲得的奔騰系列處理器中的處理器，包括奔騰II處理器系列、奔騰III處理器和奔騰IV處理器。或者，也可以使用其他的處理器。
芯片組107也被耦合到總線105。芯片組107包括存儲器控制中心(MCH)110。MCH110可以包括被耦合到主系統存儲器115的存儲器控制器112。主系統存儲器115存儲由CPU芯片組102內的處理器或包括在系統100中的任何其他設備執行的指令序列和數據。在一個實施方案中，主系統存儲器115包括動態隨機訪問存儲器(DRAM)；但是，可以使用其他的存儲器類型來實現主系統存儲器115。額外的設備也可以被耦合到總線105，例如多個CPU和/或多個系統存儲器。
MCH 110還可以包括耦合到圖形加速器130的圖形接口113。在一個實施方案中，圖形接口113被通過加速圖形端口(AGP)耦合到圖形加速器130，加速圖形端口(AGP)根據加州圣克拉拉的英特爾公司開發的AGP規范修訂本2.0工作。
此外，中心接口通過中心接口將MCH 110耦合到輸入/輸出控制中心(ICH)140。ICH140向計算機系統100內的輸入/輸出(I/O)設備提供接口。ICH 140可以被耦合到遵循俄勒岡州波特蘭的PCI特別興趣組所開發的規范修訂本2.1總線的外圍元件互連總線。因此，ICH 140包括PCI橋146，其提供到PCI總線142的接口。PCI橋146在CPU 102和外圍設備之間提供數據通路。
PCI總線142包括音頻設備150和盤驅動器155。但是，本領域的普通技術人員將理解，其他的設備也可以被耦合到PCI總線142。此外，本領域的普通技術人員將認識到，可以將CPU 102和MCH 110組合起來形成單個芯片。而且，在其他的實施方案中，圖形加速器130可以被包括在MCH 110中。
此外，計算機系統100包括為CPU芯片組102供電的電源165。根據一個實施方案，芯片組102在12V軌上需要超過240VA用于處理器1和處理器2的工作。如上所述，如此高電平的工作電壓要求做出預防措施，阻止計算機系統100的用戶接觸到具有超過240VA安全極限的功率水平的電源電路。根據一個實施方案，提供了一種過流保護(OCP)電路，用以阻止可能導致危險的短路狀況的電流沖擊。
圖2示出了功率分配電路的一個實施方案的框圖。在一個實施方案中，功率分配電路由電源165內的組件和計算機系統100的主板上的組件構成。但是，本領域普通技術人員將理解，OCP電路可以實現在其他的組件處，或者實現在計算機系統100的中央組件中。
參考圖2，示出了電源165和主板200。如上所述，電源165將超過240VA的功率輸送到主板200。主板200是物理裝置，例如計算機系統中包括計算機系統的基本電路和組件的印刷電路板(PCB)。主板200包括調壓器模塊(VRM)210、傳感電路220和包括處理器1和處理器2的CPU芯片組102。
VRM 210被耦合到電源165。VRM 210給CPU芯片組102處的處理器供電。具體來說，VRM 210從電源165接收12V直流電壓，并將所接收到的電壓轉換為用于處理器工作的低電壓(例如1.5V)。傳感電路220被耦合到VRM 210、CPU芯片組102和主板200。
傳感電路220測量處理器芯片組102或VRM 210所消耗的電流。測得的電流作為負載狀態電壓信號被發送到主板200，用于監控負載消耗電流。根據一個實施方案，用低阻抗電阻器來實現傳感電路220。但是，本領域普通技術人員將理解，可以用其他組件來實現傳感電路220。
圖3示出了功率分配電路的另一個實施方案的框圖。在這個實施方案中，傳感電路220被集成在VRM210中。圖4示出了電源165的一個實施方案。電源165包括AC/DC轉換器410、電流傳感器415、OCP比較器420和參考控制比較器(RCC)430。
AC/DC轉換器410將接收到的AC電壓源轉換為12V直流電壓信號。在一個實施方案中，AC/DC轉換器410將120V交流信號轉換為輸出電壓信號。電流傳感器415感知電源165供給例如VRM 210的負載的電流。OCP比較器420被耦合到電流傳感器415和主板200上的VRM 210。
OCP比較器420將從電流傳感器415接收到的輸入電壓(與負載電流成比例)與參考電壓進行比較。一旦輸入電壓超過參考電壓，則比較器420切斷并關閉AC/DC轉換器410(和電源165)。這為AC/DC轉換器410提供了過流保護，并為用戶提供了安全保護。
根據一個實施方案，OCP比較器420被實現為OCP組件。但是，本領域普通技術人員將理解，將轉換器關斷或將負載電流限制在某個水平上的其他組件也可以被用來實現OCP功能。
RCC 430被耦合到OCP 420和主板200上的傳感電路220。RCC 430從傳感電路220接收負載狀態電壓信號，將接收到的信號與參考電壓Vref比較，并控制OCP比較器420的參考電壓。在一個實施方案中，參考電壓Vref確定RCC 430將其輸出打開還是關閉。因此，當VRM 210消耗的功率較低時(例如，在睡眠模式中)，負載電流較低，并且與負載電流(VRM輸入)成比例的負載狀態信號電壓保持低于RCC參考電壓Vref。因此，RCC 430輸出不改變狀態，所以OCP比較器420的閾值(參考)電壓仍舊較低。
一旦負載電流超過預定極限Ithreshold，則在RCC 430處接收到的負載狀態信號就會超過參考電壓Vref。結果，RCC 430切斷并提升OCP比較器420的參考電壓，例如，將過流保護極限(切斷點)切換到更高水平。更高的過流保護極限使得CPU芯片組102內的處理器能夠比當RCC 430被關閉時它已經被設置的消耗更多的功率。
一旦負載電流降到預定電流極限Ithreshold以下，RCC 430再次切斷，并降低OCP比較器420的參考電壓。因此，過流保護極限被設置回較低的極限，防止負載消耗超過240瓦(240VA)的功率。
圖5示出了上述閾值轉換。在過流保護電路中，過流保護閾值取決于負載電流(例如負載(在這種情況下是VRM 210和CPU芯片組102)所消耗的功率)。一旦負載電流降到預定閾限Ithreshold(例如6A)以下，則RCC 430產生參考電壓控制信號，參考電壓控制信號改變OCP 420的閾值(例如，從25A到18A)。一旦負載電流超過RCC閾值，則OCP比較器420的閾值就返回到其初始水平(25A)。
如上所示，OCP電路通過檢測例如VRM 210和CPU芯片組102的集成電路的負載狀態，防止在電源165的輸出(或者電壓線(見圖2和圖3))之間的短路狀況或者過載所引起的過流狀況。
如果輸出被橋接，而CPU芯片組102正通過相對較高的電流極限拉動大的負載，則橋電路可用的電流將不超過安全極限，因為電源所能輸送的電流的很大部分將被負載(VRM 210)消耗。根據基爾霍夫第一定律，進入節點的電流之和等于離開該節點的電流之和。
因此，流經240VA短路消弧電路(short circuit crowbar)(它可以被放置在電壓線和任何接地點之間)的最大電流將等于OCP閾值和負載電流之間的變化。因此，如果RCC 430的閾值被設置得使得過流保護和RCC430的閾值之間的變化小于20A(例如，IOCP-Ithreshold＜20A；或者IOCP＜Ithreshold+20A)，則240VA短路器(crowbar)可用的電流將不超過20A(或240VA功率極限)。
作為一個例子，如果Ithreshold被設置得接近20A，則與所允許的240W水平相比，VRM210可用的功率將幾乎翻倍。因此，通過增加階數(或RCC閾值的數量)，處理器可用的電流可以被進一步增加。在一個實施方案中，借助于微控制器，也可以實現多閾值功能。
圖6是示出由過流保護電路所實現的最大可用電流的一個實施例的圖形表示。圖6示出12V(240VA)短路器可用的最大電流I240max等于19A，它不超過安全標準所要求的20A的水平，而處理器可用的電流等于25A(功率＝12*25＝300W)。注意，使用基爾霍夫第一定律I240max＝max(IOCP-Iload)。OCP水平IOCP＝25A(例如，處理器可用300W)；負載狀態閾值水平Ithreshold＝6A。因此，最壞情況240VA短路器電流(Iload＝Ithreshold)I240max＝(IOCP-Iload)＝19A＜20A(240VA)。
圖7是示出由過流保護電路所實現的最大可用電流的另外一個實施例的圖形表示。圖7示出，通過把閾值水平提升到更接近240VA水平(例如從6A到15A)，12V短路器可用的最大電流不超過安全標準所要求的20A(例如18A)水平，而處理器可用的電流達到了33A(功率＝12*33＝396W)。在這個例子中，OCP水平IOCP＝33A(處理器可用396W)；負載狀態閾值水平Ithreshold＝15A。因此，最壞情況240VA短路器電流I240max＝(IOCP-Ithreshold)＝18A＜20A(240VA)。
過流保護電路將處理器VRM可用的功率提高到240W以上，同時滿足240VA安全要求，從而解決了將處理器所消耗的功率提高到240W以上和為主板區域和系統組件提供安全的用戶接觸的相互矛盾的要求。
雖然毫無疑問，在閱讀過前面的描述之后，很多改變和修改對本領域普通技術人員將變得清晰，但是需要理解，通過說明所示出和描述的任何特定實施方案決不應該被視作限制性的。因此，對各個實施方案的細節的引用并非打算限制權利要求的范圍，權利要求自身僅僅陳述了本發明的必要特征。
權利要求
1.一種計算機系統，包括集成電路(IC)；給所述IC供電的電源；以及過流保護(OCP)電路，用于防止所述電源的輸出發生短路的狀況下超過預定功率極限。
2.如權利要求1所述的計算機系統，其中，所述OCP電路包括耦合到所述IC的傳感電路，用于檢測由所述IC提取的電流的大小；參考控制比較器(RCC)，耦合來從所述傳感電路接收負載狀態電壓，并將所述負載狀態電壓與參考電壓進行比較；以及耦合到所述RCC的OCP比較器，用于根據從所述RCC接收參考信號，調整所述電源的電流產生。
3.如權利要求2所述的計算機系統，其中，如果所述狀態電壓低于所述參考電壓，則所述RCC向所述OCP比較器發送所述參考信號。
4.如權利要求3所述的計算機系統，其中，如果所述狀態電壓低于所述參考電壓，則所述電源電流產生被設置為第一電流閾值。
5.如權利要求4所述的計算機系統，其中，如果所述狀態電壓高于所述參考電壓，則所述RCC不向所述OCP比較器發送所述參考信號。
6.如權利要求3所述的計算機系統，其中，如果所述狀態電壓高于所述參考電壓，則所述電源電流產生被設置為第二電流閾值。
7.如權利要求6所述的計算機系統，其中，所述第二電流閾值高于所述第一電流閾值。
8.如權利要求2所述的計算機系統，還包括耦合到所述OCP比較器和所述傳感電路的調壓器模塊。
9.如權利要求2所述的計算機系統，其中，所述傳感電路被包括在調壓器模塊內。
10.如權利要求2所述的計算機系統，其中，所述RCC和所述CCP比較器被包括在所述電源內。
11.如權利要求1所述的計算機系統，其中，所述IC是中央處理單元(CPU)芯片組。
12.如權利要求11所述的計算機系統，其中，所述CPU芯片組包括第一CPU；以及第二CPU。
13.如權利要求2所述的計算機系統，其中，所述傳感電路是電阻器。
14.一種方法，包括在印刷電路板上的傳感電路處檢測負載電流；將和所述負載電流相對應的負載電壓與參考電壓進行比較；以及如果所述負載電壓低于所述參考電壓，則將電源所產生的電流設置在第一閾值。
15.如權利要求14所述的方法，還包括如果所述負載電壓高于所述參考電壓，則將所述電源產生的電流設置在第二閾值。
16.如權利要求15所述的方法，其中，所述第二電流閾值高于所述第一電流閾值。
17.一種功率分配電路，包括電源；傳感電路，用于檢測集成電路負載所提取的電流的大小；參考控制比較器(RCC)，耦合來從所述傳感電路接收負載狀態電壓，并將所述負載狀態電壓與參考電壓進行比較；以及耦合到所述RCC和所述電源的OCP比較器，用于根據從所述RCC接收參考信號，調整所述電源的電流產生，以便防止所述電源的輸出發生短路的狀況下超過預定功率極限。
18.如權利要求17所述的功率分配電路，還包括耦合到所述OCP比較器的電流傳感器。
19.如權利要求17所述的功率分配電路，其中，如果所述狀態電壓低于所述參考電壓，則所述RCC向所述OCP比較器發送所述參考信號。
20.如權利要求19所述的功率分配電路，其中，如果所述狀態電壓低于所述參考電壓，則所述電源電流產生被設置為第一電流閾值。
21.如權利要求20所述的功率分配電路，其中，如果所述狀態電壓高于所述參考電壓，則所述RCC不向所述OCP比較器發送所述參考信號。
22.如權利要求19所述的功率分配電路，其中，如果所述狀態電壓高于所述參考電壓，則所述電源電流產生被設置為第二電流閾值。
23.如權利要求22所述的功率分配電路，其中，所述第二電流閾值高于所述第一電流閾值。
24.如權利要求17所述的功率分配電路，還包括耦合到所述OCP比較器和所述傳感電路的調壓器模塊。
全文摘要
根據一個實施方案，公開了一種計算機系統。該計算機系統包括集成電路(IC)、給IC供電的電源和過流保護(OCP)電路。OCP電路防止在短路狀況期間超過預定的功率閾值，同時使得IC能夠接收更高的功率水平。
文檔編號G06F1/26GK1764886SQ200480008288
公開日2006年4月26日 申請日期2004年2月11日 優先權日2003年3月24日
發明者維克托·沃格曼 申請人:英特爾公司