為DDR-SDRAM度身定造高效功率管理芯片

引言
ddr-sdram，即雙數(shù)據(jù)速率同步dram，簡(jiǎn)稱ddr。ddr因其更為卓越的性能 (起初的數(shù)據(jù)速率為266mbps，后來(lái)提升至400mbps，而一般sdram只有133mbps)、更低的功耗以及更具競(jìng)爭(zhēng)力的價(jià)格，已經(jīng)在桌面和便攜式應(yīng)用中頗為流行。最近推出的第二代ddr或稱ddr2 (jesd79-2a)，數(shù)據(jù)速率從400mbps提升到了667mbps。因此與之前的sdram技術(shù)相比，ddr存儲(chǔ)器需要更加復(fù)雜和新穎的功率管理結(jié)構(gòu)。

ddr功率管理結(jié)構(gòu)

圖1所示為第一代ddr存儲(chǔ)器的基本功率管理結(jié)構(gòu)。在ddr存儲(chǔ)器中，輸出緩沖器是推挽式結(jié)構(gòu)，而輸入接收器處于差分結(jié)構(gòu)。這就需要參考偏置中點(diǎn)電壓vref以及能夠供應(yīng)和吸收電流的電壓終端匹配。后一個(gè)特點(diǎn) (供應(yīng)和吸收電流) 是ddr vtt終端匹配與pc主板上其他終端匹配的不同之處。值得注意的是，前端系統(tǒng)總線 (fsb) 的終端匹配將cpu連接至存儲(chǔ)器信道中心 (mch)，由于只是正極信號(hào)的終端匹配，該終端只需要電流吸收功能。因此，這種終端匹配不適用于ddr vtt終結(jié)結(jié)構(gòu)，需要新型的功率管理設(shè)計(jì)。

第一代ddr存儲(chǔ)器的邏輯門供電電壓是2.5v。在芯片組的輸出緩沖器和存儲(chǔ)器模塊上相應(yīng)的輸入接收器之間，通常有一條走線或小分支，需要利用圖1所示的電阻rt和rs進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕K端匹配。將包括輸出緩沖器在內(nèi)的所有阻抗都計(jì)算在內(nèi)的話，每個(gè)終結(jié)的走線可以吸收或供應(yīng)電流 16.2ma。如果系統(tǒng)接收器和發(fā)射器之間的走線比較長(zhǎng)，可能兩端都需要終端匹配，這樣便需要雙倍的電流。

ddr邏輯所需的2.5v vddq有 200mv的容差。為了維持噪聲性能，ddr終結(jié)電壓vtt必須能夠跟蹤vddq。vtt必須等于vddq / 2或約為1.25v，精度要求為 3%。最后，參考電壓vref必須在vtt 和 vtt+40mv的范圍。電壓能夠跟蹤，加上vtt必須同時(shí)具有電流供應(yīng)和吸收能力，對(duì)ddr存儲(chǔ)器功率管理來(lái)說(shuō)是個(gè)獨(dú)特的挑戰(zhàn)。

-vtt 終端匹配

假設(shè)128mb存儲(chǔ)器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如下：

128位寬總線；

8個(gè)數(shù)據(jù)閘門；

8個(gè)掩碼位；

8個(gè)vcc位；

40個(gè)地址線 (2組20個(gè)地址線)。

共192線， 每條線路消耗的電流為16.2ma，最大電流消耗為：
192 16.2ma = 3.11a（峰值）-vddq供

vtt吸收電流時(shí)，vddq提供電流。vddq電流是單極的，最大值等于vtt的最大電流，即3.11a。

平均功耗

一個(gè)128mb存儲(chǔ)器系統(tǒng)一般由8x128mb器件組成，其平均功耗為990mw，不包括vtt終結(jié)功率。來(lái)自vddq的平均電流iddq為：

128mb ddr存儲(chǔ)器功率管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要靜態(tài)參數(shù)總結(jié)如下：

vddq = 2.5v, iddq =0.396a 平均值, 3.11a 峰值 (供應(yīng))

vtt = vddq /2=1.25v, itt = 0.528a 平均值, 3.11a 峰值 (供應(yīng)和吸收)

vref = vddq /2=1.25v, iref = 5ma。

當(dāng)然，如果利用vddq為終端匹配之外的其他負(fù)載供電，其容量必須相應(yīng)提高。

瞬態(tài)工作模式

ddr存儲(chǔ)器的指導(dǎo)文檔jedec jesd79和jesd 8-9規(guī)定vtt電壓必須等于vddq電壓的一半，容差為 3%。該容差應(yīng)包括由線轉(zhuǎn)換所引起的總線負(fù)載瞬態(tài)值。然而，這沒(méi)有提及兩個(gè)評(píng)估供電電壓vtt的電容要求所需的規(guī)格：jedec規(guī)范沒(méi)有說(shuō)明vtt跟隨vddq需要多大的帶寬，也沒(méi)有規(guī)定vtt的最大負(fù)載瞬態(tài)值。

實(shí)際上，該規(guī)范的目的是實(shí)現(xiàn)最大的抗噪性能。因此，盡管沒(méi)有硬性規(guī)定vtt在任何時(shí)候都必須等于vddq的一半，但是所用的帶寬越大，系統(tǒng)就越穩(wěn)定。出于這個(gè)原因，有必要采用寬帶開關(guān)轉(zhuǎn)換器來(lái)生成vtt。

對(duì)于vtt負(fù)載瞬態(tài)值，電流可以從 +3.11a下降到 -3.11a，從供應(yīng)電流轉(zhuǎn)向吸收電流。這種以40mv為門限的6.22a電流下降需要esr僅7m 的輸出電容。然而，有兩個(gè)設(shè)計(jì)考慮緩和了這一要求。第一是實(shí)際ddr存儲(chǔ)器所吸收的電流并沒(méi)有到達(dá)3.11a，測(cè)量結(jié)果表明典型電流在0.5～1a的范圍內(nèi)。第二，吸收和供應(yīng)電流之間的轉(zhuǎn)換很快，甚至連轉(zhuǎn)換器都覺察不到。從正向最大電流轉(zhuǎn)向反向最大電流要求總線所有的1狀態(tài)轉(zhuǎn)換到0狀態(tài)，然后保持在那一狀態(tài)，時(shí)間至少等于轉(zhuǎn)換器帶寬的反相時(shí)間。由于這個(gè)時(shí)間在10微秒數(shù)量級(jí)，加上總線運(yùn)行速率為100mhz，因此要在全部0狀態(tài)保持1000個(gè)周期！事實(shí)上，vtt的輸出電容只需要達(dá)到40m 。

待機(jī)工作模式

ddr存儲(chǔ)器可支持待機(jī)工作模式。在這種模式下，存儲(chǔ)器仍保留其內(nèi)容，但不能被主動(dòng)尋址。例如，在筆記本電腦待機(jī)時(shí)，存儲(chǔ)器芯片不與外界通信，因此可關(guān)閉vtt總線電源以節(jié)省電能。當(dāng)然，vddq必須保持上電狀態(tài)以便存儲(chǔ)器保存其內(nèi)容。

線性方式與開關(guān)方式

前面已提及，ddr系統(tǒng)的平均功耗為：

p_{ddq}=990mw

p_{tt}=660mw

總量為：

p_{totddr}=990mw + 660mw = 1650mw

而同類sram系統(tǒng)的消耗為2040mw。

如果采用線性調(diào)壓器來(lái)終結(jié)vtt，那么ptt功率效率為50％，這是根據(jù)vout/vin = vtt /vddq = 0.5來(lái)確定的。這意味著vtt調(diào)壓器要消耗額外的660mw功率，使得總平均功耗上升至1650mw + 660mw = 2310mw。這一數(shù)字比sdram的功耗還高，因而也就抹殺了ddr存儲(chǔ)器低功耗的優(yōu)點(diǎn)。
就pddq而言，大部分功耗優(yōu)勢(shì)來(lái)自2.5v的vddq，傳統(tǒng)sdram的電壓為3.3v。然而，一般的pc機(jī)箱所提供的電壓為3.3v，而2.5v電壓需要通過(guò)主板提供。除非有一個(gè)有效的調(diào)壓方案來(lái)生成vddq，否則將再一次失去功耗優(yōu)勢(shì)。因此，應(yīng)采用開關(guān)調(diào)壓方式來(lái)處理ddr存儲(chǔ)器的pddq和ptt功率。

第二代ddr (ddr2)

對(duì)于ddr2，vddq從2.5v下降到1.8v，而vtt從1.25v下降到0.9v，其吸收/供應(yīng)電流能力為 13.4ma。因此，ddr2的功耗要比第一代ddr小得多，例如，ddr2-533的功耗只是ddr-400的一半。前面提及的所有ddr靜態(tài)和動(dòng)態(tài)情況都適用于ddr2。ddr2的終結(jié)方案與圖1中的ddr方案稍有不同，因其終結(jié)電阻在芯片內(nèi)，而不是在主板上。盡管如此，ddr2仍然需要一個(gè)外部vtt終結(jié)電壓。鑒于ddr2的功耗較低，因此可以使用vtt線性調(diào)壓器，特別是在簡(jiǎn)單性和成本考慮比功耗更重要的情況下。

專為ddr和ddr2存儲(chǔ)器而設(shè)的fan5236

目前市場(chǎng)可供選擇的ddr功率ic很多。例如，飛兆半導(dǎo)體的fan5236就是專為ddr存儲(chǔ)器系統(tǒng)設(shè)計(jì)的完整功率芯片。它在單個(gè)芯片內(nèi)集成了vddq開關(guān)控制器、vtt開關(guān)控制器及vref線性緩沖器。vddq開關(guān)控制器可工作于5~24v范圍內(nèi)的任何電壓。而vtt開關(guān)則不同，其輸入是vddq，而且與vddq同步切換。這兩種開關(guān)的電壓輸出范圍都介于0.9～5.5v。由于總線由vddq的2.5v (ddr) 或1.8v (ddr2) 驅(qū)動(dòng)，并為vtt 的1.25v (ddr) 或0.9v (ddr2) 所終結(jié)，功率在某種程度上在vtt 和vddq之間流通。從vddq獲取vtt 可以減少總流通功率，因而減少流通功耗。vtt開關(guān)也可以被關(guān)閉進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。圖2為fan5236的一個(gè)典型應(yīng)用，表1則列出一個(gè)4a連續(xù)、6a峰值vddq應(yīng)用的相關(guān)材料清單 (bom)。該電路很容易針對(duì)ddr2應(yīng)用，將vddq調(diào)整為1.8v (通過(guò)分壓電阻r5/r6)，將vtt調(diào)整為0.9v。

正如多年來(lái)的一貫趨勢(shì)，用戶需要更大的存儲(chǔ)容量來(lái)運(yùn)行更大的軟件。如某些服務(wù)器板等系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)已帶有大容量ddr，有些容量甚至達(dá)到16gb。要給這種系統(tǒng)供電，僅降低ddr的功耗是不夠的，因此需要轉(zhuǎn)向新的ddr2存儲(chǔ)器技術(shù)。雖然ddr2的發(fā)展還處于起步階段，但業(yè)界已經(jīng)開始討論下一代pc存儲(chǔ)技術(shù)ddr3了，不過(guò)預(yù)計(jì)ddr3在2007年或之后才可進(jìn)入市場(chǎng)。