SoC電源管理中調(diào)節(jié)器面臨的命運

越來越復雜的SoC在一個管芯中集成很多系統(tǒng)組件 ，這在總體上簡化了系統(tǒng)設(shè)計人員的工作。但是這些芯片也導致電源供電子系統(tǒng)越來越復雜。以前從供電連接器到IC連接Vcc的布線是非常簡單的任務(wù)，而現(xiàn)在卻成為與系統(tǒng)中其他部分一樣復雜的有源網(wǎng)絡(luò)設(shè)計。

SoC的供電要求越來越高，使得這種設(shè)計也越來越復雜。好在設(shè)計人員可以選擇在電路板級來處理這些任務(wù)，SoC開發(fā)人員希望將電源網(wǎng)絡(luò)組件置入到芯片中以期有所幫助。但是最終，電源設(shè)計人員仍然要做出一些很難的決定。在決定之前，他們要進行一些模擬電路仿真工作。

不斷增長的需求

集成是有成本的。 SoC設(shè)計人員在其圖紙上畫出各種電路，這類電路都有自己的電壓、噪聲、排序和瞬變響應(yīng)要求。移植到尺寸更小的電路上不但能夠?qū)崿F(xiàn)集成，而且還降低了供電電壓。這一發(fā)展趨勢也同時增大了峰值工作電流、縮小了噪聲余量，使得動態(tài)電源管理越來越復雜。

復雜度的提高最明顯的結(jié)果就是SoC使用的外部電源數(shù)量迅速增加 ( 圖1 ) 。例如，一片高端FPGA會有15條外部驅(qū)動的電源軌。它們都連到哪里?

圖1. 一片現(xiàn)代SoC需要很多不同的供電線路，每條線路都有自己的穩(wěn)壓和調(diào)理要求。

答案之一是不同的電壓需求。在FinFET工藝出現(xiàn)之前 ， 內(nèi)核邏輯供電電壓一直在大幅度降低 ， 但在1V附近卻停滯不前。而其他類電路在這方面遠遠落在了后面。按照工業(yè)標準， I/O單元只能使用特定的供電電壓。SRAM單元需要的電壓要比邏輯級稍高一些，以保證可靠的全速工作，待機時的電壓要低很多。高精度模擬電路希望有較高的電壓以降低抖動，提高噪聲余量。這些各種各樣的需求導致供電線路數(shù)量的急劇增長。

但是 ， 電壓數(shù)量還不是唯一的問題。某些SoC電路——特別是低噪聲放大器、鎖相環(huán)(PLL) ，以及物理接口等都有非常嚴格的供電噪聲限值。即使電壓相同，這些需求也導致電路無法共享同一條噪聲源供電線路，例如，數(shù)字邏輯或者大電流I/O單元等。因此，需要增加低噪聲電源。

非常有意思的是，增加供電線路的另一需求是來自電源管理。數(shù)字設(shè)計人員越來越多的采用了動態(tài)低功耗技術(shù)——例如，精細粒度時鐘選通、隨時供電選通和電壓調(diào)整等，使用這類技術(shù)的電路對其供電線路瞬變響應(yīng)的要求特別高。負載在微秒甚至更小的量級上變化。為能夠響應(yīng)來自SoC的命令，電壓應(yīng)不斷變化。這些負載實際上可以采用不同的恒定電壓源或者噪聲敏感電壓源。

排序也需要單獨的供電線路(圖2) 。在很多SoC中，對上電順序有要求——在某些情況下，對關(guān)電順序也有要求。這種時序要求使得電路提供不同的供電線路，不然可以共享一個電源。

圖2. 正如這一FPGA所示，復雜的SoC上眾多的電源線，通常都有嚴格的上電排序要求。

找到策略

系統(tǒng)設(shè)計人員會面對SoC上大量不同的電源線 ， 遇到棘手的問題。據(jù)Altera公司電源業(yè)務(wù)部研究員兼首席技術(shù)官Ashraf Lotfi，解決方法一般是采用某種分布式電源網(wǎng)絡(luò)。

“一般而言，您會看到在電路板上有體積較大的調(diào)節(jié)器，對系統(tǒng)的12 V或者24 V進行降壓，將其分配給每一個負載點調(diào)節(jié)器。為滿足各種需求，您通常都會針對每一電源線提供負載點供電。 ”

由于電源線數(shù)量的快速增長，每一新設(shè)計都要求進行分析， 以減少調(diào)節(jié)器的數(shù)量。一塊電路板上15條電源線還不夠理想。因此，設(shè)計人員需要解決一些關(guān)鍵問題。在這種特殊的實現(xiàn)中，這些電源線的電壓、噪聲和排序要求能夠支持它們共享一個調(diào)節(jié)器嗎? 如果不能，是否可以采用一條電源線，以稍微不同的電壓運行，從而共享調(diào)節(jié)器——即使是以稍高的功率代價或者稍微降低一些性能?外部排序轉(zhuǎn)換器能有所幫助嗎?

Lotfi說 ， 減少了調(diào)節(jié)器數(shù)量后 ， 設(shè)計人員可以把注意力轉(zhuǎn)向優(yōu)化調(diào)節(jié)器效率和布局。只要噪聲和瞬變響應(yīng)要求允許，那么，最好的起點是使用高效開關(guān)調(diào)節(jié)器，而不是線性調(diào)節(jié)器。Lotfi認為，最近的高頻開關(guān)模塊極大的擴展了范圍，使得這類替換成為可能。

設(shè)計人員還可以針對每一調(diào)節(jié)器的要求盡量減小電路板面積。模塊化結(jié)構(gòu)可以在一個混合封裝中實現(xiàn)控制器、電壓參考、驅(qū)動、電源FET ，以及電感。在某些設(shè)計中，反饋補償也含在封裝中。原理上，這種集成使得設(shè)計人員不能自由的優(yōu)化調(diào)節(jié)器的傳送功能，以滿足某種電源的特殊需求。而在實際中， Lotfi主張，需要電源設(shè)計人員提供反饋無源功能，占用較多的設(shè)計時間，增加電路板面積，從而提高靈活性，這樣做是值得的。供應(yīng)商可以為調(diào)節(jié)器內(nèi)部組件預設(shè)最優(yōu)傳送函數(shù)，滿足一般要求。Lotfi宣稱，而且，把關(guān)鍵組件放到模塊中，調(diào)節(jié)器供應(yīng)商可以提高開關(guān)頻率，提高總效率，有效的降低開關(guān)噪聲，使得模塊能夠均衡線性調(diào)節(jié)器的噪聲指標。電網(wǎng)驗證

無論選擇分立調(diào)節(jié)器還是小型化模塊、線性或者開關(guān)調(diào)節(jié)器 ， 系統(tǒng)設(shè)計團隊都面臨對選擇進行驗證的問題 ， 包括 ， 調(diào)節(jié)器、外部組件的選擇 ， 以及布板是否能夠滿足SoC 的供電要求等。問題已經(jīng)發(fā)展到包括更多的動態(tài)行為，還包括抗噪問題，這類驗證不再偏重于根據(jù)數(shù)據(jù)資料進行計算，而是進行仿真。 Lotfi說，經(jīng)驗豐富的設(shè)計團隊會針對整個電網(wǎng)進行行為仿真。這不但要有運行仿真的技巧，而且還要使用電路板上實際組件的精確模型 —— 小規(guī)模設(shè)計團隊可能得不到這些數(shù)據(jù)。更簡單的替代方案是，使用來自SoC供應(yīng)商的詳細參考設(shè)計。