具有多域自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)功能的下一代SoC電源管理

作者：Juha Pennanen，美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司 

　　轉(zhuǎn)換效率和調(diào)節(jié)質(zhì)量這兩方面的要求推動(dòng)著電源管理從最初的LDO發(fā)展到今天效率超過(guò)90%的高精度、多模式DC/DC轉(zhuǎn)換器。由于穩(wěn)壓器的效率已經(jīng)達(dá)到了極限，現(xiàn)在的研究已經(jīng)轉(zhuǎn)向如何優(yōu)化系統(tǒng)的效率，以滿足電池供電和能量限制的便攜設(shè)備的要求。在這種設(shè)備中，總能量的30% ~ 50%會(huì)被數(shù)字處理器消耗。最近的工業(yè)經(jīng)驗(yàn)顯示，簡(jiǎn)單地使用最新的半導(dǎo)體工藝并不能保證低功耗性能，除非從一開(kāi)始就考慮電源管理的問(wèn)題。動(dòng)態(tài)電壓和頻率調(diào)節(jié)(DVFS)技術(shù)與數(shù)字SoC有源和無(wú)源漏電管理技術(shù)，特別是與精心設(shè)計(jì)的電源管理架構(gòu)一起使用時(shí)，這些技術(shù)能顯著降低SoC的功耗。本文將分析如何使用先進(jìn)電源控制程序(APC)在SoC上實(shí)現(xiàn)DVFS。

　　APC的功能

　　APC能提供兩個(gè)軟IP版本：APC1和APC2。APC1用于只有一個(gè)可控電壓區(qū)域的簡(jiǎn)單SoC。APC1支持與PowerWise接口(PWI)1.0兼容的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)接口，用來(lái)連接外部的PMIC。APC2支持多個(gè)并行的電壓和時(shí)鐘區(qū)域，可對(duì)更復(fù)雜的SoC進(jìn)行功耗管理。此外，APC2能在一個(gè)共享的電壓范圍內(nèi)控制多個(gè)獨(dú)立時(shí)鐘。甚至在出于系統(tǒng)規(guī)模和成本的考慮，僅使用少量外部整 
流器的情況下，APC2也能實(shí)現(xiàn)低功耗運(yùn)行。PWI 2.0總線接口允許APC2與多個(gè)周邊甚至另一個(gè)SoC相連。

　　帶有APC的系統(tǒng)架構(gòu)

　　圖1示出了一個(gè)使用APC2的雙電壓域SoC和系統(tǒng)架構(gòu)。SoC中包括兩個(gè)分別被稱(chēng)為“硬件加速器”和“CPU”的電壓控制域中的邏輯模塊。從DVFS來(lái)看，任何數(shù)字功能都可以在這些域中實(shí)現(xiàn)。每個(gè)電壓域都有一個(gè)用于AVS控制的硬件性能監(jiān)控器(HPM)。如果電壓域的面積過(guò)大，或在其中需要進(jìn)行大量瞬態(tài)的邏輯跳變，可以使用多個(gè)HPM和多個(gè)時(shí)鐘域。

　　APC2模塊中示出了APC的4個(gè)主要功能模塊：1. 控制邏輯模塊提供主機(jī)接口，CMU接口和中斷管理服務(wù)；2. 環(huán)路控制器在AVS模式下管理電壓調(diào)節(jié)，當(dāng)實(shí)現(xiàn)多個(gè)電壓域時(shí)，APC2可有多個(gè)環(huán)路控制器；3. 為DVS支持提供每個(gè)電壓域的頻率/電壓表；4. PWI2.0主接口將SoC與PMIC和其它外設(shè)相連。

 
　　帶APC的DVFS操作

　　APC能在DVS和AVS兩種模式下實(shí)現(xiàn)DVFS操作。在DVS模式中，APC根據(jù)來(lái)自CMU的頻率請(qǐng)求，從內(nèi)部的DVS表中取出相應(yīng)的電壓值，并傳送給PMIC。使用一個(gè)定時(shí)器來(lái)延遲CMU對(duì)于頻率的確認(rèn)，直到電壓穩(wěn)定為止。圖1中的藍(lán)線示出了AVS工作模式。當(dāng)CMU為一個(gè)DVFS域請(qǐng)求一個(gè)新的頻率，并為該域設(shè)定一個(gè)新的HPM時(shí)鐘時(shí)，AVS的頻率就開(kāi)始變化。隨后APC環(huán)路控制器使用HPM數(shù)據(jù)來(lái)確定所需的頻率調(diào)節(jié)。它反復(fù)調(diào)節(jié)電源電壓，直到能滿足新頻率的要求。這一過(guò)程聽(tīng)起來(lái)雖然比較復(fù)雜，但是能夠帶來(lái)補(bǔ)償工藝和溫度波動(dòng)、時(shí)鐘頻率變化、靜態(tài)IR下降和PMIC整流器偏移等優(yōu)點(diǎn)。與電壓固定的系統(tǒng)相比，使用APC2在AVS模式下實(shí)現(xiàn)DVFS最多能降低70%的功耗。