功率管理從數(shù)字SoC設(shè)計(jì)開始

Power Management Starts with Digital SoC Design

說起集成電路時(shí)，我們經(jīng)常談到“混合信號(hào)”。混合信號(hào)已經(jīng)是單片集成電路（IC）上最普通的數(shù)字與模擬應(yīng)用。簡而言之，混合信號(hào)通常是具有一定數(shù)字特色的模擬IC。也許這是模擬人士的觀點(diǎn)——它也可以是具有一定模擬特色的數(shù)字芯片。在某些情況下，兩種技術(shù)的確能相互配合達(dá)到提高系統(tǒng)性能的效果，但很少能達(dá)到最佳效果。然而，數(shù)字和模擬的結(jié)合為解決系統(tǒng)設(shè)計(jì)師所面臨的最大挑戰(zhàn)之一—功耗—鋪平了道路。
在當(dāng)今世界，能源保護(hù)是我們所有人必須了解和考慮的一大挑戰(zhàn)。我們歡迎“能源之星”這個(gè)旨在改善電子產(chǎn)品功耗的計(jì)劃，并感謝延長的的電池壽命為便攜式器件所帶來的好處，我們意識(shí)到數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)設(shè)施和吉字節(jié)硬盤的功耗正在蠶食企業(yè)的利潤。
然而，當(dāng)我們了解了保護(hù)能源有多么重要時(shí)，為什么我們還看到設(shè)計(jì)工程師往往選擇更便宜的電源設(shè)計(jì)而不是更有效的方案呢？答案就是當(dāng)今電子設(shè)計(jì)更趨復(fù)雜，需要更多的電壓，電源設(shè)備成本的上升，幾乎迫使工程師對價(jià)格的考慮超過對性能的要求。
設(shè)計(jì)工程師考慮到總功耗成本十分重要。例如，利用高效率轉(zhuǎn)換，是否可以縮小上游電源的規(guī)格和降低成本？較低功耗是否能夠成為產(chǎn)品的一大賣點(diǎn)并因此獲得益價(jià)？ 
對于大多數(shù)降壓轉(zhuǎn)換應(yīng)用而言，如果設(shè)計(jì)師要求的輸出電壓小于輸入電源電壓的70%，并且被驅(qū)動(dòng)器件的功耗超過總“平均”功耗的10%，那么設(shè)計(jì)師必須采用節(jié)能直流-直流開關(guān)式穩(wěn)壓器。如果輸入電壓-輸出電壓比大于70%，除非耗散功率超過封裝的容量，否則使用直流-直流穩(wěn)壓器代替線性穩(wěn)壓器所獲得的利益與額外的成本相比，沒有什么價(jià)值。
現(xiàn)在, 半導(dǎo)體公司認(rèn)識(shí)到從設(shè)計(jì)數(shù)字IC開始就需要優(yōu)化功率管理。而在不久之前，功率管理等于散布在電路板周圍、塞入某個(gè)遙遠(yuǎn)角落或者最好情況下集成到混合信號(hào)芯片上的穩(wěn)壓器。

圖1  當(dāng)添加功能到電子器件時(shí)散布穩(wěn)壓器導(dǎo)致?lián)頂D的結(jié)果
最近，系統(tǒng)設(shè)計(jì)師認(rèn)識(shí)到，不管穩(wěn)壓器的效率有多高，真正的節(jié)省機(jī)會(huì)是降低系統(tǒng)的絕對功耗。數(shù)字處理器制造商在提高處理能力的同時(shí)，已經(jīng)面臨降低功耗方面的巨大挑戰(zhàn)，它們采用了非傳統(tǒng)方法來實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，例如在集成電路架構(gòu)的前端部署功率管理專門技術(shù)。 
動(dòng)態(tài)電壓管理是最好的例子。利用數(shù)字處理器和穩(wěn)壓器或功率管理單元之間的串行接口，處理器可以根據(jù)必要的工作頻率或速度控制所需的電源電壓。穩(wěn)壓器通常是直流-直流轉(zhuǎn)換器，它包含一組寄存器，電壓范圍是600mV~2.5V（小增量）。處理器需求變化時(shí)，可以基于穩(wěn)壓器查找表中的值調(diào)節(jié)處理器電壓到盡可能低的水平。該方法已經(jīng)在PC行業(yè)應(yīng)用多年，目前在功耗要求甚至更為嚴(yán)格的其它市場，也正成為主流應(yīng)用。
更高級(jí)的方法涉及將數(shù)字處理器劃分成多個(gè)域，并獨(dú)立改變每一個(gè)域的Vdd，在不需要某些域時(shí)，甚至可以關(guān)閉這些域的電源。好處是以增加一個(gè)穩(wěn)壓器達(dá)到顯著省電的結(jié)果。

圖 2  開環(huán)電壓調(diào)整
這些技術(shù)有自身的局限。如圖2所示，查找表取決于特性化處理器以及為處理過程、溫度等提供的保護(hù)帶，因此與給定處理器真正需要的Vdd相比，Vdd會(huì)增加50% ，從而浪費(fèi)功率。
最佳的方法是將功率管理知識(shí)嵌入數(shù)字處理器及數(shù)字增強(qiáng)功率管理單元（也稱為能量管理單元EMU）。一個(gè)例子是美國國家半導(dǎo)體公司開發(fā)的Powerwise技術(shù)。將硬件性能監(jiān)視器（HPM）放到數(shù)字處理器上的結(jié)果是在特定的時(shí)間可以為該處理器提供最低的Vdd。通過利用實(shí)時(shí)信息而無需使用過程和溫度保護(hù)帶。由于該信息是由高級(jí)功率控制器（APC）經(jīng)Powerwise接口（PWI）傳送到EMU的，因此系統(tǒng)在完全閉環(huán)中工作，確保功耗限于所需要的功率，而非可供的功率。

圖3  PowerWise 技術(shù)降低數(shù)字SoC的功耗
隨著數(shù)字和模擬域之間的界限不斷模糊，電子行業(yè)和終端用戶均可從明顯降低的功耗中獲益。我們可以期待看到這些技術(shù)進(jìn)一步融匯，提升每瓦處理能力。這將帶領(lǐng)我們朝兩個(gè)方向前進(jìn)。一個(gè)方向是繼續(xù)降低功耗，另外一個(gè)（更可能的）方向是使更多的特性能夠集成到特定形狀的器件中。
不斷創(chuàng)新，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)師提供更好的選件是半導(dǎo)體行業(yè)的責(zé)任。功率管理半導(dǎo)體行業(yè)已經(jīng)認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn)，并已經(jīng)從制造穩(wěn)壓器向生產(chǎn)功率管理器件（如PowerWise 技術(shù)）前進(jìn)。當(dāng)功率管理應(yīng)用在SoC設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)設(shè)計(jì)的前端時(shí)，諸如性能、特性、電池壽命和推廣應(yīng)用成本等因素均將給終端產(chǎn)品帶來價(jià)值，功率將刺激和推動(dòng)創(chuàng)新。 
系統(tǒng)設(shè)計(jì)師開始他們的設(shè)計(jì)工作時(shí)，必須考慮功率管理策略。盡管他們在早期設(shè)計(jì)階段可能不知道確切的電壓和電流，但他們必須知道能夠規(guī)劃出功率域，并且必須看到系統(tǒng)功率管理將產(chǎn)生最大利益之處。設(shè)計(jì)師埋頭于設(shè)計(jì)過程時(shí)，仍然可以選擇散布穩(wěn)壓器，但不管他們?nèi)绾闻Γ麄円膊粫?huì)找到效率為400%的穩(wěn)壓器。尤為現(xiàn)實(shí)的是，當(dāng)設(shè)計(jì)師將數(shù)字處理能力與數(shù)字增強(qiáng)功率管理器件能力相結(jié)合，降低所需要的功耗時(shí)，產(chǎn)品運(yùn)行所產(chǎn)生的熱量更少，電池可持續(xù)更長的時(shí)間，產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了差異化。