傳授壓箱絕技：從SoC設(shè)計(jì)人員那都了解不到的功耗管

　　除了上面的信息，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須理解SoC各種功耗模式的延時(shí)和開銷成本。相對(duì)而言，這可能需要很長的時(shí)間來改變CPU的時(shí)鐘頻率，使其能夠保持狀態(tài)，關(guān)斷，然后重新恢復(fù)。系統(tǒng)中的其他器件能夠承受這些延時(shí)嗎？當(dāng)系統(tǒng)空閑時(shí)，CPU內(nèi)核能夠關(guān)斷嗎，或者需要電源失效以及喚醒等監(jiān)控功能嗎？

　　對(duì)于專用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品和微控制器，一般在數(shù)據(jù)表中很好的記錄了序列和延時(shí)信息。不一定記錄狀態(tài)改變時(shí)的能耗成本。即使有記錄，并不是一直能夠掌握SoC中的哪些模塊在一定時(shí)間內(nèi)工作在哪一級(jí)。

　　SoC規(guī)劃人員提醒說：“這些芯片非常復(fù)雜。會(huì)有很多不同的功耗管理方法同時(shí)在工作。坦白的說，對(duì)于芯片而言最重要的方法是保密的——我們并沒有記錄它們。”

　　只要您使用供應(yīng)商的參考設(shè)計(jì)，按照其設(shè)計(jì)人員提供的方法進(jìn)行工作，那么，朋友之間最好保持一些秘密。但是，如果您從基本芯片開始設(shè)計(jì)，以創(chuàng)新的方式來使用芯片，那么，您可能會(huì)有些新發(fā)現(xiàn)。這些發(fā)現(xiàn)不一定是正面的。

　　要知道SoC哪一部分在工作，延時(shí)會(huì)變化多少，以及這對(duì)于系統(tǒng)行為意味著什么等等，都是問題。但是還有更棘手的問題——片內(nèi)功耗管理方法會(huì)通過電源線影響系統(tǒng)的其他部分。

　電源線上的問題

　　至少有三種方法，其復(fù)雜的功耗管理技術(shù)使得系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)人員的工作日益復(fù)雜——排序問題、大負(fù)載性能以及瞬變響應(yīng)等。穩(wěn)壓器等功率IC供應(yīng)商采取了很多措施來處理所有這些問題。但是，缺少參考設(shè)計(jì)時(shí)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)不得不既進(jìn)行探測(cè)又進(jìn)行設(shè)計(jì)。 讓我們首先看一下排序問題。幾乎每一種較好的功耗管理技術(shù)都要求SoC有大量的獨(dú)立電壓域。任何具有多個(gè)電壓域的IC都要求電源線按照一定的順序冷啟動(dòng)，每次一個(gè)，或者互相跟蹤。實(shí)際上，某些器件即使是突然斷電時(shí)，也要求電源按照一定的順序進(jìn)行關(guān)斷。如果某些電壓域能夠工作在幾種不同的電壓下——正如DVFS或者其他電壓可調(diào)方案，排序可能與不同域之間內(nèi)部電平移位器的狀態(tài)有關(guān)。一般而言，SoC設(shè)計(jì)人員采用了內(nèi)部排序電路不讓系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員了解復(fù)雜程度，但并不總是這樣。

　　原理上，滿足排序要求并沒有難度。Afshin Odabaee是Linear Technology公司µModule®電源產(chǎn)品的產(chǎn)品市場(chǎng)經(jīng)理，他指出，SoC多年以來一直要求進(jìn)行電源排序，大部分現(xiàn)代電壓穩(wěn)壓器都有支持排序和跟蹤的引腳。市場(chǎng)上還有系統(tǒng)控制器產(chǎn)品，專門用于管理過程。

　　即使如此，完全滿足復(fù)雜的電源管理SoC的需求，就要求SoC供應(yīng)商和電源組件供應(yīng)商進(jìn)行密切的合作。但，還是會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤。在某些情況下，重要的SoC約束并沒有將其放到最終記錄中。對(duì)于系統(tǒng)中有多個(gè)SoC類芯片的情況，還是需要系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員為不同芯片集成電源參考設(shè)計(jì)，確定一個(gè)器件不會(huì)違反其他器件的排序要求。

　　第二個(gè)問題與現(xiàn)代SoC功耗管理技術(shù)更直接相關(guān)一些，即，負(fù)載范圍。問題是，需要大量的功耗管理工作，而且要工作的很好。低電壓軌的電流需求——例如，內(nèi)核邏輯供電等，會(huì)變化很大，從休眠模式的幾百毫安到全功率模式時(shí)內(nèi)部電路處理時(shí)鐘邏輯門和電源邏輯門的幾十安培。電壓穩(wěn)壓器需要在整個(gè)范圍內(nèi)提供足夠的穩(wěn)壓和波紋。特別是電流需求非常低時(shí)，穩(wěn)壓器必須非常高效，否則，將抵消SoC所規(guī)劃的低功耗。

　　Odabaee建議說：“您必須定義大負(fù)載工作時(shí)的穩(wěn)壓器。”他提醒說，待機(jī)和全速電流輸出使得穩(wěn)壓器判決非常復(fù)雜。傳統(tǒng)上，設(shè)計(jì)人員會(huì)選擇開關(guān)穩(wěn)壓器來高效滿足大電流負(fù)載，但是，會(huì)為低電流模式選擇線性穩(wěn)壓器。Odabaee說，作為更可行的解決方案，業(yè)界選擇了能夠跨過多個(gè)域的方法。在某些Linear Technology開關(guān)穩(wěn)壓器µModule器件中使用的一種方法是Burst Mode®工作。穩(wěn)壓器在大電流輸出時(shí)正常工作，低負(fù)載時(shí)則切換到突發(fā)模式，控制器僅在偶然突發(fā)時(shí)工作。這樣，它提供了足夠的穩(wěn)壓功能，同時(shí)有效的降低了自己的能耗，而且不需要復(fù)雜的多個(gè)開關(guān)頻率。

　　轉(zhuǎn)換中的問題

　　從相同的穩(wěn)壓器為每一不同的負(fù)載提供電流有很大的難度，而處理負(fù)載突然變化導(dǎo)致的瞬變會(huì)更加困難?？焖贊M足新電流需求會(huì)導(dǎo)致增加新組件。Odabaee說：“在大功率系統(tǒng)中，您在穩(wěn)壓器上可能需要幾種輸出電容。穩(wěn)壓器自己的響應(yīng)一般不足以滿足高速負(fù)載瞬變。”

　　即使是在低功耗移動(dòng)系統(tǒng)中，瞬變響應(yīng)問題也會(huì)以奇怪的方式出現(xiàn)。Power Integrations公司的市場(chǎng)副總裁Doug Bailey從系統(tǒng)AC/DC轉(zhuǎn)換器的角度看到了問題，不是在全功率工作時(shí)，而是在休眠時(shí)出現(xiàn)了問題。

　　Bailey說：“AC/DC轉(zhuǎn)換器很難處理快速瞬變問題。主機(jī)側(cè)控制器只檢測(cè)到控制器發(fā)送脈沖時(shí)的負(fù)載，當(dāng)負(fù)載較小時(shí)，這并不常出現(xiàn)。因此，如果負(fù)載迅速增大，那么，控制器無法跟上去。”Bailey補(bǔ)充說，設(shè)計(jì)人員可以通過增加真正的大電容來暫時(shí)掩蓋這一問題。但是，大電解電容占的空間大，導(dǎo)致成本增加，帶來可靠性問題，這些都不利于移動(dòng)設(shè)備。

　　Bailey說：“更好的解決方案是慢慢增加負(fù)載。而目前的實(shí)際情況是，設(shè)計(jì)SoC的人員占主導(dǎo)地位，而設(shè)計(jì)電源的人員說了不算。”

　　這種分工并不總是能夠很好的工作。Bailey引用了兩個(gè)例子——這些都不僅涉及到大突發(fā)工作電流，而且，器件也會(huì)進(jìn)入電池充電模式。在iPhone中，正如很多移動(dòng)設(shè)備一樣，系統(tǒng)SoC要處理大量的電池管理工作。當(dāng)SoC確定需要對(duì)電池充電時(shí)，它將AC適配器的電流輸出至電池倉。突然的瞬變會(huì)導(dǎo)致低成本適配器讓電壓暫時(shí)下降，使得SoC理解為電源失效，發(fā)出報(bào)警聲。發(fā)出報(bào)警聲后，用戶會(huì)拿起他的iPhone，看到什么事情也沒有發(fā)生，又想回去睡覺，只是有可能會(huì)做惡夢(mèng)，關(guān)于蘋果的惡夢(mèng)。實(shí)際上，正是出于這一原因，蘋果公司在AC適配器上有嚴(yán)格的電壓穩(wěn)壓規(guī)范，但是，由于在SoC設(shè)計(jì)上要進(jìn)行一些瑣碎的決定，因此，公司沒有在適配器上進(jìn)行大量的投入。

　　三星Galaxy III智能電話也遇到了非常相似的情況，而且結(jié)果可能更令人煩惱。當(dāng)用戶插上電話后，系統(tǒng)SoC開始充電，一般會(huì)出現(xiàn)不受控的浪涌。這種瞬變導(dǎo)致SoC檢測(cè)到充電失敗，關(guān)斷充電電路，而且不會(huì)通知用戶。因此，用戶進(jìn)入甜美的夢(mèng)鄉(xiāng)，直到第二天早晨，被窗外的鳥兒吵醒，卻發(fā)現(xiàn)放在床頭柜上的電話根本就沒有充電。

　　這些問題不僅僅出現(xiàn)在智能電話上。Bailey說：“最終，SoC產(chǎn)生的瞬變導(dǎo)致重新進(jìn)行電源設(shè)計(jì)。”

　　即使電源管理電路中的穩(wěn)壓器能夠保持出現(xiàn)的瞬變，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員還是沒有完全解決這些問題。瞬變的幅度和速度會(huì)使得設(shè)計(jì)人員對(duì)電源進(jìn)行全面的AC電路分析，包括，布板的雜散電容。這一般是SPICE的工作，電源設(shè)計(jì)人員通常轉(zhuǎn)向采用Linear Technology公司的LTspice®軟件，因?yàn)樵摴咎峁┓€(wěn)壓器器件模型庫，以及電源設(shè)計(jì)人員友好的用戶界面。

穩(wěn)壓器和SoC之間的走線阻抗等問題有可能成為很難解決的問題。如果SoC的電源管理設(shè)計(jì)產(chǎn)生較大的負(fù)載瞬變，可能會(huì)導(dǎo)致非常復(fù)雜的布板，或者昂貴的其他電路板層，如圖2所示，對(duì)于電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員，穩(wěn)壓器會(huì)處理瞬變。

　　除了穩(wěn)壓，還有信號(hào)完整性問題。供電電源線出現(xiàn)快速大電流瞬變，可能會(huì)成為耦合噪聲的主要來源，這些噪聲會(huì)影響電路板上的其他電源線，以及信號(hào)線。IC物理設(shè)計(jì)人員比較熟悉這類信號(hào)完整性分析，但是，對(duì)于大部分電路板設(shè)計(jì)人員而言，設(shè)計(jì)起來會(huì)有一定的難度。

圖2.Stratix V開發(fā)板的第13層，顯示了設(shè)計(jì)人員選擇分配整個(gè)板層，將穩(wěn)壓器（右下側(cè)）連接至VCC。很難有更好的解決方案來處理大電流瞬變

　　Odabaee強(qiáng)調(diào)說：“參考設(shè)計(jì)非常重要。我們這樣的供應(yīng)商通過查看設(shè)計(jì)來提供幫助。但是，設(shè)計(jì)一個(gè)50-Amp、0.9-V系統(tǒng)仍然需要很高的技巧。”Linear Technology公司合作伙伴解決方案經(jīng)理Gerard Velcelean也同意這一觀點(diǎn)：“老板讓內(nèi)部員工來處理這些問題。而小組人員如果不借助參考設(shè)計(jì)，很有可能會(huì)遇到問題。”

　　結(jié)論

　　現(xiàn)代SoC——無論是ASIC、ASSP還是FPGA，其隱含的一些技巧能夠有效的降低能耗。但是，這些技巧越隱含，出現(xiàn)不良結(jié)果的風(fēng)險(xiǎn)就越大，這些結(jié)果可能會(huì)與系統(tǒng)使用模型沖突，使得電源設(shè)計(jì)更加復(fù)雜，或者不可預(yù)測(cè)的失效模式等。當(dāng)然，SoC供應(yīng)商會(huì)提供幫助。TI的Bittlestone說：“我們用了很多的邏輯門來實(shí)現(xiàn)電源管理系統(tǒng)的接口，以方便系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的使用。”但即使如此，更重要的是，SoC用戶應(yīng)采用參考設(shè)計(jì)，或者深入理解他們所遇到的問題。