SoC芯片級功耗管理技術(shù)

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)致的瞬變會更加困難?？焖贊M足新電流需求會導(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系統(tǒng)中，瞬變響應(yīng)問題也會以奇怪的方式出現(xiàn)。Power Integrations公司的市場副總裁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，而是在休眠時出現(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)控制器只檢測到控制器發(fā)送脈沖時的負(fù)載，當(dāng)負(fù)載較小時，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)計人員可以通過增加真正的大電容來暫時掩蓋這一問題。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SoC的人員占主導(dǎo)地位，而設(shè)計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引用了兩個例子——這些都不僅涉及到大突發(fā)工作電流，而且，器件也會進(jìn)入電池充電模式。在iPhone中，正如很多移動設(shè)備一樣，系統(tǒng)SoC要處理大量的電池管理工作。當(dāng)SoC確定需要對電池充電時，它將AC適配器的電流輸出至電池倉。突然的瞬變會導(dǎo)致低成本適配器讓電壓暫時下降，使得SoC理解為電源失效，發(fā)出報警聲。發(fā)出報警聲后，用戶會拿起他的iPhone，看到什么事情也沒有發(fā)生，又想回去睡覺，只是有可能會做惡夢，關(guān)于蘋果的惡夢。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，一般會出現(xiàn)不受控的浪涌。這種瞬變導(dǎo)致SoC檢測到充電失敗，關(guān)斷充電電路，而且不會通知用戶。因此，用戶進(jìn)入甜美的夢鄉(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。”

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)計人員還是沒有完全解決這些問題。瞬變的幅度和速度會使得設(shè)計人員對電源進(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)計產(chǎn)生較大的負(fù)載瞬變，可能會導(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，對于電源系統(tǒng)設(shè)計人員，穩(wěn)壓器會處理瞬變。

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

圖2.Stratix V開發(fā)板的第13層，顯示了設(shè)計人員選擇分配整個板層，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)計非常重要。我們這樣的供應(yīng)商通過查看設(shè)計來提供幫助。但是，設(shè)計一個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，很有可能會遇到問題。”

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)險就越大，這些結(jié)果可能會與系統(tǒng)使用模型沖突，使得電源設(shè)計更加復(fù)雜，或者不可預(yù)測的失效模式等。當(dāng)然，SoC供應(yīng)商會提供幫助。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，或者深入理解他們所遇到的問題。