可配置電源管理ASIC--當(dāng)今的系統(tǒng)黏合劑
上個(gè)世紀(jì),在數(shù)字化思維主導(dǎo)設(shè)計(jì)領(lǐng)域時(shí),系統(tǒng)是標(biāo)準(zhǔn)處理器,ASSP,模擬電路和黏合邏輯的混合物。“黏合邏輯”是通過(guò)小型和中型集成電路|0">集成電路把不同數(shù)字芯片的協(xié)議和總線連在一起。為了降低成本實(shí)現(xiàn)一體化,“黏合邏輯”曾經(jīng)風(fēng)靡整個(gè)ASIC業(yè)。
如今,整個(gè)數(shù)字系統(tǒng)發(fā)展到深亞微米(DSM)半導(dǎo)體階段,“黏合邏輯”也慢慢退出了系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用。但是“黏合邏輯”真的過(guò)時(shí)了嗎?答案因人而異。現(xiàn)在,對(duì)于數(shù)字“黏合邏輯”的需求不如以前那么強(qiáng)烈,但是模擬“黏合功能”卻在增長(zhǎng)。
復(fù)合信號(hào)ASIC—今天的“系統(tǒng)膠連”
現(xiàn)在的系統(tǒng)有許多模擬功能,但是卻并不適合90和65納米硅芯片應(yīng)用。這些系統(tǒng)需要多個(gè)電源層,若干電壓等級(jí),電源的排序,睡眠模式功耗,高電壓LED驅(qū)動(dòng)器,高質(zhì)量音頻處理器以及這些功能的智能控制。系統(tǒng)級(jí)芯片數(shù)字化解決方案的增長(zhǎng)導(dǎo)致我們需要復(fù)合信號(hào)集成電路,囊括了諸多為了節(jié)約成本,提高性能和集成的模擬功能。如圖1所示:
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/201706/347287.htm |
便攜式電子設(shè)備可能包括廣泛的電源電壓:用于數(shù)字集成電路的1.8V和3.3V電壓,用于鋰離子電池的4.2V電壓,用于傳統(tǒng)接口的5V電壓,用于LED背光的36V電壓,單獨(dú)的用于敏感模擬電路的電壓以及用于電機(jī)控制的高電壓。根據(jù)每個(gè)功率源的要求,設(shè)計(jì)師們選擇不同的電源轉(zhuǎn)換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),其中包括線性,開關(guān)以及低壓降穩(wěn)壓器。
不僅是調(diào)節(jié)器的純粹數(shù)量在增加,這些系統(tǒng)往往有復(fù)雜的電源排序要求,每個(gè)供應(yīng)源相互之間在電源開關(guān),睡眠和降低的操作模式時(shí)的開啟和關(guān)閉需要精確的控制。通常這些供應(yīng)源不僅僅是簡(jiǎn)單的打開,而需要電源電壓的斜升或斜降行為,從而增加了電源管理系統(tǒng)的額外的復(fù)雜性。在設(shè)備的電源管理設(shè)計(jì)中,隨著調(diào)壓器相互之間的正確排序,系統(tǒng)復(fù)位信號(hào),振蕩器開啟和PLL穩(wěn)定時(shí)間必須考慮進(jìn)去。
一個(gè)電源管理系統(tǒng)集成了多種電源轉(zhuǎn)換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),數(shù)字排序邏輯,控制電源管理功能的數(shù)字通訊,模擬電壓以及電流測(cè)量;不變性記憶器用來(lái)存儲(chǔ)電壓設(shè)置點(diǎn),排列順序,序列周期和工廠校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。這些電源管理資源消耗了了許多電路板空間,需要多位包裝,并加入到組裝成本中,使其成為電源管理集成電路的理想候選。這些專用集成電路建立在混合信號(hào)處理的基礎(chǔ)上,因此相關(guān)功能不能與電源管理正常聯(lián)系,比如音頻處理,蜂鳴器驅(qū)動(dòng)器和馬達(dá)控制,在設(shè)備中成為內(nèi)含物的選擇器件。對(duì)于PMIC ASIC來(lái)說(shuō),負(fù)責(zé)集成和控制許多IP模塊很平常。功能如表1:
表1 PMIC 電源管理集成電路功能
線性調(diào)節(jié)器 電機(jī)控制
轉(zhuǎn)換器 音頻揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)
低壓降穩(wěn)壓器 自定義數(shù)字邏輯
發(fā)光二極管升壓穩(wěn)壓器 電源排序
電池管理-充電,監(jiān)視 復(fù)位發(fā)生器
LED驅(qū)動(dòng) 電壓監(jiān)視器
LCD電壓發(fā)生器 電流監(jiān)視器
電壓轉(zhuǎn)換器 風(fēng)扇控制
音頻處理 溫度傳感器
非易失性存儲(chǔ)器 欠壓檢測(cè)器
可配置電源管理集成電路
所有的模擬和電源管理“膠連”的進(jìn)入讓一個(gè)單一設(shè)備實(shí)現(xiàn)了整合,提高了側(cè)尋性能,降低了整個(gè)系統(tǒng)的成本。然而,全定制的電源管理IC開發(fā)一向昂貴,進(jìn)入市場(chǎng)緩慢,并且有很大的風(fēng)險(xiǎn)。
可配置陣列技術(shù)(VCA)的發(fā)展產(chǎn)生了硅驗(yàn)證的電源管理ASIC的解決方案,通過(guò)一個(gè)單一的遮罩層的變化來(lái)配置和定制特定的應(yīng)用。一個(gè)VCA在ASIC模塊上集成了硅驗(yàn)證模擬化,數(shù)字化和內(nèi)存資源。然后這些資源由整體的路由結(jié)構(gòu)所覆蓋。包含這些VCA的晶片經(jīng)過(guò)特殊處理和鑄造,所有的模擬和數(shù)字資源可相互聯(lián)系并由一個(gè)遮罩層來(lái)配置。由于只有一個(gè)遮罩層鑄造加工,制造成本大大降低,制造時(shí)間從幾個(gè)月到幾周,硅驗(yàn)證的IP和互聯(lián)路的使用大大降低了風(fēng)險(xiǎn)。
圖2顯示了一個(gè)可配置的PMIC和其組成部分 |
表 2 適合電源管理應(yīng)用的可配置ASIC的性能
3V至50V操作
15750 個(gè)ASIC門
21,500位的RAM
1000 × 8電可擦除只讀存儲(chǔ)器,20年的數(shù)據(jù)保存能力,100K的寫入周期
44個(gè)可配置數(shù)字I / O
12個(gè)20V的運(yùn)算放大器與資源
12個(gè)3.3V的運(yùn)算放大器與資源
6個(gè)電源管理單元
2個(gè)調(diào)節(jié)器
2個(gè)10位,1MSPS的DAC
42個(gè)可配置的模擬I / O
3.3V的獨(dú)立模擬電源
20V的獨(dú)立模擬電源
設(shè)計(jì)一個(gè)可配置電源管理集成電路(PMIC)
在可配置ASIC中制定一個(gè)綜合的電源管理方案遵循圖3的流程,從確定系統(tǒng)所需電壓范圍開始,每個(gè)區(qū)域所需的工作和睡眠模式的電流以及電源電壓的次序。PMIC的設(shè)計(jì)目的是獲取模擬圖表和數(shù)字硬件描述語(yǔ)言。高級(jí)別的設(shè)計(jì)用來(lái)
模擬確認(rèn)設(shè)備操作。在傳統(tǒng)的全定制ASIC設(shè)計(jì)流程中,下一步將是艱苦的,昂貴的,容易出錯(cuò)的晶體管布局,布局需要把設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化到具體的硅片上。在可配置流程中,HDL格式的數(shù)字設(shè)計(jì)綜合成Verilog(目前應(yīng)用最為廣泛的硬件描述語(yǔ)言),在門級(jí)Verliog中,軟件通常把來(lái)自模擬圖表的SPICE表進(jìn)行轉(zhuǎn)換。然后把模擬和數(shù)字Verliog網(wǎng)結(jié)合起來(lái)并提交給自動(dòng)布局布線工具,通過(guò)全局路由結(jié)構(gòu)來(lái)自動(dòng)配置設(shè)備。
和全定制電源管理IC設(shè)計(jì)的數(shù)月相比,混合信號(hào)自動(dòng)布局布線過(guò)程完全配置設(shè)備僅僅數(shù)天。在全局路由金屬層中,自動(dòng)布局布線工具的輸出是掩模層的一個(gè)GDSII代表。和一個(gè)全定制設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)需要20多個(gè)層相比,這個(gè)路由層發(fā)送到鑄造只需構(gòu)造一個(gè)掩模層,從而大大減少了構(gòu)造費(fèi)用,使得原型從數(shù)月到數(shù)周成為可能。
圖3 可配置電源管理ASIC設(shè)計(jì)流程 |
可配置ASIC供應(yīng)商給設(shè)計(jì)者們提供了集成于可配置ASIC的硅驗(yàn)證的電源管理和混合信號(hào)IP模塊。對(duì)于集成電路設(shè)計(jì)來(lái)講,“無(wú)全定制布局需要”的方法導(dǎo)致了低成本,快速發(fā)展和更安全的設(shè)計(jì)流程。因此,設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)可以解決如今產(chǎn)品所需的充滿挑戰(zhàn)性的和不斷變化的電源管理解決方案。
作者簡(jiǎn)介:
Reid Wender,應(yīng)用工程師主管,2005年加入Triad半導(dǎo)體。之前,他是工程方面的副總裁,任職于QuVIs的半導(dǎo)體部門。他有20年的ASIC設(shè)計(jì)和項(xiàng)目管理經(jīng)驗(yàn),包括Nextwave Silicon, ASIC International, Philips, 和IBM這些公司,并擁有田納西大學(xué)的電子工程學(xué)士學(xué)位。
評(píng)論