功率管理從數字SoC設計開始

Power Management Starts with Digital SoC Design

說起集成電路時，我們經常談到“混合信號”。混合信號已經是單片集成電路（IC）上最普通的數字與模擬應用。簡而言之，混合信號通常是具有一定數字特色的模擬IC。也許這是模擬人士的觀點——它也可以是具有一定模擬特色的數字芯片。在某些情況下，兩種技術的確能相互配合達到提高系統性能的效果，但很少能達到最佳效果。然而，數字和模擬的結合為解決系統設計師所面臨的最大挑戰之一—功耗—鋪平了道路。
在當今世界，能源保護是我們所有人必須了解和考慮的一大挑戰。我們歡迎“能源之星”這個旨在改善電子產品功耗的計劃，并感謝延長的的電池壽命為便攜式器件所帶來的好處，我們意識到數據通信基礎設施和吉字節硬盤的功耗正在蠶食企業的利潤。
然而，當我們了解了保護能源有多么重要時，為什么我們還看到設計工程師往往選擇更便宜的電源設計而不是更有效的方案呢？答案就是當今電子設計更趨復雜，需要更多的電壓，電源設備成本的上升，幾乎迫使工程師對價格的考慮超過對性能的要求。
設計工程師考慮到總功耗成本十分重要。例如，利用高效率轉換，是否可以縮小上游電源的規格和降低成本？較低功耗是否能夠成為產品的一大賣點并因此獲得益價？ 
對于大多數降壓轉換應用而言，如果設計師要求的輸出電壓小于輸入電源電壓的70%，并且被驅動器件的功耗超過總“平均”功耗的10%，那么設計師必須采用節能直流-直流開關式穩壓器。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-直流穩壓器代替線性穩壓器所獲得的利益與額外的成本相比，沒有什么價值。
現在, 半導體公司認識到從設計數字IC開始就需要優化功率管理。而在不久之前，功率管理等于散布在電路板周圍、塞入某個遙遠角落或者最好情況下集成到混合信號芯片上的穩壓器。

圖1  當添加功能到電子器件時散布穩壓器導致擁擠的結果
最近，系統設計師認識到，不管穩壓器的效率有多高，真正的節省機會是降低系統的絕對功耗。數字處理器制造商在提高處理能力的同時，已經面臨降低功耗方面的巨大挑戰，它們采用了非傳統方法來實現該目標，例如在集成電路架構的前端部署功率管理專門技術。 
動態電壓管理是最好的例子。利用數字處理器和穩壓器或功率管理單元之間的串行接口，處理器可以根據必要的工作頻率或速度控制所需的電源電壓。穩壓器通常是直流-直流轉換器，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，可以基于穩壓器查找表中的值調節處理器電壓到盡可能低的水平。該方法已經在PC行業應用多年，目前在功耗要求甚至更為嚴格的其它市場，也正成為主流應用。
更高級的方法涉及將數字處理器劃分成多個域，并獨立改變每一個域的Vdd，在不需要某些域時，甚至可以關閉這些域的電源。好處是以增加一個穩壓器達到顯著省電的結果。

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

圖3  PowerWise 技術降低數字SoC的功耗
隨著數字和模擬域之間的界限不斷模糊，電子行業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進一步融匯，提升每瓦處理能力。這將帶領我們朝兩個方向前進。一個方向是繼續降低功耗，另外一個（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。
不斷創新，為系統設計師提供更好的選件是半導體行業的責任。功率管理半導體行業已經認識到這一點，并已經從制造穩壓器向生產功率管理器件（如PowerWise 技術）前進。當功率管理應用在SoC設計以及系統設計的前端時，諸如性能、特性、電池壽命和推廣應用成本等因素均將給終端產品帶來價值，功率將刺激和推動創新。 
系統設計師開始他們的設計工作時，必須考慮功率管理策略。盡管他們在早期設計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劃出功率域，并且必須看到系統功率管理將產生最大利益之處。設計師埋頭于設計過程時，仍然可以選擇散布穩壓器，但不管他們如何努力，他們也不會找到效率為400%的穩壓器。尤為現實的是，當設計師將數字處理能力與數字增強功率管理器件能力相結合，降低所需要的功耗時，產品運行所產生的熱量更少，電池可持續更長的時間，產品實現了差異化。