使用PMIC管理SoC电源
发布时间：2021-8-10 14:54
发布者：eechina
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新技术和新应用，以及更紧凑的封装和更高的连接要求，正将当今的处理器及其电源系统推向极限。这些处理器必须满足音频、视频、高清 (HD) 图像、流媒体、游戏等应用以及各种交叉应用越来越高的计算需求。然而在内容数量和质量提高的同时，我们也希望这些处理器能够在提供更高性能的同时减少空间占用。这种从用户角度出发的方法正促使产品集成度变得越来越高，进而成为技术发展面临的一大限制因素。 为了在降低成本的同时实现高性能，工程师开发了片上系统 (SoC) 集成电路 (IC)。这些解决方案将许多系统功能集成到一个IC中，从而降低了实现这些功能所需的功耗、成本和工作量，并且在实现过程中无需再依赖视频和图形处理等领域的深层次专业技术知识。要以可接受的成本实现高性能，制造商必须以深亚微米（互补金属氧化物半导体 (CMOS)，≤16/14nm）工艺开发SoC。 此类SoC需要由电源来提供大电流，这对高级亚微米CMOS工艺而言可能是一个难点。电源电路需要大型晶体管来处理大电流并承受高电压（相对于数字核心电压），这与数字电路晶体管的特性截然相反。因此，要想在同一芯片上实现电源电路和数字电路，这在技术上是难以实现（甚至可能无法实现）的，而且从经济性角度而言也未必存在优势。事实上，这样的不相容性在集成电路设计中一直存在，但由于现代处理器被限制在越来越小的CMOS工艺中，因而放大了这一问题。 下面，我们将通过NXP i.MX 8M系列处理器（Mini和Nano）和ROHM BD71847/BD71850来说明如何处理并优化SoC电源管理集成电路 (PMIC) 的联合设计中需要考虑的问题。之所以选择这些解决方案，是因为它们结合了多功能、低物料清单 (BOM) 成本和紧凑的尺寸，使OEM能够快速开发和生产智能联网设备。 利弊权衡与解决方案 在SoC上提高系统级电源集成度，就意味着要在下面几点上做出牺牲： · 降低设计灵活性 · 难以实现最佳系统效率 · 提高开发和BOM成本 · 延长上市时间 要在现代处理器及其电源子系统的构建中实现系统性创新，机遇就藏在这些利弊权衡中。 提高设计灵活性 NXP i.MX 8M/8Mini/Nano并未集成DC/DC转换器或低压差稳压器 (LDO)，而且与之类似的SoC也都不集成DC/DC转换器，但有不少产品在内核上运用动态电压和频率调整 (DVFS) 的方式，是通过片上LDO将外部电源轨转换为较低的电压供内核使用。如果将DC/DC和LDO都放到片外，SoC设计人员就可以充分利用宝贵的14nm硅空间来优化处理器内核工作、数据缓存和音视频硬件加速等功能，同时自由地制定（外部）电源架构，无需再受片上电源管理要求的束缚，从而促进而非限制处理器的开发。i.MX 8M需要的电源轨数量颇多（8个降压、7个LDO），就体现了这样的自由度。与此同时，ROHM PMIC设计人员采用ROHM的130nm双极-CMOS-DMOS (BCD) 工艺实现了他们的电源电路，该工艺针对电源管理功能进行了优化。总而言之，每个团队都可以自由地使用合适的工艺和知识产权技术来完成手头的任务。 提升系统效率 采用130nm BCD工艺实现电源电路，可以使BD71847AMWV或BD71850MWV（图1）的降压转换器在0.7V-3.3V输出电压下实现高达95%的效率。在系统层面上，通过外部DC/DC直接将DVFS应用于处理器内核，可以进一步提升效率。毕竟，将外部DC/DC和用于DVFS的片上LDO搭配使用，就相当于做了两级转换，从而在第二级产生额外损耗。 输出电压精度 (+/-1.5%) 是一个经常被忽视的特性。随着输出电压调整步长（10mV步长）的分辨率提高，电源管理器软件可以精确地将电源轨的输出电压设置在非常低的水平，同时尽可能降低功耗，同时仍然允许由该电源轨供电的子系统在所需的频率下运行。 
图1：ROHM Semiconductor BD71850MWV PMIC集成了i.MX 8M Nano处理器和系统外设所需的各种电源轨，以及与i.MX 8M Nano处理器支持的电源模式兼容的定序器，可以显著缩短开发时间、减小尺寸，并简化应用设计。（图源：贸泽电子） 降低开发和BOM成本 产品开发会持续受到市场对添加额外功能和/或缩小产品尺寸、减轻产品重量的压力，为此工程师们正不断努力寻找将更多功能集成到IC中并提高可靠性的方法。然而，集成度越高，开发和芯片的成本也就越高。将SoC的开发与电源管理的开发相分离，可以使每一种开发以自己的最佳速度进行，还可以让流程中从设计、验证、IC布局到IC制造的每一步都更简单、更快速，并且显著提高硅芯片一次性流片成功的机率。此外，采用更廉价的BCD工艺来实现电源功能，也可以实现更低的（总）芯片成本。 缩短上市时间 对许多技术企业而言，产品进入市场的时间至关重要。对于诸如应用处理器等高度复杂的组件，将本质上难以兼容的技术，如数字处理元件（CPU、硬件加速器）和电源管理的开发分开，可以降低开发工作量和风险，从而缩短产品上市时间。 结语 要为SoC设计可编程PMIC，就需要考虑多方面的因素，包括在用户体验和产品开发方面权衡利弊。NXP 8M/8MM/Nano和ROHM Semiconductor 847/850是高度工程化的产品，不论您的产品位于生命周期的何处，都可以帮助您取得成功。这些组件具有强大的性能，广泛应用于流媒体盒子、电视棒、视频接收器、无线智能音箱，以及工业HMI、SBC、IPC和平板工控机。这些半导体产品从设计灵活性和上市时间等有利于制造商的因素入手，优化了对用户至关重要的特性，即性能和价格。它们是可以投放到市场的产品，展示了非集成元件的灵活性和高度集成的PMIC-SoC之间的关键平衡。 来源：贸泽电子 作者：Adam Kimmel |
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