電源管理單元技術(shù)實現(xiàn)架構(gòu)和未來趨勢分析
英飛凌汽車電子生態(tài)圈
對早先幾代的手機(jī)來說，依靠硅芯片與電池技術(shù)的進(jìn)步就可以增加通話時間和待機(jī)時間。更高效RF放大器和新型CMOS邏輯芯片的能耗比前一代更低。射頻信號處理與數(shù)字信號處理算法的發(fā)展進(jìn)一步降低了功耗。與此同時，新的電池技術(shù)也能提供更高的能量，尤其是對極高存儲密度先進(jìn)鋰離子電池的開發(fā)和應(yīng)用。
而今，情況發(fā)生了改變。與前幾代CMOS工藝不同的是，最新的深亞微米(100nm)CMOS工藝是集成更多功能的必要條件，但集成密度的提高并未相應(yīng)帶來功耗的下降。相反，更多功能造成更高的功耗，而CMOS工藝技術(shù)的發(fā)展不再能夠彌補(bǔ)這一增加的功耗。同時電池技術(shù)的發(fā)展也無法實現(xiàn)這種彌補(bǔ)。因此，如今的多媒體手機(jī)再次逼近運(yùn)行時間極限。系統(tǒng)設(shè)計者必須尋找新的方法以降低系統(tǒng)的總體功耗。
目前系統(tǒng)中常用的兩種技術(shù)是電壓域切換和電壓調(diào)整。電壓域切換適用于在任一時刻并不要用到設(shè)備中所有功能的情況。例如，當(dāng)多媒體設(shè)備播放某種媒體時，通常與處理其它類型媒體的電路沒有關(guān)系。因此，就可以關(guān)閉這部分未用電路的電源，將其功耗降為近乎零。盡管這種方法向克服深亞微米CMOS工藝漏電流問題邁出了重要步伐，但它僅能節(jié)省待機(jī)功耗。當(dāng)電路處于激活狀態(tài)時，它并不能節(jié)省任何靜態(tài)或動態(tài)功耗。
現(xiàn)在對激活狀態(tài)下功耗的解決辦法是電壓調(diào)整技術(shù)，它依賴于加在CMOS邏輯電路上的電壓與時鐘的速度之間相關(guān)性。較快的時鐘速度需要較高的電壓，很明顯，這些參數(shù)的提高都會增加動態(tài)功耗。
在多數(shù)VLSI數(shù)字芯片中，某些部分的運(yùn)行速度需要高于其它部分，而在傳統(tǒng)器件中，通常整個芯片都工作在最高時鐘頻率下，并且整體芯片都要供電以維持這個時鐘頻率。這樣就造成較高的功耗，實際上芯片中的某些部分原本可以運(yùn)行在較低的速度上。
通過使用電壓調(diào)整方法時，芯片采用兩種以上供電電壓，較高速的邏輯被劃分在一些由較高電壓供電的島內(nèi)，而較低速邏輯則位于低供電電壓的島內(nèi)。因而這些島中的時鐘速度就可以作相應(yīng)的調(diào)整。
因此，許多最新SoC解決方案需要能提供多種電壓的電源，這些電壓是電壓調(diào)整所需的，另外這些電源還可以與功能同步開、關(guān)這些供電電壓，以支持電壓域切換。對于電池供電的設(shè)備，它們還必須能夠高效地將電池輸出電壓轉(zhuǎn)換為芯片所需電壓(DC/DC轉(zhuǎn)換)，以盡量減少轉(zhuǎn)換期間的功率損失。在很多情況下，它們還要控制電池的充電過程。
這些新型電源電路通常叫做電源管理單元(PMU)，因為與前代方案相比，它們在電源控制方面發(fā)揮了更活躍得多的作用。
PMU架構(gòu)：集中式vs.分布式
當(dāng)設(shè)計者要決定系統(tǒng)如何劃分時，必須在集中式與分布式電源分配方案中作出選擇：前者是將單只PMU緊靠系統(tǒng)的主處理器用于實現(xiàn)所有的電源切換與電壓調(diào)整功能；后者則是每個子系統(tǒng)都擁有自己的PMU。決策過程取決于兩個主要因素：應(yīng)用及響應(yīng)速度，以及所需電源管理的間隔尺度(granularity)。
在很多應(yīng)用中例如高端多媒體手機(jī)，制造商用一種模塊化方案來增加功能，即在一個基礎(chǔ)設(shè)計上增加模塊來實現(xiàn)某個特定功能，如藍(lán)牙、Wi-Fi或手機(jī)電視模塊。這種情況下，如果采用集中式PMU架構(gòu)，則各種變種手機(jī)型號中未使用的PMU功能仍會繼續(xù)保留，造成浪費。但對于固定架構(gòu)的裝置如MP3播放機(jī)或音樂播放盒，集中式PMU仍是最具成本效益的選擇之一。
然而，融合的趨勢促使更多功能被采用到移動便攜設(shè)備中，其它技術(shù)因素也有力地推動分布式PMU結(jié)構(gòu)占據(jù)主導(dǎo)地位。為節(jié)省更多功耗，PMU要緊密耦合到其控制的子系統(tǒng)中，而不是主系統(tǒng)的處理器。例如，對一個手機(jī)的電視子系統(tǒng)，在相關(guān)廣播幀之間的間隔內(nèi)關(guān)閉大部分前端接收機(jī)電路可以節(jié)省相當(dāng)多的功耗。這種轉(zhuǎn)換的時序需要微秒級的精度，只能在電視手機(jī)基帶處理器與其PMU之間建立直接控制電路來實現(xiàn)。因此，PMU及耦合到子系統(tǒng)的方式可以是非常特定的。
分布式PMU方案還非常靈活。你只需圍繞系統(tǒng)布放一根電源軌(通常是電池的連接線)，所有外圍都把它當(dāng)作自己唯一的電源連接線，而不需要考慮其它的電源連接。每個外圍電路中嵌入的PMU負(fù)責(zé)本地的全部電源管理。而在集中式PMU結(jié)構(gòu)中，你必須預(yù)先知道哪個外圍可能會連接到PMU，還要保證在各種可能的組合情況下，所有電源電壓和時序都能正確無誤。
圖1展示了一個SoC與本地PMU之間典型的交互關(guān)系。
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| 圖1：SoC及其電源管理單元之間典型的互動，實現(xiàn)了電壓域切換、電壓調(diào)整與頻率調(diào)整 |
動態(tài)電源控制
隨著所謂動態(tài)電壓與頻率調(diào)整(DVFS)技術(shù)的引入，PMU及其供電的SoC之間的耦合將變得更加緊密。與電壓島方法相同，該技術(shù)在SoC中建立了多個時鐘頻率域，從而可以減小對芯片各部分的供電電壓，動態(tài)電壓與頻率調(diào)整可根據(jù)系統(tǒng)處理器的活動情況，自動調(diào)節(jié)時鐘頻率與供電電壓。這樣就把電源管理與軟件活動直接聯(lián)系在一起。
DVFS的實現(xiàn)需要系統(tǒng)運(yùn)行附加的軟件來評估當(dāng)前處理器的負(fù)載，并預(yù)測出在實時系統(tǒng)約束下完成這個處理負(fù)載所需時鐘速度。這樣就可以將時鐘速度降低到適當(dāng)?shù)念l率上，而供電電壓也降低到能夠維持這一時鐘速度的水平。為了滿足典型系統(tǒng)的實時約束，DVFS過程必須每間隔數(shù)毫秒被重復(fù)，或者當(dāng)任務(wù)進(jìn)度表或中斷驅(qū)動的軟件例程明顯改變處理器負(fù)荷時就被重復(fù)。
DVFS的實現(xiàn)可以是開環(huán)，也可以是閉環(huán)過程(見圖2)。開環(huán)DVFS中為目標(biāo)系統(tǒng)確定了多種不同頻率和電壓工作點，系統(tǒng)被設(shè)置到最接近的工作點，能夠確保所需處理性能。在實際應(yīng)用中，不同工作點的數(shù)量一般限制為2或4個，每個工作點都必須保證相應(yīng)處理器負(fù)荷下的性能，另外還要考慮到最糟情況下的工藝變動(由于工藝技術(shù)的變化而造成的系統(tǒng)性能波動)、IR壓降(例如PCB走線造成的IR壓降)以及溫度效應(yīng)。這些都意味著在相當(dāng)多的時間里電源電壓仍然會高于嚴(yán)格的需求指標(biāo)。而由于功耗與電源電壓的平方成正比，即使少量的電壓超額也會有明顯的效應(yīng)。
閉環(huán)DVFS對系統(tǒng)的實際硅性能提供直接反饋，并考慮到了工藝變化及溫度變化的影響，從而解決了這些問題。其中每個SoC中都包含了一個性能監(jiān)控器，它在各個時間點測量給定電壓上SoC的實際性能。然后，該性能監(jiān)控器的輸出向電源管理算法提供信息，以決定電壓是該升高還是降低，從而將其保持在SoC最佳的功耗性能比范圍中。
為了在片上性能監(jiān)控器與PMU之間提供一個標(biāo)準(zhǔn)接口，美國國家半導(dǎo)體公司和ARM提出了他們聯(lián)合開發(fā)的PowerWise接口(PWI)，這是一個開放的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。移動工業(yè)處理器接口(MIPI)聯(lián)盟也強(qiáng)調(diào)了此類開放工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的重要性，他們正在致力于建立一個系統(tǒng)電源管理接口(SPMI)規(guī)范。
C050PMU工藝
與消費電子中的所有事物一樣，PMU也不斷邁向更高集成度，這不僅為了降低成本，也是為了減小物理尺寸，從而能為移動便攜式設(shè)備中的其它功能騰出空間。因此最理想的方案應(yīng)該是單芯片，以盡可能減少外圍元件。
實現(xiàn)PMU對半導(dǎo)體工藝技術(shù)的要求包括：能集成可承載高達(dá)1A電流、能在正常運(yùn)行和電池充電期間承受電池與充電器峰值電壓的低導(dǎo)通電阻MOSFET；另外還應(yīng)能集成低功耗的邏輯電路，用于控制切換與穩(wěn)壓功能。
飛利浦最新一代PMU采用該公司基于0.25um CMOS的C050PMU工藝。只需幾個額外的掩膜步驟，額定3.3V的基線工藝就可提升至正常電池應(yīng)用的5V(單鋰離子電池，或三節(jié)鎳鎘或鎳氫電池)；如果PMU會在脈沖充電期間遭受感性電壓毛刺，或者需要超出電池的正常電壓(例如，驅(qū)動串接的背光照明LED)，則可以達(dá)到20V。C050PMU工藝可為PMU以及開關(guān)轉(zhuǎn)換器控制電路的實現(xiàn)提供足夠的邏輯密度，另外還有一種工藝選項，可以在PMU中包含一次編程(OTP)非易失存儲器，用于定義PMU的起動條件。而完全可重編程的EEPROM選項正在開發(fā)中。
飛利浦還有一個專門的PMU設(shè)計庫與設(shè)計環(huán)境，可以用構(gòu)建模塊的方法快速建立PMU設(shè)計。庫中的基本IP塊包括帶隙電壓基準(zhǔn)、輸出能力從數(shù)毫安至數(shù)百毫安的低壓降線性穩(wěn)壓器(LDO)、可提供高達(dá)1A電流且效率超過90%的DC/DC轉(zhuǎn)換器塊，以及PMU控制狀態(tài)機(jī)。LDO可以針對多種性能參數(shù)作優(yōu)化，例如，敏感電路(如射頻收發(fā)器)需要的低輸出噪聲電源。其它庫元件包括上電復(fù)位電路、時鐘振蕩器、低功耗實時時鐘/日歷電路，以及I2C/SPI串行總線接口。
使用C050PMU工藝的設(shè)計者還可以使用該公司幾乎所有0.25um混合信號與模擬IP塊，包括先進(jìn)的音頻編解碼器、耳機(jī)與音箱放大器、麥克風(fēng)放大器、濾波器、ADC和DAC等。這對系統(tǒng)設(shè)計者非常重要，因為他們會希望在同一芯片中集成PMU和混合信號/模擬IP，例如，在手機(jī)或音樂播放機(jī)中將PMU與模擬基帶功能集成在一起。
未來發(fā)展趨勢
除了DVFS所需的片上性能監(jiān)控器以外，未來還將有越來越多的電源管理功能移至芯片上。例如在手機(jī)市場上，越來越多的附加功能采用SoC來實現(xiàn)，現(xiàn)在已經(jīng)有種需求是將每片SoC直接連接在公共的準(zhǔn)穩(wěn)壓電壓軌上，一般在1.8V左右。這樣就要求DVFS所需的可編程穩(wěn)壓器移至芯片上，而不是集成到一個獨立的PMU中。鑒于這一因素，飛利浦公司已經(jīng)開始遷移很多與PMU相關(guān)的IP，即從當(dāng)前的0.25um C050PMU工藝直接轉(zhuǎn)到深亞微米CMOS工藝技術(shù)。
在電池與這些SoC之間，只需要用一個高效率的DC/DC轉(zhuǎn)換器生成公共電源?，F(xiàn)有的DC/DC轉(zhuǎn)換器已經(jīng)能夠在所有負(fù)載條件下提供高于90%的效率。但是，要將它們做到小型化還有相當(dāng)多的工作要做。
現(xiàn)有的開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器最高工作頻率大約是2MHz，因此仍然要使用體積相對較大的電感器。正在開發(fā)中的新型轉(zhuǎn)換器工作頻率在10MHz以上，它可以使電感器體積減小到可以集成的程度，即使不是放在片上，也可以作為系統(tǒng)級封裝(SiP)PMU方案的一部分。還有一種很快就可能集成到PMU中的元件，即基準(zhǔn)電壓和LDO的輸出去耦電容。作為無源集成工具箱中的一部分，飛利浦已經(jīng)擁有一種工藝技術(shù)，能在硅片上實現(xiàn)高達(dá)230nF/mm2的電容密度，可以用于SiP方案的集成。
另外不要忘記，移動設(shè)備的液晶屏和背光照明功耗通常要占到總體的一半。新型顯示技術(shù)與相應(yīng)的PMU結(jié)合，也能在降低總體功耗方面扮演相當(dāng)重要的角色。
作者：Henk Derks
Ronald van Cleef
Reinier van der Lee
飛利浦半導(dǎo)體公司
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