功率管理从数字SoC设计开始

Power Management Starts with Digital SoC Design

说起集成电路时，我们经常谈到“混合信号”。混合信号已经是单片集成电路（IC）上最普通的数字与模拟应用。简而言之，混合信号通常是具有一定数字特色的模拟IC。也许这是模拟人士的观点——它也可以是具有一定模拟特色的数字芯片。在某些情况下，两种技术的确能相互配合达到提高系统性能的效果，但很少能达到最佳效果。然而，数字和模拟的结合为解决系统设计师所面临的最大挑战之一—功耗—铺平了道路。
在当今世界，能源保护是我们所有人必须了解和考虑的一大挑战。我们欢迎“能源之星”这个旨在改善电子产品功耗的计划，并感谢延长的的电池寿命为便携式器件所带来的好处，我们意识到数据通信基础设施和吉字节硬盘的功耗正在蚕食企业的利润。
然而，当我们了解了保护能源有多么重要时，为什么我们还看到设计工程师往往选择更便宜的电源设计而不是更有效的方案呢？答案就是当今电子设计更趋复杂，需要更多的电压，电源设备成本的上升，几乎迫使工程师对价格的考虑超过对性能的要求。
设计工程师考虑到总功耗成本十分重要。例如，利用高效率转换，是否可以缩小上游电源的规格和降低成本？较低功耗是否能够成为产品的一大卖点并因此获得益价？ 
对于大多数降压转换应用而言，如果设计师要求的输出电压小于输入电源电压的70%，并且被驱动器件的功耗超过总“平均”功耗的10%，那么设计师必须采用节能直流-直流开关式稳压器。如果输入电压-输出电压比大于70%，除非耗散功率超过封装的容量，否则使用直流-直流稳压器代替线性稳压器所获得的利益与额外的成本相比，没有什么价值。
现在, 半导体公司认识到从设计数字IC开始就需要优化功率管理。而在不久之前，功率管理等于散布在电路板周围、塞入某个遥远角落或者最好情况下集成到混合信号芯片上的稳压器。

图1  当添加功能到电子器件时散布稳压器导致拥挤的结果
最近，系统设计师认识到，不管稳压器的效率有多高，真正的节省机会是降低系统的绝对功耗。数字处理器制造商在提高处理能力的同时，已经面临降低功耗方面的巨大挑战，它们采用了非传统方法来实现该目标，例如在集成电路架构的前端部署功率管理专门技术。 
动态电压管理是最好的例子。利用数字处理器和稳压器或功率管理单元之间的串行接口，处理器可以根据必要的工作频率或速度控制所需的电源电压。稳压器通常是直流-直流转换器，它包含一组寄存器，电压范围是600mV~2.5V（小增量）。处理器需求变化时，可以基于稳压器查找表中的值调节处理器电压到尽可能低的水平。该方法已经在PC行业应用多年，目前在功耗要求甚至更为严格的其它市场，也正成为主流应用。
更高级的方法涉及将数字处理器划分成多个域，并独立改变每一个域的Vdd，在不需要某些域时，甚至可以关闭这些域的电源。好处是以增加一个稳压器达到显著省电的结果。

图 2  开环电压调整
这些技术有自身的局限。如图2所示，查找表取决于特性化处理器以及为处理过程、温度等提供的保护带，因此与给定处理器真正需要的Vdd相比，Vdd会增加50% ，从而浪费功率。
最佳的方法是将功率管理知识嵌入数字处理器及数字增强功率管理单元（也称为能量管理单元EMU）。一个例子是美国国家半导体公司开发的Powerwise技术。将硬件性能监视器（HPM）放到数字处理器上的结果是在特定的时间可以为该处理器提供最低的Vdd。通过利用实时信息而无需使用过程和温度保护带。由于该信息是由高级功率控制器（APC）经Powerwise接口（PWI）传送到EMU的，因此系统在完全闭环中工作，确保功耗限于所需要的功率，而非可供的功率。

图3  PowerWise 技术降低数字SoC的功耗
随着数字和模拟域之间的界限不断模糊，电子行业和终端用户均可从明显降低的功耗中获益。我们可以期待看到这些技术进一步融汇，提升每瓦处理能力。这将带领我们朝两个方向前进。一个方向是继续降低功耗，另外一个（更可能的）方向是使更多的特性能够集成到特定形状的器件中。
不断创新，为系统设计师提供更好的选件是半导体行业的责任。功率管理半导体行业已经认识到这一点，并已经从制造稳压器向生产功率管理器件（如PowerWise 技术）前进。当功率管理应用在SoC设计以及系统设计的前端时，诸如性能、特性、电池寿命和推广应用成本等因素均将给终端产品带来价值，功率将刺激和推动创新。 
系统设计师开始他们的设计工作时，必须考虑功率管理策略。尽管他们在早期设计阶段可能不知道确切的电压和电流，但他们必须知道能够规划出功率域，并且必须看到系统功率管理将产生最大利益之处。设计师埋头于设计过程时，仍然可以选择散布稳压器，但不管他们如何努力，他们也不会找到效率为400%的稳压器。尤为现实的是，当设计师将数字处理能力与数字增强功率管理器件能力相结合，降低所需要的功耗时，产品运行所产生的热量更少，电池可持续更长的时间，产品实现了差异化。