使用(yòng)PMIC管理(lǐ)SoC的電(diàn)源

2021-05-19

使用(yòng)PMIC管理(lǐ)SoC的電(diàn)源

新(xīn)技术和应用(yòng)，加上更紧凑的封装和不断提高的连接性要求，共同推动了当前处理(lǐ)器及其電(diàn)源系统的极限。这些处理(lǐ)器必须支持越来越多(duō)的音频，视频，高清（HD）图形，流媒體(tǐ)，游戏以及介于两者之间的所有(yǒu)内容的计算。随着内容的数量和质量的提高，在更少的空间中提供更高性能(néng)的需求也越来越高。这种用(yòng)户驱动的方法将集成推到了最前沿，使其成為(wèi)技术开发的限制因素。

在实现高性能(néng)同时降低成本方面的挑战导致工程师开发了片上系统（SoC）集成電(diàn)路（IC）。这些解决方案将许多(duō)系统功能(néng)集成到IC中，从而降低了功耗，成本，工作量和技术知识。需要实现需要深厚专业知识的功能(néng)，例如视频和图形处理(lǐ)。以可(kě)口的成本实现高性能(néng)要求制造商(shāng)以深亚微米（互补金属氧化物(wù)半导體(tǐ)（CMOS），≤16 / 14nm）工艺开发SoC。

此类SoC需要電(diàn)源来提供高電(diàn)流，这对于在高级亚微米CMOS工艺中实现而言可(kě)能(néng)是一个挑战。電(diàn)源電(diàn)路需要大型晶體(tǐ)管来处理(lǐ)大電(diàn)流并承受高電(diàn)压（相对于数字核心電(diàn)压）。这些属性与数字電(diàn)路中使用(yòng)的晶體(tǐ)管的属性完全相反。因此，在与数字電(diàn)路相同的管芯上实现電(diàn)源在技术上具有(yǒu)挑战性（或不可(kě)能(néng)），并且这样做可(kě)能(néng)不经济。总的来说，这些不兼容性一直存在于IC设计中，但是随着现代处理(lǐ)器在不断缩小(xiǎo)的CMOS工艺中实现，这些不兼容现象会加剧。

在这里，我们将通过NXP i.MX 8M处理(lǐ)器系列（微型和纳米）和ROHM BD71847 / BD71850来说明SoC電(diàn)源管理(lǐ)集成電(diàn)路（PMIC）代码设计的管理(lǐ)和优化。选择这些解决方案是因為(wèi)它们的功能(néng)，低物(wù)料清单（BOM）成本和紧凑的占地面积相结合，使OEM可(kě)以快速开发和生产智能(néng)连接设备。

权衡与解决方案

SoC上更高的系统级電(diàn)源集成带来了若干成本：

降低设计灵活性

次优系统效率

更高的开发成本和BOM成本

上市时间更長(cháng) 

这些折衷為(wèi)构建现代处理(lǐ)器及其電(diàn)源子系统提供了系统级创新(xīn)的机会。

提高设计灵活性的方法

i.MX 8M / 8Mini / Nano没有(yǒu)集成的DC / DC转换器或低压差稳压器（LDO）。相似的SoC也没有(yǒu)集成DC / DC转换器，但是许多(duō)SoC使用(yòng)片上LDO将较低的外部電(diàn)源轨转换為(wèi)处理(lǐ)器内核，从而对内核应用(yòng)了动态電(diàn)压和频率缩放（DVFS）。通过将DC / DC和LDO置于芯片外，SoC设计人员充分(fēn)利用(yòng)了昂贵的14nm硅封装，该封装针对数字功能(néng)进行了优化，例如处理(lǐ)器内核，缓存和音频/视频硬件加速器。不受片上電(diàn)源管理(lǐ)要求的束缚，他(tā)们可(kě)以自由地制定（外部）電(diàn)源架构，以促进而不是限制处理(lǐ)器的开发。i.MX 8M需要相当多(duō)的電(diàn)源轨（8美元和7个LDO），这表明了这种自由。同时，ROHM PMIC设计人员以ROHM的130nm Bipolar-CMOS-DMOS（BCD）工艺实现了電(diàn)源電(diàn)路，该工艺针对電(diàn)源管理(lǐ)功能(néng)进行了优化。每个团队都可(kě)以自由使用(yòng)最合适的流程和IP来完成手头的任務(wù)。

提高系统效率的方法

在130nm BCD工艺中实现電(diàn)源電(diàn)路，可(kě)使BD71847AMWV / BD71850MWV（图1）降压，以在0.7V-3.3V输出電(diàn)压下实现高达95％的效率。在系统级别，当使用(yòng)外部DC / DC直接将DVFS应用(yòng)于处理(lǐ)器内核时，效率会进一步提高。毕竟，使用(yòng)带有(yǒu)片上LDO的外部DC / DC进行DVFS相当于两阶段转换，在第二阶段会产生额外的损耗。

一个经常被忽视的特性是输出電(diàn)压的精度（+/- 1.5％）。在输出電(diàn)压调整步骤（10mV步骤）中具有(yǒu)更高的分(fēn)辨率，電(diàn)源管理(lǐ)器软件可(kě)以将電(diàn)源轨的输出電(diàn)压精确地设置在最低水平，以最大程度地降低功耗，但仍允许由该電(diàn)源轨供電(diàn)的子系统以所需的频率。

降低开发和BOM成本的方法

随着市场不断增加新(xīn)功能(néng)和/或减小(xiǎo)产品尺寸和重量的压力，工程师们一直在努力寻找将更多(duō)功能(néng)集成到IC中并提高可(kě)靠性的方法。但是，更高的集成度也可(kě)能(néng)带来更高的开发成本和芯片成本。将SoC开发与電(diàn)源管理(lǐ)脱钩，可(kě)以使每个人以自己的最佳速度进行。从设计，验证，IC布局到IC制造的整个过程中的每个步骤都更加简单快捷，极大地提高了拥有(yǒu)首次使用(yòng)硅的机会。较低的（总）管芯成本来自在较便宜的（BCD）流程中实现電(diàn)源功能(néng)。

与许多(duō)技术企业一样，上市时间至关重要。对于高度复杂的组件（例如应用(yòng)程序处理(lǐ)器），将基本不兼容的技术（例如数字处理(lǐ)元件（CPU，硬件加速器）和電(diàn)源管理(lǐ)）的开发分(fēn)开，可(kě)以降低开发工作量和风险，从而缩短上市时间。

设计用(yòng)于SoC的可(kě)编程PMIC的注意事项提供了用(yòng)户體(tǐ)验和产品开发之间的权衡。恩智浦的8M / 8MM / Nano和罗姆半导體(tǐ)的847/850是高度工程化的产品，可(kě)在产品生命周期的两端实现成功。从流媒體(tǐ)盒和加密狗到AV接收机和无線(xiàn)条形音箱再到工业HMI，SBC，IPC和平板计算机，各种应用(yòng)程序都使用(yòng)这些组件来实现其强大的性能(néng)。半导體(tǐ)利用(yòng)制造商(shāng)友好的资产（如设计灵活性和上市时间）来优化用(yòng)户关键的功能(néng)（性能(néng)和价格）。它们是面向市场的产品，展示了非集成组件的灵活性与高度集成的PMIC-SoC之间的关键平衡。