电源管理技术是所有电子设备系统的必要组成单元。当来自能量源(如交流电源、太阳能电池板、燃料电池)的能量转化为负载时,电源管理功能必须要精确控制电压和电流强度。由于市场上对于转换效率和调节品质这两方面功能具有强烈要求,因此这两方面的发展也推动着电源管理技术的持续进步,像是从最初的LDO,逐步发展到现今效率超过90%的高精度、多模式DCDC转换器。
数位处理器的电源管理技术演化史
由于稳压器的效率发展已遇到了瓶颈,使得目前的技术研究主题已转为如何改善系统的效率,以满足可携式电子设备在透过电池供电时有能源限制的严苛要求。
在一般可携式设备中,总能量的30%到50%会被数位处理器消耗掉。通常数位电路系统必须靠半导体制程技术的稳定提升来解决功耗的问题。但采用最新的制程结点,会带来高昂成本,以及复杂的设计、验证和制造过程,反而限制了它的应用范围。
近来的业界经验显示,除非在一开始就考虑电源管理设计的问题,否则只是单纯采用最新的半导体制程,并不能保证就一定具有低功耗效能。
本文将介绍另一种获得电源效能,在可被接受的水准范围内补充性的方法,也就是利用动态电压,频率调节(DVFS)和数位SoC的主动和被动漏电管理技术,这种方法在某些时候甚至是一种可供选择的有效方案。尤其当与精心设计的电源管理架构一起使用的时候,这种技术能够明显降低SoC的功耗。本文将深入分析,如何透过美国国家半导体的先进电源控制程式(APC),在最新的SoC上实现先进的DVFS技术。
数位IC的功耗
以下列出了数位CMOS逻辑电路的动态和静态功耗的基本方程式︰
以上的方程式是假设轨对轨讯号摆幅于CMOS IC内部。
先进的电源控制程式,能够透过对电源电压和泄漏电流进行动态或静态的管理来改善功率耗损量。动态电压调节(DVS)和更先进的自适应电压调节(AVS),这两种不同的技术都能被用来管理电源电压。如果使用功耗控制和反向偏压(或称之为阀值调整)技术,就能对泄漏电流进行主动管理,而使用多阀值逻辑库或简单地选用低泄漏电流的半导体制程,可以对泄漏电流进行被动性的管理。
APC能够与动态频率管理一起使用。当APC中不包含频率选择的运算法时,控制器中会内建与SoC时脉管理单元(CMU)的介面,来执行可调变式的工作频率。频率控制运算法,如ARM的智慧型能源管理技术,和具有自有的频率选择方法都能够与APC一起使用。
先进的电源控制程式功能
APC能够提供两种软体IP版本︰APC1和APC2。 APC1适用于只有一个可控性电压域的简单型SoC。 APC1支援与PowerWise(PWI)1.0相容的点对点介面,用来连接外部的PMIC。
APC2透过支援多个串行的电压和时脉域,能够对更复杂的SoC进行能源管理。此外APC2所具备的,可以在一个共享的电压范围内控制多个独立时脉的特殊能力也十分重要。甚至出于系统规模和成本的考虑,仅能使用少量外部整流器的情况下,它也能实现低功耗运作。 PWI 2.0汇流排介面允许APC2与多个周边甚至另一个SoC相连。
(表一)概括了APC1和APC2的特性。
(表一) APC1 和APC2主要特性比较特性
特性 |
APC1 |
APC2 |
PMIC 介面 |
PowerWise 介面 1.0 |
PowerWise 介面 2.0 |
多 周边 |
否 |
是 |
可控 性 电压 域 的数量 |
1 |
1-4 |
每个电压域内的可控性频率域的数量 |
1 |
1-4 |
每个时脉域内 HPM 的数量 |
1 |
1-4 |
所支援的频率级 |
8 + 时脉停止 |
8 + 时脉停止 |
支援电压域的开关 |
是 |
是 |
支援 AVS |
是 |
是 |
支援 DVD |
是 |
是 |
泄漏电流管理︰ 反向偏置稳压器控制
|
是 在 PC 上 |
是 在 PC 或 MaC 上 |
泄漏电流管理︰支援多阀值 |
是 |
是 |
规模(与 NAND2 等效的门限) |
11k 左右 |
高达 22k ,仰赖于 Soc 的配置 |
设有先进电源控制程式的系统架构
(图一)显示了一个使用APC2的双电压域SoC和系统架构。 SoC中包括两个分别被称为「硬体加速器」和「CPU」的电压控制域中的逻辑模组。从DVFS的观点来看,任何数位功能都可以在这些时域中执行。在每个时域中,都显示了一个用于AVS控制的硬体性能监控器(HPM)。如果电压域的面积过大,或在其中需要进行大量暂态的逻辑跳变,可以使用多个HPM和多个时脉域。时脉管理单元为电压域和HPM提供时脉讯号。
从图一中可看出,APC2的模组中显示了APC的四个主要功能模组,包括︰控制逻辑模组提供主机介面(AMBA-APB),CMU介面和中断管理服务等。回路控制器在AVS模式下管理电压调节。 APC2能有多个回路控制器,来实现多个电压域,并可为DVS支援提供每个电压域的频率电压表。
PWI 2.0主介面将SoC与PMIC和其他外设相连。 PMIC内部是PWI 2.0介面逻辑和多种PWI控制的标准稳压器和AVS稳压器。后者是专门用来设计于工作在全闭回路AVS模式下的。至于其他功能,像音效或电池充电,也能整合在PMIC上。
APC执行DVFS操作
APC能在两种模式下执行DVFS操作︰DVS和AVS模式。在DVS模式中,APC根据来自CMU的频率请求,从其内部的DVS表中取出相应的电压值,并将它传送给PMIC。使用一个定时器来延迟CMU对于频率的确认,直到电压稳定为止。
图一中的蓝线显示了PowerWise的AVS工作模式。当CMU为一个DVFS时域要求一个新的频率,并为该时域设定一个新的HPM时脉时,在AVS下的频率就会开始变化。随后APC回路控制器会使用HPM的数据来确定过程中所需的频率调节。它将反覆的调节电源电压,直到能够满足新频率的要求为止。
这个过程听起来虽然比较复杂,但是能够带来补偿流程和温度的波动、时脉频率的变化、静态IR的下降和PMIC整流器的偏移等诸多优点。与固定电压的系统相比,使用APC2在AVS模式下执行DVFS最多能够降低70%的功耗。
APC1和APC2都是在可编程式的硬体中执行电压控制运算法。其最大优点是电压控制可以独立于软体和其所使用的平台之外,因而大幅地简化了系统整合。最重要的是,APC的编程和配置能力使其能够作为一种全面量身订制的设计,适应类似设计架构的灵活性,并且其设计时间、风险和所需的资源都比其他的执行方法要少很多。
---作者任职于NS美国国家半导体---
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