SoC芯片級功耗管理技術

轉換中的問題

從相同的穩壓器為每一不同的負載提供電流有很大的難度，而處理負載突然變化導致的瞬變會更加困難?？焖贊M足新電流需求會導致增加新組件。Odabaee說：“在大功率系統中，您在穩壓器上可能需要幾種輸出電容。穩壓器自己的響應一般不足以滿足高速負載瞬變。”

即使是在低功耗移動系統中，瞬變響應問題也會以奇怪的方式出現。Power Integrations公司的市場副總裁Doug Bailey從系統AC/DC轉換器的角度看到了問題，不是在全功率工作時，而是在休眠時出現了問題。

Bailey說：“AC/DC轉換器很難處理快速瞬變問題。主機側控制器只檢測到控制器發送脈沖時的負載，當負載較小時，這并不常出現。因此，如果負載迅速增大，那么，控制器無法跟上去。”Bailey補充說，設計人員可以通過增加真正的大電容來暫時掩蓋這一問題。但是，大電解電容占的空間大，導致成本增加，帶來可靠性問題，這些都不利于移動設備。

Bailey說：“更好的解決方案是慢慢增加負載。而目前的實際情況是，設計SoC的人員占主導地位，而設計電源的人員說了不算。”

這種分工并不總是能夠很好的工作。Bailey引用了兩個例子——這些都不僅涉及到大突發工作電流，而且，器件也會進入電池充電模式。在iPhone中，正如很多移動設備一樣，系統SoC要處理大量的電池管理工作。當SoC確定需要對電池充電時，它將AC適配器的電流輸出至電池倉。突然的瞬變會導致低成本適配器讓電壓暫時下降，使得SoC理解為電源失效，發出報警聲。發出報警聲后，用戶會拿起他的iPhone，看到什么事情也沒有發生，又想回去睡覺，只是有可能會做惡夢，關于蘋果的惡夢。實際上，正是出于這一原因，蘋果公司在AC適配器上有嚴格的電壓穩壓規范，但是，由于在SoC設計上要進行一些瑣碎的決定，因此，公司沒有在適配器上進行大量的投入。

三星Galaxy III智能電話也遇到了非常相似的情況，而且結果可能更令人煩惱。當用戶插上電話后，系統SoC開始充電，一般會出現不受控的浪涌。這種瞬變導致SoC檢測到充電失敗，關斷充電電路，而且不會通知用戶。因此，用戶進入甜美的夢鄉，直到第二天早晨，被窗外的鳥兒吵醒，卻發現放在床頭柜上的電話根本就沒有充電。

這些問題不僅僅出現在智能電話上。Bailey說：“最終，SoC產生的瞬變導致重新進行電源設計。”

即使電源管理電路中的穩壓器能夠保持出現的瞬變，系統設計人員還是沒有完全解決這些問題。瞬變的幅度和速度會使得設計人員對電源進行全面的AC電路分析，包括，布板的雜散電容。這一般是SPICE的工作，電源設計人員通常轉向采用Linear Technology公司的LTspice®軟件，因為該公司提供穩壓器器件模型庫，以及電源設計人員友好的用戶界面。

穩壓器和SoC之間的走線阻抗等問題有可能成為很難解決的問題。如果SoC的電源管理設計產生較大的負載瞬變，可能會導致非常復雜的布板，或者昂貴的其他電路板層，如圖2所示，對于電源系統設計人員，穩壓器會處理瞬變。

除了穩壓，還有信號完整性問題。供電電源線出現快速大電流瞬變，可能會成為耦合噪聲的主要來源，這些噪聲會影響電路板上的其他電源線，以及信號線。IC物理設計人員比較熟悉這類信號完整性分析，但是，對于大部分電路板設計人員而言，設計起來會有一定的難度。

圖2.Stratix V開發板的第13層，顯示了設計人員選擇分配整個板層，將穩壓器(右下側)連接至VCC。很難有更好的解決方案來處理大電流瞬變

Odabaee強調說：“參考設計非常重要。我們這樣的供應商通過查看設計來提供幫助。但是，設計一個50-Amp、0.9-V系統仍然需要很高的技巧。”Linear Technology公司合作伙伴解決方案經理Gerard Velcelean也同意這一觀點：“老板讓內部員工來處理這些問題。而小組人員如果不借助參考設計，很有可能會遇到問題。”

結論

現代SoC——無論是ASIC、ASSP還是FPGA，其隱含的一些技巧能夠有效的降低能耗。但是，這些技巧越隱含，出現不良結果的風險就越大，這些結果可能會與系統使用模型沖突，使得電源設計更加復雜，或者不可預測的失效模式等。當然，SoC供應商會提供幫助。TI的Bittlestone說：“我們用了很多的邏輯門來實現電源管理系統的接口，以方便系統設計人員的使用。”但即使如此，更重要的是，SoC用戶應采用參考設計，或者深入理解他們所遇到的問題。