具有多域自適應電壓調節功能的下一代SoC電源管理

作者：Juha Pennanen，美國國家半導體公司 

　　轉換效率和調節質量這兩方面的要求推動著電源管理從最初的LDO發展到今天效率超過90%的高精度、多模式DC/DC轉換器。由于穩壓器的效率已經達到了極限，現在的研究已經轉向如何優化系統的效率，以滿足電池供電和能量限制的便攜設備的要求。在這種設備中，總能量的30% ~ 50%會被數字處理器消耗。最近的工業經驗顯示，簡單地使用最新的半導體工藝并不能保證低功耗性能，除非從一開始就考慮電源管理的問題。動態電壓和頻率調節(DVFS)技術與數字SoC有源和無源漏電管理技術，特別是與精心設計的電源管理架構一起使用時，這些技術能顯著降低SoC的功耗。本文將分析如何使用先進電源控制程序(APC)在SoC上實現DVFS。

　　APC的功能

　　APC能提供兩個軟IP版本：APC1和APC2。APC1用于只有一個可控電壓區域的簡單SoC。APC1支持與PowerWise接口(PWI)1.0兼容的點對點接口，用來連接外部的PMIC。APC2支持多個并行的電壓和時鐘區域，可對更復雜的SoC進行功耗管理。此外，APC2能在一個共享的電壓范圍內控制多個獨立時鐘。甚至在出于系統規模和成本的考慮，僅使用少量外部整 
流器的情況下，APC2也能實現低功耗運行。PWI 2.0總線接口允許APC2與多個周邊甚至另一個SoC相連。

　　帶有APC的系統架構

　　圖1示出了一個使用APC2的雙電壓域SoC和系統架構。SoC中包括兩個分別被稱為“硬件加速器”和“CPU”的電壓控制域中的邏輯模塊。從DVFS來看，任何數字功能都可以在這些域中實現。每個電壓域都有一個用于AVS控制的硬件性能監控器(HPM)。如果電壓域的面積過大，或在其中需要進行大量瞬態的邏輯跳變，可以使用多個HPM和多個時鐘域。

　　APC2模塊中示出了APC的4個主要功能模塊：1. 控制邏輯模塊提供主機接口，CMU接口和中斷管理服務；2. 環路控制器在AVS模式下管理電壓調節，當實現多個電壓域時，APC2可有多個環路控制器；3. 為DVS支持提供每個電壓域的頻率/電壓表；4. PWI2.0主接口將SoC與PMIC和其它外設相連。

 
　　帶APC的DVFS操作

　　APC能在DVS和AVS兩種模式下實現DVFS操作。在DVS模式中，APC根據來自CMU的頻率請求，從內部的DVS表中取出相應的電壓值，并傳送給PMIC。使用一個定時器來延遲CMU對于頻率的確認，直到電壓穩定為止。圖1中的藍線示出了AVS工作模式。當CMU為一個DVFS域請求一個新的頻率，并為該域設定一個新的HPM時鐘時，AVS的頻率就開始變化。隨后APC環路控制器使用HPM數據來確定所需的頻率調節。它反復調節電源電壓，直到能滿足新頻率的要求。這一過程聽起來雖然比較復雜，但是能夠帶來補償工藝和溫度波動、時鐘頻率變化、靜態IR下降和PMIC整流器偏移等優點。與電壓固定的系統相比，使用APC2在AVS模式下實現DVFS最多能降低70%的功耗。