SoC芯片级功耗管理技术

转换中的问题

从相同的稳压器为每一不同的负载提供电流有很大的难度，而处理负载突然变化导致的瞬变会更加困难。快速满足新电流需求会导致增加新组件。Odabaee说：“在大功率系统中，您在稳压器上可能需要几种输出电容。稳压器自己的响应一般不足以满足高速负载瞬变。”

即使是在低功耗移动系统中，瞬变响应问题也会以奇怪的方式出现。Power Integrations公司的市场副总裁Doug Bailey从系统AC/DC转换器的角度看到了问题，不是在全功率工作时，而是在休眠时出现了问题。

Bailey说：“AC/DC转换器很难处理快速瞬变问题。主机侧控制器只检测到控制器发送脉冲时的负载，当负载较小时，这并不常出现。因此，如果负载迅速增大，那么，控制器无法跟上去。”Bailey补充说，设计人员可以通过增加真正的大电容来暂时掩盖这一问题。但是，大电解电容占的空间大，导致成本增加，带来可靠性问题，这些都不利于移动设备。

Bailey说：“更好的解决方案是慢慢增加负载。而目前的实际情况是，设计SoC的人员占主导地位，而设计电源的人员说了不算。”

这种分工并不总是能够很好的工作。Bailey引用了两个例子——这些都不仅涉及到大突发工作电流，而且，器件也会进入电池充电模式。在iPhone中，正如很多移动设备一样，系统SoC要处理大量的电池管理工作。当SoC确定需要对电池充电时，它将AC适配器的电流输出至电池仓。突然的瞬变会导致低成本适配器让电压暂时下降，使得SoC理解为电源失效，发出报警声。发出报警声后，用户会拿起他的iPhone，看到什么事情也没有发生，又想回去睡觉，只是有可能会做恶梦，关于苹果的恶梦。实际上，正是出于这一原因，苹果公司在AC适配器上有严格的电压稳压规范，但是，由于在SoC设计上要进行一些琐碎的决定，因此，公司没有在适配器上进行大量的投入。

三星Galaxy III智能电话也遇到了非常相似的情况，而且结果可能更令人烦恼。当用户插上电话后，系统SoC开始充电，一般会出现不受控的浪涌。这种瞬变导致SoC检测到充电失败，关断充电电路，而且不会通知用户。因此，用户进入甜美的梦乡，直到第二天早晨，被窗外的鸟儿吵醒，却发现放在床头柜上的电话根本就没有充电。

这些问题不仅仅出现在智能电话上。Bailey说：“最终，SoC产生的瞬变导致重新进行电源设计。”

即使电源管理电路中的稳压器能够保持出现的瞬变，系统设计人员还是没有完全解决这些问题。瞬变的幅度和速度会使得设计人员对电源进行全面的AC电路分析，包括，布板的杂散电容。这一般是SPICE的工作，电源设计人员通常转向采用Linear Technology公司的LTspice®软件，因为该公司提供稳压器器件模型库，以及电源设计人员友好的用户界面。

稳压器和SoC之间的走线阻抗等问题有可能成为很难解决的问题。如果SoC的电源管理设计产生较大的负载瞬变，可能会导致非常复杂的布板，或者昂贵的其他电路板层，如图2所示，对于电源系统设计人员，稳压器会处理瞬变。

除了稳压，还有信号完整性问题。供电电源线出现快速大电流瞬变，可能会成为耦合噪声的主要来源，这些噪声会影响电路板上的其他电源线，以及信号线。IC物理设计人员比较熟悉这类信号完整性分析，但是，对于大部分电路板设计人员而言，设计起来会有一定的难度。

图2.Stratix V开发板的第13层，显示了设计人员选择分配整个板层，将稳压器(右下侧)连接至VCC。很难有更好的解决方案来处理大电流瞬变

Odabaee强调说：“参考设计非常重要。我们这样的供应商通过查看设计来提供帮助。但是，设计一个50-Amp、0.9-V系统仍然需要很高的技巧。”Linear Technology公司合作伙伴解决方案经理Gerard Velcelean也同意这一观点：“老板让内部员工来处理这些问题。而小组人员如果不借助参考设计，很有可能会遇到问题。”

结论

现代SoC——无论是ASIC、ASSP还是FPGA，其隐含的一些技巧能够有效的降低能耗。但是，这些技巧越隐含，出现不良结果的风险就越大，这些结果可能会与系统使用模型冲突，使得电源设计更加复杂，或者不可预测的失效模式等。当然，SoC供应商会提供帮助。TI的Bittlestone说：“我们用了很多的逻辑门来实现电源管理系统的接口，以方便系统设计人员的使用。”但即使如此，更重要的是，SoC用户应采用参考设计，或者深入理解他们所遇到的问题。