在當今M2M（機對機）連接整個世界的黃金時代，物聯(lián)網(wǎng)能夠指定無所不在的“智能物”，實現(xiàn)物與物、設(shè)備或與其他對象之間的連接。典型的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用為可穿戴式設(shè)備和智能家電。

 

隨著智能便攜設(shè)備的功能日益增多、尺寸愈來愈小，應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)級芯片(SoC)正面臨著指數(shù)復(fù)雜性、嚴峻的功耗（動態(tài)功耗和漏電）挑戰(zhàn)和低物料清單(BoM)成本的要求。服務(wù)于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的無晶圓廠設(shè)計公司正借助于各種技術(shù)以降低總體功耗，其中包括動態(tài)電壓頻率調(diào)節(jié) (DVFS)、多電壓電源域和狀態(tài)保持功能等。

 

實現(xiàn)超低功耗的關(guān)鍵在于，根據(jù)不同的電壓或電源域?qū)oC或子系統(tǒng)的架構(gòu)做出正確定義；同時借助電源管理網(wǎng)絡(luò)(PMNet)的集成，實現(xiàn)低功耗技術(shù)并降低物料清單(BoM)成本。

 

電源管理網(wǎng)絡(luò)(PMNet)包括所有的穩(wěn)壓元件（穩(wěn)壓器、無源濾波元件，電網(wǎng)及其寄生元件等物理網(wǎng)），上至電源、下至SoC或子系統(tǒng)的每一類負載/塊體所用到的元件。電源管理網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)針對SoC的每個負載都進行了自下而上的優(yōu)化，所采用的庫是是幾乎不可以重復(fù)使用的。有多少應(yīng)用，就可能有多少數(shù)量的電源管理網(wǎng)絡(luò)。因此，SoC集成器所面臨的主要挑戰(zhàn)之一就是依照每個應(yīng)用的要求，選擇相適應(yīng)的電源管理網(wǎng)絡(luò)(PMNet)架構(gòu)，同時嵌入合適的穩(wěn)壓器。

 

基于四個標準電壓電平的定義（進一步定義為配電接口）并依照每個應(yīng)用的要求，本文提出了一種創(chuàng)新方案，從而構(gòu)建最優(yōu)的電源管理網(wǎng)絡(luò)(PMNet)。最后，本文對該方案的優(yōu)勢進行了闡釋，穩(wěn)壓器的供應(yīng)商或者設(shè)計者、SoC集成器和系統(tǒng)制造商皆能從中受益。

 

 

一項復(fù)雜的SoC設(shè)計需要諸多定制穩(wěn)壓器，如果采用如此多的穩(wěn)壓器，將會增加設(shè)計或者采購成本，也會延長上市時間。而RPKL方案則與之不同，海豚集成推薦將該方案運用于SoC集成器，以便：

 

·通過設(shè)計或者獲取一套可重用組件，可以控制從庫交換格式凍結(jié)(LEF-freeze)到流片的交付時間，從而縮短產(chǎn)品上市周期。

 

·實現(xiàn)多種優(yōu)化（例如：高效率、低噪、低物料清單和低漏電等），針對每個標準采用經(jīng)過精簡的元件組。

 

·實行標準化的PMNet集成規(guī)則，以便PMNet能夠整合來自競爭對手和合作伙伴的集成器，同樣適用于無縫集成和裝配。

 

RPKL方案也引入了優(yōu)值(FoM)的概念，從而依照每個應(yīng)用的要求來選擇最優(yōu)的PMNet。對于不同的定制穩(wěn)壓器，用戶往往會進行性能上的比較；對于PMNet，用戶往往不清楚如何進行整體上的比較。最重要的是，應(yīng)用常常是針對于不同優(yōu)化之間的特定權(quán)衡：比如低功耗、低物料清單或者低噪。借助共同的優(yōu)值(FoM)，用戶則可以從諸多選擇中選擇最佳的PMNet。

 

優(yōu)值(FoM，越低越好) 是任意函數(shù)關(guān)于各種參數(shù)的分配權(quán)重，用以優(yōu)化各種性能。SoC集成器僅需在以下要素之間實現(xiàn)性能的權(quán)衡：面積、BoM、漏電和動態(tài)功耗等。

 

采用FoM進行PMNet基準測試的這一案例將在本文后續(xù)部分進行分析。

 

 

為了定義具備可重用性和靈活性的集成器，十分有必要采用預(yù)先定義的標準化配電接口(IDP)。通過該接口，電力能夠分配到不同的電源島或者負載。一對一的連接則為供電接口(IAP)。

 

一旦對配電接口做出了定義，就可以劃分上游和下游穩(wěn)壓器的穩(wěn)壓限制。配電接口電平是由限制電壓范圍和最大噪聲頻譜所定義的，下游穩(wěn)壓器及其負載則能夠承受該頻譜。如圖表1所示，上游穩(wěn)壓器直接同電源（鋰離子電池或USB 5伏）相連接，故而需要高電壓保護；而下游穩(wěn)壓器則與負載相連接，可以進行優(yōu)化以滿足每個負載或電源域的要求（例如射頻或模擬塊的低漏電和低噪音等）。同時也可以滿足以下要素之間的權(quán)衡：更高的轉(zhuǎn)換效率、面積、物料清單(BoM)和具備多個電源域的SoC對抗噪度的需求。

 

對這些配電接口(IDP)所下的定義是實現(xiàn)RPKL方案的必要條件，因為有助于構(gòu)建可重復(fù)使用的穩(wěn)壓器，有助于實現(xiàn)與內(nèi)部或第三方穩(wěn)壓器的平穩(wěn)結(jié)合。

圖1：借助配電接口(IDP)實現(xiàn)上下游穩(wěn)壓器的分離

 

 

在對各類物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用（如智能電表、智能卡、智能手機、智能玻璃、平板電腦和智能手表）進行過大量的框圖分析之后，其中規(guī)格為180納米至28納米，可以得出結(jié)論：最少需要4個不同的配電接口電壓來構(gòu)建一個RPKL。

 

如圖表2所示，工藝節(jié)點為180納米至40納米，電壓分別為1.2伏、1.8伏、2.5伏和3.3伏。對于28納米和16納米而言，需要4個電壓電平不同的配電接口。通過這些配電接口，為穩(wěn)壓器輸入和輸出電壓設(shè)立了標準。

 

 

·系統(tǒng)常用電壓、電源輸入/輸出和外圍設(shè)備的工藝節(jié)點為180納米，90納米，65納米，40納米及以下

 

·沒有高于3.3伏(+/- 10%) 、低至40納米的配電接口(IDP)避免為下游穩(wěn)壓器提供高電壓保護，從而實現(xiàn)硅面積的最小化

 

·基于這些配電接口，而非具有不同互聯(lián)電壓的定制穩(wěn)壓器，可以實現(xiàn)穩(wěn)壓器的整體優(yōu)化

 

·增添一個IDP不能為PMNet帶來更佳的整體優(yōu)化，但是會給RPKL增加多余的穩(wěn)壓元件

圖2：每個技術(shù)工藝的配電接口(IDP)電壓電平

 

借助RPKL與標準配電接口(IDP)實現(xiàn)系統(tǒng)級芯片(SoC)的整體優(yōu)化

 

以一款智能手表應(yīng)用的案例（如圖表3所示的簡化框圖）來說明RPKL（基于所定義的4個IDP）和定制穩(wěn)壓器（即CPKL定制電源套件庫，電壓電平為1.4伏，以便對穩(wěn)壓器進行級聯(lián)）之間的不同。

 

假定SoC在99%的使用時間內(nèi)都處于待機模式（只有持續(xù)運行塊(always-on block)處于工作狀態(tài)）。為了將平均功耗和硅面積降至最低，可以采用簡化的FoM，即平均功耗和嵌入式穩(wěn)壓器硅面積的乘積。（FoM=毫瓦小時*平方毫米）。在兩個案例當中,假定開關(guān)穩(wěn)壓器(SR)的功率效率皆為80%。

圖3：對具備與不具備標準IDP的PMNet架構(gòu)所進行的比較

表1就以下要素總結(jié)了兩個案例所存在的性能差別：物料清單(BoM)、硅面積、功耗和FoM值。

表1：兩個案例的FoM對比

 

借助FoM，RPKL方案給出了功耗和硅面積之間的最佳權(quán)衡。與CPKL解決方案相比，RPKL方案大大縮減了面積，減少了平均功耗和物料清單(BoM)（元件數(shù)量與封裝引腳數(shù)）。

 

這一案例可以說明，借助經(jīng)過定義的IDP并基于每個應(yīng)用的要求，RPKL方案對SoC而言極具優(yōu)勢；此外也可以說明，有必要在優(yōu)化PMNet的過程中同時納入多個標準。

 

 

作為標準單元庫，IDP由10％的精度范圍所定義。雖然可能看似微不足道，但是10％的精度范圍能夠?qū)崿F(xiàn)以下預(yù)算：

 

·對于穩(wěn)壓器輸出電壓，標準“直流(DC)精度”為3％，以下要素考慮在內(nèi)：工藝－電壓－溫度(PVT)的變化，負載穩(wěn)壓和線性穩(wěn)壓

 

·標準的“模式轉(zhuǎn)換（MT）精度”為4％，其中包括負載瞬態(tài)和輸出紋波所造成的干擾

 

·關(guān)于SoC集成預(yù)算，標準“最低IR壓降(IR Drop)”為3%：

 

在一般情況下，穩(wěn)壓器的最低壓降為0.2伏；

 

在布局與布線（P＆R）位于電源和上游穩(wěn)壓器、或者上下游穩(wěn)壓器之間的情況下，IR壓降(IR Drop)的預(yù)算至少為3％。SoC集成器可以在一定程度上自由定義所能接受的路由長度和寬度，而不會損耗最終系統(tǒng)的性能，這取決于該接口的電流/電壓特性和路由的寄生電阻。

 

借助這些預(yù)算所取得的主要突破有：

 

·借由標準直流(DC)和模式轉(zhuǎn)換（MT）的精度，能夠促進上下游穩(wěn)壓元件與內(nèi)部或第三方穩(wěn)壓元件之間的結(jié)合，以及/或者SoC的內(nèi)部或外部負載。

 

·IR壓降(IR Drop)預(yù)算的標準容差能夠減少前端設(shè)計和后端P＆R之間的迭代。

 

完整的電源管理方案，RPKL穩(wěn)壓元件以及更多

 

基于RPKL方案，海豚集成推出了DELTA穩(wěn)壓元件庫，如圖表5所示，該庫由電池管理組件、開關(guān)穩(wěn)壓器和線性穩(wěn)壓器所組成。就每個穩(wěn)壓元件而言，可以為系統(tǒng)級驗證提供先進的視圖（仿真模型），從而將性能下降的風(fēng)險降至最小化，該風(fēng)險源于SoC運行模式的過渡和通過PMNet所傳播的各類噪聲。

圖4：DELTA穩(wěn)壓元件產(chǎn)品

 

除了能夠構(gòu)建最優(yōu)的PMNet、降低SoC功耗的DELTA產(chǎn)品之外，海豚集成還提供了超低漏電存儲器（漏電降幅達1000倍）和超低漏電標準單元庫（降幅達750倍），能夠直接與電池相連，從而滿足SoC在漏電方面的要求。

 

 

本文闡釋了可重復(fù)使用的電源套件方案以及運用于電源分配的四個預(yù)定義電壓電平的必要性和優(yōu)勢。這四個IDP和電壓精度，有助于設(shè)置穩(wěn)壓元件的直流精度、SoC的IR壓降(IR Drop)預(yù)算和交流容差， 原因在于PMNet的模式轉(zhuǎn)換。

 

海豚集成與您分享七大規(guī)則（見圖表5），這也是DELTA產(chǎn)品所遵循的規(guī)則。

圖5：DELTA標準的七大規(guī)則

 

在七大規(guī)則的指導(dǎo)下，PMNet解決方案能夠在最大程度上縮短上市時間（借助可重復(fù)使用的元件），實現(xiàn)不同優(yōu)化標準之間的最佳權(quán)衡（借助FoM和標準化的分級裝配規(guī)則）和最佳系統(tǒng)級風(fēng)險管理（借助高級視圖和EDA驗證）。

 

遵循這些規(guī)則，任何一款穩(wěn)壓器都可以成為強大的PMNet解決方案的一部分并且受益其中（詳見圖表6的總結(jié)），從而達到投資回報的極致。

圖6：完整的PMNet解決方案