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使用PMIC管理SoC的电源
使用PMIC管理SoC的电源
新技术和应用，加上更紧凑的封装和不断提高的连接性要求，共同推动了当前处理器及其电源系统的极限。这些处理器必须支持越来越多的音频，视频，高清（HD）图形，流媒体，游戏以及介于两者之间的所有内容的计算。随着内容的数量和质量的提高，在更少的空间中提供更高性能的需求也越来越高。这种用户驱动的方法将集成推到了最前沿，使其成为技术开发的限制因素。
在实现高性能同时降低成本方面的挑战导致工程师开发了片上系统（SoC）集成电路（IC）。这些解决方案将许多系统功能集成到IC中，从而降低了功耗，成本，工作量和技术知识。需要实现需要深厚专业知识的功能，例如视频和图形处理。以可口的成本实现高性能要求制造商以深亚微米（互补金属氧化物半导体（CMOS），≤16 / 14nm）工艺开发SoC。
此类SoC需要电源来提供高电流，这对于在高级亚微米CMOS工艺中实现而言可能是一个挑战。电源电路需要大型晶体管来处理大电流并承受高电压（相对于数字核心电压）。这些属性与数字电路中使用的晶体管的属性完全相反。因此，在与数字电路相同的管芯上实现电源在技术上具有挑战性（或不可能），并且这样做可能不经济。总的来说，这些不兼容性一直存在于IC设计中，但是随着现代处理器在不断缩小的CMOS工艺中实现，这些不兼容现象会加剧。
在这里，我们将通过NXP i.MX 8M处理器系列（微型和纳米）和ROHM BD71847 / BD71850来说明SoC电源管理集成电路（PMIC）代码设计的管理和优化。选择这些解决方案是因为它们的功能，低物料清单（BOM）成本和紧凑的占地面积相结合，使OEM可以快速开发和生产智能连接设备。
权衡与解决方案
SoC上更高的系统级电源集成带来了若干成本：
降低设计灵活性
次优系统效率
更高的开发成本和BOM成本
上市时间更长
这些折衷为构建现代处理器及其电源子系统提供了系统级创新的机会。
提高设计灵活性的方法
i.MX 8M / 8Mini / Nano没有集成的DC / DC转换器或低压差稳压器（LDO）。相似的SoC也没有集成DC / DC转换器，但是许多SoC使用片上LDO将较低的外部电源轨转换为处理器内核，从而对内核应用了动态电压和频率缩放（DVFS）。通过将DC / DC和LDO置于芯片外，SoC设计人员充分利用了昂贵的14nm硅封装，该封装针对数字功能进行了优化，例如处理器内核，缓存和音频/视频硬件加速器。不受片上电源管理要求的束缚，他们可以自由地制定（外部）电源架构，以促进而不是限制处理器的开发。i.MX 8M需要相当多的电源轨（8美元和7个LDO），这表明了这种自由。同时，ROHM PMIC设计人员以ROHM的130nm Bipolar-CMOS-DMOS（BCD）工艺实现了电源电路，该工艺针对电源管理功能进行了优化。每个团队都可以自由使用最合适的流程和IP来完成手头的任务。
提高系统效率的方法
在130nm BCD工艺中实现电源电路，可使BD71847AMWV / BD71850MWV（图1）降压，以在0.7V-3.3V输出电压下实现高达95％的效率。在系统级别，当使用外部DC / DC直接将DVFS应用于处理器内核时，效率会进一步提高。毕竟，使用带有片上LDO的外部DC / DC进行DVFS相当于两阶段转换，在第二阶段会产生额外的损耗。
一个经常被忽视的特性是输出电压的精度（+/- 1.5％）。在输出电压调整步骤（10mV步骤）中具有更高的分辨率，电源管理器软件可以将电源轨的输出电压精确地设置在最低水平，以最大程度地降低功耗，但仍允许由该电源轨供电的子系统以所需的频率。
降低开发和BOM成本的方法
随着市场不断增加新功能和/或减小产品尺寸和重量的压力，工程师们一直在努力寻找将更多功能集成到IC中并提高可靠性的方法。但是，更高的集成度也可能带来更高的开发成本和芯片成本。将SoC开发与电源管理脱钩，可以使每个人以自己的最佳速度进行。从设计，验证，IC布局到IC制造的整个过程中的每个步骤都更加简单快捷，极大地提高了拥有首次使用硅的机会。较低的（总）管芯成本来自在较便宜的（BCD）流程中实现电源功能。
与许多技术企业一样，上市时间至关重要。对于高度复杂的组件（例如应用程序处理器），将基本不兼容的技术（例如数字处理元件（CPU，硬件加速器）和电源管理）的开发分开，可以降低开发工作量和风险，从而缩短上市时间。
设计用于SoC的可编程PMIC的注意事项提供了用户体验和产品开发之间的权衡。恩智浦的8M / 8MM / Nano和罗姆半导体的847/850是高度工程化的产品，可在产品生命周期的两端实现成功。从流媒体盒和加密狗到AV接收机和无线条形音箱再到工业HMI，SBC，IPC和平板计算机，各种应用程序都使用这些组件来实现其强大的性能。半导体利用制造商友好的资产（如设计灵活性和上市时间）来优化用户关键的功能（性能和价格）。它们是面向市场的产品，展示了非集成组件的灵活性与高度集成的PMIC-SoC之间的关键平衡。