SoC电源管理中调节器面临的命运

越来越复杂的SoC在一个管芯中集成很多系统组件 ，这在总体上简化了系统设计人员的工作。但是这些芯片也导致电源供电子系统越来越复杂。以前从供电连接器到IC连接Vcc的布线是非常简单的任务，而现在却成为与系统中其他部分一样复杂的有源网络设计。

SoC的供电要求越来越高，使得这种设计也越来越复杂。好在设计人员可以选择在电路板级来处理这些任务，SoC开发人员希望将电源网络组件置入到芯片中以期有所帮助。但是最终，电源设计人员仍然要做出一些很难的决定。在决定之前，他们要进行一些模拟电路仿真工作。

不断增长的需求

集成是有成本的。 SoC设计人员在其图纸上画出各种电路，这类电路都有自己的电压、噪声、排序和瞬变响应要求。移植到尺寸更小的电路上不但能够实现集成，而且还降低了供电电压。这一发展趋势也同时增大了峰值工作电流、缩小了噪声余量，使得动态电源管理越来越复杂。

复杂度的提高最明显的结果就是SoC使用的外部电源数量迅速增加 ( 图1 ) 。例如，一片高端FPGA会有15条外部驱动的电源轨。它们都连到哪里?

图1. 一片现代SoC需要很多不同的供电线路，每条线路都有自己的稳压和调理要求。

答案之一是不同的电压需求。在FinFET工艺出现之前 ， 内核逻辑供电电压一直在大幅度降低 ， 但在1V附近却停滞不前。而其他类电路在这方面远远落在了后面。按照工业标准， I/O单元只能使用特定的供电电压。SRAM单元需要的电压要比逻辑级稍高一些，以保证可靠的全速工作，待机时的电压要低很多。高精度模拟电路希望有较高的电压以降低抖动，提高噪声余量。这些各种各样的需求导致供电线路数量的急剧增长。

但是 ， 电压数量还不是唯一的问题。某些SoC电路——特别是低噪声放大器、锁相环(PLL) ，以及物理接口等都有非常严格的供电噪声限值。即使电压相同，这些需求也导致电路无法共享同一条噪声源供电线路，例如，数字逻辑或者大电流I/O单元等。因此，需要增加低噪声电源。

非常有意思的是，增加供电线路的另一需求是来自电源管理。数字设计人员越来越多的采用了动态低功耗技术——例如，精细粒度时钟选通、随时供电选通和电压调整等，使用这类技术的电路对其供电线路瞬变响应的要求特别高。负载在微秒甚至更小的量级上变化。为能够响应来自SoC的命令，电压应不断变化。这些负载实际上可以采用不同的恒定电压源或者噪声敏感电压源。

排序也需要单独的供电线路(图2) 。在很多SoC中，对上电顺序有要求——在某些情况下，对关电顺序也有要求。这种时序要求使得电路提供不同的供电线路，不然可以共享一个电源。

图2. 正如这一FPGA所示，复杂的SoC上众多的电源线，通常都有严格的上电排序要求。

找到策略

系统设计人员会面对SoC上大量不同的电源线 ， 遇到棘手的问题。据Altera公司电源业务部研究员兼首席技术官Ashraf Lotfi，解决方法一般是采用某种分布式电源网络。

“一般而言，您会看到在电路板上有体积较大的调节器，对系统的12 V或者24 V进行降压，将其分配给每一个负载点调节器。为满足各种需求，您通常都会针对每一电源线提供负载点供电。 ”

由于电源线数量的快速增长，每一新设计都要求进行分析， 以减少调节器的数量。一块电路板上15条电源线还不够理想。因此，设计人员需要解决一些关键问题。在这种特殊的实现中，这些电源线的电压、噪声和排序要求能够支持它们共享一个调节器吗? 如果不能，是否可以采用一条电源线，以稍微不同的电压运行，从而共享调节器——即使是以稍高的功率代价或者稍微降低一些性能?外部排序转换器能有所帮助吗?

Lotfi说 ， 减少了调节器数量后 ， 设计人员可以把注意力转向优化调节器效率和布局。只要噪声和瞬变响应要求允许，那么，最好的起点是使用高效开关调节器，而不是线性调节器。Lotfi认为，最近的高频开关模块极大的扩展了范围，使得这类替换成为可能。

设计人员还可以针对每一调节器的要求尽量减小电路板面积。模块化结构可以在一个混合封装中实现控制器、电压参考、驱动、电源FET ，以及电感。在某些设计中，反馈补偿也含在封装中。原理上，这种集成使得设计人员不能自由的优化调节器的传送功能，以满足某种电源的特殊需求。而在实际中， Lotfi主张，需要电源设计人员提供反馈无源功能，占用较多的设计时间，增加电路板面积，从而提高灵活性，这样做是值得的。供应商可以为调节器内部组件预设最优传送函数，满足一般要求。Lotfi宣称，而且，把关键组件放到模块中，调节器供应商可以提高开关频率，提高总效率，有效的降低开关噪声，使得模块能够均衡线性调节器的噪声指标。电网验证

无论选择分立调节器还是小型化模块、线性或者开关调节器 ， 系统设计团队都面临对选择进行验证的问题 ， 包括 ， 调节器、外部组件的选择 ， 以及布板是否能够满足SoC 的供电要求等。问题已经发展到包括更多的动态行为，还包括抗噪问题，这类验证不再偏重于根据数据资料进行计算，而是进行仿真。 Lotfi说，经验丰富的设计团队会针对整个电网进行行为仿真。这不但要有运行仿真的技巧，而且还要使用电路板上实际组件的精确模型 —— 小规模设计团队可能得不到这些数据。更简单的替代方案是，使用来自SoC供应商的详细参考设计。