借助四个标准“配电接口(IDP)”实现电源管理系统的有效优化

在当今M2M（机对机）连接整个世界的黄金时代，物联网能够指定无所不在的“智能物”，实现物与物、设备或与其他对象之间的连接。典型的物联网应用为可穿戴式设备和智能家电。

随着智能便携设备的功能日益增多、尺寸愈来愈小，应用于物联网的系统级芯片(SoC)正面临着指数复杂性、严峻的功耗（动态功耗和漏电）挑战和低物料清单(BoM)成本的要求。服务于物联网应用的无晶圆厂设计公司正借助于各种技术以降低总体功耗，其中包括动态电压频率调节 (DVFS)、多电压电源域和状态保持功能等。

实现超低功耗的关键在于，根据不同的电压或电源域对SoC或子系统的架构做出正确定义；同时借助电源管理网络(PMNet)的集成，实现低功耗技术并降低物料清单(BoM)成本。

电源管理网络(PMNet)包括所有的稳压元件（稳压器、无源滤波元件，电网及其寄生元件等物理网），上至电源、下至SoC或子系统的每一类负载/块体所用到的元件。电源管理网络架构针对SoC的每个负载都进行了自下而上的优化，所采用的库是是几乎不可以重复使用的。有多少应用，就可能有多少数量的电源管理网络。因此，SoC集成器所面临的主要挑战之一就是依照每个应用的要求，选择相适应的电源管理网络(PMNet)架构，同时嵌入合适的稳压器。

基于四个标准电压电平的定义（进一步定义为配电接口）并依照每个应用的要求，本文提出了一种创新方案，从而构建最优的电源管理网络(PMNet)。最后，本文对该方案的优势进行了阐释，稳压器的供应商或者设计者、SoC集成器和系统制造商皆能从中受益。

DELTA：可重复使用的电源套件库(RPKL)的突破性方案

一项复杂的SoC设计需要诸多定制稳压器，如果采用如此多的稳压器，将会增加设计或者采购成本，也会延长上市时间。而RPKL方案则与之不同，海豚集成推荐将该方案运用于SoC集成器，以便：

·通过设计或者获取一套可重用组件，可以控制从库交换格式冻结(LEF-freeze)到流片的交付时间，从而缩短产品上市周期。
·实现多种优化（例如：高效率、低噪、低物料清单和低漏电等），针对每个标准采用经过精简的元件组。
·实行标准化的PMNet集成规则，以便PMNet能够整合来自竞争对手和合作伙伴的集成器，同样适用于无缝集成和装配。

RPKL方案也引入了优值(FoM)的概念，从而依照每个应用的要求来选择最优的PMNet。对于不同的定制稳压器，用户往往会进行性能上的比较；对于PMNet，用户往往不清楚如何进行整体上的比较。最重要的是，应用常常是针对于不同优化之间的特定权衡：比如低功耗、低物料清单或者低噪。借助共同的优值(FoM)，用户则可以从诸多选择中选择最佳的PMNet。
   
优值(FoM，越低越好) 是任意函数关于各种参数的分配权重，用以优化各种性能。SoC集成器仅需在以下要素之间实现性能的权衡：面积、BoM、漏电和动态功耗等。
   
采用FoM进行PMNet基准测试的这一案例将在本文后续部分进行分析。

标准化配电接口(IDP)的必要性

为了定义具备可重用性和灵活性的集成器，十分有必要采用预先定义的标准化配电接口(IDP)。通过该接口，电力能够分配到不同的电源岛或者负载。一对一的连接则为供电接口(IAP)。

一旦对配电接口做出了定义，就可以划分上游和下游稳压器的稳压限制。配电接口电平是由限制电压范围和最大噪声频谱所定义的，下游稳压器及其负载则能够承受该频谱。如图表1所示，上游稳压器直接同电源（锂离子电池或USB 5伏）相连接，故而需要高电压保护；而下游稳压器则与负载相连接，可以进行优化以满足每个负载或电源域的要求（例如射频或模拟块的低漏电和低噪音等）。同时也可以满足以下要素之间的权衡：更高的转换效率、面积、物料清单(BoM)和具备多个电源域的SoC对抗噪度的需求。

    对这些配电接口(IDP)所下的定义是实现RPKL方案的必要条件，因为有助于构建可重复使用的稳压器，有助于实现与内部或第三方稳压器的平稳结合。


图1：借助配电接口(IDP)实现上下游稳压器的分离

“四大神兽”配电接口

在对各类物联网应用（如智能电表、智能卡、智能手机、智能玻璃、平板电脑和智能手表）进行过大量的框图分析之后，其中规格为180纳米至28纳米，可以得出结论：最少需要4个不同的配电接口电压来构建一个RPKL。

如图表2所示，工艺节点为180纳米至40纳米，电压分别为1.2伏、1.8伏、2.5伏和3.3伏。对于28纳米和16纳米而言，需要4个电压电平不同的配电接口。通过这些配电接口，为稳压器输入和输出电压设立了标准。

选择4个不同电压的原因如下：

·系统常用电压、电源输入/输出和外围设备的工艺节点为180纳米，90纳米，65纳米，40纳米及以下
·没有高于3.3伏(+/- 10%) 、低至40纳米的配电接口(IDP)避免为下游稳压器提供高电压保护，从而实现硅面积的最小化
·基于这些配电接口，而非具有不同互联电压的定制稳压器，可以实现稳压器的整体优化
·增添一个IDP不能为PMNet带来更佳的整体优化，但是会给RPKL增加多余的稳压元件


图2：每个技术工艺的配电接口(IDP)电压电平

借助RPKL与标准配电接口(IDP)实现系统级芯片(SoC)的整体优化

以一款智能手表应用的案例（如图表3所示的简化框图）来说明RPKL（基于所定义的4个IDP）和定制稳压器（即CPKL定制电源套件库，电压电平为1.4伏，以便对稳压器进行级联）之间的不同。

假定SoC在99%的使用时间内都处于待机模式（只有持续运行块(always-on block)处于工作状态）。为了将平均功耗和硅面积降至最低，可以采用简化的FoM，即平均功耗和嵌入式稳压器硅面积的乘积。（FoM=毫瓦小时*平方毫米）。在两个案例当中,假定开关稳压器(SR)的功率效率皆为80%。


图3：对具备与不具备标准IDP的PMNet架构所进行的比较

表1就以下要素总结了两个案例所存在的性能差别：物料清单(BoM)、硅面积、功耗和FoM值。


表1：两个案例的FoM对比

借助FoM，RPKL方案给出了功耗和硅面积之间的最佳权衡。与CPKL解决方案相比，RPKL方案大大缩减了面积，减少了平均功耗和物料清单(BoM)（元件数量与封装引脚数）。

这一案例可以说明，借助经过定义的IDP并基于每个应用的要求，RPKL方案对SoC而言极具优势；此外也可以说明，有必要在优化PMNet的过程中同时纳入多个标准。

借由标准配电接口(IDP)电压范围实现准确预算

作为标准单元库，IDP由10％的精度范围所定义。虽然可能看似微不足道，但是10％的精度范围能够实现以下预算：

·对于稳压器输出电压，标准“直流(DC)精度”为3％，以下要素考虑在内：工艺－电压－温度(PVT)的变化，负载稳压和线性稳压
·标准的“模式转换（MT）精度”为4％，其中包括负载瞬态和输出纹波所造成的干扰
·关于SoC集成预算，标准“最低IR压降(IR Drop)”为3%：

在一般情况下，稳压器的最低压降为0.2伏；

在布局与布线（P＆R）位于电源和上游稳压器、或者上下游稳压器之间的情况下，IR压降(IR Drop)的预算至少为3％。SoC集成器可以在一定程度上自由定义所能接受的路由长度和宽度，而不会损耗最终系统的性能，这取决于该接口的电流/电压特性和路由的寄生电阻。

借助这些预算所取得的主要突破有：

·借由标准直流(DC)和模式转换（MT）的精度，能够促进上下游稳压元件与内部或第三方稳压元件之间的结合，以及/或者SoC的内部或外部负载。

·IR压降(IR Drop)预算的标准容差能够减少前端设计和后端P＆R之间的迭代。

完整的电源管理方案，RPKL稳压元件以及更多

基于RPKL方案，海豚集成推出了DELTA稳压元件库，如图表5所示，该库由电池管理组件、开关稳压器和线性稳压器所组成。就每个稳压元件而言，可以为系统级验证提供先进的视图（仿真模型），从而将性能下降的风险降至最小化，该风险源于SoC运行模式的过渡和通过PMNet所传播的各类噪声。


图4：DELTA稳压元件产品

除了能够构建最优的PMNet、降低SoC功耗的DELTA产品之外，海豚集成还提供了超低漏电存储器（漏电降幅达1000倍）和超低漏电标准单元库（降幅达750倍），能够直接与电池相连，从而满足SoC在漏电方面的要求。

共赢

本文阐释了可重复使用的电源套件方案以及运用于电源分配的四个预定义电压电平的必要性和优势。这四个IDP和电压精度，有助于设置稳压元件的直流精度、SoC的IR压降(IR Drop)预算和交流容差， 原因在于PMNet的模式转换。

海豚集成与您分享七大规则（见图表5），这也是DELTA产品所遵循的规则。  


图5：DELTA标准的七大规则

在七大规则的指导下，PMNet解决方案能够在最大程度上缩短上市时间（借助可重复使用的元件），实现不同优化标准之间的最佳权衡（借助FoM和标准化的分级装配规则）和最佳系统级风险管理（借助高级视图和EDA验证）。

遵循这些规则，任何一款稳压器都可以成为强大的PMNet解决方案的一部分并且受益其中（详见图表6的总结），从而达到投资回报的极致。


图6：完整的PMNet解决方案