电源管理单元技术实现架构和未来趋势分析

每一代新的移动便携式设备都会比前一代的产品提供更多的功能。这些年来，手机从单纯只用于通话的设备演变成具有拍照、浏览视频短片、看电视、听MP3和调频收音机、玩3D游戏以及与PC交换信息等功能。为实现这些功能，手机已不仅是连接到移动电话网络，而且还可能连接到无线局域网并与PC通信，或者使用蓝牙技术连接无线耳机。所有这些附加的功能都要靠电池组提供电能。

　　对早先几代的手机来说，依靠硅芯片与电池技术的进步就可以增加通话时间和待机时间。更高效RF放大器和新型CMOS逻辑芯片的能耗比前一代更低。射频信号处理与数字信号处理算法的发展进一步降低了功耗。与此同时，新的电池技术也能提供更高的能量，尤其是对极高存储密度先进锂离子电池的开发和应用。

　　而今，情况发生了改变。与前几代CMOS工艺不同的是，最新的深亚微米(<100nm)CMOS工艺是集成更多功能的必要条件，但集成密度的提高并未相应带来功耗的下降。相反，更多功能造成更高的功耗，而CMOS工艺技术的发展不再能够弥补这一增加的功耗。同时电池技术的发展也无法实现这种弥补。因此，如今的多媒体手机再次逼近运行时间极限。系统设计者必须寻找新的方法以降低系统的总体功耗。

　　目前系统中常用的两种技术是电压域切换和电压调整。电压域切换适用于在任一时刻并不要用到设备中所有功能的情况。例如，当多媒体设备播放某种媒体时，通常与处理其它类型媒体的电路没有关系。因此，就可以关闭这部分未用电路的电源，将其功耗降为近乎零。尽管这种方法向克服深亚微米CMOS工艺漏电流问题迈出了重要步伐，但它仅能节省待机功耗。当电路处于激活状态时，它并不能节省任何静态或动态功耗。

　　现在对激活状态下功耗的解决办法是电压调整技术，它依赖于加在CMOS逻辑电路上的电压与时钟的速度之间相关性。较快的时钟速度需要较高的电压，很明显，这些参数的提高都会增加动态功耗。

　　在多数VLSI数字芯片中，某些部分的运行速度需要高于其它部分，而在传统器件中，通常整个芯片都工作在最高时钟频率下，并且整体芯片都要供电以维持这个时钟频率。这样就造成较高的功耗，实际上芯片中的某些部分原本可以运行在较低的速度上。

　　通过使用电压调整方法时，芯片采用两种以上供电电压，较高速的逻辑被划分在一些由较高电压供电的岛内，而较低速逻辑则位于低供电电压的岛内。因而这些岛中的时钟速度就可以作相应的调整。

　　因此，许多最新SoC解决方案需要能提供多种电压的电源，这些电压是电压调整所需的，另外这些电源还可以与功能同步开、关这些供电电压，以支持电压域切换。对于电池供电的设备，它们还必须能够高效地将电池输出电压转换为芯片所需电压(DC/DC转换)，以尽量减少转换期间的功率损失。在很多情况下，它们还要控制电池的充电过程。

　　这些新型电源电路通常叫做电源管理单元(PMU)，因为与前代方案相比，它们在电源控制方面发挥了更活跃得多的作用。

PMU架构：集中式vs.分布式

　　当设计者要决定系统如何划分时，必须在集中式与分布式电源分配方案中作出选择：前者是将单只PMU紧靠系统的主处理器用于实现所有的电源切换与电压调整功能；后者则是每个子系统都拥有自己的PMU。决策过程取决于两个主要因素：应用及响应速度，以及所需电源管理的间隔尺度(granularity)。

　　在很多应用中例如高端多媒体手机，制造商用一种模块化方案来增加功能，即在一个基础设计上增加模块来实现某个特定功能，如蓝牙、Wi-Fi或手机电视模块。这种情况下，如果采用集中式PMU架构，则各种变种手机型号中未使用的PMU功能仍会继续保留，造成浪费。但对于固定架构的装置如MP3播放机或音乐播放盒，集中式PMU仍是最具成本效益的选择之一。

　　然而，融合的趋势促使更多功能被采用到移动便携设备中，其它技术因素也有力地推动分布式PMU结构占据主导地位。为节省更多功耗，PMU要紧密耦合到其控制的子系统中，而不是主系统的处理器。例如，对一个手机的电视子系统，在相关广播帧之间的间隔内关闭大部分前端接收机电路可以节省相当多的功耗。这种转换的时序需要微秒级的精度，只能在电视手机基带处理器与其PMU之间建立直接控制电路来实现。因此，PMU及耦合到子系统的方式可以是非常特定的。

　　分布式PMU方案还非常灵活。你只需围绕系统布放一根电源轨(通常是电池的连接线)，所有外围都把它当作自己唯一的电源连接线，而不需要考虑其它的电源连接。每个外围电路中嵌入的PMU负责本地的全部电源管理。而在集中式PMU结构中，你必须预先知道哪个外围可能会连接到PMU，还要保证在各种可能的组合情况下，所有电源电压和时序都能正确无误。

图1展示了一个SoC与本地PMU之间典型的交互关系。