可配置电源管理ASIC--当今的系统黏合剂

数字ASIC|0">ASIC--上个世纪的黏合逻辑

上个世纪，在数字化思维主导设计领域时，系统是标准处理器，ASSP，模拟电路和"黏合逻辑"的混合物。"黏合逻辑"是通过小型和中型集成电路|0">集成电路把不同数字芯片的协议和总线连在一起。为了降低成本实现一体化，"黏合逻辑"曾经风靡整个ASIC业。
如今，整个数字系统发展到深亚微米（DSM）半导体阶段，"黏合逻辑"也慢慢退出了系统设计应用。但是"黏合逻辑"真的过时了吗？答案因人而异。现在，对于数字"黏合逻辑"的需求不如以前那么强烈，但是模拟"黏合功能"却在增长。

复合信号ASIC-今天的"系统胶连"

现在的系统有许多模拟功能，但是却并不适合90和65纳米硅芯片应用。这些系统需要多个电源层，若干电压等级，电源的排序，睡眠模式功耗，高电压LED驱动器，高质量音频处理器以及这些功能的智能控制。系统级芯片数字化解决方案的增长导致我们需要复合信号集成电路，囊括了诸多为了节约成本，提高性能和集成的模拟功能。如图1所示：

图1 ： 分离的电源管理功能组合在一个可配置的集成电路上 便携式电子设备可能包括广泛的电源电压：用于数字集成电路的1.8V和3.3V电压，用于锂离子电池的4.2V电压，用于传统接口的5V电压，用于LED背光的36V电压，单独的用于敏感模拟电路的电压以及用于电机控制的高电压。根据每个功率源的要求，设计师们选择不同的电源转换拓扑结构，其中包括线性，开关以及低压降稳压器。 不仅是调节器的纯粹数量在增加，这些系统往往有复杂的电源排序要求，每个供应源相互之间在电源开关，睡眠和降低的操作模式时的开启和关闭需要精确的控制。通常这些供应源不仅仅是简单的打开，而需要电源电压的斜升或斜降行为，从而增加了电源管理系统的额外的复杂性。在设备的电源管理设计中，随着调压器相互之间的正确排序，系统复位信号，振荡器开启和PLL稳定时间必须考虑进去。 一个电源管理系统集成了多种电源转换拓扑结构，数字排序逻辑，控制电源管理功能的数字通讯，模拟电压以及电流测量；不变性记忆器用来存储电压设置点，排列顺序，序列周期和工厂校准数据。这些电源管理资源消耗了了许多电路板空间，需要多位包装，并加入到组装成本中，使其成为电源管理集成电路的理想候选。这些专用集成电路建立在混合信号处理的基础上，因此相关功能不能与电源管理正常联系，比如音频处理，蜂鸣器驱动器和马达控制，在设备中成为内含物的选择器件。对于PMIC ASIC来说，负责集成和控制许多IP模块很平常。功能如表1： 表1 PMIC 电源管理集成电路功能 线性调节器 电机控制 转换器 音频扬声器驱动 低压降稳压器 自定义数字逻辑 发光二极管升压稳压器 电源排序 电池管理-充电，监视 复位发生器 LED驱动 电压监视器 LCD电压发生器 电流监视器 电压转换器 风扇控制 音频处理 温度传感器 非易失性存储器 欠压检测器 可配置电源管理集成电路 所有的模拟和电源管理"胶连"的进入让一个单一设备实现了整合，提高了侧寻性能，降低了整个系统的成本。然而，全定制的电源管理IC开发一向昂贵，进入市场缓慢，并且有很大的风险。 可配置阵列技术（VCA）的发展产生了硅验证的电源管理ASIC的解决方案，通过一个单一的遮罩层的变化来配置和定制特定的应用。一个VCA在ASIC模块上集成了硅验证模拟化，数字化和内存资源。然后这些资源由整体的路由结构所覆盖。包含这些VCA的晶片经过特殊处理和铸造，所有的模拟和数字资源可相互联系并由一个遮罩层来配置。由于只有一个遮罩层铸造加工，制造成本大大降低，制造时间从几个月到几周，硅验证的IP和互联路的使用大大降低了风险。 图2显示了一个可配置的PMIC和其组成部分 表 2 适合电源管理应用的可配置ASIC的性能 　　3V至50V操作 　　15750 个ASIC门 　　21,500位的RAM 　　1000 × 8电可擦除只读存储器，20年的数据保存能力，100K的写入周期 　　44个可配置数字I / O 　　12个20V的运算放大器与资源 　　12个3.3V的运算放大器与资源 　　6个电源管理单元 　　2个调节器 　　2个10位，1MSPS的DAC 　　42个可配置的模拟I / O 　　3.3V的独立模拟电源 　　20V的独立模拟电源 设计一个可配置电源管理集成电路（PMIC） 在可配置ASIC中制定一个综合的电源管理方案遵循图3的流程，从确定系统所需电压范围开始，每个区域所需的工作和睡眠模式的电流以及电源电压的次序。PMIC的设计目的是获取模拟图表和数字硬件描述语言。高级别的设计用来 模拟确认设备操作。在传统的全定制ASIC设计流程中，下一步将是艰苦的，昂贵的，容易出错的晶体管布局，布局需要把设计转化到具体的硅片上。在可配置流程中，HDL格式的数字设计综合成Verilog（目前应用最为广泛的硬件描述语言），在门级Verliog中，软件通常把来自模拟图表的SPICE表进行转换。然后把模拟和数字Verliog网结合起来并提交给自动布局布线工具，通过全局路由结构来自动配置设备。 和全定制电源管理IC设计的数月相比，混合信号自动布局布线过程完全配置设备仅仅数天。在全局路由金属层中，自动布局布线工具的输出是掩模层的一个GDSII代表。和一个全定制设计来说需要20多个层相比，这个路由层发送到铸造只需构造一个掩模层，从而大大减少了构造费用，使得原型从数月到数周成为可能。