可调直流稳压电源管理中调节器面临的命运-能华电源(山东)有限公司

可调直流稳压电源管理中调节器面临的命运

2015-5-12 20:13:06      点击:
 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可调直流稳压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开发人员希望将可调直流稳压电源网络组件置入到芯片中以期有所帮助。但是最终,可调直流稳压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,使得动态可调直流稳压电源管理越来越复杂。
复杂度的提高最明显的结果就是SoC使用的外部可调直流稳压电源数量迅速增加 ( 图1 ) 。例如,一片高端FPGA会有15条外部驱动的可调直流稳压电源轨。它们都连到哪里?
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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,需要增加低噪声可调直流稳压电源
非常有意思的是,增加供电线路的另一需求是来自可调直流稳压电源管理。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,不然可以共享一个可调直流稳压电源
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图2. 正如这一FPGA所示,复杂的SoC上众多的可调直流稳压电源线,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上大量不同的可调直流稳压电源线 , 遇到棘手的问题。据Altera公司可调直流稳压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可调直流稳压电源网络。
“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可调直流稳压电源线提供负载点供电。 ”
由于可调直流稳压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条可调直流稳压电源线还不够理想。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,这些可调直流稳压电源线的电压、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,是否可以采用一条可调直流稳压电源线,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、可调直流稳压电源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,以满足某种可调直流稳压电源的特殊需求。而在实际中, Lotfi主张,需要可调直流稳压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。
但即使有最好的信息和工具, 也无法在SoC外部来解决某些供电问题。有时候,芯片设计人员不得不负责他们所开发的电路的供电问题。
片内调节
管芯电压调节的历史很长了 , 可以回溯到使用电荷泵为低成本微控制器的嵌入式EEPROM提供可编程电压。在很多情况下,其动机是降低材料成本或者便于使用:例如,微控制器应用,完全可以承受电路板上再采用一个电压调节器的成本。