SoC设计中的功耗管理问题

0

这些难题并不会随时间变化而逐渐变得简单。芯片设计人员在提高能效方面尝试了很多方法，提出了听起来非常激进的想法。在今年的设计自动化大会的一次小组讨论中，ti专家Clive Bittlestone说：“有很多种方法，我们正在尝试全部使用它们。芯片设计人员要尽可能降低功耗而忽略了回报，可能导致加重系统设计人员的工作。而对于节能，系统设计是一个新的前沿领域。Bittlestone承认：“在晶体管级，我们已经达到了饱和。下一最关键的问题是在系统级。”

SoC设计人员所做的工作

正如Bittlestone所建议的，SoC功耗管理技术所采用的方法一直在不断增加。这包括一些很普通的方法，对管芯之外的任何东西都是透明的。但是，也有需要系统其它部分主动参与的方法，有些对外部威廉希尔官方网站 还会产生重要影响。

很显然，这些方法需要系统软件知道某一模式下系统的资源需求，例如 图1所示。这些知识要求两类很难获得的信息：实际最终用户将在系统中采用的使用模式，每一模式中的系统资源和性能要求。例如，用户的智能电话要求蜂窝射频和GPS接收器同时工作吗?如果是，那么，GPS能够进入低功耗近似跟踪模式，或者，它需要进行恰当的实时纠正吗?确定模块在一定时间内需要以多快的速度运行——即使它可能会被关断，这并不是一个简单的任务。

图1.视频/播放/录像模式(顶部)、DVR回放模式(中间)，以及空闲模式(底部)所需要的系统资源。

除了上面的信息，系统设计人员必须理解SoC各种功耗模式的延时和开销成本。相对而言，这可能需要很长的时间来改变CPU的时钟频率，使其能够保持状态，关断，然后重新恢复。系统中的其他器件能够承受这些延时吗?当系统空闲时，CPU内核能够关断吗，或者需要电源失效以及唤醒等监控功能吗?

电源线上的问题

至少有三种方法，其复杂的功耗管理技术使得系统电源设计人员的工作日益复杂——排序问题、大负载性能以及瞬变响应等。稳压器等功率IC供应商采取了很多措施来处理所有这些问题。但是，缺少参考设计时，系统设计团队不得不既进行探测又进行设计。 让我们首先看一下排序问题。几乎每一种较好的功耗管理技术都要求SoC有大量的独立电压域。任何具有多个电压域的IC都要求电源线按照一定的顺序冷启动，每次一个，或者互相跟踪。实际上，某些器件即使是突然断电时，也要求电源按照一定的顺序进行关断。如果某些电压域能够工作在几种不同的电压下——正如DVFS或者其他电压可调方案，排序可能与不同域之间内部电平移位器的状态有关。一般而言，SoC设计人员采用了内部排序威廉希尔官方网站 不让系统设计人员了解复杂程度，但并不总是这样。

原理上，满足排序要求并没有难度。Afshin Odabaee是Linear Technology公司μModule电源产品的产品市场经理，他指出，SoC多年以来一直要求进行电源排序，大部分现代电压稳压器都有支持排序和跟踪的引脚。市场上还有系统控制器产品，专门用于管理过程。

第二个问题与现代SoC功耗管理技术更直接相关一些，即，负载范围。问题是，需要大量的功耗管理工作，而且要工作的很好。低电压轨的电流需求——例如，内核逻辑供电等，会变化很大，从休眠模式的几百毫安到全功率模式时内部威廉希尔官方网站 处理时钟逻辑门和电源逻辑门的几十安培。电压稳压器需要在整个范围内提供足够的稳压和波纹。特别是电流需求非常低时，稳压器必须非常高效，否则，将抵消SoC所规划的低功耗。

Odabaee建议说：“您必须定义大负载工作时的稳压器。”他提醒说，待机和全速电流输出使得稳压器判决非常复杂。传统上，设计人员会选择开关稳压器来高效满足大电流负载，但是，会为低电流模式选择线性稳压器。Odabaee说，作为更可行的解决方案，业界选择了能够跨过多个域的方法。在某些Linear Technology开关稳压器μModule器件中使用的一种方法是Burst Mode工作。稳压器在大电流输出时正常工作，低负载时则切换到突发模式，控制器仅在偶然突发时工作。这样，它提供了足够的稳压功能，同时有效的降低了自己的能耗，而且不需要复杂的多个开关频率。

转换中的问题

从相同的稳压器为每一不同的负载提供电流有很大的难度，而处理负载突然变化导致的瞬变会更加困难。快速满足新电流需求会导致增加新组件。Odabaee说：“在大功率系统中，您在稳压器上可能需要几种输出电容。稳压器自己的响应一般不足以满足高速负载瞬变。”

即使是在低功耗移动系统中，瞬变响应问题也会以奇怪的方式出现。Power Integrations公司的市场副总裁Doug Bailey从系统AC/DC转换器的角度看到了问题，不是在全功率工作时，而是在休眠时出现了问题。

Bailey说：“AC/DC转换器很难处理快速瞬变问题。主机侧控制器只检测到控制器发送脉冲时的负载，当负载较小时，这并不常出现。因此，如果负载迅速增大，那么，控制器无法跟上去。”Bailey补充说，设计人员可以通过增加真正的大电容来暂时掩盖这一问题。但是，大电解电容占的空间大，导致成本增加，带来可靠性问题，这些都不利于移动设备。

这种分工并不总是能够很好的工作。Bailey引用了两个例子——这些都不仅涉及到大突发工作电流，而且，器件也会进入电池充电模式。在iPhone中，正如很多移动设备一样，系统SoC要处理大量的电池管理工作。当SoC确定需要对电池充电时，它将AC适配器的电流输出至电池仓。突然的瞬变会导致低成本适配器让电压暂时下降，使得SoC理解为电源失效，发出报警声。发出报警声后，用户会拿起他的iPhone，看到什么事情也没有发生，又想回去睡觉，只是有可能会做恶梦，关于苹果的恶梦。实际上，正是出于这一原因，苹果公司在AC适配器上有严格的电压稳压规范，但是，由于在SoC设计上要进行一些琐碎的决定，因此，公司没有在适配器上进行大量的投入。

三星Galaxy III智能电话也遇到了非常相似的情况，而且结果可能更令人烦恼。当用户插上电话后，系统SoC开始充电，一般会出现不受控的浪涌。这种瞬变导致SoC检测到充电失败，关断充电威廉希尔官方网站 ，而且不会通知用户。因此，用户进入甜美的梦乡，直到第二天早晨，被窗外的鸟儿吵醒，却发现放在床头柜上的电话根本就没有充电。

这些问题不仅仅出现在智能电话上。Bailey说：“最终，SoC产生的瞬变导致重新进行电源设计。”

稳压器和SoC之间的走线阻抗等问题有可能成为很难解决的问题。如果SoC的电源管理设计产生较大的负载瞬变，可能会导致非常复杂的布板，或者昂贵的其他威廉希尔官方网站 板层，如图2所示，对于电源系统设计人员，稳压器会处理瞬变。

除了稳压，还有信号完整性问题。供电电源线出现快速大电流瞬变，可能会成为耦合噪声的主要来源，这些噪声会影响威廉希尔官方网站 板上的其他电源线，以及信号线。IC物理设计人员比较熟悉这类信号完整性分析，但是，对于大部分威廉希尔官方网站 板设计人员而言，设计起来会有一定的难度。

图2.Stratix V开发板的第13层，显示了设计人员选择分配整个板层，将稳压器(右下侧)连接至VCC。很难有更好的解决方案来处理大电流瞬变。

Odabaee强调说：“参考设计非常重要。我们这样的供应商通过查看设计来提供帮助。但是，设计一个50-Amp、0.9-V系统仍然需要很高的技巧。”Linear Technology公司合作伙伴解决方案经理Gerard Velcelean也同意这一观点：“老板让内部员工来处理这些问题。而小组人员如果不借助参考设计，很有可能会遇到问题。”

结论

作者：Ron Wilson

总编辑，Altera公司

0