芯片設(shè)計(jì)進(jìn)階之SOC電源管理系統(tǒng)介紹

隨著SOC越來(lái)越復(fù)雜，包含的IP越來(lái)越多，單個(gè)SOC上實(shí)現(xiàn)了CPU, 射頻模塊，相機(jī)模塊，DDR控制模塊，外設(shè)等等功能。多種功能，多種IP也帶來(lái)了多檔電源的需求。同時(shí)為了滿足低功耗的挑戰(zhàn)，SOC通常被分為多個(gè)電源域，不同的電源域可以獨(dú)立的上下電。

為了滿足SOC對(duì)電源的需要，SOC內(nèi)部一般會(huì)集成一個(gè)專(zhuān)門(mén)的電源管理單元(Power Magagement Unit, PMU).

典型的SOC芯片供電系統(tǒng)和內(nèi)部電源管理單元如下圖所示：

PMIC(Power management IC): 電源管理集成電路，主要特點(diǎn)是高集成度，將擁傳統(tǒng)的多路輸出電源封裝在一顆芯片內(nèi)，使得多電源應(yīng)用場(chǎng)景高效率更高，體積更小。是SOC外部的電源管理芯片。一個(gè)SOC通常需要多顆PMIC.

PMU可以看作外部供電系統(tǒng)和內(nèi)部功能單元之間的橋梁，在SOC中起著非常重要的作用。

1. 電源管理芯片(PMIC)

PMIC是power management IC的縮寫(xiě)，中文是電源管理集成電路，主要特點(diǎn)是高集成度，將擁傳統(tǒng)的多路輸出電源封裝在一顆芯片內(nèi)，使得多電源應(yīng)用場(chǎng)景高效率更高，體積更小。版上的PMIC圖如下所示：

2. 電源管理單元(PMU)

1.1 什么是PMU

PMU: Power Management Unit.

PMU就是電源管理單元，一種高集成的、針對(duì)便攜式應(yīng)用的電源管理方案，即將傳統(tǒng)分立的若干類(lèi)電源管理芯片，如低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)、直流直流轉(zhuǎn)換器(DC/DC)，但現(xiàn)在它們都被集成到手機(jī)的電源管理單元(PMU)中，這樣可實(shí)現(xiàn)更高的電源轉(zhuǎn)換效率和更低功耗，及更少的組件數(shù)以適應(yīng)縮小的板級(jí)空間，成本更低。

很多地方，PMU等同于PMIC，但是這里討論的SOC外部的供電芯片是PMIC, SOC內(nèi)部的電源管理單元被稱(chēng)為PMU.

SoC處理器的PMU一般具備以下特性：

需要外部電源芯片提供多檔電源，或在某檔電源上施加較高的電流。原因在于SoC處理器通常要求其核心、I/O設(shè)備和存儲(chǔ)單元等獨(dú)立供電，而這些單元對(duì)電壓、電流、頻率等的要求通常各不相同。

應(yīng)能為外部供電系統(tǒng)提供專(zhuān)用控制信號(hào)，通過(guò)PMU控制寄存器設(shè)定這些控制信號(hào)的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)軟件控制機(jī)

PMU的一些基本接口信號(hào)如系統(tǒng)復(fù)位、電源狀態(tài)指示信號(hào)等發(fā)生變化后，SOC處理器狀態(tài)將隨之改變。

PMU由內(nèi)部DC／DC和PMu寄存器等構(gòu)成，PMU為SOC的處理器，PLL, DDR, 圖像單元等供電。同時(shí)，PMU也利用電源管理總線(PMBus)控制外部供電系統(tǒng)。

PMU一些基本功能如下：

控制開(kāi)關(guān)機(jī)，上電下電順序

輸入電源自動(dòng)選擇切換

電池充電控制，電量檢測(cè)

按時(shí)序輸出電壓

輸出電壓過(guò)壓 欠壓 過(guò)流保護(hù)

每個(gè)輸出電壓的開(kāi)關(guān)控制

動(dòng)態(tài)調(diào)整CPU核心電壓

電池及IC溫度超溫保護(hù)

不同SOC的PMU實(shí)現(xiàn)的功能不同，但是SOC中PMU是低功耗電源域控制的關(guān)鍵部件。

1.2 DC/DC

DC: Direct Current 直流

DC/DC的意思是直流變（到）直流（不同直流電源值的轉(zhuǎn)換），只要符合這個(gè)定義都可以叫DC/DC轉(zhuǎn)換器.

DC/DC，表示的是將某一電壓等級(jí)的直流電源變換其他電壓等級(jí)直流電源的裝置。DC/DC按電壓等級(jí)變換關(guān)系分升壓電源和降壓電源兩類(lèi)，按輸入輸出關(guān)系分隔離電源和無(wú)隔離電源兩類(lèi)。例如車(chē)載直流電源上接的DC/DC變換器是把高壓的直流電變換為低壓的直流電。

1.3 動(dòng)態(tài)電壓頻率調(diào)節(jié)（DVFS）

DVFS: Dynamic voltage and frequency scaling

DVFS 即動(dòng)態(tài)電壓頻率調(diào)整，動(dòng)態(tài)技術(shù)則是根據(jù)芯片所運(yùn)行的應(yīng)用程序?qū)τ?jì)算能力的不同需要，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)芯片的運(yùn)行頻率和電壓(對(duì)于同一芯片，頻率越高，需要的電壓也越高)，從而達(dá)到節(jié)能的目的。

DVFS本質(zhì)上是一種低功耗技術(shù)，目的是根據(jù)的芯片當(dāng)時(shí)的實(shí)際功耗需要設(shè)定工作電壓和時(shí)鐘頻率，這樣可以保證提供的功率既滿足要求又不會(huì)性能過(guò)剩，從而可以降低功耗。

3. 電源管理總線（PMBus）

在供電要求較復(fù)雜的系統(tǒng)中,通常使用多個(gè)DC/ DC 轉(zhuǎn)換器來(lái)產(chǎn)生不同的半導(dǎo)體器件所需要的供電要求。導(dǎo)致一個(gè)明顯結(jié)果就是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)測(cè)試及日常使用的過(guò)程中,控制和監(jiān)測(cè)這些電源將變得更加復(fù)雜。

目前,許多高性能DC/DC 轉(zhuǎn)換器仍然通過(guò)無(wú)源元件產(chǎn)生的模擬信號(hào)來(lái)進(jìn)行控制。即使采用最先進(jìn)的電源電路拓?fù)?也不得不使用外部的電位器和電容來(lái)調(diào)節(jié)諸如啟動(dòng)時(shí)間、輸出電壓值及開(kāi)關(guān)頻率等參數(shù),而且這些參數(shù)不能隨時(shí)更改。

PMBus 是一種開(kāi)放型標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字電源管理協(xié)議，可通過(guò)定義傳輸和物理接口以及命令語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)變換器與其他設(shè)備的通信。

PMBus 的傳輸層是基于低成本的SMBus (系統(tǒng)管理總線) 的1. 1 版本,這是個(gè)功能強(qiáng)健、符合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的I2 C串行總線的版本,具有分組校驗(yàn)和主機(jī)通知的功能。

PMBus 繼承了SMBus 的SMBAL ERT 信號(hào),該信號(hào)可使從屬設(shè)備中斷系統(tǒng)主機(jī)對(duì)總線的控制,

此方式一方面減少了系統(tǒng)主機(jī)的負(fù)擔(dān),使主機(jī)在大多數(shù)時(shí)間內(nèi)進(jìn)行閉環(huán)控制;另一方面比用專(zhuān)門(mén)的微控制器來(lái)查詢的方式更靈活。。此外, PMBus 協(xié)議將從屬設(shè)備的默認(rèn)配置數(shù)據(jù)保存在永久性存儲(chǔ)器內(nèi)或者在硬件上設(shè)置好, 在上電的過(guò)程中, 不需通過(guò)總線通信來(lái)得到初始配置信息, 縮短了啟動(dòng)時(shí)間, 也減少了一部分總線數(shù)據(jù)傳輸。

典型的PMbus連接圖如下所示：

PMBus作為一種I2C的增強(qiáng)版本，在結(jié)構(gòu)上和I2C很像，但是協(xié)議上做了很多增強(qiáng)。這里就不詳細(xì)描述，如果想了解的更清楚，最好的方法是去看PMBus的協(xié)議。

4. 后記

電源管理是SOC中比較偏門(mén)的知識(shí)，芯片設(shè)計(jì)一般有專(zhuān)門(mén)的人來(lái)進(jìn)行PMU設(shè)計(jì)，一般的設(shè)計(jì)人員如果能了解一些基本的電源管理的知識(shí)和概念，對(duì)整個(gè)芯片和低功耗的設(shè)計(jì)會(huì)很有好處。