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新技術和新應用，以及更緊湊的封裝和更高的連接要求，正將當今的處理器及其電源系統推向極限。這些處理器必須滿足音頻、視頻、高清 (HD) 圖像、流媒體、游戲等應用以及各種交叉應用越來越高的計算需求。然而在內容數量和質量提高的同時，我們也希望這些處理器能夠在提供更高性能的同時減少空間占用。這種從用戶角度出發的方法正促使產品集成度變得越來越高，進而成為技術發展面臨的一大限制因素。 為了在降低成本的同時實現高性能，工程師開發了片上系統 (SoC) 集成電路 (IC)。這些解決方案將許多系統功能集成到一個IC中，從而降低了實現這些功能所需的功耗、成本和工作量，并且在實現過程中無需再依賴視頻和圖形處理等領域的深層次專業技術知識。要以可接受的成本實現高性能，制造商必須以深亞微米（互補金屬氧化物半導體 (CMOS)，≤16/14nm）工藝開發SoC。 此類SoC需要由電源來提供大電流，這對高級亞微米CMOS工藝而言可能是一個難點。電源電路需要大型晶體管來處理大電流并承受高電壓（相對于數字核心電壓），這與數字電路晶體管的特性截然相反。因此，要想在同一芯片上實現電源電路和數字電路，這在技術上是難以實現（甚至可能無法實現）的，而且從經濟性角度而言也未必存在優勢。事實上，這樣的不相容性在集成電路設計中一直存在，但由于現代處理器被限制在越來越小的CMOS工藝中，因而放大了這一問題。 下面，我們將通過NXP i.MX 8M系列處理器（Mini和Nano）和ROHM BD71847/BD71850來說明如何處理并優化SoC電源管理集成電路 (PMIC) 的聯合設計中需要考慮的問題。之所以選擇這些解決方案，是因為它們結合了多功能、低物料清單 (BOM) 成本和緊湊的尺寸，使OEM能夠快速開發和生產智能聯網設備。 利弊權衡與解決方案 在SoC上提高系統級電源集成度，就意味著要在下面幾點上做出犧牲： · 降低設計靈活性 · 難以實現最佳系統效率 · 提高開發和BOM成本 · 延長上市時間 要在現代處理器及其電源子系統的構建中實現系統性創新，機遇就藏在這些利弊權衡中。 提高設計靈活性 NXP i.MX 8M/8Mini/Nano并未集成DC/DC轉換器或低壓差穩壓器 (LDO)，而且與之類似的SoC也都不集成DC/DC轉換器，但有不少產品在內核上運用動態電壓和頻率調整 (DVFS) 的方式，是通過片上LDO將外部電源軌轉換為較低的電壓供內核使用。如果將DC/DC和LDO都放到片外，SoC設計人員就可以充分利用寶貴的14nm硅空間來優化處理器內核工作、數據緩存和音視頻硬件加速等功能，同時自由地制定（外部）電源架構，無需再受片上電源管理要求的束縛，從而促進而非限制處理器的開發。i.MX 8M需要的電源軌數量頗多（8個降壓、7個LDO），就體現了這樣的自由度。與此同時，ROHM PMIC設計人員采用ROHM的130nm雙極-CMOS-DMOS (BCD) 工藝實現了他們的電源電路，該工藝針對電源管理功能進行了優化。總而言之，每個團隊都可以自由地使用合適的工藝和知識產權技術來完成手頭的任務。 提升系統效率 采用130nm BCD工藝實現電源電路，可以使BD71847AMWV或BD71850MWV（圖1）的降壓轉換器在0.7V-3.3V輸出電壓下實現高達95%的效率。在系統層面上，通過外部DC/DC直接將DVFS應用于處理器內核，可以進一步提升效率。畢竟，將外部DC/DC和用于DVFS的片上LDO搭配使用，就相當于做了兩級轉換，從而在第二級產生額外損耗。 輸出電壓精度 (+/-1.5%) 是一個經常被忽視的特性。隨著輸出電壓調整步長（10mV步長）的分辨率提高，電源管理器軟件可以精確地將電源軌的輸出電壓設置在非常低的水平，同時盡可能降低功耗，同時仍然允許由該電源軌供電的子系統在所需的頻率下運行。 
圖1：ROHM Semiconductor BD71850MWV PMIC集成了i.MX 8M Nano處理器和系統外設所需的各種電源軌，以及與i.MX 8M Nano處理器支持的電源模式兼容的定序器，可以顯著縮短開發時間、減小尺寸，并簡化應用設計。（圖源：貿澤電子） 降低開發和BOM成本 產品開發會持續受到市場對添加額外功能和/或縮小產品尺寸、減輕產品重量的壓力，為此工程師們正不斷努力尋找將更多功能集成到IC中并提高可靠性的方法。然而，集成度越高，開發和芯片的成本也就越高。將SoC的開發與電源管理的開發相分離，可以使每一種開發以自己的最佳速度進行，還可以讓流程中從設計、驗證、IC布局到IC制造的每一步都更簡單、更快速，并且顯著提高硅芯片一次性流片成功的機率。此外，采用更廉價的BCD工藝來實現電源功能，也可以實現更低的（總）芯片成本。 縮短上市時間 對許多技術企業而言，產品進入市場的時間至關重要。對于諸如應用處理器等高度復雜的組件，將本質上難以兼容的技術，如數字處理元件（CPU、硬件加速器）和電源管理的開發分開，可以降低開發工作量和風險，從而縮短產品上市時間。 結語 要為SoC設計可編程PMIC，就需要考慮多方面的因素，包括在用戶體驗和產品開發方面權衡利弊。NXP 8M/8MM/Nano和ROHM Semiconductor 847/850是高度工程化的產品，不論您的產品位于生命周期的何處，都可以幫助您取得成功。這些組件具有強大的性能，廣泛應用于流媒體盒子、電視棒、視頻接收器、無線智能音箱，以及工業HMI、SBC、IPC和平板工控機。這些半導體產品從設計靈活性和上市時間等有利于制造商的因素入手，優化了對用戶至關重要的特性，即性能和價格。它們是可以投放到市場的產品，展示了非集成元件的靈活性和高度集成的PMIC-SoC之間的關鍵平衡。 來源：貿澤電子 作者：Adam Kimmel |
