越來(lái)越復(fù)雜的SoC在一個(gè)管芯中集成很多系統(tǒng)組件 ，這在總體上簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的工作。但是這些芯片也導(dǎo)致電源供電子系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜。以前從供電連接器到IC連接Vcc的布線是非常簡(jiǎn)單的任務(wù)，而現(xiàn)在卻成為與系統(tǒng)中其他部分一樣復(fù)雜的有源網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。

SoC的供電要求越來(lái)越高，使得這種設(shè)計(jì)也越來(lái)越復(fù)雜。好在設(shè)計(jì)人員可以選擇在電路板級(jí)來(lái)處理這些任務(wù)，SoC開發(fā)人員希望將電源網(wǎng)絡(luò)組件置入到芯片中以期有所幫助。但是最終，電源設(shè)計(jì)人員仍然要做出一些很難的決定。在決定之前，他們要進(jìn)行一些模擬電路仿真工作。

不斷增長(zhǎng)的需求

集成是有成本的。 SoC設(shè)計(jì)人員在其圖紙上畫出各種電路，這類電路都有自己的電壓、噪聲、排序和瞬變響應(yīng)要求。移植到尺寸更小的電路上不但能夠?qū)崿F(xiàn)集成，而且還降低了供電電壓。這一發(fā)展趨勢(shì)也同時(shí)增大了峰值工作電流、縮小了噪聲余量，使得動(dòng)態(tài)電源管理越來(lái)越復(fù)雜。

復(fù)雜度的提高最明顯的結(jié)果就是SoC使用的外部電源數(shù)量迅速增加 ( 圖1 ) 。例如，一片高端FPGA會(huì)有15條外部驅(qū)動(dòng)的電源軌。它們都連到哪里?

圖1. 一片現(xiàn)代SoC需要很多不同的供電線路，每條線路都有自己的穩(wěn)壓和調(diào)理要求。

答案之一是不同的電壓需求。在FinFET工藝出現(xiàn)之前 ， 內(nèi)核邏輯供電電壓一直在大幅度降低 ， 但在1V附近卻停滯不前。而其他類電路在這方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)落在了后面。按照工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)， I/O單元只能使用特定的供電電壓。SRAM單元需要的電壓要比邏輯級(jí)稍高一些，以保證可靠的全速工作，待機(jī)時(shí)的電壓要低很多。高精度模擬電路希望有較高的電壓以降低抖動(dòng)，提高噪聲余量。這些各種各樣的需求導(dǎo)致供電線路數(shù)量的急劇增長(zhǎng)。

但是 ， 電壓數(shù)量還不是唯一的問題。某些SoC電路——特別是低噪聲放大器、鎖相環(huán)(PLL) ，以及物理接口等都有非常嚴(yán)格的供電噪聲限值。即使電壓相同，這些需求也導(dǎo)致電路無(wú)法共享同一條噪聲源供電線路，例如，數(shù)字邏輯或者大電流I/O單元等。因此，需要增加低噪聲電源。

非常有意思的是，增加供電線路的另一需求是來(lái)自電源管理。數(shù)字設(shè)計(jì)人員越來(lái)越多的采用了動(dòng)態(tài)低功耗技術(shù)——例如，精細(xì)粒度時(shí)鐘選通、隨時(shí)供電選通和電壓調(diào)整等，使用這類技術(shù)的電路對(duì)其供電線路瞬變響應(yīng)的要求特別高。負(fù)載在微秒甚至更小的量級(jí)上變化。為能夠響應(yīng)來(lái)自SoC的命令，電壓應(yīng)不斷變化。這些負(fù)載實(shí)際上可以采用不同的恒定電壓源或者噪聲敏感電壓源。

排序也需要單獨(dú)的供電線路(圖2) 。在很多SoC中，對(duì)上電順序有要求——在某些情況下，對(duì)關(guān)電順序也有要求。這種時(shí)序要求使得電路提供不同的供電線路，不然可以共享一個(gè)電源。

圖2. 正如這一FPGA所示，復(fù)雜的SoC上眾多的電源線，通常都有嚴(yán)格的上電排序要求。

找到策略

系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員會(huì)面對(duì)SoC上大量不同的電源線 ， 遇到棘手的問題。據(jù)Altera公司電源業(yè)務(wù)部研究員兼首席技術(shù)官Ashraf Lotfi，解決方法一般是采用某種分布式電源網(wǎng)絡(luò)。

“一般而言，您會(huì)看到在電路板上有體積較大的調(diào)節(jié)器，對(duì)系統(tǒng)的12 V或者24 V進(jìn)行降壓，將其分配給每一個(gè)負(fù)載點(diǎn)調(diào)節(jié)器。為滿足各種需求，您通常都會(huì)針對(duì)每一電源線提供負(fù)載點(diǎn)供電。 ”

由于電源線數(shù)量的快速增長(zhǎng)，每一新設(shè)計(jì)都要求進(jìn)行分析， 以減少調(diào)節(jié)器的數(shù)量。一塊電路板上15條電源線還不夠理想。因此，設(shè)計(jì)人員需要解決一些關(guān)鍵問題。在這種特殊的實(shí)現(xiàn)中，這些電源線的電壓、噪聲和排序要求能夠支持它們共享一個(gè)調(diào)節(jié)器嗎? 如果不能，是否可以采用一條電源線，以稍微不同的電壓運(yùn)行，從而共享調(diào)節(jié)器——即使是以稍高的功率代價(jià)或者稍微降低一些性能?外部排序轉(zhuǎn)換器能有所幫助嗎?

Lotfi說 ， 減少了調(diào)節(jié)器數(shù)量后 ， 設(shè)計(jì)人員可以把注意力轉(zhuǎn)向優(yōu)化調(diào)節(jié)器效率和布局。只要噪聲和瞬變響應(yīng)要求允許，那么，最好的起點(diǎn)是使用高效開關(guān)調(diào)節(jié)器，而不是線性調(diào)節(jié)器。Lotfi認(rèn)為，最近的高頻開關(guān)模塊極大的擴(kuò)展了范圍，使得這類替換成為可能。

設(shè)計(jì)人員還可以針對(duì)每一調(diào)節(jié)器的要求盡量減小電路板面積。模塊化結(jié)構(gòu)可以在一個(gè)混合封裝中實(shí)現(xiàn)控制器、電壓參考、驅(qū)動(dòng)、電源FET ，以及電感。在某些設(shè)計(jì)中，反饋補(bǔ)償也含在封裝中。原理上，這種集成使得設(shè)計(jì)人員不能自由的優(yōu)化調(diào)節(jié)器的傳送功能，以滿足某種電源的特殊需求。而在實(shí)際中， Lotfi主張，需要電源設(shè)計(jì)人員提供反饋無(wú)源功能，占用較多的設(shè)計(jì)時(shí)間，增加電路板面積，從而提高靈活性，這樣做是值得的。供應(yīng)商可以為調(diào)節(jié)器內(nèi)部組件預(yù)設(shè)最優(yōu)傳送函數(shù)，滿足一般要求。Lotfi宣稱，而且，把關(guān)鍵組件放到模塊中，調(diào)節(jié)器供應(yīng)商可以提高開關(guān)頻率，提高總效率，有效的降低開關(guān)噪聲，使得模塊能夠均衡線性調(diào)節(jié)器的噪聲指標(biāo)。

電網(wǎng)驗(yàn)證

無(wú)論選擇分立調(diào)節(jié)器還是小型化模塊、線性或者開關(guān)調(diào)節(jié)器 ， 系統(tǒng)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)都面臨對(duì)選擇進(jìn)行驗(yàn)證的問題 ， 包括 ， 調(diào)節(jié)器、外部組件的選擇 ， 以及布板是否能夠滿足SoC 的供電要求等。問題已經(jīng)發(fā)展到包括更多的動(dòng)態(tài)行為，還包括抗噪問題，這類驗(yàn)證不再偏重于根據(jù)數(shù)據(jù)資料進(jìn)行計(jì)算，而是進(jìn)行仿真。 Lotfi說，經(jīng)驗(yàn)豐富的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)會(huì)針對(duì)整個(gè)電網(wǎng)進(jìn)行行為仿真。這不但要有運(yùn)行仿真的技巧，而且還要使用電路板上實(shí)際組件的精確模型 —— 小規(guī)模設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)可能得不到這些數(shù)據(jù)。更簡(jiǎn)單的替代方案是，使用來(lái)自SoC供應(yīng)商的詳細(xì)參考設(shè)計(jì)。

但即使有最好的信息和工具， 也無(wú)法在SoC外部來(lái)解決某些供電問題。有時(shí)候，芯片設(shè)計(jì)人員不得不負(fù)責(zé)他們所開發(fā)的電路的供電問題。

片內(nèi)調(diào)節(jié)

管芯電壓調(diào)節(jié)的歷史很長(zhǎng)了 ， 可以回溯到使用電荷泵為低成本微控制器的嵌入式EEPROM提供可編程電壓。在很多情況下，其動(dòng)機(jī)是降低材料成本或者便于使用：例如，微控制器應(yīng)用，完全可以承受電路板上再采用一個(gè)電壓調(diào)節(jié)器的成本。

便于使用一直是一個(gè)重要的動(dòng)機(jī) ， 即使是非常復(fù)雜的芯片。 Altera IC設(shè)計(jì)經(jīng)理Weichi Ding指出，先進(jìn)的FPGA會(huì)使用管芯調(diào)節(jié)功能為配置RAM或者反向偏壓電路提供電壓。這類應(yīng)用還不足以滿足技術(shù)要求，這是因?yàn)橥獠侩娫吹臄?shù)量會(huì)比現(xiàn)在大幅度增加。

相似的， Altera Stratix V FPGA的很多電路也需要單獨(dú)的調(diào)節(jié)器 ， 因?yàn)?， 它們對(duì)噪聲敏感 ， 不能與其他電路共享調(diào)節(jié)器。這方面的例子包括PLL和物理介質(zhì)附加電路(PMA) ，后者是直接連接至多GigaHertz串行I/O引腳的I/O模塊。所有這些電路在Stratix V FPGA芯片上都有管芯調(diào)節(jié)器，從而減少了專門用于外部電壓軌的引腳數(shù)量。

動(dòng)態(tài)電壓頻率調(diào)整(DVFS)也能夠滿足片內(nèi)調(diào)節(jié)的需求 ， 只要您調(diào)整的足夠大。在早期DVFS實(shí)現(xiàn)中，軟件會(huì)預(yù)測(cè)模塊在后面的幾十毫秒中對(duì)性能的要求，命令硬件暫停操作，根據(jù)預(yù)測(cè)的新負(fù)載來(lái)調(diào)節(jié)電壓和頻率。例如，進(jìn)入待機(jī)模式的手持式設(shè)備會(huì)完全關(guān)斷其圖形引擎，使CPU回到極慢的時(shí)鐘，降低工作電壓。這一過程雖然非常繁瑣，但采用外部調(diào)節(jié)器進(jìn)行設(shè)置來(lái)產(chǎn)生多路輸出電壓很容易完成它。但是由于很大的延時(shí)以及能耗，系統(tǒng)只適用于長(zhǎng)期和可預(yù)測(cè)的變化。

在6月的設(shè)計(jì)自動(dòng)化大會(huì)上，Intel首席工程師Tanay Karnik描述了當(dāng)您暫時(shí)讓DVFS粒度更精細(xì)時(shí)會(huì)發(fā)生什么。在管芯的每個(gè)處理單元上采用了粒度非常精細(xì)的DVFS后， Intel觀察到處理器的功耗增大到100W ，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于服務(wù)器CPU 。 Intel設(shè)計(jì)人員放棄了由于操作系統(tǒng)原因而采用的毫秒級(jí)頻率，開發(fā)的電路檢查輸入緩沖，根據(jù)后面幾行代碼來(lái)隨時(shí)選擇電壓和頻率。這意味著，有可能在十幾個(gè)納秒內(nèi)改變頻率和電壓，而不是在毫秒量級(jí)。更快的DVFS意味著，芯片能夠更好的滿足每一模塊的處理能耗需求。但這也對(duì)調(diào)節(jié)器的要求提高了，僅有外部調(diào)節(jié)器不能滿足需求。

Karnik說 ， 為達(dá)到這一水平的動(dòng)態(tài)響應(yīng)， Haswell等Intel芯片使用了可編程管芯線性調(diào)節(jié)器(圖3) 。在處理器固有的數(shù)字CMOS中實(shí)現(xiàn)這些模塊，把2.4 V基本電壓降低到可選的輸出范圍內(nèi)，在0.6-1.8 V之間，步長(zhǎng)是12.5 mV。調(diào)節(jié)器能夠以100 MHz的頻率改變電壓，擺率達(dá)到了令人吃驚的100 A/ns，可跟蹤電源和時(shí)鐘選通數(shù)字模塊產(chǎn)生的極大的負(fù)載變化。毫無(wú)疑問，如果調(diào)節(jié)器控制環(huán)只有一兩厘米的電路板走線和引線框，是不可能實(shí)現(xiàn)這類性能的。

圖3. 對(duì)Intel Haswell芯片電源分配網(wǎng)絡(luò)的高層描述，顯示了內(nèi)部電壓調(diào)節(jié)器提供了不同的模塊。

Karnik提醒說，采用這類設(shè)計(jì)并不是出于謹(jǐn)慎的目的。Intel選擇的實(shí)現(xiàn)方法采用了管芯電感，因此， Intel必須在其后端線路處理流程中引入磁體材料。對(duì)于設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)，對(duì)調(diào)節(jié)器網(wǎng)絡(luò)建模的難度非常大，這會(huì)有很多個(gè)區(qū)域，數(shù)百萬(wàn)個(gè)仿真單元。必須在全部電壓范圍內(nèi)對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證——在制造時(shí)進(jìn)行測(cè)試，還要在全部負(fù)載范圍內(nèi)維持效率不變。

Karnik說 ：“ 內(nèi)部調(diào)節(jié)器占用了很大的管芯面積 ， 需要進(jìn)行規(guī)劃和調(diào)試。但必須這樣做。”這不但能夠?qū)﹄妷哼M(jìn)行瞬時(shí)調(diào)節(jié)，響應(yīng)快速變化的負(fù)載，而且避免了采用7個(gè)外部芯片。

如果Intel能夠繼續(xù)指明其他供應(yīng)商先進(jìn)SoC的發(fā)展方向， 那么，我們將看到對(duì)負(fù)載點(diǎn)調(diào)節(jié)的需求越來(lái)越大，看到調(diào)節(jié)器本身逐步轉(zhuǎn)到SoC中，在某些情況下，自己還會(huì)有電感。當(dāng)然，設(shè)計(jì)總會(huì)遇到挑戰(zhàn)，SoC供電技術(shù)會(huì)不斷發(fā)展。