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日志

ASIC和SoC设计中的模拟和电源管理趋势

已有 141 次阅读2021-8-30 09:20 |系统分类:芯片设计

By: Luis Tellez and Stephen M. Nolan

本文来源:Vidatronic

本文刊载于《IP与SoC设计》第五期

摘要

       现代应用专用集成电路(asic)和芯片上系统(SoC)的设计可以通过片上集成模拟功能(如电源管理)来区分。Vidatronic提供了这份白皮书,描述了这一趋势的一些历史背景,并专门深入电源管理的集成。讨论了Vidatronic IP解决方案及其给ASIC和SoC设计人员带来的好处。


介绍 & 背景

       专用集成电路(ASIC)是为特定应用设计的系统,可以针对特定任务进行完全定制和优化。与计算机中的通用集成电路(如微处理器或RAM)相反,ASIC用于实现特定的应用,例如汽车、移动、医疗、家庭自动化、工业、物联网等。一个ASIC的复杂版本,包括多种功能,如微处理器、外设功能和接口,如此就形成片上系统(SoC)。


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图1:SoC框图示例


       开发定制ASIC系统最重要的一个方面是使您的产品与市场上的其他竞争对手区别开来。图1是一个框图,显示了作为SoC设计的ASIC中可以包含的许多典型功能。从图中可以看出,在典型的ASIC/SoC中使用的许多功能块要么是标准化的,要么是高度商品化的。利用商用IP块实现这些功能带来了一些好处,但与竞争对手的产品没有区别。事实上,对于完全由标准驱动的模块(例如USB接口),几乎不可能有任何区别。

       虽然ASIC或SoC中的许多模块在本质上主要是数字的,但提供市场差异化的一种方法是集成各种模拟模块。这也是近20多年来的趋势。


模拟集成的历史

       用于设计和开发ASIC和SoC的晶圆制造工艺和CAD工具倾向于针对逻辑进行优化,因为典型系统上的大多数功能 都是逻辑的。然而,大多数系统需要几个模拟功能来支持。历史上,这些模拟功能大多由独立的、分立的IC提供。这种方法的缺点包括:


       -较大的封装和引脚数

       -增大印刷电路板(PCB)面积

       -系统总成本较高

       -模拟功能缺乏优化或差异化

       -额外的设计复杂性


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Figure 2: SERDES Integration Trend


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图3:电源管理集成趋势


       大多数ASIC/SoC设计都是在小尺寸工艺(40纳米及以下)中实现的,用来节省功耗和芯片面积。然而,由于晶体管失配和漏电,在小工艺线宽中进行模拟电路设计存在重大挑战。尽管存在这些挑战,一些公司还是在小逻辑制造工艺中设计模拟功能,并将其作为知识产权(IP)授权提供,以便在芯片上集成到大型系统中。如图2所示,这种趋势始于串行器/去串行器(SERDES)电路。在20世纪90年代,大多数SoC都有用于外部I/O的宽并行总线,与外部SERDES芯片接口,以提供高速串行接口。一些公司努力克服非最佳工艺中模拟电路设计的挑战。今天,只要需要高速串行接口,几乎每一个晶圆厂和工艺节点都可以从多个供应商那里获得IP。现在,简单地授权一个SERDES IP并将其集成到芯片上已成为常态。

       图 3 显示了这一趋势如何在其他模拟功能方面继续发展,最新的是片上电源管理。Vidatronic 在克服先进工艺(低至 5 纳米)设计的困难方面有着丰富的经验,与尝试自己设计这些电路相比,使用我们的 IP 可以帮助您以更低的风险和更低的成本更快地进入市场。


On-Die电源管理

       由于其复杂的设计,SoC需要多个不同的电源轨,提供不同的电压和电流,这些电压和电流可以在仔细控制下分别上电和下电。

       电源管理中使用的典型功能包括低压差(LDO)线性稳压器、DC-DC转换器、电压基准和安全功能。这些功能通常被组合成一个专用的电源管理单元(PMU),为所有的子模块提供电源。下图4左侧部分的电源管理模块,是专门针对应用的模拟和混合信号电路。这些模块中的每一个都可以针对给定的应用进行优化,从而显著提高功率和价格。对框图中电源管理部分所代表的各种块进行了描述,说明您如何选择 Vidatronic 的 IP 技术,从而为您的 ASIC/SoC 带来巨大的差异化和价值。 


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图4:集成电源管理的SoC框图示例



低压差(LDO)调节器

       LDO被广泛用于从电池或其他电源提供稳压水平,而代价是最小的压降或压降电压(约200 mV)。LDO输入(电源)与其稳压输出电压之间的这种微小差异,使LDO能够在极低的输入电源下工作,这已成为小型工艺的主要挑战之一。例如,如果需要1V的输出稳压,LDO可以在低至1.2V的输入电源下工作。LDO稳压器还能提供非常低的噪声和极其稳定的输出电压,以应对电源和负载的变化。

       由于其闭环结构,许多LDO电路需要一个补偿方案。大多数LDO电路在其输出端实现了一个大的外部电容,为补偿环路提供了一个主导极。在输出端设置电容的第二个原因是帮助LDO实现其所述的噪声性能,同时实现输出噪声电压和电源抑制比(PSRR)。由于电容值很大,在多个微法拉的数量级,这个输出电容无法集成,而且诸如电路板面积、成本和焊接点导致的非理想性等方面,降低了LDO的性能。另一种解决方案是实现无电容(capless)LDO,其中主导极是在内部创建的,消除了大型输出电容。这样可以降低材料清单和面积成本。在设计无电容LDO时,需要一个优越的架构来实现高性能,如稳定性、低噪声、高PSRR和快速瞬态响应。

       Vidatronic 的 Power Quencher® LDO 技术可集成到裸片上,不需要输出电容器。它的设计是为了在广泛的输出电容范围内实现无条件的环路稳定性,一直到零,并且仍能以极低的功耗实现所需的噪声抑制。Vidatronic IP 块可用于 ASIC/SoC 开发的典型工艺节点,因此可在 ASIC/SoC 芯片上实现,以提供所有必要的各种内部电源电压。


DC-DC转换器

       在电源管理单元中,一个重要的数字是功率效率,它被定义为总输出功率与输入到稳压器的总功率之比。假设你有一个低功耗的LDO,其最佳情况下的效率可以通过输出电压超过输入电压来计算。输入电压与其压降电压成反比。由于正确的环路操作需要一个最小的压降,因此LDO的效率会降低。

       一个高性能的PMU通常会实现DC-DC转换器和LDO的组合,以大幅提高效率。DC-DC转换器的缺点是引入了开关模式块,会在其输出电压中产生开关噪声。对噪声极其敏感的电路不应该由DC-DC转换器提供。克服这一问题的一个可能的解决方案是级联一个DC-DC转换器,以实现有效的压降,然后由一个LDO来清理电源噪声。此外,LDO可以根据负载要求进行旁路,避免效率降低。

       有两种类型的 DC-DC 转换器技术:标准的基于电感的 DC-DC 转换器,它需要一个外部电感和电容器来创建直流输出电平,以及开关电容式 DC-DC 转换器,它可以使用在模电容器来实现,但不能像基于电感的解决方案那样提供那么大的电流。Vidatronic 将这两种类型的技术作为经过硅验证的 IP 提供。


       此外,DC-DC转换器还可以在以下模式下使用: 


       -降压模式:输出电压低于输入电压

       -升压模式:输出电压高于输入电压

       -旁路模式:输入电压直接输入到输出

       -组合模式:无论输入电压如何,都能自动提供正确的输出电压


       Buck-boost模式在电池供电的应用中特别常见。当电池连接到充电器或充满电时,电池电压可能高于负载电路所需的电压。当电池放电时,电池电压低于负载电路所需的电压。

       Vidatronic提供了一种名为Flexsupply®的开关电容DC-DC变换器IP块,不需要任何外部组件。无论输入电压是高于或低于所需的输出电压,它都可以产生所需的输出电压。


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图5:Flexsupply®DC-DC变换器应用


       这个IP模块是根据所需的输出电流而设计的(见图5),是可以扩展的。例如,如果您的ASIC/SoC只需要从降压-升压转换器中获得1毫安的电流,那么您可以在芯片上使用我们最小尺寸的IP模块。如果您需要更高的负载电流,那么模块的尺寸可以线性放大,以支持额外的负载。例如,10毫安的负载需要的面积是1毫安模块面积的10倍。这意味着,在您的轻负载应用中,不会为你未使用的电流支付额外芯片面积而带来的费用。


电压基准

       电压参考是几乎所有ASIC/SoC器件中电源管理系统的必要组成部分。电压参考通常用作各种PMU块的参考,如LDO、运算放大器、比较器、数据转换器和许多其他模拟和混合信号功能。电压基准的主要目的是在工艺、电压和温度(PVT)变化的情况下提供一个恒定的电压。此外,低功耗和良好的电源抑制比 (PSRR) 也是高性能和可靠基准电压的一部分。Vidatronic拥有高精度的电压基准IP技术,在静态电流(IQ)小于10微安(µA)和PSRR超过80dB的情况下,可以达到令人印象深刻的0.3%的精度(微调)。我们还有极低功率(IQ < 100 nA)的电压基准,适用于常开机的微功率应用,具有非常好的精度和噪声性能。这两个电压基准系列无需使用任何外部元件即可提供这些高性能的优势。


电池充电器

       手机、平板电脑、笔记本、智能手表、助听器等设备都是由电池供电,以实现便携性。这些电池供电的应用需要一个充电器块来监控和充电电池单元。

       电池充电器是根据电池单元的要求设计的。与稳压器类似,电池充电器可设计为线性或开关充电器。线性电池充电器很简单,而且由于不需要电感等大型外部元件,因此解决方案尺寸较小。这类电池充电器成本较低,适用于小型电池单元和低功率充电应用,如可穿戴设备或物联网。另一方面,开关式充电器更适用于大功率应用,在这些应用中,使用较大的电流对电池单元进行快速充电。这类电池充电器可以在手机、笔记本和汽车应用中找到。


安全模块

       还有许多其他的基础模拟电路块在电源管理应用中常用。这些包括振荡器、电压监控器、温度传感器和上电复位(POR)电路。

       虽然有许多实现振荡器的方法,但电源管理功能通常使用弛豫或环形架构。虽然这两种方式都不新颖,但在先进的晶圆厂工艺中,实现它们以合理的功耗在工艺、电压和温度(PVT)之间可靠地启动和以正确的频率振荡可能是一个挑战。

       电压监控器和温度传感器经常用于故障安全原因,当达到一个极限时,标志着控制器关闭系统。关键参数是精度和滞后。

       上电复位(POR)电路通常是任何ASIC/SoC设计的必要部分,以延缓逻辑电路的启动,直到电源电压达到足够的水平,以实现系统中的有效逻辑状态。


电源管理单元(PMU)

       在ASIC/SoC上使用这些不同的电源管理块一般不是独立的。通常,系统需要非常仔细地控制各种电源轨的上电和断电顺序,并能够在ASIC/SoC的指定低功耗工作状态下关闭某些电源。为了控制各种电源管理块,通常会增加一个逻辑状态机,以确保电源上电和关机的正确时机和顺序,以及建立各种低功耗状态。这种逻辑状态机通常由微控制器或微处理器通过串行接口(如I2C)进行控制。仔细开发和测试这些逻辑电路及其与模拟电源管理块的接口并非易事。

       Vidatronic 拥有这些经过硅验证的各种技术,并在适当的实现方面拥有多年的经验。将这些不同的电源管理模块与一些控制电路和用于外部控制的接口组合在一起,称为电源管理单元 (PMU)。Vidatronic 提供的定制服务之一是将各种电源管理模块集成到一个 PMU 中,为您的整个 SoC 设计提供所有必要的电源功能。


结论/总结

       利用 Vidatronic 的 IP 和定制电路进行 ASIC/SoC 开发,可以帮助您更快地将产品推向市场,并提供差异化的产品功能和性能。我们的经验可以降低您的整体项目风险。

       用于ASIC/SoC集成的Vidatronic IP核包括:


       -可集成在芯片上且不需要任何外部组件的LDO

       -DC-DC转换器,面积可根据负载要求进行扩展

       -电压基准具有令人印象深刻的精度或难以置信的低功率,适用于常开应用且无需外部元件

       -基础安全模块

       -控制逻辑和串行接口


       Vidatronic 还可灵活地定制任何 IP 块,以满足特定的应用需求,并将所需的块集成到一个完整的 PMU 中,为您的整个 ASIC/SoC 设计提供所有必要的电源功能。

       Vidatronic 专注于 CMOS Planar、FinFET 和 SOI 技术中从 180 纳米到 5 纳米的最先进工艺节点。

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