使用PMIC管理SoC的电源

新技术和应用，加上更紧密的封装和更高的连接要求，推动了当前处理器及其电源系统的极限。这些处理器必须支持越来越多的音频、视频、高清 (HD) 图形、流媒体、游戏以及介于两者之间的所有内容的计算。随着内容数量和质量的提高，在更小空间内提供更好性能的愿望也随之提高。这种用户驱动的方法将集成推到了最前沿，使其成为技术发展的限制因素。

在降低成本的同时实现高性能的挑战促使工程师开发片上系统 (SoC) 集成电路 (IC)。这些解决方案将许多系统功能集成到 IC 中，从而降低功耗、成本和工作量以及技术知识实现需要深度领域专业知识（如视频和图形处理）的功能。以合理的成本实现高性能要求制造商采用深亚微米（互补金属氧化物半导体 (CMOS)，≤ 16/14 纳米）工艺开发 SoC。

此类 SoC 需要电源提供高电流，这在先进的亚微米 CMOS 工艺中可能是一个挑战。电源电路需要大晶体管来处理高电流和承受高电压（相对于数字核心电压）。这些属性与数字电路中使用的晶体管相关的属性截然相反。因此，在与数字电路相同的裸片上实现电源在技术上具有挑战性（或不可能），而且这样做可能不经济。总的来说，这些不兼容性一直存在于 IC 设计中，但随着现代处理器在不断缩小的 CMOS 工艺中实现，它们被放大了。

在这里，我们将通过 NXP i.MX 8M 系列处理器（ Mini和Nano）和 ROHM BD71847 / BD71850 来说明 SoC-电源管理集成电路 (PMIC) 协同设计注意事项的管理和优化。之所以选择这些解决方案，是因为它们的功能组合、低物料清单 (BOM) 成本和紧凑的占地面积使 OEM 能够快速开发和生产智能连接设备。

权衡和解决方案

增加 SoC 上的系统级电源集成会带来多项成本：

设计灵活性降低

次优系统效率

更高的开发和 BOM 成本

更长的上市时间  

这些权衡为构建现代处理器及其电源子系统的系统级创新创造了机会。

提高设计灵活性的方法

NXP i.MX 8M/8Mini/Nano 没有集成 DC/DC 转换器或低压差稳压器 (LDO)。类似的 SoC 也不集成 DC/DC 转换器，但许多使用片上 LDO 将外部电源轨转换为处理器内核的较低电压——对内核应用动态电压和频率调节 (DVFS)。通过将 DC/DC 和 LDO 置于片外，SoC 设计人员充分利用了昂贵的 14 纳米硅片空间，这些硅片空间针对处理器内核、缓存和音频/视频硬件加速器等数字功能进行了优化。不受片上电源管理要求的束缚，他们可以自由地制定一个（外部）电源架构，以促进而不是限制处理器的开发。i.MX 8M 所需的相当多的电源轨（8 个 buck 和 7 个 LDO）表明了这种自由度。同时，ROHM PMIC 设计人员在 ROHM 的 130nm 双极-CMOS-DMOS (BCD) 工艺中实现了他们的电源电路，该工艺针对电源管理功能进行了优化。每个团队都可以自由地使用最合适的工艺和 IP 来完成手头的任务。

提高系统效率的方法

在 130nm BCD 工艺中实现电源电路允许BD71847AMWV / BD71850MWV的bucks 在 0.7V-3.3V 输出电压下实现高达 95% 的效率。在系统层面，当使用外部DC/DC直接将DVFS应用到处理器内核时，效率进一步提升。毕竟，使用带有片上 LDO 的外部 DC/DC 进行 DVFS 相当于 2 级转换，会在第 2 级产生额外损耗。 

一个经常被忽视的特性是输出电压的精度 (+/-1.5%)。随着输出电压调整步长（10mV 步长）的更高分辨率，电源管理器软件可以精确地将电源轨的输出电压设置在最低水平，以最大限度地降低功耗，同时仍允许由该电源轨供电的子系统以所需的频率。

降低开发和 BOM 成本的方法

随着增加额外功能和/或减小产品尺寸和重量的持续市场压力，工程师们不断尝试寻找将更多功能集成到 IC 中并提高可靠性的方法。然而，更高的集成度也可能带来更高的开发和模具成本。将 SoC 开发与电源管理的开发分离开来，可以让每个开发都以自己的最佳速度进行。流程中的每一步——从设计、验证、IC 布局到 IC 制造——都变得更简单、更快速，并大大提高了一次成功的硅的机会。较低的（总）芯片成本来自在更便宜的 (BCD) 工艺上实现功率函数。

缩短上市时间的方法

与许多技术企业一样，上市时间至关重要。对于应用处理器等高度复杂的组件，将基本不兼容的技术（如数字处理元件（CPU、硬件加速器）和电源管理）的开发分开可以降低开发工作量和风险，从而加快上市时间。

结论

为 SoC 设计可编程 PMIC 的考虑因素提供了用户体验和产品开发之间的权衡。NXP 的 8M/8MM/Nano 和 ROHM Semiconductor 的 847/850 是高度工程化的产品，可在产品生命周期的两端取得成功。从流媒体盒和加密狗到 AV 接收器和无线条形音箱再到工业 HMI、SBC、IPC 和平板计算机等应用都使用这些组件来实现其强大的性能。这些半导体优化了用户关键特性（性能和价格）以及对制造商友好的资产，例如设计灵活性和上市时间。它们是可上市的产品，展示了非集成组件的灵活性与高度集成的 PMIC-SoC 之间的关键平衡。

审核编辑：汤梓红