DDR2和DDR3内存的创新电源方案

 

　　双倍数据速率内存(DDR)和DDR同步动态随机存储器(SDRAM)在很多计算和嵌入式应用中非常流行。该技术最初由美国电子器件工程联合委员会(JEDEC)发起，从上世纪90年代末的DDR内存规格逐步发展，并在2000年到2003年间陆续发布多个版本，最终形成DDR1和DDR SDRAM。

　　从那时起，采用DDR2、甚至最新的DDR3 SDRAM的新设计让DDR SDRAM技术黯然失色。DDR内存主要以IC或模块的形式出现。如今，DDR4雏形初现。但是在我们利用这些新技术前，设计人员必须了解如何对这些新的内存系统进行供电，以及这些内存系统如何与其余的终端产品配合工作。

　　DDR为什么重要?

　　DDR2在面世时作了一些修订，从而实现了更快的时钟速度以及超过400 MHz的性能。随着行业的发展，DDR3可以支持数倍于时钟的速率，因此可以满足提供更高峰值数据传输速率和更高带宽(64 bits)的更高性能要求。同时，诸如缓存预取以及其他的创新型方法改善了其在动态工作时的表现。

　　例如，因为其持续数据传输率可以达到数千兆赫兹，因此高性能超大规模集成(VLSI)处理器只可与DDR3内存一起工作，并且低延时需要系统不断有数据流入。不出所料，与微处理器、FPGA和ASIC芯片一样，这些存储系统的供电电源的选型及设计变得非常重要。

　　DDR和电源

　　由于DDR3的额定供电电压为1.5V，DDR2为1.8V，DDR则为2.5V，所以与DDR2模块相比，DDR3内存的功耗有了很明显的下降，约为30%。1.5V的供电电压和DDR3 芯片最初采用的90纳米制造技术相得益彰，而最新的DDR3的额定电压仅为1.35V。

　　随着生产工艺的改进，芯片尺寸下降，电压也需要在工艺进步的同时进行变更。我们发现，板级电源正在朝着低电压、高精度的方向发展。

　　当内存稳定性成为首要的考量因素时，根据JEDEC的规格，在诸如服务器或关键设备的应用中，1.575V的最大推荐电压应视为绝对的最大值。此外，JEDEC还规定，内存模块在导致永久性损坏前必须可以承受高达1.975V的电压，即使这些模块无需在这一电压水平下正常工作。

　　工艺尺寸的下降决定了所需电源轨的物理特性、所需的精度和准确度以及分辨率。内存常常伴有密度问题，DDR也不例外。

　　快速浏览厂商的数据手册后可以发现，如今电源轨的精度需小于0.075V，而且在即将面市的DDR4中，在全温度范围内，电源的精度将会小于0.05V。

　　最近，一个连接微处理器和内存系统的内存方案要求频率-功率调整功能，简而言之，是指要求电压根据工作频率的差异不断变化。从内存供应商的数据手册可以看到，VDD和VDDQ的电压差必须始终在300mV内，VREF则不能超过0.6×VDDQ。

　　内存本身并未进行大量操作。当内存连接到与其相连的系统的其他部件时，电源系统的复杂性有所增加，以优化和保护系统。这样的目的是确保可靠性并减少功耗，并消除系统中的造成潜在电路和闩锁效应的因素。

　　如果系统仅由DDR内存构成，考虑其供电电源设计，要求多时序控制、高精度的电源已保证系统正常工作，这给电源设计带来了挑战。随着工艺尺寸的下降，开发出更具优势的新技术，而不是重新设计电源硬件，从而提高重复使用率，缩短设计时间，这必定会大有裨益。

　　随着内存及其连接的所有VLSI器件(包括处理器)复杂度的提高以及尺寸的下降，电压也降至系统所需的伏特值。正如最近遇到的一个现实的系统需求案例一样(如图1所示)，电源系统所面临的要求日臻复杂。这个案例事实上还是相对简单的电源系统，仅仅5路电源，而现在，10路、20路电源的系统也比比皆是。

　　

 

　　如今，很多处理器往往需要多路供电，所以在使用DDRx内存并连接其它VLSI部件时，针对开启/关闭电源的时序和延时功能必不可少。和连接至内存的其他器件配合工作时，内存定序、上升下降时序、电压精度以及启动和关闭压摆率，这些都至关重要。而且电源与系统的通信已越来越被人们所关注。

　　从设计概念、产品应用在到它的衰退期，如何保证产品能在最短的时间内占有市场，并对市场反馈作出及时的修改成为厂商非常关注的焦点。事实上，较之厂商原先预计的生命周期，如今内存和VLSI器件的变化来得更快。

　　产品在自身软件控制下对电源特性进行修改的能力越来越重要。现在的问题是：当数字软件工程师对电源小组提出此类要求时，有哪些方案可供设计人员选择。要知道软件工程师习惯通过安装在PC机上的调试软件来开发和调试电源。

　　当然，这样的功能需要通过可承受的方式进行复制，不仅能集成至产品，而且通常无需很多时间进行设计。这种一站式的设计常常需要数模转换器(DAC)、模数转换器(ADC)、数字电位计、微控制器、精密电阻、电容、脉度调制(PWM)控制器，以及大量的设计时间。

　　设计人员也可以选择采用一个复杂的“系统监测器/电源管理器”。它内置部分功能，但仍然需要外接PWM控制器以满足系统的电源需求。这些部件一般都比较昂贵，而且还必须为那些不需要的功能买单。由于针对这些开发工具有一个学习的过程，所以设计时间会比较长。

　　新方法

　　另外一种方法是使用软件可编程电源解决方案。EXAR公司的PowerXR产品家族的数字电源控制器，能够赋予设计者极大的灵活性和图形用户界面(GUI)，让设计者无需软件编程知识也能轻松完成电源设计(如图2、图3和图4所示)。

　　

 

　　该方法使得系统电源设计工程师只需要在相应栏里填入相关信息，就能轻松完成电源设计。芯片上的I2C接口能和系统保持持续的通信，从而针对操作系统需求的动态变化，即时作出调整或者根据需要进行重新架构。

　　

 

　　通过图形用户界面，工程师可以直接对芯片内寄存器进行操作，而这之间的通信协议是标准的I2C总线。同样的，也可以通过板上的MCU直接对寄存器进行操作。图形用户界面可以实时监测电源的工作状态，采用这样的设计方法大大提高了系统的稳定性同时缩短了设计时间，外围元器件的数量也大大减少。

　　

 

　　由于补偿网络不像传统模拟电源那样需要电阻和电容这样一些被动元器件，因此时间和温度的变化对它的影响大大降低。此外，复杂的压摆率控制延迟和电源时序可以很容易完成。当系统需要改变时，电源系统在没有任何硬件改变的情况下也可以远程重新架构。在整个产品的生命周期内重新架构都可以，实际上也很容易实现。

　　这种系统级设计方法的其中一个优点是硬件完全可被重复利用。硬件设计保持连贯性，可重用性变得前所未有的简单。设计者可通过对电源系统做简单的软件定义并保存在IC上，从而实现差异化。

　　另外，如果需要3个、4个、20个乃至更多的通道，非常简单，我们可以让更多的通道通过I2C参与到工作中来，而额外增加的工作仅仅是复制、粘贴而已。每个通道的电流大小也可以通过软件和元器件的选择进行设定。

　　差异化可以通过软件来实现，因此该方案可以轻松应用到其他产品线上。此外，与其他数字方案一致在硬件不需要更改的前提下，可以轻松通过软件升级来应对市场的变化，这样可能会带来规模经济效应。它不仅简化了设计，所有环节的工作都可以从中获益，包括供应链，后勤以及现场服务。

　　该方案还支持远程监控。一旦需要系统工作数据进行调试甚至在现场进行远程调试时，系统可以进行重新架构和监测，从而保证系统的正常运行和现场服务诊断所需。

　　电源系统解决方案

　　DDR内存等VLSI器件的需求正变得越来越复杂，电源系统解决方案让设计变得更简单，并且可以为客户创造以前不可能实现的效益。

　　例如，设计人员可以通过调节和优化自身电源节约电能来获取每瓦最佳性能。这种方法也使得VLSI系统在不断增加特性和功能的同时下也能以更加合理的方式工作。

　　多年来，数字设计工程师已经通过重复可编程的方法在对系统进行设计。现在是让电源系统设计也变得如此简单和高效的大好时机。利用低成本的评估板和免费提供的软件进行系统级电源设计入门，这是非常容易实现的事情。

　　现在就行动，你就会惊喜地发现，通过软件设计不仅可以简单地实现重复利用，而且能节省设计时间和成本，同时为基于VLSI的成功产品提供必需的系统电源，在极端环境和时间条件下也能可靠地运行。

　　该方案当然也能通过额外的硬件来实现，如用数字电位器、数模转换器、模数转换器、系统控制器子系统和PWM控制器。但这会花费大量的时间，并增加大量的元器件，还会耗费成本、时间和电路板空间(图5)。

　　

 

　　另外，PowerXR芯片可用于简化DDR3的设计，显而易见的一个好处是可以很容易地实现对电源时序的管理，它也同样适用于DDR4存储系统。 PowerXR系统还可以为您生成最终的硬件原理图，包括需要VTT电压的无源或有源元器件，从而满足电源在任何温度和时间条件下都有极高的精度和准确度的要求。

　　如今的处理器特别需要复杂、准确和精确的电源，这些处理器可以通过PowerXR可编程电源方案简单地实现。通道可按照您的需求进行添加，组成一个非常智能的电源系统，无论添加多少个通道，每条通道仍可实现独立控制。

　　同样，通道可以从三通道加至四通道，因此，一个8通道方案可以由两个四通道的芯片组成，每个通道都独立进行设计并完成相应的工作。