具有多域自适应电压调节功能的下一代SoC电源管理

       转换效率和调节质量这两方面的要求推动着电源管理从最初的LDO发展到今天效率超过90%的高精度、多模式DC/DC转换器。由于稳压器的效率已经达到了极限，现在的研究已经转向如何优化系统的效率，以满足电池供电和能量限制的便携设备的要求。在这种设备中，总能量的30% ~ 50%会被数字处理器消耗。最近的工业经验显示，简单地使用最新的半导体工艺并不能保证低功耗性能，除非从一开始就考虑电源管理的问题。动态电压和频率调节(DVFS)技术与数字SoC有源和无源漏电管理技术，特别是与精心设计的电源管理架构一起使用时，这些技术能显著降低SoC的功耗。本文将分析如何使用先进电源控制程序(APC)在SoC上实现DVFS。

       APC的功能
      
       APC能提供两个软IP版本：APC1和APC2。APC1用于只有一个可控电压区域的简单SoC。APC1支持与PowerWise接口(PWI)1.0兼容的点对点接口，用来连接外部的PMIC。APC2支持多个并行的电压和时钟区域，可对更复杂的SoC进行功耗管理。此外，APC2能在一个共享的电压范围内控制多个独立时钟。甚至在出于系统规模和成本的考虑，仅使用少量外部整流器的情况下，APC2也能实现低功耗运行。PWI 2.0总线接口允许APC2与多个周边甚至另一个SoC相连。
      
       带有APC的系统架构
      
       图1示出了一个使用APC2的双电压域SoC和系统架构。SoC中包括两个分别被称为“硬件加速器”和“CPU”的电压控制域中的逻辑模块。从DVFS来看，任何数字功能都可以在这些域中实现。每个电压域都有一个用于AVS控制的硬件性能监控器(HPM)。如果电压域的面积过大，或在其中需要进行大量瞬态的逻辑跳变，可以使用多个HPM和多个时钟域。
      
       APC2模块中示出了APC的4个主要功能模块：1. 控制逻辑模块提供主机接口，CMU接口和中断管理服务；2. 环路控制器在AVS模式下管理电压调节，当实现多个电压域时，APC2可有多个环路控制器；3. 为DVS支持提供每个电压域的频率/电压表；4. PWI2.0主接口将SoC与PMIC和其它外设相连。
      
       带APC的DVFS操作
      
       APC能在DVS和AVS两种模式下实现DVFS操作。在DVS模式中，APC根据来自CMU的频率请求，从内部的DVS表中取出相应的电压值，并传送给PMIC。使用一个定时器来延迟CMU对于频率的确认，直到电压稳定为止。图1中的蓝线示出了AVS工作模式。当CMU为一个DVFS域请求一个新的频率，并为该域设定一个新的HPM时钟时，AVS的频率就开始变化。随后APC环路控制器使用HPM数据来确定所需的频率调节。它反复调节电源电压，直到能满足新频率的要求。这一过程听起来虽然比较复杂，但是能够带来补偿工艺和温度波动、时钟频率变化、静态IR下降和PMIC整流器偏移等优点。与电压固定的系统相比，使用APC2在AVS模式下实现DVFS最多能降低70%的功耗。