(Источник: graphicINmotion / Shutterstock.com)

Новые технологии и приложения в сочетании с более жесткой компоновкой и повышенными требованиями к подключению раздвигают границы существующих процессоров и их систем питания. Эти процессоры должны поддерживать вычисления с увеличивающимся объемом звука, видео, графики высокой четкости (HD), потоковой передачи, игр и всего остального. По мере увеличения объема и качества контента растет и желание предложить улучшенную производительность на меньшем пространстве. Этот ориентированный на пользователя подход выдвигает интеграцию на первый план, что делает ее ограничивающим фактором в развитии технологий.

Задача достижения высокой производительности при одновременном снижении затрат побудила инженеров разработать интегральные схемы (ИС) системы на кристалле (SoC). Эти решения объединяют многие системные функции в ИС, снижая энергопотребление, стоимость и усилия, а также технические знания. требуется для реализации функций, которые в противном случае требуют глубоких знаний в области, таких как обработка видео и графики. Достижение высокой производительности при приемлемой стоимости требует, чтобы производители разрабатывали SoC по глубокой субмикронной технологии (комплементарный металл – оксид – полупроводник (CMOS), ≤ 16/14 нм).

Для таких систем на кристалле требуются источники питания, обеспечивающие высокий ток, что может быть проблемой для реализации в продвинутых субмикронных КМОП-процессах. Для цепей питания требуются большие транзисторы, чтобы выдерживать высокие токи и высокое напряжение (по сравнению с напряжением цифрового ядра). Эти атрибуты диаметрально противоположны атрибутам транзисторов, используемых в цифровых схемах. Поэтому технически сложно (или невозможно) реализовать источники питания на том же кристалле, что и цифровые схемы, и, вероятно, это будет неэкономично. По большому счету, эти несовместимости всегда существовали в конструкции ИС, но они усиливаются по мере того, как современные процессоры внедряются в постоянно сокращающиеся процессы КМОП.

Здесь мы проиллюстрируем управление и оптимизацию кодовых обозначений SoC-Power Management Integrated Circuit (PMIC) с помощью процессоров семейства NXP i.MX 8M ( Mini и Nano ) и ROHM BD71847 / BD71850 . Эти решения были выбраны потому, что их сочетание функций, низкая стоимость спецификации (BOM) и компактные размеры позволяют OEM-производителям быстро разрабатывать и производить интеллектуальные подключенные устройства.

Повышенная интеграция питания на системном уровне на SoC влечет за собой несколько затрат:

• Сниженная гибкость дизайна
• Неоптимальная эффективность системы
• Более высокая стоимость разработки и спецификации
• Более длительное время выхода на рынок  

Эти компромиссы создают возможность для инноваций на системном уровне при создании современных процессоров и их подсистем питания.

Способы повышения гибкости дизайна

NXP i.MX 8M / 8Mini / Nano не имеет встроенных преобразователей постоянного тока в постоянный или стабилизаторов с малым падением напряжения (LDO). Подобные SoC также не интегрируют преобразователи постоянного тока в постоянный, но во многих из них используются встроенные LDO-стабилизаторы, чтобы преобразовать внешнюю шину питания с более низким напряжением в ядра процессора, применяя динамическое масштабирование напряжения и частоты (DVFS) к ядрам. Сохраняя DC / DC и LDO вне кристалла, разработчики SoC полностью использовали дорогостоящие 14-нм кремниевые компоненты, оптимизированные для цифровых функций, таких как ядра процессора, кэш-память и аппаратные ускорители аудио / видео. Не обремененные внутренними требованиями к управлению питанием, они могут свободно формулировать (внешнюю) архитектуру питания, которая облегчает, а не ограничивает разработку процессора. Достаточно большое количество шин питания (8 баксов и 7 LDO), необходимых для i.MX 8M, свидетельствует об этой свободе. В то же время разработчики ROHM PMIC реализовали свои силовые цепи в 130-нм процессе ROHM Bipolar-CMOS-DMOS (BCD), который оптимизирован для функций управления питанием. У каждой команды была свобода выбора наиболее подходящего процесса и IP-адресов для решения поставленных задач.

Способы повышения эффективности системы

Реализация силовых цепей в процессе 130-нм BCD позволяет BD71847AMWV / BD71850MWV ( рис. 1 ) достичь КПД до 95 процентов для выходного напряжения 0,7–3,3 В. На системном уровне эффективность еще больше повышается, когда внешний DC / DC используется для непосредственного применения DVFS к ядру процессора. В конце концов, с помощью внешнего DC / DC с на чипе LDO для DVFS составляет конверсию 2 стадии, что влечет дополнительные потери во 2 - ^й стадии. 

Часто забывают о точности выходных напряжений (+/- 1,5 процента). Наряду с более высоким разрешением на этапе регулировки выходного напряжения (шаг 10 мВ), программное обеспечение управления питанием может точно установить выходное напряжение шины питания на самом низком уровне, чтобы минимизировать энергопотребление, и все же позволяет подсистеме, питаемой от этой шины питания, работать на желаемая частота.

Рисунок 1 : ROHM Semiconductor BD71850MWV PMIC объединяет все шины питания, необходимые процессорам i.MX 8M Nano и системной периферии, а также секвенсор, совместимый с режимами питания, поддерживаемыми процессорами i.MX 8M Nano, что позволяет значительно сократить время разработки, уменьшить размер и упростить дизайн приложения. (Источник: Mouser Electronics)

Способы снижения затрат на разработку и спецификации

В условиях продолжающегося рыночного давления, направленного на добавление дополнительных функций и / или уменьшение размера и веса продукта, инженеры постоянно пытаются найти способы интегрировать больше функций в ИС и повысить надежность. Однако более высокий уровень интеграции также может повлечь более высокую стоимость разработки и кристалла. Разделение разработки SoC и управления питанием позволяет каждому действовать в оптимальном темпе. Каждый этап процесса - от проектирования, проверки, компоновки ИС до производства ИС - проще и быстрее и значительно увеличивает шансы получить нужные силиконы с первого раза. Более низкая (общая) стоимость кристалла достигается за счет реализации функций мощности в более дешевом (BCD) процессе.

Способы сократить время выхода на рынок

Как и во многих других технологических компаниях, время выхода на рынок имеет решающее значение. Для очень сложных компонентов, таких как процессоры приложений, разделение разработок принципиально несовместимых технологий, таких как элементы цифровой обработки (ЦП, аппаратные ускорители) и управление питанием, снижает затраты на разработку и риски, что приводит к более быстрому выходу на рынок.

Соображения по разработке программируемых PMIC для SoC предлагают компромиссы в пользовательском опыте и разработке продукта. 8M / 8MM / Nano от NXP и 847/850 от ROHM Semiconductor - это тщательно спроектированные продукты, которые обеспечивают успех на обоих концах жизненного цикла продукта. Эти компоненты используются в самых разных приложениях: от потоковых медиа-боксов и ключей до AV-ресиверов и беспроводных звуковых панелей, до промышленных HMI, SBC, IPC и панельных компьютеров. Полупроводники оптимизируют критически важные для пользователя функции - производительность и цену - за счет таких удобных для производителя активов, как гибкость конструкции и время выхода на рынок. Это готовые к выпуску на рынок продукты, которые демонстрируют критический баланс между гибкостью неинтегрированных компонентов и высокоинтегрированным PMIC-SoC.