嵌入式系统的构建模块，包括处理器、SoC、DRAM、NV存储器、传感器和连接模块，需要优化的电源解决方案
作者：技术人员，Rohm Semiconductor
 
系统电源管理IC（PMIC）集成了所有或几乎所有所需的电源轨，但是，单独的电源轨使用分立式dc/dc和LDO实现。最佳方法将取决于特定用例和每个用户的标准。
 
PMIC往往以较小的占位面积提供更好的性能和可控性，而分立式解决方案更具成本效益。然而，有一种“混合”方法可以实现这两个方面的最佳效果——使用“小型”PMIC实现电源轨的性能和可编程性，并对其他所有方面进行分立化。
 
通常，用于为具有极低占空比的传感器实现低IQ电源的半导体工艺和电路设计不同于数字核产生DVFS电源所需的半导体工艺和电路设计。
 
后者必须提供软件可编程性，因此最好在一个允许设计师经济地结合数字控制逻辑的过程中实现。前者要求更大几何体工艺的低泄漏，而芯片集成不会产生与更高级节点相同的成本效益。
 
很明显，对于用户来说，当集成到PMIC中时，“愚蠢”的分立式设计通常比它们的等效设计成本更低。这是由于分立器件在市场上的销量要高得多，功能相当的PMIC数量要少得多：集成度越高，器件就越“独特”。
 
如果系统设计师能够在真正需要PMIC功能和特性的子系统中使用PMIC功能和特性（例如，软件可编程性、DVFS、转换速率控制），并在其他任何地方使用分立式PMIC，则可以实现优化的电源解决方案。
 
这种按使用付费的方法提供了性能和较低的BOM成本。与在参考设计中使用PMIC相比，它需要更多的努力，但当批量要求低BOM成本时，它通常是合理的。
 
目前有各种各样的PMIC和分立器件提供各种工作电压和输出电流。这种混合方法允许设计师仅在必要时为性能和功能付费，这意味着他们不需要为PMIC供应商在为各种用例或应用构思产品时不可避免地做出的权衡付费。当集成保持在最关键的位置时，PMIC能力和利用率之间的不匹配被最小化。
 

图1：PMIC和分立化的混合组合可以实现规模、成本和性能的最佳平衡
 
成本考虑
 
考虑到在进行设计权衡时，成本几乎总是一个重要的考虑因素，系统设计师更愿意只在必要时实施或支付功能。尽管一个高性能、一体化的PMIC可以节省空间并简化硬件电源设计，但它可能不是特定用例的最佳解决方案。
 
对于在控制和电源管理状态机中实现细粒度可编程性和灵活性而言，满足低泄漏/IQ要求所需的未使用的功能和广泛的几何过程通常是低成本的。
 
由于功率损耗聚集在单个管芯上，一体化PMIC通常也会带来热管理挑战。分立式芯片通常比PMIC便宜，但灵活性较差，不提供特定的高级功能，如I2C可编程性和DVFS。
 
为了两全其美，系统设计师应该只在需要的地方为高级功能支付额外费用，例如I2C可编程性和为处理器核或硬件加速器供电的DVFS功能。
 
嵌入式系统的电源管理要求
 
高速数字子系统，如CPU和SoC内核、DDR SDRAM和VPU/GPU/ML硬件内核，需要具有中高电流水平、低输出电压、小分辨率（5-10 mV）、良好的瞬态响应、DVFS和软件编程能力的电源轨。
 
瞬态响应考虑
 
当今的嵌入式系统要求在低电压下瞬时提供高峰值电流，以提高系统效率并最小化功耗。瞬态响应是指电路对其稳态变化的响应。电压下降通常发生在瞬态响应不够快时，导致功率损失和更高的排放，并伴随着动态大电流负载的快速变化。
 
如果电源尺寸正确，DC/DC转换器和输出电容器将是提供良好瞬态响应的关键部件。典型的转换器实现几毫秒的瞬态响应，输出电容的压降大于50 mV。然而，高速负载瞬态会导致瞬态响应上的寄生元件，包括输出电容器，会增加总体尺寸、重量和成本。
 
ROHM的BD9B305QUZ是一款同步DC/DC降压转换器，内置电阻功率MOSFET，能够提供高达3A的输出电流。它通过一个无需输出电容的恒定开启时间控制系统提供超快的瞬态响应（纳秒内）。
 
由此产生的电压降比标准溶液小四倍（小于15 mV）。BD9B305QUZ为顺序控制和轻载模式（LLM）控制提供电源良好功能，通过降低功耗提高待机/轻载条件下的效率。
 
该器件在重负载下执行PWM控制的开关操作，并在一个占位面积小的封装中提供高功率密度，在性能、尺寸、重量和成本之间实现理想平衡。
 

图2：ROHM的BD9B305QUZ是一款同步DC/DC降压转换器，通过恒定的实时控制系统提供超快的瞬态响应
 
动态电压和频率缩放（DVFS）和可编程性
 
最新的嵌入式系统利用超高时钟频率来提高系统性能和处理能力。此外，电路的速度与电源电压成线性关系。然而，当系统不需要以其最高性能运行时，必须降低电源电压和时钟频率。
 
DVFS功能对于调整这些参数以降低有功功耗，同时保持功能至关重要。此外，它通过减少处理器芯片中的自加热来提高热性能。
 
DVFS使用软件反馈根据工作负载动态调整时钟频率，然后降低电压以实现节能。由于所需的最小电源电压被编程到每个IC中，PMIC可以读取该值并相应地调整电源电压。类似地，通过集成输出电压的电路内数字可编程性/可配置性，可以显著简化复杂系统的排序。
 
优化嵌入式系统电源需求
 
ROHM的BD2657 PMIC非常适合用于电池供电系统，并提供0.5V至1.2V的输入电压，以支持最新的处理器。该器件提供4 buck转换器和DVF，并提供可编程输出电压、排序和电源状态控制。
 
它采用小尺寸QFN-28封装，可显著降低寄生电阻、电感和散热。BD2657还提供两个通用输出和一个电源按钮支持，可以为SoC CPU和SoC内核、GPU/VPU子系统以及DDR供电。ROHM的故障保护功能包括过压、过流、欠压锁定（UVLO）和热关机。
 
混合解决方案
 
嵌入式系统电源管理的混合解决方案包含两个PMIC；高输入电压PMIC用于从12V中间总线进行单级降压转换，以提供要求最高效率的更高功率负载，包括处理器内核、DDR和VPU/GPU/ML，以及高度集成的5V PMIC，以提供其他低功率系统组件。
 
例如，使用从12V电源到1V轨的两级转换过程，每级效率为90%，总体效率为81%。如果电源轨在0.85V电压下提供15A，则功率损失接近3W。这可能会导致零件温度升高10至20℃。在这一点上，单级PMIC转换器对于减少功率浪费和转化为热量非常有用。
 
对于只消耗几安培电流的低电流轨，两级和单级转换器之间的功率损失差异不太显著。因此，使用较小且成本较低的PMIC（例如ROHM的BD2657）来降低电流可能是一个值得权衡的选择。
 
这允许更小的占位面积，同时满足核导轨更高的性能和效率要求，并为较低电流轨提供足够的性能。BD2657仅为这些功能集成DC/DC，成本低于使用分立式解决方案的等效实现。带有I2C接口的DC/DC降压转换器的成本很容易是没有I2C接口的DC/DC降压转换器的两倍。
 
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