多电压可适性电压定比调节技术 双ARM7系统单芯片参考设计 电子产品, 控制器, 工程师, 技术, 电源

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现今低功耗的电子产品大受市场欢迎，同时采用定比调节功能控制多个不同电压的电源管理技术可以改善能源效益，因此越来越多系统单芯片引进这种电源管理技术以减少功耗。本文将以1组2颗的ARM7测试芯片作为范例，讨论电压定比调节控制器引进系统设计的技术问题及相关的考量因素，接著介绍几种正确的设计方法，让工程师可以将供电系统整合到系统单芯片技术。
       节省动态功耗、降低静态功耗为电源设计之本
       动态（开关）功耗与 CV2f 成正比，公式中的 C 指负载电容，V 指供电电压，而 f 则指开关频率。当工作无需尽快完成时，动态频率定比调节功能可以调低时钟速度，并藉此调低电压。虽然时钟频率定比调节功能可以降低系统单芯片的瞬间功耗，但它终究不会降低某一项工作所需的供电，因此，频率定比调节功能必须与电压定比调节功能互相配合，才能大幅节省动态功耗。静态功耗（也就是漏电现象）与 VIleakage 成正比，而这个公式中的 V 则是表示供电电压，而 Ileakage 则指漏电。因此，电压定比调节技术也可降低静态功耗。
       如果将电压定比调节技术与频率定比调节技术搭配，可为时钟的切换建立新的作业标准，确保系统可在安全的电压环境下采用新的时钟频率作业。此外，电压定比调节电路必须内建于系统单芯片之内，才可执行电压定比调节功能。但这样会产生2个界面，其一是2个可变电压供电系统之间的界面，另一个是可变电压供电系统与固定电压供电系统之间的界面。由于界面两端的电压差并非固定，因此如何设计界面是一个很大的挑战。时钟频率、讯号电位转移以及供电系统绝缘等问题都必须小心加以考虑，以确保时间延迟可以减至最少，而讯号可以完整无缺。
      电源管理技术核心－先进电源控制器
       先进电源控制器（APC） 是电源管理技术的一个重要单元，可控制电压定比调节供电系统的电压。先进电源控制器可以支持闭回路可适性电压定比调节（AVS），以及开环动态电压定比调节（DVS）等技术。

       图说：可适性电压定比调节及动态电压定比调节，显示出先进电源控制器控制的AVS及DVS系统的电路图。（资料来源：美国国家半导体）
       先进电源控制器可以支持动态频率定比调节功能，因为此款控制器内建连接时钟管理单元（CMU）的界面，而时钟管理单元负责为系统单芯片提供时钟讯号。先进电源控制器与时钟管理单元之间的界面内含目标索引、现行索引及界面协定，可与时钟频率双向沟通，确保先进电源控制器与时钟管理单元可以互相配合及支持，发挥更高的效能。另外，在电压讯号方面，可以透过 PowerWise Interface （PWI）界面传送到芯片外的协同电源供应单元。
       一般来说，硬件效能监控电路（HPM）是负责控制AVS系统的闭回路电压，在这个监控电路内建于AVS供电系统之内，负责监控芯片的效能。先进电源控制器根据硬件效能监控电路所提供有关芯片作业情况的资料，决定供电电压的大小，以确保芯片可充分发挥预定的效能。或者是在决定电压水平时，系统单芯片的不同制程及其晶粒（die） 的温度变化、稳压器偏移电压或偏差以及系统的静态 IR 压降都会自动获得补偿。
       动态电压定比调节模式则依照电压频率对照表上所列参数进行作业。对照表上列出不同效能所需的不同电压，而DVS模式会利用所列的供电电压控制外置的电源供应单元。

       图说：从美国国家半导体所开发的PowerWise Camera（PWCAM）的参考设计测试芯片，让工程师可以测试及展示新技术；另一方面，PWCAM测试芯片还可以模拟出一般的双处理器架构。（资料来源：美国国家半导体）
       连接处理器及影像处理器
       基本上，经由PWCAM内建的2个独立的ARM7处理器，也就是连接处理器及影像处理器。在每一组处理器都有各自的AHB及APB周边设备群组，而每一处理器、AHB及APB都是经由同一系统时钟驱动（时钟频率高达96MHz），在连接处理器及影像处理器透过核心间通讯单元（ICCU）互相通讯。
       这个通讯单元可说是AHB与AHB之间的非同步界面，只有影像处理器可以直接进入外置存储器进行存取，连接处理器要先经核心间通讯单元才可进入外置存储器进行存取，整个设计的理念是将频率及电压的定比调节功能分别引进连接处理器及影像处理器。因此，为了贯彻这个设计理念，便必须将设计适当地分割以及加设先进电源控制器。
      可适性电压定比调节技术的时钟切换功能
       要如何将电压定比调节与频率定比调节等功能整合一起，才能进一步确保频率还未变更之前，新频率所需的电压已到位。以调高时钟频率为例来说，时钟还未改以新频率作业之前，供电电压必须提升至够高的水平。至于要调低时钟频率，时钟可以立即改以新频率作业，因为供电电压已经足够。
       为了满足这个要求，控制时脉升降的讯号必须经由先进电源控制器传送。先进电源控制器利用目标索引及现行索引等界面协定，将系统时脉的确实切换时间限定在一个范围内。
       而在显示原有的时钟定比控制电路的修正过程中，控制电路必须经过修订，先进电源控制器才可整合到系统之内，进行电压定比控制。系统的时钟振荡器为硬件效能监控电路预先提供新的时钟，以便侦测所需电压是否已到位。



本文来源：DIGITIMES    作者：罗清岳