芯片设计进阶之SOC电源管理系统介绍

随着SOC越来越复杂，包含的IP越来越多，单个SOC上实现了CPU, 射频模块，相机模块，DDR控制模块，外设等等功能。多种功能，多种IP也带来了多档电源的需求。同时为了满足低功耗的挑战，SOC通常被分为多个电源域，不同的电源域可以独立的上下电。

为了满足SOC对电源的需要，SOC内部一般会集成一个专门的电源管理单元(Power Magagement Unit, PMU).

典型的SOC芯片供电系统和内部电源管理单元如下图所示：

PMIC(Power management IC): 电源管理集成电路，主要特点是高集成度，将拥传统的多路输出电源封装在一颗芯片内，使得多电源应用场景高效率更高，体积更小。是SOC外部的电源管理芯片。一个SOC通常需要多颗PMIC.

PMU可以看作外部供电系统和内部功能单元之间的桥梁，在SOC中起着非常重要的作用。

1. 电源管理芯片(PMIC)

PMIC是power management IC的缩写，中文是电源管理集成电路，主要特点是高集成度，将拥传统的多路输出电源封装在一颗芯片内，使得多电源应用场景高效率更高，体积更小。版上的PMIC图如下所示：

2. 电源管理单元(PMU)

1.1 什么是PMU

PMU: Power Management Unit.

PMU就是电源管理单元，一种高集成的、针对便携式应用的电源管理方案，即将传统分立的若干类电源管理芯片，如低压差线性稳压器(LDO)、直流直流转换器(DC/DC)，但现在它们都被集成到手机的电源管理单元(PMU)中，这样可实现更高的电源转换效率和更低功耗，及更少的组件数以适应缩小的板级空间，成本更低。

很多地方，PMU等同于PMIC，但是这里讨论的SOC外部的供电芯片是PMIC, SOC内部的电源管理单元被称为PMU.

SoC处理器的PMU一般具备以下特性：

需要外部电源芯片提供多档电源，或在某档电源上施加较高的电流。原因在于SoC处理器通常要求其核心、I/O设备和存储单元等独立供电，而这些单元对电压、电流、频率等的要求通常各不相同。

应能为外部供电系统提供专用控制信号，通过PMU控制寄存器设定这些控制信号的状态，实现实时软件控制机

PMU的一些基本接口信号如系统复位、电源状态指示信号等发生变化后，SOC处理器状态将随之改变。

PMU由内部DC／DC和PMu寄存器等构成，PMU为SOC的处理器，PLL, DDR, 图像单元等供电。同时，PMU也利用电源管理总线(PMBus)控制外部供电系统。

PMU一些基本功能如下：

控制开关机，上电下电顺序

输入电源自动选择切换

电池充电控制，电量检测

按时序输出电压

输出电压过压 欠压 过流保护

每个输出电压的开关控制

动态调整CPU核心电压

电池及IC温度超温保护

不同SOC的PMU实现的功能不同，但是SOC中PMU是低功耗电源域控制的关键部件。

1.2 DC/DC

DC: Direct Current 直流

DC/DC的意思是直流变（到）直流（不同直流电源值的转换），只要符合这个定义都可以叫DC/DC转换器.

DC/DC，表示的是将某一电压等级的直流电源变换其他电压等级直流电源的装置。DC/DC按电压等级变换关系分升压电源和降压电源两类，按输入输出关系分隔离电源和无隔离电源两类。例如车载直流电源上接的DC/DC变换器是把高压的直流电变换为低压的直流电。

1.3 动态电压频率调节（DVFS）

DVFS: Dynamic voltage and frequency scaling

DVFS 即动态电压频率调整，动态技术则是根据芯片所运行的应用程序对计算能力的不同需要，动态调节芯片的运行频率和电压(对于同一芯片，频率越高，需要的电压也越高)，从而达到节能的目的。

DVFS本质上是一种低功耗技术，目的是根据的芯片当时的实际功耗需要设定工作电压和时钟频率，这样可以保证提供的功率既满足要求又不会性能过剩，从而可以降低功耗。

3. 电源管理总线（PMBus）

在供电要求较复杂的系统中,通常使用多个DC/ DC 转换器来产生不同的半导体器件所需要的供电要求。导致一个明显结果就是在产品设计、生产测试及日常使用的过程中,控制和监测这些电源将变得更加复杂。

目前,许多高性能DC/DC 转换器仍然通过无源元件产生的模拟信号来进行控制。即使采用最先进的电源电路拓扑,也不得不使用外部的电位器和电容来调节诸如启动时间、输出电压值及开关频率等参数,而且这些参数不能随时更改。

PMBus 是一种开放型标准的数字电源管理协议，可通过定义传输和物理接口以及命令语言来实现变换器与其他设备的通信。

PMBus 的传输层是基于低成本的SMBus (系统管理总线) 的1. 1 版本,这是个功能强健、符合工业现场应用标准的I2 C串行总线的版本,具有分组校验和主机通知的功能。

PMBus 继承了SMBus 的SMBAL ERT 信号,该信号可使从属设备中断系统主机对总线的控制,

此方式一方面减少了系统主机的负担,使主机在大多数时间内进行闭环控制;另一方面比用专门的微控制器来查询的方式更灵活。。此外, PMBus 协议将从属设备的默认配置数据保存在永久性存储器内或者在硬件上设置好, 在上电的过程中, 不需通过总线通信来得到初始配置信息, 缩短了启动时间, 也减少了一部分总线数据传输。

典型的PMbus连接图如下所示：

PMBus作为一种I2C的增强版本，在结构上和I2C很像，但是协议上做了很多增强。这里就不详细描述，如果想了解的更清楚，最好的方法是去看PMBus的协议。

4. 后记

电源管理是SOC中比较偏门的知识，芯片设计一般有专门的人来进行PMU设计，一般的设计人员如果能了解一些基本的电源管理的知识和概念，对整个芯片和低功耗的设计会很有好处。