电源线的问题 - 传授压箱绝技：从SoC设计人员那都了解不到的功耗管理问题

　　电源线上的问题

　　至少有三种方法，其复杂的功耗管理技术使得系统电源设计人员的工作日益复杂——排序问题、大负载性能以及瞬变响应等。稳压器等功率IC供应商采取了很多措施来处理所有这些问题。但是，缺少参考设计时，系统设计团队不得不既进行探测又进行设计。 让我们首先看一下排序问题。几乎每一种较好的功耗管理技术都要求SoC有大量的独立电压域。任何具有多个电压域的IC都要求电源线按照一定的顺序冷启动，每次一个，或者互相跟踪。实际上，某些器件即使是突然断电时，也要求电源按照一定的顺序进行关断。如果某些电压域能够工作在几种不同的电压下——正如DVFS或者其他电压可调方案，排序可能与不同域之间内部电平移位器的状态有关。一般而言，SoC设计人员采用了内部排序电路不让系统设计人员了解复杂程度，但并不总是这样。

　　原理上，满足排序要求并没有难度。Afshin Odabaee是Linear Technology公司µModule®电源产品的产品市场经理，他指出，SoC多年以来一直要求进行电源排序，大部分现代电压稳压器都有支持排序和跟踪的引脚。市场上还有系统控制器产品，专门用于管理过程。

　　即使如此，完全满足复杂的电源管理SoC的需求，就要求SoC供应商和电源组件供应商进行密切的合作。但，还是会出现错误。在某些情况下，重要的SoC约束并没有将其放到最终记录中。对于系统中有多个SoC类芯片的情况，还是需要系统设计人员为不同芯片集成电源参考设计，确定一个器件不会违反其他器件的排序要求。

　　第二个问题与现代SoC功耗管理技术更直接相关一些，即，负载范围。问题是，需要大量的功耗管理工作，而且要工作的很好。低电压轨的电流需求——例如，内核逻辑供电等，会变化很大，从休眠模式的几百毫安到全功率模式时内部电路处理时钟逻辑门和电源逻辑门的几十安培。电压稳压器需要在整个范围内提供足够的稳压和波纹。特别是电流需求非常低时，稳压器必须非常高效，否则，将抵消SoC所规划的低功耗。

　　Odabaee建议说：“您必须定义大负载工作时的稳压器。”他提醒说，待机和全速电流输出使得稳压器判决非常复杂。传统上，设计人员会选择开关稳压器来高效满足大电流负载，但是，会为低电流模式选择线性稳压器。Odabaee说，作为更可行的解决方案，业界选择了能够跨过多个域的方法。在某些Linear Technology开关稳压器µModule器件中使用的一种方法是Burst Mode®工作。稳压器在大电流输出时正常工作，低负载时则切换到突发模式，控制器仅在偶然突发时工作。这样，它提供了足够的稳压功能，同时有效的降低了自己的能耗，而且不需要复杂的多个开关频率。

　　转换中的问题

　　从相同的稳压器为每一不同的负载提供电流有很大的难度，而处理负载突然变化导致的瞬变会更加困难。快速满足新电流需求会导致增加新组件。Odabaee说：“在大功率系统中，您在稳压器上可能需要几种输出电容。稳压器自己的响应一般不足以满足高速负载瞬变。”

　　即使是在低功耗移动系统中，瞬变响应问题也会以奇怪的方式出现。Power Integrations公司的市场副总裁Doug Bailey从系统AC/DC转换器的角度看到了问题，不是在全功率工作时，而是在休眠时出现了问题。

　　Bailey说：“AC/DC转换器很难处理快速瞬变问题。主机侧控制器只检测到控制器发送脉冲时的负载，当负载较小时，这并不常出现。因此，如果负载迅速增大，那么，控制器无法跟上去。”Bailey补充说，设计人员可以通过增加真正的大电容来暂时掩盖这一问题。但是，大电解电容占的空间大，导致成本增加，带来可靠性问题，这些都不利于移动设备。

　　Bailey说：“更好的解决方案是慢慢增加负载。而目前的实际情况是，设计SoC的人员占主导地位，而设计电源的人员说了不算。”

　　这种分工并不总是能够很好的工作。Bailey引用了两个例子——这些都不仅涉及到大突发工作电流，而且，器件也会进入电池充电模式。在iPhone中，正如很多移动设备一样，系统SoC要处理大量的电池管理工作。当SoC确定需要对电池充电时，它将AC适配器的电流输出至电池仓。突然的瞬变会导致低成本适配器让电压暂时下降，使得SoC理解为电源失效，发出报警声。发出报警声后，用户会拿起他的iPhone，看到什么事情也没有发生，又想回去睡觉，只是有可能会做恶梦，关于苹果的恶梦。实际上，正是出于这一原因，苹果公司在AC适配器上有严格的电压稳压规范，但是，由于在SoC设计上要进行一些琐碎的决定，因此，公司没有在适配器上进行大量的投入。

　　三星Galaxy III智能电话也遇到了非常相似的情况，而且结果可能更令人烦恼。当用户插上电话后，系统SoC开始充电，一般会出现不受控的浪涌。这种瞬变导致SoC检测到充电失败，关断充电电路，而且不会通知用户。因此，用户进入甜美的梦乡，直到第二天早晨，被窗外的鸟儿吵醒，却发现放在床头柜上的电话根本就没有充电。

　　这些问题不仅仅出现在智能电话上。Bailey说：“最终，SoC产生的瞬变导致重新进行电源设计。”

　　即使电源管理电路中的稳压器能够保持出现的瞬变，系统设计人员还是没有完全解决这些问题。瞬变的幅度和速度会使得设计人员对电源进行全面的AC电路分析，包括，布板的杂散电容。这一般是SPICE的工作，电源设计人员通常转向采用Linear Technology公司的LTspice®软件，因为该公司提供稳压器器件模型库，以及电源设计人员友好的用户界面。