不懈追求卓越电源设计
来源:    发布时间: 2017-02-13 10:13   521 次浏览   大小:  16px  14px  12px
在多数系统中,减缓、尤其是关闭函数模块会造成大量延迟,尤其当它们具有大量内部状态时。芯片需要监控其预期工作负载,以寻找机会节电,并跟踪芯片温度,了解自我保护的正常运行情况。此外,电源管理电路必须对复杂情况进行协调。

Ron Wilson,Altera


现代系统的电源设计是一项艰巨工作,这不是什么新闻。先进芯片的需求在不断攀升 —— 电流的巨大爆发、数十年的运行周期、快速瞬态和数字模式控制,已将在负载点 (PoL) 供电从算法实践转变为充满风险的高带宽混合信号设计。反过来看,提升工厂级效率的压力正推动高直流电压(48V 及以上)逐步从机架底部或机箱背部转移至 CPU 和系统芯片 (SoC)。左右为难的电源设计师必须设法开发一种出色的混合信号网络。


供电侧

挑战首先源于大型直流调节器。在飞机领域,28 V 直流电早已成为事实标准。在混合动力和电动汽车领域,电池可能使用数百伏特的直流电。电信或服务器机架可分配从传统 12V 到 48V 的直流电。


通常,在为单个电路板配电时,您需要降低这种高电压。但如果系统较大或效率是重要考虑因素,多层降压调节器可能不是最佳选择。根据效率,您需要尽量将高直流电压用于系统。


一些设计师在讨论直接利用 48V 电压为 PoL 调节器供电。在最近的演示中,Google 声称其 48V 机架架构可将配电损失降低至 12V 机架的 1/16。Google 的方法是,直接为 PoL 调节器提供 48V 电源以处理 CPU 或 DRAM 阵列等大负载,同时将大电压降低至 12V 以满足专门调节器更为复杂的要求。



图1. 一些系统设计师在为数据中心和其他类似大型系统中的 PoL 调节器直接提供 48V 电压。

但有些人对这种做法表示反对。12V 系统的现有基础设施非常大,它们采用了芯片 MOSFET 开关和商用(或至少便宜的)调节器。有一点确信无疑,单级 48V PoL 调节需要价格要高很多的 GaN 开关晶体管。英特尔 PSG 电源部门经理 Mark Davidson 表示:“归根结底,这是平衡资本支出和运营支出的问题。48V PoL 可提升真正大规模部署的效率,但将高电压降低至 5-8V 支持您使用成本更低的 PoL。”


低电压配电还支持您使用更广泛的具有特殊函数的 PoL。随着对系统级芯片的需求日益复杂 —— CPU、FPGA、GPU 和系统芯片将消耗许多电力,这种灵活性最终可能必不可少。


芯片需求

这部分首先讨论一个纯物理现象:阈值电压调整结束。在 90 纳米以下,当晶体管尺寸减小时,制成设计师开始失去降低阈值电压、寄生电容和互连串联电阻的能力。封闭式 Dennard Scaling 支持避免在晶体管变小时防止电源密度最佳。这意味着在不久的将来,我们开发的芯片在全速运行时可能会损坏。


于是,现代电源管理策略应运而生。一开始,我们仅仅使用时钟调整:如果芯片开始过热或您不需要全速性能,您可以调低时钟频率。但是,当静态功耗变得与动态功耗一样重要后,设计师需要降低电压和频率,因此,实施动态电压频率调整 (DVFS) 和直接电源闸控必不可少。通过降低电压,这些技术可帮助设计师控制动态和静态功耗。


但总会存在一两个问题。在多数系统中,减缓、尤其是关闭函数模块会造成大量延迟,尤其当它们具有大量内部状态时。芯片需要监控其预期工作负载,以寻找机会节电,并跟踪芯片温度,了解自我保护的正常运行情况。通常,芯片还必须依靠有关工作负载运行情况的外部线索。


此外,电源管理电路必须对复杂情况进行协调。例如,您可能需要冻结模块,将其与周围模块隔离,保存其状态,更改供电电压和频率,等待稳定运行,可能要重新初始化模块(如果模块已停止运行,恢复状态),并将其重新连接至系统。所有这些操作会花费几毫秒时间,因此,如果不能准确判断在多久之后模块会被再次需要,会增加能耗,并降低系统性能。在整个过程中,电压调节器和时钟源必须即时响应来自电源管理器的详细命令。


这种动态情况不是现代供电网络面临的唯一复杂问题。还有排序问题。显然,系统级芯片中的不同模块在不同时间会需要不同电压。尤其在芯片通电和断电期间,顺序和供电增加与减少的速率,对于避免模块之间接口锁定、甚至电路的物理性损坏通常至关重要。因此,PoL 调节器必须即时准确地响应特定电压调整的命令。


即使没有更改电压的请求,负载也会剧烈变化,给 PoL 造成额外负担。英特尔电路研究员 James Tschanz 表示:“强力电源闸控可能突然将轨道的功耗从数十瓦降低至几毫瓦。”在现代 CPU 或系统芯片中,来自操作系统、甚至指令调度单元的信号可能控制向量处理机或所有 CPU 内核等大型函数模块的功耗。因此,PoL 必须跟踪巨大电流摆幅,同时不发生电压错误或突破噪音规范。在某些情况下,这些负载的动态范围可能高于调节器的有效范围,甚至整个认证的运行范围。设计师可能需要在降压调节器(通常在大电流时更高效)和低噪音低压差 (LDO) 调节器(在小电流时更高效)之间动态切换。


此外,这些大型芯片中和它们周围的主板上的一些负载具有特殊需求。非易失性内存芯片可能需要更高的电压进行编程。DRAM 内存条可能有自己的电源管理策略,并消耗大量电力。FPGA 可具有高涌入电流和复杂排序要求。在大型 FPGA、CPU 和系统芯片上,模拟电路和 SRAM 模块可能具有异常严格的噪音要求。


另外,随着 PCI Express (PCIe)、多 GB 以太网、甚至更快速串行链路的使用日益增加,收发器已开始成为供电噪音要求尤其高的电路类别。高速串行收发器上的供电噪音规范通常超过几乎所有交换调节器(几款交换调节器除外),因此,电源设计师通常在这些特定轨道上使用线性 PoL 调节器。


我们所描述的情况不容乐观。在进行控制、排序和遥测时,系统级芯片可能被一系列 PoL 设备包围:大电流、多模式、多电压交换调节器、低价的固定函数转接开关、高效或 LDO 调节器、大型调节器及微控制器单元 (MCU) 或 FPGA。


这一问题正在失去控制。它需要太多信息,例如,有关一些大型芯片直流轨道的瞬态要求的详情可能未公开发布,一些调节器的瞬态响应的信息可能也未公开发布。该设计会影响大型芯片本已非常拥挤的空间的主板放置和布线。尝试回答一些看似简单的问题,如“当 CPU 内核从睿频模式切换至关机模式时,我的 25G 以太网通道会保持运行吗?”这需要进行混合信号模拟,而许多设计团队缺乏相应的工具、模型、甚至专业知识。从初始设计到实现现场可靠性目标,相关团队经常要大规模部署大型电容器。


探索解决方案

这个问题已经非常严重,不同的行业参与者正在设法解决:系统级芯片设计师、PoL 调节器设计师和具有全新创意的初创公司。所有人都在努力减轻系统设计团队的负担。


在解决该问题方面,一项最具野心的计划是将所有 PoL 融入大型芯片中。Tschanz 谈到了英特尔的全面集成电压调节器 (FIVR) 计划,该计划已将交换和线性调节器一起部署在一些 CPU 上。Tschanz 解释道:“借助集成到封装的电感器,我们可以将交换调节器放在它们供应的模块的附近。而且可将 LDO 放在模上内存和 PLL 附近。”


英特尔的设计工作具有重大意义,具有多种要求,如在数字流程中使用高电压混合信号电路设计,将电感器集成至成本受限的封装。但结果是,客户只需提供相对简单的 1.8V 轨道,无需了解芯片的电源管理。


调节器厂商正在参与进来。全新设计包括具有多种输出电压和数字接口的 PoL,支持 PoL 和电源控制器进行双向通信。密切关注瞬态行为会有所帮助。至少一家厂商正在其交换调节器上使用远高于一般水平的交换频率,以满足严格的抗噪音要求。


初创公司 AnDAPT 推出一种更有创意的方法,英特尔已披露对该方法进行了投资。公司首席执行官 Kapil Shankar 表示,当设计问题开始呈现过多不确定性时,行业通常会着力改进可编程性,将问题归咎于软件或可编程逻辑。


Shankar 表示:“在这种情况下,MCU 并不是理想的解决方案。尤其在实施多个并发实时任务时,MCU 无法保证当前电源管理需要的确定性延迟。”有时,您需要改变模拟路径设计,而非数字控制函数,软件本身无法提供帮助。


AnDAPT 独辟蹊径,采用了其称为自适应多轨道电源平台的现场可编程混合信号芯片。如果已有一定的从业经验,您首先可能想到可编程模拟芯片初创公司不断涌现,他们前景光明。但 AnDAPT 芯片无疑是一种独特的解决方案(图 2)。



图2. AnDAPT 电源平台可提供一组构建模块,打造完整 PoL 解决方案。

AnDAPT 架构并未采用统一的模拟元素阵列(一种直观丰富的架构,多年来无法满足实际应用要求),而是采用了两种 SRAM 可编程架构(即模拟架构和数字架构)。前者基本上是模拟信号路径的可配置架构,后者是一种常规的查找表格和寄存器 FPGA 架构。但芯片设计的核心不是架构,而是一组可配置专用模块,包括:电源模块、传感器模块、Compensator RAM 和定时器。AnDAPT 并不要求客户构建晶体管、无源、闸门和寄存器函数,而是提供函数模板,以配置实施特定函数的大型模块。


例如,某些模板可将电源模块配置为任何交换调节器、LDO 调节器、电流保护电路或电流检测 DAC/比较器。它还支持其他函数。传感器模块可以是错误数字转换器、比较器、测量放大器或参考 DAC。Compensation RAM 与 FPGA 架构中的算法函数配合,用作查找表,以实施传递函数,支持数字控制回路。FPGA 架构还可实施状态机,以支持控制、排序和接口函数,模拟架构可提供模拟互连。


您可通过图形用户界面选择、配置和连接需要的模块,就像从目录中选择独立显卡一样。然后,您可为自己设计的设备集成模拟工具。


并非所有设计需要 AnDAPT 级别的灵活性,尤其在 CPU、FPGA 和系统芯片厂商将电源设备整合到其封装中的情况下。但在过渡期间,系统架构师和设计经理需要了解其选择 —— 大规模配电、大型芯片、甚至内存和互连方面 —— 将对设计团队造成的需求。