可配置電源管理ASIC--當今的系統(tǒng)黏合劑
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上個世紀，在數(shù)字化思維主導設計領域時，系統(tǒng)是標準處理器，ASSP，模擬電路和黏合邏輯的混合物。“黏合邏輯”是通過小型和中型集成電路|0">集成電路把不同數(shù)字芯片的協(xié)議和總線連在一起。為了降低成本實現(xiàn)一體化，“黏合邏輯”曾經風靡整個ASIC業(yè)。
如今，整個數(shù)字系統(tǒng)發(fā)展到深亞微米（DSM）半導體階段，“黏合邏輯”也慢慢退出了系統(tǒng)設計應用。但是“黏合邏輯”真的過時了嗎？答案因人而異?，F(xiàn)在，對于數(shù)字“黏合邏輯”的需求不如以前那么強烈，但是模擬“黏合功能”卻在增長。
復合信號ASIC—今天的“系統(tǒng)膠連”
現(xiàn)在的系統(tǒng)有許多模擬功能，但是卻并不適合90和65納米硅芯片應用。這些系統(tǒng)需要多個電源層，若干電壓等級，電源的排序，睡眠模式功耗，高電壓LED驅動器，高質量音頻處理器以及這些功能的智能控制。系統(tǒng)級芯片數(shù)字化解決方案的增長導致我們需要復合信號集成電路，囊括了諸多為了節(jié)約成本，提高性能和集成的模擬功能。如圖1所示：
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便攜式電子設備可能包括廣泛的電源電壓：用于數(shù)字集成電路的1.8V和3.3V電壓，用于鋰離子電池的4.2V電壓，用于傳統(tǒng)接口的5V電壓，用于LED背光的36V電壓，單獨的用于敏感模擬電路的電壓以及用于電機控制的高電壓。根據(jù)每個功率源的要求，設計師們選擇不同的電源轉換拓撲結構，其中包括線性，開關以及低壓降穩(wěn)壓器。
不僅是調節(jié)器的純粹數(shù)量在增加，這些系統(tǒng)往往有復雜的電源排序要求，每個供應源相互之間在電源開關，睡眠和降低的操作模式時的開啟和關閉需要精確的控制。通常這些供應源不僅僅是簡單的打開，而需要電源電壓的斜升或斜降行為，從而增加了電源管理系統(tǒng)的額外的復雜性。在設備的電源管理設計中，隨著調壓器相互之間的正確排序，系統(tǒng)復位信號，振蕩器開啟和PLL穩(wěn)定時間必須考慮進去。
一個電源管理系統(tǒng)集成了多種電源轉換拓撲結構，數(shù)字排序邏輯，控制電源管理功能的數(shù)字通訊，模擬電壓以及電流測量；不變性記憶器用來存儲電壓設置點，排列順序，序列周期和工廠校準數(shù)據(jù)。這些電源管理資源消耗了了許多電路板空間，需要多位包裝，并加入到組裝成本中，使其成為電源管理集成電路的理想候選。這些專用集成電路建立在混合信號處理的基礎上，因此相關功能不能與電源管理正常聯(lián)系，比如音頻處理，蜂鳴器驅動器和馬達控制，在設備中成為內含物的選擇器件。對于PMIC ASIC來說，負責集成和控制許多IP模塊很平常。功能如表1：
表1 PMIC 電源管理集成電路功能
線性調節(jié)器 電機控制
轉換器 音頻揚聲器驅動
低壓降穩(wěn)壓器 自定義數(shù)字邏輯
發(fā)光二極管升壓穩(wěn)壓器 電源排序
電池管理-充電，監(jiān)視 復位發(fā)生器
LED驅動 電壓監(jiān)視器
LCD電壓發(fā)生器 電流監(jiān)視器
電壓轉換器 風扇控制
音頻處理 溫度傳感器
非易失性存儲器 欠壓檢測器
可配置電源管理集成電路
所有的模擬和電源管理“膠連”的進入讓一個單一設備實現(xiàn)了整合，提高了側尋性能，降低了整個系統(tǒng)的成本。然而，全定制的電源管理IC開發(fā)一向昂貴，進入市場緩慢，并且有很大的風險。
可配置陣列技術（VCA）的發(fā)展產生了硅驗證的電源管理ASIC的解決方案，通過一個單一的遮罩層的變化來配置和定制特定的應用。一個VCA在ASIC模塊上集成了硅驗證模擬化，數(shù)字化和內存資源。然后這些資源由整體的路由結構所覆蓋。包含這些VCA的晶片經過特殊處理和鑄造，所有的模擬和數(shù)字資源可相互聯(lián)系并由一個遮罩層來配置。由于只有一個遮罩層鑄造加工，制造成本大大降低，制造時間從幾個月到幾周，硅驗證的IP和互聯(lián)路的使用大大降低了風險。
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圖2顯示了一個可配置的PMIC和其組成部分 |
表 2 適合電源管理應用的可配置ASIC的性能
3V至50V操作
15750 個ASIC門
21,500位的RAM
1000 × 8電可擦除只讀存儲器，20年的數(shù)據(jù)保存能力，100K的寫入周期
44個可配置數(shù)字I / O
12個20V的運算放大器與資源
12個3.3V的運算放大器與資源
6個電源管理單元
2個調節(jié)器
2個10位，1MSPS的DAC
42個可配置的模擬I / O
3.3V的獨立模擬電源
20V的獨立模擬電源
設計一個可配置電源管理集成電路（PMIC）
在可配置ASIC中制定一個綜合的電源管理方案遵循圖3的流程，從確定系統(tǒng)所需電壓范圍開始，每個區(qū)域所需的工作和睡眠模式的電流以及電源電壓的次序。PMIC的設計目的是獲取模擬圖表和數(shù)字硬件描述語言。高級別的設計用來
模擬確認設備操作。在傳統(tǒng)的全定制ASIC設計流程中，下一步將是艱苦的，昂貴的，容易出錯的晶體管布局，布局需要把設計轉化到具體的硅片上。在可配置流程中，HDL格式的數(shù)字設計綜合成Verilog（目前應用最為廣泛的硬件描述語言），在門級Verliog中，軟件通常把來自模擬圖表的SPICE表進行轉換。然后把模擬和數(shù)字Verliog網結合起來并提交給自動布局布線工具，通過全局路由結構來自動配置設備。
和全定制電源管理IC設計的數(shù)月相比，混合信號自動布局布線過程完全配置設備僅僅數(shù)天。在全局路由金屬層中，自動布局布線工具的輸出是掩模層的一個GDSII代表。和一個全定制設計來說需要20多個層相比，這個路由層發(fā)送到鑄造只需構造一個掩模層，從而大大減少了構造費用，使得原型從數(shù)月到數(shù)周成為可能。
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圖3 可配置電源管理ASIC設計流程 |
可配置ASIC供應商給設計者們提供了集成于可配置ASIC的硅驗證的電源管理和混合信號IP模塊。對于集成電路設計來講，“無全定制布局需要”的方法導致了低成本，快速發(fā)展和更安全的設計流程。因此，設計團隊可以解決如今產品所需的充滿挑戰(zhàn)性的和不斷變化的電源管理解決方案。
作者簡介：
Reid Wender，應用工程師主管，2005年加入Triad半導體。之前，他是工程方面的副總裁，任職于QuVIs的半導體部門。他有20年的ASIC設計和項目管理經驗，包括Nextwave Silicon, ASIC International, Philips, 和IBM這些公司，并擁有田納西大學的電子工程學士學位。
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