新技術和應用，加上更緊密的封裝和更高的連接要求，推動了當前處理器及其電源系統的極限。這些處理器必須支持越來越多的音頻、視頻、高清 (HD) 圖形、流媒體、游戲以及介于兩者之間的所有內容的計算。隨著內容數量和質量的提高，在更小空間內提供更好性能的愿望也隨之提高。這種用戶驅動的方法將集成推到了最前沿，使其成為技術發展的限制因素。

在降低成本的同時實現高性能的挑戰促使工程師開發片上系統 (SoC) 集成電路 (IC)。這些解決方案將許多系統功能集成到 IC 中，從而降低功耗、成本和工作量以及技術知識實現需要深度領域專業知識（如視頻和圖形處理）的功能。以合理的成本實現高性能要求制造商采用深亞微米（互補金屬氧化物半導體 (CMOS)，≤ 16/14 納米）工藝開發 SoC。

此類 SoC 需要電源提供高電流，這在先進的亞微米 CMOS 工藝中可能是一個挑戰。電源電路需要大晶體管來處理高電流和承受高電壓（相對于數字核心電壓）。這些屬性與數字電路中使用的晶體管相關的屬性截然相反。因此，在與數字電路相同的裸片上實現電源在技術上具有挑戰性（或不可能），而且這樣做可能不經濟。總的來說，這些不兼容性一直存在于 IC 設計中，但隨著現代處理器在不斷縮小的 CMOS 工藝中實現，它們被放大了。

在這里，我們將通過 NXP i.MX 8M 系列處理器（ Mini和Nano）和 ROHM BD71847 / BD71850 來說明 SoC-電源管理集成電路 (PMIC) 協同設計注意事項的管理和優化。之所以選擇這些解決方案，是因為它們的功能組合、低物料清單 (BOM) 成本和緊湊的占地面積使 OEM 能夠快速開發和生產智能連接設備。

權衡和解決方案

增加 SoC 上的系統級電源集成會帶來多項成本：

設計靈活性降低

次優系統效率

更高的開發和 BOM 成本

更長的上市時間

這些權衡為構建現代處理器及其電源子系統的系統級創新創造了機會。

提高設計靈活性的方法

NXP i.MX 8M/8Mini/Nano 沒有集成 DC/DC 轉換器或低壓差穩壓器 (LDO)。類似的 SoC 也不集成 DC/DC 轉換器，但許多使用片上 LDO 將外部電源軌轉換為處理器內核的較低電壓——對內核應用動態電壓和頻率調節 (DVFS)。通過將 DC/DC 和 LDO 置于片外，SoC 設計人員充分利用了昂貴的 14 納米硅片空間，這些硅片空間針對處理器內核、緩存和音頻/視頻硬件加速器等數字功能進行了優化。不受片上電源管理要求的束縛，他們可以自由地制定一個（外部）電源架構，以促進而不是限制處理器的開發。i.MX 8M 所需的相當多的電源軌（8 個 buck 和 7 個 LDO）表明了這種自由度。同時，ROHM PMIC 設計人員在 ROHM 的 130nm 雙極-CMOS-DMOS (BCD) 工藝中實現了他們的電源電路，該工藝針對電源管理功能進行了優化。每個團隊都可以自由地使用最合適的工藝和 IP 來完成手頭的任務。

提高系統效率的方法

在 130nm BCD 工藝中實現電源電路允許BD71847AMWV / BD71850MWV的bucks 在 0.7V-3.3V 輸出電壓下實現高達 95% 的效率。在系統層面，當使用外部DC/DC直接將DVFS應用到處理器內核時，效率進一步提升。畢竟，使用帶有片上 LDO 的外部 DC/DC 進行 DVFS 相當于 2 級轉換，會在第 2 級產生額外損耗。

一個經常被忽視的特性是輸出電壓的精度 (+/-1.5%)。隨著輸出電壓調整步長（10mV 步長）的更高分辨率，電源管理器軟件可以精確地將電源軌的輸出電壓設置在最低水平，以最大限度地降低功耗，同時仍允許由該電源軌供電的子系統以所需的頻率。

降低開發和 BOM 成本的方法

隨著增加額外功能和/或減小產品尺寸和重量的持續市場壓力，工程師們不斷嘗試尋找將更多功能集成到 IC 中并提高可靠性的方法。然而，更高的集成度也可能帶來更高的開發和模具成本。將 SoC 開發與電源管理的開發分離開來，可以讓每個開發都以自己的最佳速度進行。流程中的每一步——從設計、驗證、IC 布局到 IC 制造——都變得更簡單、更快速，并大大提高了一次成功的硅的機會。較低的（總）芯片成本來自在更便宜的 (BCD) 工藝上實現功率函數。

縮短上市時間的方法

與許多技術企業一樣，上市時間至關重要。對于應用處理器等高度復雜的組件，將基本不兼容的技術（如數字處理元件（CPU、硬件加速器）和電源管理）的開發分開可以降低開發工作量和風險，從而加快上市時間。

結論

為 SoC 設計可編程 PMIC 的考慮因素提供了用戶體驗和產品開發之間的權衡。NXP 的 8M/8MM/Nano 和 ROHM Semiconductor 的 847/850 是高度工程化的產品，可在產品生命周期的兩端取得成功。從流媒體盒和加密狗到 AV 接收器和無線條形音箱再到工業 HMI、SBC、IPC 和平板計算機等應用都使用這些組件來實現其強大的性能。這些半導體優化了用戶關鍵特性（性能和價格）以及對制造商友好的資產，例如設計靈活性和上市時間。它們是可上市的產品，展示了非集成組件的靈活性與高度集成的 PMIC-SoC 之間的關鍵平衡。

審核編輯：湯梓紅