先进的电源管理平台-打破效能新记录
先进的电源管理平台-打破效能新记录
1)背景介绍
连接到数据中心的数十亿电池供电的IoT设备推动了智能城市，智能家居和智能建筑的出现，将迫使IC设计团队追求苛刻的电源目标：在待机模式下的零功耗，在运行模式下以优化的能效实现最大性能。能源效率是一个关键指标，它展示了用最小的能量可以做到的最高性能。
不幸的是，摩尔定律提供了几十年的免费午餐现在已经结束了，缩减到下一个技术节点不再提供所需的能源效率收益。
设计团队现在必须通过部署越来越复杂的电源管理技术来追求收益，以满足新的物联网市场的需求。在先进的物联网中，这一点尤其棘手，因为在先进的物联网中，近端传感器处理必须与射频连接有效结合，同时还要进行先进的电源管理。
半导体公司正在不断创新，通过采用新的工艺节点、先进的SoC架构和智能电源管理技术，为其物联网客户提供最先进的解决方案。
微控制器由存储器、处理器和输入/输出外围设备组成的单片集成电路。它被安装在自动控制产品和电子设备中，如遥控器、办公机器、家用电器、电动工具、玩具等。在电子设备中使用微控制器可以使其正常工作，并确保平稳的工作状态。
在庞大的微控制器市场中，超低功耗（ULP）微控制器市场目前备受关注。
ULP微控制器市场预计将从2019年的44亿美元的估计值增长到2024年的129亿美元，2019-2024年期间的年复合增长率为24.1%（marketsandmarkets分析）。
Fig. 1: Ultra-Low Power microcontroller market evolution 2019-2024
ULP微控制器市场的主要驱动力是：
l 越来越多的低功耗设备被采用
l 消费电子行业对低功耗微控制器的需求不断增加；楼宇和家庭自动化系统的使用越来越多。
l 物联网生态系统的需求激增。
事实上，32位ULP微控制器领域预计将在2019年至2024年期间引领市场。这些微控制器的增长可以归功于一个特点，即功耗和高性能之间的平衡。这满足了受功率限制或低功耗应用的需求，为物联网(IoT)和联网设备寻求节省电池的功能。
具有超低功耗微控制器的模拟设备市场很高，因为低功耗器件主要用于获取现实世界的信号，如温度、压力、加速度和速度，这些信号被测量并转换为数字信号。
模拟外设的优点包括高可靠性、降低噪声、低延迟和降低成本。集成模拟外设的应用包括工业仪表解决方案、工业控制器、联网家庭控制台、恒温器、温度传感器、智能仪表、智能电网、血糖仪、心率监测器、植入式设备和物联网设备。
对于所有这些情况，必须积极管理微控制器的功率，以实现超低功耗和合理的高峰值性能。
2018年组织的一项对RTL设计人员的调查显示，虽然多年来已经确定了各种电源管理技术，但对许多人来说，管理这些技术仍然被认为是一个障碍。
Fig. 2: Usage percentages of known power management techniques (as per Mentor’s 2018 survey)
从这个角度来看，Dolphin Design提供一套全面的经过硅验证的IP和SW解决方案，以透明而高效的方式使用所有这些技术。
2）电源管理技术简短回顾
从设备级别到SoC级别都可以考虑电源管理和低功耗技术。都可以通过以下公式来平衡漏电功率、动态功率和面积：
•动态功率 ~W.Vdd² .F
•漏电功率~(Vdd/L).e-Vth /S
•速度~W/L (Vdd-Vth)²
标准单元库：低功耗SoC实现的基础
多驱动（多个W），多Vth（低Vth，常规Vth，高Vth）和多长度（标准栅长，较大栅长）标准单元库的设计使SoC设计人员能够找到合适的器件。在物理实现和签核ECO期间在速度和功率之间进行权衡。
当要在休眠和深度休眠模式下实现最佳功耗时，需要特别注意实现Always-On域的逻辑功能的标准单元库，这是SoC中唯一在其余部分休眠时保持活跃的部分。使用高Vth单元是获得较好结果的方法之一，然而使用厚氧化物晶体管可能是最有力的方法，可以将AON逻辑的漏电数字降低几十个，然而，使用厚氧化层晶体管可能是将AON逻辑的泄漏电流减少几十倍的最有力的方法。
时钟门控：让我们停止时钟
在模块级，时钟门控可能是IC设计人员采用的首选降低功耗的技术之一。在时钟树上添加一些逻辑门控，可以通过在不需要时停止时钟（实际上将“ F”设置为0）来降低动态功耗。
Fig. 3: Clock gating technique
电源门控：关闭你不需要的东西
接下来是电源门控，当应用不需要时，允许关闭未使用的电源域，以节省漏电（我们实际上将 "Vdd "设置为0）。电源门控一般采用标准的Power Management Kit (PMK)来实现，它实现了电网式或环形结构的电源开关。电源开关可以显著降低漏电，然而由此产生的IR-Drop约束和涌浪电流约束往往会导致过大的电源开关配置，从而打破睡眠模式的漏电预算。
Fig. 4: Power gating technique
DVFS, AVS, Body-Biasing
在SoC级别，对超低功耗数字的需求促使设计界定义越来越复杂的功耗状态，每个模块都有自己的电压、频率和功耗目标。 第一步是多电压策略，其中包括近阈值电压（Near Threshold Voltage-NTV），随后是更复杂的方案，例如动态电压频率调整（Dynamic voltage and frequency scaling -DVFS）和自适应电压调节（Adaptive voltage scaling-AVS），通过持续调整电源电压，可以对SoC性能进行精细控制，同时降低设计裕度。
Fig. 5: NTV and DVFS, multi-voltage techniques
FD-SOI技术随后引入了一种新方法，通过增加或减少施加在阱上的电压来虚拟地调节晶体管的阈值电压。
自适应体偏压等技术表现出前所未有的功率效率数，特别是在低压下工作时，依靠一个完全自主的子系统，可以动态调整偏压来达到预期的性能。
Fig. 6: Body-biasing technique
PMU：SoC电源管理的基石
由DVFS等技术开发的SoC电源模式越来越多，需要一种智能的方法将电源电压和时钟设置为正确的值并使其在芯片中可用，并控制SoC的启动和从一种模式过渡到另一种模式。
这就是电源管理单元（PMU）的作用。
对于PMU能够实现的功能并没有一个标准的定义：一些应用依靠外部电源管理芯片(PMIC)来处理电压调节、电池充电、电源选择和基本的上电顺序，但是需要降低系统成本并采用复杂的电源策略已促使ASIC设计团队考虑将电源管理单元（PMU）集成为内置功能。晶圆厂现在依靠先进工艺节点，在单块SoC上实现数字、射频和电源管理的集成。
Fig. 7: Definition of PMIC and PMU / ePMU
图7：PMIC和PMU / ePMU的定义
PMU绝对是电源管理策略的关键。它驱动开机顺序，配置电压调节器以获得给定电源模式下的正确输出电压，并确保上电顺序的正确执行。目前，PMU有两种实现方式：全定制设计或软件PMU。
完全定制的PMU可以实现超低功耗，尤其是在Always-On域采用低漏电逻辑单元实现的情况下，然而它存在着可配置性不足的问题，如果SoC架构发生变化或用于产品的衍生品，需要完全重新设计。
基于软件的PMU依靠一个嵌入式内核(通常是一个小的MCU模块)来控制电源模式的顺序和管理中断。可以使用常规固件更新的方法轻松地现场重新配置它，然而由于需要有一个始终处于运行状态的MCU(以控制SoC运行)，因此它与休眠模式下需要超低功耗的休眠应用不兼容。
Fig. 8: the pros and cons of conventional PMU approaches
图8：传统PMU方法的优缺点
稳压器：从分立到集成
降低BOM成本的需求意味着，为了在SoC中同时拥有不同的电源，高效的稳压器越来越多地被嵌入到SoC中，以避免PCB上昂贵的分立器件。
稳压器基本上分为两类：线性稳压器(LDO)和开关稳压器(DC-DC转换器)。选择取决于应用场景，通常是在效率、面积和BoM成本之间进行权衡。
如今的物联网SoC通常会嵌入多个线性和开关稳压器，为其主要领域(逻辑、RF、IO、Always-On和模拟电源)供电。
漏电流绝对是必须满足IoT系统严格功率约束的关键模拟特性之一，但无论输出电流如何，DC-DC转换器展现出高效率的能力对于希望采用这种方法的模拟设计人员来说都是一个真正的挑战。
当要在休眠和运行模式下实现超低功耗指标时，问题会从高效率变为低静态电流，这通常可以通过使用低静态LDO来提供Always-On域来实现。
3)关键配置
前面的章节表明，一个ULP MCU可以用许多不同的IP配置来构建，但可以确定四大类，下面将总结这四大类。
第一类包括所有依靠外部PMIC单元（通常在PCB上）来管理MCU电源电压的产品。
第二类与MCU有关，这些采用了一些电源管理解决方案（例如时钟门控和/或稳压器），但依靠MCU上不断运行的软件来管理不同的资源。这种配置具有完全灵活的优势，同时无需为虚拟的电源管理单元（PMU）增加硬件开发成本。
第三类代表了主流的ULP MCU，适用于那些试图嵌入一切（包括作为FSM的PMU）的公司，以便从芯片中榨取每一个微瓦特。
第四类展示了Dolphin Design公司的SPIDER平台可以实现的目标。该平台不同于其他方案，因为它采用了特定的功率门控解决方案、独特的AON标准单元、超低漏电稳压器和独特的FD-SOI自适应体偏压解决方案。
4）ULPMark Benchmark
超低功耗（ULP）为当今的MCU设计人员带来了主要的设计挑战，其产品期望范围从使用单个电池运行10年到从环境中采集皮焦耳的能量到减少全球总体能源需求。
多年来，EEMBC提出了评估性能/功率的基准，以实现微控制器和节能策略的公平比较。
有两个针对ULP微控制器的基准，ULPMark-CP和ULPMark-PP。
第二项侧重于外设数据传输的架构改进，而第一项(内核相当时)其实是关于技术与主动电源管理的权衡。这也是为什么使用ULPMark-CP来评估本文所描述的配置的原因。
ULPMark-CP专注于MCU内核，特别是在睡眠和运行模式以及这两种模式转换期间的能源成本。该基准使用了一套通用的8位、16位和32位微控制器上的便携式工作负载。该基准测试以1秒的周期运行，并将这些工作负载与较长时间的不运行状态结合在一起（使用微控制器的低功耗模式时）。换句话说，基准测试在长时间的睡眠模式下运行，然后在运行模式下短暂唤醒以执行最少的处理，从而模仿了一个节能边缘节点。
Fig. 10: ULPMark-CP operation
图10显示了一个理论例子，其中运行周期长度持续1毫秒（取决于为基准选择的MCU PLL频率和运行基准所需的周期数，具体取决于MCU架构）。在这段1 ms的时间内，CPU消耗2毫安（2 mA）的电流，在基准测试的1秒钟内实际上是2微安（2 µA）的消耗。 MCU在休眠模式下又消耗1微安。ULPMark-CP得分计算为1000/(运行+休眠消耗)。在图10的具体案例中，分数是333，是一个特别好的分数。
