單片PMIC
高整合PMIC新功能發威 高密度運算應用小巧省電
虛擬實境系統
虛擬實境(VR)頭盔電路框圖如圖1所示。VR頭盔屬於高密度運算應用環境。圖像顯示要求專用的圖形處理器(GPU)和影像處理器(IPU)來增強用戶體驗。音訊處理部分則要求高速數位訊號處理器(DSP),而整個系統由中央處理器(CPU)協調。
圖1 VR頭盔電路框圖
VR系統需要經過優化的電源管理方案,以支援資料處理、通訊和感測器功能。負載是動態的,並趨向於使用更低的供電電壓,這對負載瞬態電壓的跌落要求將更加嚴格。由於處理器所在設備會包裹在頭部周圍,散熱成為選擇電源管理IC的另一個關鍵指標。
AP電源管理方案
圖2所示為典型的VR電源管理方案,以及系統運行所必需的協助工具。須要多路電壓輸出為CPU、記憶體及其他功能電路供電。即時時脈(RTC)和32kHz晶振(XTAL)支持高精確度計時。GPIO擴展器提高通斷控制靈活性以及模組和感測器管理。
圖2 典型AP電源管理
如果使用分離IC實現這些複雜功能,將面臨多方面巨大挑戰:
1.AP系統要求嚴格的上電順序,以便在電壓和溫度變化條件下成功啟動。這一要求很容易造成系統被過度保護、體積龐大。
2.如果在正常工作期間遭遇系統或穩壓器故障,系統必須能夠發出處理器報警並確定下一步操作。這種優先順序和順序檢測至關重要。
3.較大的方案面積、較長的PCB走線將對穩壓器效率產生不利影響,縮短設備的執行時間,增加系統發熱程度。
4.分離式設計方案增加了電路板的元件數量,事實證明這種情況會因為裝配問題造成較高故障率,以及較差的訊號完整性。
5.分離式方案中使用IC非常多,占用更多的I2C匯流排資源,造成額外的處理器資訊讀取延遲。
整合方案
全整合方案能夠克服分離式電源配置所面臨的挑戰。圖3所示為單晶片整合PMIC為AP供電的示意圖,可有效減小PCB尺寸、重量和體積,且不會犧牲效能。
圖3 全整合式AP電源管理
MAX77714為完備的電源管理IC,特別適合運用於系統單晶片(SoC)應用處理器功能。兩路大電流降壓調節器(SD0和SD1)優化用於AP的CPU和GPU供電,且輸出電壓支援動態電壓調節(DVS),範圍為0.26V~1.52V。輸出級MOSFET的RDS(ON)經過優化,提供優異的轉換效率,如圖4靜態分析所示。這些調節器也支援強制脈寬調變技術,大幅降低輕載條件下的紋波。另外兩路調節器(SD2和SD3)具有較寬的輸出範圍,通用性更強。全部四路開關穩壓器均具有內部補償,將外部元件需求降至最低。
圖4 效率優勢
MAX77714還提供9路可靈活配置的低壓差(LDO)線性穩壓器,電流範圍為150mA~450mA,適用於系統的雜訊敏感電路供電。全部LDO都具有兩種軟啟動速率,以限制啟動期間的浪湧電流,支援較寬的輸出電壓範圍。8個GPIO接腳可靈活配置。其中4個GPIO接腳可配置用作電源排序(FPS)控制,3個GPIO接腳可配置為32kHz時脈輸出,用於同步外部系統。最後,第8個GPIO接腳則可配置為系統喚醒接腳。
即時時脈配合外部晶振工作,提供計時和喚醒功能。如果不使用該功能,則可使用內部矽振盪器,以節省BOM成本。可靠的開/關控制狀態機驅動FPS實現上電/斷電、故障處理和電源模式控制,最大程度減少AP的介入。此外,整合看門狗計時器用於系統監測,避免AP操作掛起狀態。
PMIC採用70焊球、4.1mm×3.25mm
×0.7mm、0.4mm焊距晶圓級封裝(WLP),是空間受限應用的理想選擇;此外,較高的工作頻率允許使用小尺寸被動元件,最終獲得PCB面積僅為230mm2的總體方案(圖5)。
圖5 PCB 230mm2
PMIC具有多個可配置暫存器,可以透過I2C進行自訂,實現眾多產品的量身定制。
虛擬實境應用中的AP供電在靈活性、效率和尺寸方面都帶來了諸多設計挑戰。高度整合的PMIC方案提供靈活配置,非常適合各種空間受限的應用處理器供電。低RDS(ON) FET提供優異的轉換效率,同時高頻工作允許使用小尺寸被動元件,進一步降低PCB尺寸和成本。
(本文作者為Maxim半導體工程師)