Utilizando PMIC para gerenciar o consumo de SoCs

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Novas tecnologias e aplicações, bem como a necessidade de produtos com dimensões menores e crescentes requisitos de conectividade, ultrapassam os limites dos processadores atuais e seus sistemas de gerenciamento de energia. Os novos processadores devem oferecer crescente poder de processamento de áudio, vídeo, gráficos de alta definição (HD), streaming, jogos e tudo mais. À medida que o volume e a qualidade do conteúdo aumentam, também aumenta o desejo de oferecer melhor desempenho em menos espaço. Essa abordagem orientada ao usuário coloca a integração em primeiro plano, tornando-a um fator limitante no desenvolvimento de tecnologia.

O desafio de alcançar alto desempenho enquanto reduzia custos levou os engenheiros a desenvolver os circuitos integrados System on a Chip (SoC). Essas soluções integram muitas funcionalidades do sistema em um CI, reduzindo o consumo de energia, custo e esforço e conhecimento técnico necessário para implementar funções que, de outra forma, exigem conhecimento profundo, como processamento de vídeo e gráficos. Alcançar um alto desempenho a um custo palatável exige que os fabricantes desenvolvam SoCs em um processo avançado submícron (CMOS – complementary metal–oxide–semiconductor), ≤ 16 / 14nm).

Esses SoCs exigem fontes de alimentação para fornecer alta corrente, o que pode ser um desafio em processos avançados CMOS submicrons. Os circuitos de alimentação requerem transistores grandes para suportar altas correntes e alta tensão (em relação à tensão do núcleo digital). Esses atributos são diametralmente opostos aos associados aos transistores usados ​​em circuitos digitais. Portanto, é tecnicamente desafiador (ou impossível) implementar fontes de alimentação na mesma matriz que os circuitos digitais e provavelmente não é econômico fazer isso. Em geral, essas incompatibilidades sempre existiram no design de CI, mas são ampliadas à medida que os processadores modernos são implementados em processos CMOS cada vez menores.

Aqui, ilustraremos o gerenciamento e a otimização das considerações de codesign do SoC-Power Management Integrated Circuit (PMIC) por meio da família de processadores NXP i.MX 8M (Mini e Nano) e ROHM BD71847 / BD71850. Essas soluções foram selecionadas porque sua combinação de recursos, baixo custo de lista de materiais (BOM) e footprint pequeno permitem que os OEMs desenvolvam e produzam rapidamente dispositivos inteligentes e conectados.

Prós e Contras

O aumento da integração de energia no nível do sistema no SoC acarreta vários custos:

  • Diminuição da flexibilidade de projeto
  • Eficiência do sistema abaixo do ideal
  • Desenvolvimento e custo de lista de material mais altos
  • Maior tempo de lançamento no mercado

Essas compensações criam uma oportunidade para inovação em nível de sistema na construção de processadores modernos e seus subsistemas de energia.

Formas de melhorar a flexibilidade do projeto

O NXP i.MX 8M/8Mini/Nano não possui conversores DC/DC integrados ou reguladores de baixa queda (LDOs). SoCs semelhantes também não integram conversores DC/DC, mas muitos usam LDOs on-chip para converter um barramento de alimentação externo em uma tensão mais baixa para os núcleos do processador – aplicando Tensão Dinâmica e Escala de Frequência (DVFS) aos núcleos. Ao manter DC/DC e LDOs fora do chip, os projetistas de SoC utilizaram totalmente o espaço de silício de 14 nm otimizado para funções digitais, como núcleos de processador, caches e aceleradores de hardware de áudio / vídeo. Livres dos requisitos de gerenciamento de energia no chip, eles são livres para formular uma arquitetura de energia (externa) que facilita em vez de colocar restrições no desenvolvimento do processador. O grande número de fontes de energia externa (8 bucks e 7 LDOs) exigidos pelo i.MX 8M é uma indicação dessa liberdade. Ao mesmo tempo, os projetistas da PMIC da ROHM implementaram seus circuitos de energia no processo Bipolar-CMOS-DMOS (BCD) de 130 nm da ROHM, que é otimizado para funções de gerenciamento de energia. Cada equipe teve a liberdade de usar o processo e IPs mais adequados para as demandas.

Formas de Melhorar a eficiência do sistema

Implementar circuitos de energia no processo BCD de 130 nm permite que o BD71847AMWV / BD71850MWV (Figura 1) ganhe eficiência de até 95 por cento para a tensão de saída de 0,7 V-3,3 V. No nível do sistema, a eficiência é ainda melhorada quando DC / DC externo é usado para aplicar DVFS diretamente ao núcleo do processador. Afinal, usar um DC/DC externo com LDO on-chip para DVFS equivale a uma conversão de 2 estágios, incorrendo em perda extra no segundo estágio.

Um recurso frequentemente esquecido é a precisão das tensões de saída (+/-1,5%). Junto com a resolução mais alta na etapa de ajuste de tensão de saída (etapa de 10mV), o software gerenciador de energia pode definir precisamente a tensão de saída de um barramento de alimentação no nível mais baixo para minimizar o consumo de energia e ainda permitir que o subsistema alimentado por esse barramento de alimentação opere em a frequência desejada.

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Figura 1: ROHM Semiconductor BD71850MWV PMIC integra todas as fontes de alimentação que os processadores i.MX 8M Nano e periféricos de sistema exigem, bem como um sequenciador compatível com modos de energia suportados pelos processadores i.MX 8M Nano, tornando possível reduzir significativamente o tempo de desenvolvimento, diminua o tamanho e simplifique o design da aplicação. (Fonte: Mouser Electronics)

Formas de diminuir o desenvolvimento e o custo da lista de materiais

Com a pressão contínua do mercado para adicionar recursos adicionais e/ou reduzir o tamanho e o peso do produto, os engenheiros estão constantemente tentando encontrar maneiras de integrar mais funcionalidades aos CIs e melhorar a confiabilidade. No entanto, níveis mais altos de integração também podem acarretar maior desenvolvimento e custo de matriz. A dissociação do desenvolvimento de SoC do gerenciamento de energia permite que cada um prossiga em seu próprio ritmo ideal. Cada etapa do processo – desde o projeto, verificação, layout do CI até a fabricação do CI – é mais simples e rápida e aumenta muito a chance de ter os silicios certos já na primeira vez. O custo de matriz mais baixo (total) vem da implementação de funções de energia no processo mais barato (BCD).

Formas de melhorar o tempo para entrar no mercado

Como acontece com muitos negócios de tecnologia, o tempo de chegada ao mercado é crítico. Para componentes altamente complexos, como processadores de aplicação, separar os desenvolvimentos de tecnologias fundamentalmente incompatíveis, como elementos de processamento digital (CPU, aceleradores de hardware) e gerenciamento de energia, reduz o esforço e o risco de desenvolvimento, o que se traduz em um tempo de lançamento mais rápido no mercado.

Conclusão

As considerações para projetar PMICs programáveis ​​para SoC oferecem vantagens na experiência do usuário e no desenvolvimento de produtos. 8M/8MM/Nano da NXP e 847/850 da ROHM Semiconductor são produtos de alta engenharia que permitem o sucesso em ambas as extremidades do ciclo de vida do produto. Aplicações que variam de caixas de streaming de mídia e dongles a receptores AV e painéis de computadores industriais usam esses componentes para compor seu desempenho robusto. Os semicondutores otimizam recursos essenciais ao usuário – desempenho e preço – e também ao fabricante, como flexibilidade de projeto e tempo de entrada no mercado. Eles são produtos prontos para o mercado que demonstram o equilíbrio crítico entre a flexibilidade de componentes não integrados e PMIC-SoC altamente integrado.

Para artigos como esse, acesse o link.

Artigo escrito originalmente por Adam Kimmel para Mouser Electronics: Using PMIC to Manage Power for SoCs

Traduzido por Equipe Embarcados.

Licença Creative Commons Esta obra está licenciada com uma Licença Creative Commons Atribuição-CompartilhaIgual 4.0 Internacional.

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