可配置电源管理ASIC--当今的系统黏合剂

数字ASIC|0">ASIC--上个世纪的黏合逻辑

上个世纪，在数字化思维主导设计领域时，系统是标准处理器，ASSP，模拟电路和"黏合逻辑"的混合物。“黏合逻辑”是通过小型和中型集成电路|0">集成电路把不同数字芯片的协议和总线连在一起。为了降低成本实现一体化，“黏合逻辑”曾经风靡整个ASIC业。
如今，整个数字系统发展到深亚微米（DSM）半导体阶段，“黏合逻辑”也慢慢退出了系统设计应用。但是“黏合逻辑”真的过时了吗？答案因人而异。现在，对于数字“黏合逻辑”的需求不如以前那么强烈，但是模拟“黏合功能”却在增长。

复合信号ASIC—今天的“系统胶连”

现在的系统有许多模拟功能，但是却并不适合90和65纳米硅芯片应用。这些系统需要多个电源层，若干电压等级，电源的排序，睡眠模式功耗，高电压LED驱动器，高质量音频处理器以及这些功能的智能控制。系统级芯片数字化解决方案的增长导致我们需要复合信号集成电路，囊括了诸多为了节约成本，提高性能和集成的模拟功能。如图1所示：

图1 ： 分离的电源管理功能组合在一个可配置的集成电路上

便携式电子设备可能包括广泛的电源电压：用于数字集成电路的1.8V和3.3V电压，用于锂离子电池的4.2V电压，用于传统接口的5V电压，用于LED背光的36V电压，单独的用于敏感模拟电路的电压以及用于电机控制的高电压。根据每个功率源的要求，设计师们选择不同的电源转换拓扑结构，其中包括线性，开关以及低压降稳压器。

不仅是调节器的纯粹数量在增加，这些系统往往有复杂的电源排序要求，每个供应源相互之间在电源开关，睡眠和降低的操作模式时的开启和关闭需要精确的控制。通常这些供应源不仅仅是简单的打开，而需要电源电压的斜升或斜降行为，从而增加了电源管理系统的额外的复杂性。在设备的电源管理设计中，随着调压器相互之间的正确排序，系统复位信号，振荡器开启和PLL稳定时间必须考虑进去。

一个电源管理系统集成了多种电源转换拓扑结构，数字排序逻辑，控制电源管理功能的数字通讯，模拟电压以及电流测量；不变性记忆器用来存储电压设置点，排列顺序，序列周期和工厂校准数据。这些电源管理资源消耗了了许多电路板空间，需要多位包装，并加入到组装成本中，使其成为电源管理集成电路的理想候选。这些专用集成电路建立在混合信号处理的基础上，因此相关功能不能与电源管理正常联系，比如音频处理，蜂鸣器驱动器和马达控制，在设备中成为内含物的选择器件。对于PMIC ASIC来说，负责集成和控制许多IP模块很平常。功能如表1：

表1 PMIC 电源管理集成电路功能
线性调节器 电机控制
转换器 音频扬声器驱动
低压降稳压器 自定义数字逻辑
发光二极管升压稳压器 电源排序
电池管理-充电，监视 复位发生器
LED驱动 电压监视器
LCD电压发生器 电流监视器
电压转换器 风扇控制
音频处理 温度传感器
非易失性存储器 欠压检测器

可配置电源管理集成电路

所有的模拟和电源管理“胶连”的进入让一个单一设备实现了整合，提高了侧寻性能，降低了整个系统的成本。然而，全定制的电源管理IC开发一向昂贵，进入市场缓慢，并且有很大的风险。

可配置阵列技术（VCA）的发展产生了硅验证的电源管理ASIC的解决方案，通过一个单一的遮罩层的变化来配置和定制特定的应用。一个VCA在ASIC模块上集成了硅验证模拟化，数字化和内存资源。然后这些资源由整体的路由结构所覆盖。包含这些VCA的晶片经过特殊处理和铸造，所有的模拟和数字资源可相互联系并由一个遮罩层来配置。由于只有一个遮罩层铸造加工，制造成本大大降低，制造时间从几个月到几周，硅验证的IP和互联路的使用大大降低了风险。

图2显示了一个可配置的PMIC和其组成部分

表 2 适合电源管理应用的可配置ASIC的性能

3V至50V操作
15750 个ASIC门
21,500位的RAM
1000 × 8电可擦除只读存储器，20年的数据保存能力，100K的写入周期
44个可配置数字I / O
12个20V的运算放大器与资源
12个3.3V的运算放大器与资源
6个电源管理单元
2个调节器
2个10位，1MSPS的DAC
42个可配置的模拟I / O
3.3V的独立模拟电源
20V的独立模拟电源

设计一个可配置电源管理集成电路（PMIC）

在可配置ASIC中制定一个综合的电源管理方案遵循图3的流程，从确定系统所需电压范围开始，每个区域所需的工作和睡眠模式的电流以及电源电压的次序。PMIC的设计目的是获取模拟图表和数字硬件描述语言。高级别的设计用来

模拟确认设备操作。在传统的全定制ASIC设计流程中，下一步将是艰苦的，昂贵的，容易出错的晶体管布局，布局需要把设计转化到具体的硅片上。在可配置流程中，HDL格式的数字设计综合成Verilog（目前应用最为广泛的硬件描述语言），在门级Verliog中，软件通常把来自模拟图表的SPICE表进行转换。然后把模拟和数字Verliog网结合起来并提交给自动布局布线工具，通过全局路由结构来自动配置设备。

和全定制电源管理IC设计的数月相比，混合信号自动布局布线过程完全配置设备仅仅数天。在全局路由金属层中，自动布局布线工具的输出是掩模层的一个GDSII代表。和一个全定制设计来说需要20多个层相比，这个路由层发送到铸造只需构造一个掩模层，从而大大减少了构造费用，使得原型从数月到数周成为可能。

图3 可配置电源管理ASIC设计流程

可配置ASIC供应商给设计者们提供了集成于可配置ASIC的硅验证的电源管理和混合信号IP模块。对于集成电路设计来讲，“无全定制布局需要”的方法导致了低成本，快速发展和更安全的设计流程。因此，设计团队可以解决如今产品所需的充满挑战性的和不断变化的电源管理解决方案。

作者简介：

Reid Wender，应用工程师主管，2005年加入Triad半导体。之前，他是工程方面的副总裁，任职于QuVIs的半导体部门。他有20年的ASIC设计和项目管理经验，包括Nextwave Silicon, ASIC International, Philips, 和IBM这些公司，并拥有田纳西大学的电子工程学士学位。