SoC处理器的电源管理系统设计

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SoC 处理器的电源管理系统设计

何允灵，秦 娟，王 佳，倪 明，柴小丽

(华东计算技术研究所，上海 200233)

摘 要：从软硬件角度探讨SoC 处理器电源管理系统的设计，分析SoC 处理器PMU 的特征，根据其应用需求讨论有关PMIC 的设计问题，包括：电源IC 内部结构及选型原则，数字PMIC 与传统电源IC 相比所做的改进，一种新的电源管理总线——PMBus 和一种高度整合的PMIC 应用。从嵌入式操作系统的角度分析了动态电源管理系统的设计。

关键词：片上系统；电源管理单元；电源管理芯片；低压差线性稳压器；开关电源；数字电源管理

Power Management System Design for SoC Processor

HE Yun-ling, QIN Juan, WANG Jia, NI Ming, CHAI Xiao-li

(East-China Institute of Computer Technology, Shanghai 200233)

【Abstract 】This paper studies the power management system design for the System-on-Chip(SoC) processor technology. The characteristic of the processor’s Power Management Unit(PMU) is analyzed. According to its application demands, it discusses the design problems of Power Management IC(PMIC), which includes: the interior architecture of the power IC and its selection principle, the improvement of the digital PMIC in contrast with the traditional power IC, the application of a new power management bus called PMBus and a highly integrated PMIC. It analyzes the design of Dynamic Power Management(DPM), which is a module in the embedded operating system.

【Key words 】System-on-Chip(SoC); Power Management Unit(PMU); Power Management IC(PMIC); Low Dropout Regulator(LDO); switching regulator; digital power management

计 算 机 工 程Computer Engineering 第34卷 第16期

Vol.34 No.16 2008年8月

August 2008

·工程应用技术与实现·文章编号：1000—3428(2008)16—0262—03

文献标识码：A

中图分类号：TP303

随着微电子技术和半导体工艺的迅速发展，一个复杂的系统能被集成在一个硅片上，片上系统(System-on-Chip, SoC)的时代已经来临。采用SoC 解决方案，重新利用已有设计，并在此基础上增加新功能的做法，可以分摊设计费用，在保持系统成本的情况下提高性能。SoC 处理器实现了在单芯片上整合多种功能，如中央处理器、模拟与数字基带处理器、音频和图形处理器等。多种功能带来多档电源的需求，随着这些功能的添加，对处理器处理能力的要求也越来越高，迫使处理器主频不断提高。由于以上原因，SoC 处理器的功耗一直居高不下，因此在实际应用中必须设法降低其功耗。

1 SoC 处理器的电源管理

在运行不同的任务时，SoC 处理器对电源的需求不同。

如运行在线互动游戏时要求处理器全速运行，必须增加供电；播放音乐时可降低处理器频率，以可减少供电；而在系统不使用时，可关闭核心供电，使处理器进入睡眠状态。由此可见，如果供电系统能根据运行任务实时调整供电状态，就可减少不必要的能耗，提高系统能源利用率。

可以利用SoC 自身先进性和高集成度的优点，结合应用需求，为其量身定做一套完善的电源管理系统，解决功耗问题。其内部需要一个专门的电源管理单元(Power Management Unit, PMU)。SoC 处理器的PMU 一般具备以下特性：

(1)需要外部电源芯片提供多档电源，或在某档电源上施加较高的电流。原因在于SoC 处理器通常要求其核心、I/O 设备和存储单元等独立供电，而这些单元对电压、电流、频率等的要求通常各不相同。

(2)应能为外部供电系统提供专用控制信号，通过PMU 控制寄存器设定这些控制信号的状态，实现实时软件控制机制，最终实现动态电源管理。这些控制信号有：打开或关闭供电系统的使能信号，控制供电系统输出电压大小的数字接口信号等。

(3)PMU 的一些基本接口信号如系统复位、电源状态指示信号等发生变化后，SoC 处理器状态将随之改变。

由此可见，PMU 作为外部供电系统和内部功能单元之间的供电桥梁，在系统节电中起着非常重要的作用。

SoC 处理器电源管理系统框图如图1所示。

图1 SoC 处理器电源管理系统

作者简介：何允灵(1980－)，女，工程师、硕士研究生，主研方向：嵌入式计算机；秦 娟、王 佳，助理工程师；倪 明，研究员；柴小丽，高级工程师

收稿日期：2007-09-30 E-mail ：heyl@