| 引言
---一種新型的SDRAM (單數(shù)據(jù)隨機(jī)存取存儲),即雙數(shù)據(jù)速率 (DDR) SDRAM (JEDEC標(biāo)準(zhǔn)JESD79和JESD8-9) (簡稱DDR) 已經(jīng)在桌面和便攜式計算應(yīng)用中非常流行,這要?dú)w功于其具備的卓越性能 (起初的數(shù)據(jù)速率為266MB/s,而一般SDRAM只有133MB/s)、更低的功耗,以及比同級存儲技術(shù)更具競爭力的價格。其后,DDR數(shù)據(jù)速率更提升至400MB/s。最近推出的第二代DDR或稱DDR2 (JESD79-2A),已將數(shù)據(jù)速率從400MB/s提升至667MB/s。因此與之前的SDRAM技術(shù)相比,DDR存儲器需要更新更復(fù)雜的功率管理結(jié)構(gòu)。
---本文主要闡述DDR-SDRAM存儲器的功率要求,涵蓋靜態(tài)、瞬時和待機(jī)工作模式,還將討論其他可選的電源管理方案,并給出一個基于有效開關(guān)調(diào)壓的完整電源管理系統(tǒng)實例。最后還闡述了DDR-SDRAM存儲器未來的發(fā)展趨勢。  DDR電源管理結(jié)構(gòu)
---圖1所示為第一代DDR存儲器的基本電源管理結(jié)構(gòu)。在DDR存儲器中,輸出緩沖器是一個推挽結(jié)構(gòu),而輸入接收器處于差分結(jié)構(gòu)。這就需要參考偏置中點(diǎn)電壓VREF,以及能夠供應(yīng)和吸收電流的電壓終端匹配。后一個特點(diǎn) (供應(yīng)和吸收電流) 是DDR VTT終端匹配與PC主板上其他終端匹配的不同之處。值得注意的是,前端系統(tǒng)總線 (FSB) 的終端匹配將CPU連接至存儲器信道中心 (MCH),由于只是正極信號的終端匹配,該終端只需要電流吸收功能。因此,這種終端匹配不能用在或適應(yīng)DDR VTT終結(jié)結(jié)構(gòu)上,需要新的電源管理設(shè)計。
---第一代DDR存儲器的邏輯門供電電壓是2.5V。在芯片組的輸出緩沖器和存儲器模塊上相應(yīng)的輸入接收器之間,一般有一條走線或者小分支,需要利用圖1所示的電阻RT和RS進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕K端匹配。如果包括輸出緩沖器在內(nèi)的所有阻抗都計算在內(nèi)的話,每個終結(jié)的線可以吸收或供應(yīng)電流 +/-16.2mA。如果系統(tǒng)接收器和發(fā)射器之間的走線比較長,可能兩端都需要終端匹配,這樣便需要雙倍的電流。
---DDR邏輯所需的2.5V VDDQ有±200mV的容差。為了維持噪聲性能,DDR終結(jié)電壓VTT必須能夠跟蹤VDDQ。VTT必須等于VDDQ / 2或約1.25V,精度為±3%。最后,參考電壓VREF必須在VTT和VTT+40mV的范圍。電壓能夠跟蹤,加上VTT必須同時具有電流供應(yīng)和吸收能力,對DDR存儲器電源管理來說是個獨(dú)特的挑戰(zhàn)。 較差情況下的電流消耗
----VTT 終端匹配
---假設(shè)128MB存儲器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如下：128位寬總線;8個數(shù)據(jù)閘門;8個掩碼位;8個Vcc位;40個地址線 (2組20個地址線),共192線。每條線路消耗的電流為16.2mA,最大電流消耗為：192×16.2mA = 3.11Apeak。
----VDDQ供電電壓
---當(dāng)VTT吸收電流時VDDQ提供電流。VDDQ電流是單極的,最大值等于VTT的最大電流,即3.11A。 平均功耗
---一個128MB存儲器系統(tǒng)一般由8×128Mb器件組成,其平均功耗為990mW,不包括VTT終結(jié)功率。
---來自VDDQ的平均電流IDDQ為
---IDDQ =PDDQ/ VDDQ=990mW/2.5V=0.396A
---同樣地,終結(jié)電阻所消耗的功率PTT為660mW 。來自VTT的電流ITT為
---ITT=PTT/VTT=660mW/1.25V=0.528A
---最后,因為VREF供電電壓有很低的阻抗,可以得到很好的抗噪性能 (<5mA),因此VREF的電流IREF值可以足夠大。
---128MB DDR存儲器電源管理系統(tǒng)設(shè)計的主要靜態(tài)參數(shù)總結(jié)如下：
---VDDQ = 2.5V, IDDQ =0.396A平均值, 3.11A峰值 (供應(yīng))。
---VTT = VDDQ /2=1.25V, ITT = 0.528A平均值, 3.11A峰值 (供應(yīng)和吸收)。
---VREF= VDDQ/2=1.25V,IREF=5mA
---當(dāng)然,如果利用VDDQ為終端匹配之外的其他負(fù)載供電,其容量必須相應(yīng)提高。 瞬態(tài)工作模式
 ---實際上,該規(guī)范的目的是實現(xiàn)最大的抗噪性能。因此,盡管沒有硬性規(guī)定VTT在任何時候都必須等于VDDQ的一半,但是所用的帶寬越大,系統(tǒng)就越穩(wěn)定。出于這個原因,有必要采用寬帶開關(guān)轉(zhuǎn)換器來生成VTT。
---對于VTT負(fù)載瞬態(tài)值,電流可以從 +3.11A下降到 -3.11A,從供應(yīng)電流轉(zhuǎn)向吸收電流。這種以40mV為門限的6.22A電流下降需要僅7mΩESR的輸出電容。然而,有兩個設(shè)計可以緩和這一要求。第一是實際DDR存儲器所吸收的電流并沒有到達(dá)3.11A,測量結(jié)果表明典型電流在0.5A～1A范圍內(nèi)。第二,吸收和供應(yīng)電流之間的轉(zhuǎn)換很快,甚至連轉(zhuǎn)換器都覺察不到。從正向最大電流轉(zhuǎn)向反向最大電流要求總線從所有的1轉(zhuǎn)換到所有的0,然后保持在那一狀態(tài),時間至少等于轉(zhuǎn)換器帶寬的反相時間。這應(yīng)該在10μs數(shù)量級,加上總線運(yùn)行速率為100MHz,因此要在全部0狀態(tài)保持1000個周期！事實上,VTT的輸出電容只需要達(dá)到40mΩ ESR即可。 待機(jī)工作模式
---DDR存儲器可支持待機(jī)工作模式。在這模式下,存儲器仍保留其內(nèi)容,但不能被主動尋址。例如,在筆記本電腦就可看到這種待機(jī)狀態(tài)。待機(jī)時,存儲器芯片不與外界通信,因此可關(guān)閉VTT總線電源以節(jié)省電能。當(dāng)然,VDDQ必須保持上電狀態(tài)以便存儲器保存其內(nèi)容。 線性方式與開關(guān)方式
 ---前面已提及,DDR系統(tǒng)的平均功耗為：PDDQ=990mW,PTT=660mW。
---總量為：PTOTDDR=990mW+ 660mW = 1650mW, 而同類SDRAM系統(tǒng)的消耗為2040mW。
---如果采用線性調(diào)壓器來終結(jié)VTT,那么PTT功率效率為50％,這是根據(jù)Vout/Vin = VTT /VDDQ = 0.5來確定。這意味著VTT調(diào)壓器要消耗額外的660mW功率,使得總平均功耗上升至1650+ 660 = 2310mW。這一數(shù)字比SDRAM的功耗還高,因而也就抹殺了DDR存儲器低功耗的優(yōu)點(diǎn)。
---就PDDQ而言,大部分功耗優(yōu)勢來自2.5V的VDDQ,相對于傳統(tǒng)SDRAM的電壓為3.3V。然而,一般的PC機(jī)箱所提供的電壓為3.3V,而2.5V電壓需要通過主板提供。除非有一個有效的調(diào)壓方案來生成VDDQ,否則將再一次失去這種功耗優(yōu)勢。因此,應(yīng)采用開關(guān)調(diào)壓方式來處理DDR存儲器的PDDQ和PTT功率。 第二代DDR (DDR2)
---對于DDR2,VDDQ從2.5V下降到1.8V,而VTT從1.25V下降到0.9V,其吸收/供應(yīng)電流能力為 +/-13.4mA。因此,DDR2的功耗要比第一代DDR少得多。舉例說,DDR2-533的功耗只是DDR-400的一半。前面提及的所有DDR靜態(tài)和動態(tài)情況都適用于DDR2。DDR2的終結(jié)方案與圖1中的DDR方案稍有不同,因其終結(jié)電阻在芯片內(nèi),而不是在主板上。盡管如此,DDR2仍然需要一個外部VTT終結(jié)電壓。鑒于DDR2的功耗較低,因此可以使用VTT線性調(diào)壓器,特別是應(yīng)用在對簡單性和成本要求比功耗更重要的情況下。 專為DDR和DDR2存儲器而設(shè)計的FAN5236
---有很多DDR功率IC可供選擇。例如,飛兆半導(dǎo)體帶有集成MOSFET的ML6553/4/5;用于高功率系統(tǒng)的FAN5066;以及新推出的FAN5068,是DDR和ACPI (高級配置與電源接口) 的二合一控制器。而飛兆半導(dǎo)體的FAN5236是專為DDR存儲器系統(tǒng)設(shè)計的完整功率芯片。它在單個芯片內(nèi)集成了VDDQ開關(guān)控制器、VTT開關(guān)控制器及VREF線性緩沖器。VDDQ開關(guān)控制器可工作于5V～24V范圍內(nèi)的任何電壓,而VTT開關(guān)則不同,其輸入是VDDQ,而且與VDDQ同步切換。這兩種開關(guān)的電壓輸出范圍都介于0.9V～5.5V。由于總線由VDDQ的2.5V (DDR) 或1.8V (DDR2) 驅(qū)動,并為VTT 的1.25V (DDR) 或0.9V (DDR2) 所終結(jié),功率在某程度上于VTT 和VDDQ之間流通。從VDDQ獲取VTT可減少總流通功率,因而減少流通功耗。也可以關(guān)閉VTT開關(guān)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。圖2是一個典型應(yīng)用,表1則列出一個4A 連續(xù)、6A 峰值 VDDQ應(yīng)用的相關(guān)材料清單 (BOM)。該電路可以很容易地針對DDR2應(yīng)用而調(diào)整VDDQ為1.8V (通過分壓電阻R5/R6),VTT為0.9V。 未來趨勢
---正如多年來的一貫趨勢,客戶需要更多的存儲器來運(yùn)行更大的軟件。如英特爾的服務(wù)器板等系統(tǒng)在設(shè)計時已經(jīng)帶有很大容量的DDR存儲器,有些甚至帶有16GB的存儲器。要給這種系統(tǒng)供電,僅降低DDR的功耗要求是不夠的,因此需要轉(zhuǎn)向DDR2存儲器技術(shù)。雖然DDR2的發(fā)展還處于起步狀態(tài),但業(yè)界已經(jīng)開始討論下一代的PC存儲技術(shù)DDR3了,不過預(yù)計DDR3在2007年或之后才可能進(jìn)入市場。 |
