为DDR-SDRAM度身定造高效功率管理芯片

为DDR-SDRAM度身定造高效功率管理芯片

飞兆半导体 计算和超便携式应用企业策略总监RENO ROSSETTI

引言
DDR-SDRAM，即双数据速率同步DRAM，简称DDR。DDR因其更为卓越的性能 (起初的数据速率为266MBps，后来提升至400MBps，而一般SDRAM只有133MBps)、更低的功耗以及更具竞争力的价格，已经在桌面和便携式应用中颇为流行。近推出的第二代DDR或称DDR2 (JESD79-2A)，数据速率从400MBps提升到了667MBps。因此与之前的SDRAM技术相比，DDR存储器需要更加复杂和新颖的功率管理结构。

DDR功率管理结构

图1所示为代DDR存储器的基本功率管理结构。在DDR存储器中，输出缓冲器是推挽式结构，而输入接收器处于差分结构。这就需要参考偏置中点电压VREF以及能够供应和吸收电流的电压终端匹配。后一个特点 (供应和吸收电流) 是DDR VTT终端匹配与PC主板上其他终端匹配的不同之处。值得注意的是，前端系统总线 (FSB) 的终端匹配将CPU连接至存储器信道中心 (MCH)，由于只是正极信号的终端匹配，该终端只需要电流吸收功能。因此，这种终端匹配不适用于DDR VTT终结结构，需要新型的功率管理设计。

代DDR存储器的逻辑门供电电压是2.5V。在芯片组的输出缓冲器和存储器模块上相应的输入接收器之间，通常有一条走线或小分支，需要利用图1所示的电阻RT和RS进行适当的终端匹配。将包括输出缓冲器在内的所有阻抗都计算在内的话，每个终结的走线可以吸收或供应电流 16.2mA。如果系统接收器和发射器之间的走线比较长，可能两端都需要终端匹配，这样便需要双倍的电流。

DDR逻辑所需的2.5V VDDQ有 200mV的容差。为了维持噪声性能，DDR终结电压VTT必须能够跟踪VDDQ。VTT必须等于VDDQ / 2或约为1.25V，要求为 3%。，参考电压VREF必须在VTT 和 VTT+40mV的范围。电压能够跟踪，加上VTT必须同时具有电流供应和吸收能力，对DDR存储器功率管理来说是个独特的挑战。

较差情况下的电流消耗

-VTT 终端匹配

假设128MB存储器系统的结构如下：

128位宽总线；

8个数据闸门；

8个掩码位；

8个Vcc位；

40个地址线 (2组20个地址线)。

共192线， 每条线路消耗的电流为16.2mA，电流消耗为：
192 16.2mA = 3.11A（峰值）-VDDQ供

VTT吸收电流时，VDDQ提供电流。VDDQ电流是单极的，值等于VTT的电流，即3.11A。

平均功耗

一个128MB存储器系统一般由8x128Mb器件组成，其平均功耗为990mW，不包括VTT终结功率。来自VDDQ的平均电流IDDQ为：

同样，终结电阻所消耗的功率PTT为660mW 。来自VTT的电流ITT为：

，因为VREF供电电压的阻抗很低，可以得到很好的抗噪性能 (<5mA)，因此VREF的电流IREF值可以足够大。

128MB DDR存储器功率管理系统设计的主要静态参数总结如下：

VDDQ = 2.5V, IDDQ =0.396A 平均值, 3.11A 峰值 (供应)

VTT = VDDQ /2=1.25V, ITT = 0.528A 平均值, 3.11A 峰值 (供应和吸收)

VREF = VDDQ /2=1.25V, IREF = 5mA。

当然，如果利用VDDQ为终端匹配之外的其他负载供电，其容量必须相应提高。

瞬态工作模式

DDR存储器的指导文档JEDEC JESD79和JESD 8-9规定VTT电压必须等于VDDQ电压的一半，容差为 3%。该容差应包括由线转换所引起的总线负载瞬态值。然而，这没有提及两个评估供电电压VTT的电容要求所需的规格：JEDEC规范没有说明VTT跟随VDDQ需要多大的带宽，也没有规定VTT的负载瞬态值。

实际上，该规范的目的是实现的抗噪性能。因此，尽管没有硬性规定VTT在任何时候都必须等于VDDQ的一半，但是所用的带宽越大，系统就越稳定。出于这个原因，有必要采用宽带开关转换器来生成VTT。

对于VTT负载瞬态值，电流可以从 +3.11A下降到 -3.11A，从供应电流转向吸收电流。这种以40mV为门限的6.22A电流下降需要ESR仅7m 的输出电容。然而，有两个设计考虑缓和了这一要求。是实际DDR存储器所吸收的电流并没有到达3.11A，测量结果表明典型电流在0.5～1A的范围内。第二，吸收和供应电流之间的转换很快，甚至连转换器都觉察不到。从正向电流转向反向电流要求总线所有的1状态转换到0状态，然后保持在那一状态，时间至少等于转换器带宽的反相时间。由于这个时间在10微秒数量级，加上总线运行速率为100MHz，因此要在全部0状态保持1000个周期！事实上，VTT的输出电容只需要达到40m 。

待机工作模式

DDR存储器可支持待机工作模式。在这种模式下，存储器仍保留其内容，但不能被主动寻址。例如，在笔记本电脑待机时，存储器芯片不与外界通信，因此可关闭VTT总线电源以节省电能。当然，VDDQ必须保持上电状态以便存储器保存其内容。

线性方式与开关方式

前面已提及，DDR系统的平均功耗为：

P_{DDQ}=990mW

P_{TT}=660mW

总量为：

P_{TOTDDR}=990mW + 660mW = 1650mW

而同类SRAM系统的消耗为2040mW。

如果采用线性调压器来终结VTT，那么PTT功率效率为50％，这是根据Vout/Vin = VTT /VDDQ = 0.5来确定的。这意味着VTT调压器要消耗额外的660mW功率，使得总平均功耗上升至1650mW + 660mW = 2310mW。这一数字比SDRAM的功耗还高，因而也就抹杀了DDR存储器低功耗的优点。
就PDDQ而言，大部分功耗优势来自2.5V的VDDQ，传统SDRAM的电压为3.3V。然而，一般的PC机箱所提供的电压为3.3V，而2.5V电压需要通过主板提供。除非有一个有效的调压方案来生成VDDQ，否则将再失去功耗优势。因此，应采用开关调压方式来处理DDR存储器的PDDQ和PTT功率。

第二代DDR (DDR2)

对于DDR2，VDDQ从2.5V下降到1.8V，而VTT从1.25V下降到0.9V，其吸收/供应电流能力为 13.4mA。因此，DDR2的功耗要比代DDR小得多，例如，DDR2-533的功耗只是DDR-400的一半。前面提及的所有DDR静态和动态情况都适用于DDR2。DDR2的终结方案与图1中的DDR方案稍有不同，因其终结电阻在芯片内，而不是在主板上。尽管如此，DDR2仍然需要一个外部VTT终结电压。鉴于DDR2的功耗较低，因此可以使用VTT线性调压器，特别是在简单性和成本考虑比功耗更重要的情况下。

专为DDR和DDR2存储器而设的FAN5236

目前市场可供选择的DDR功率IC很多。例如，飞兆半导体的FAN5236就是专为DDR存储器系统设计的完整功率芯片。它在单个芯片内集成了VDDQ开关控制器、VTT开关控制器及VREF线性缓冲器。VDDQ开关控制器可工作于5~24V范围内的任何电压。而VTT开关则不同，其输入是VDDQ，而且与VDDQ同步切换。这两种开关的电压输出范围都介于0.9～5.5V。由于总线由VDDQ的2.5V (DDR) 或1.8V (DDR2) 驱动，并为VTT 的1.25V (DDR) 或0.9V (DDR2) 所终结，功率在某种程度上在VTT 和VDDQ之间流通。从VDDQ获取VTT 可以减少总流通功率，因而减少流通功耗。VTT开关也可以被关闭进入待机状态。图2为FAN5236的一个典型应用，表1则列出一个4A连续、6A峰值VDDQ应用的相关材料清单 (BOM)。该电路很容易针对DDR2应用，将VDDQ调整为1.8V (通过分压电阻R5/R6)，将VTT调整为0.9V。

未来趋势

正如多年来的一贯趋势，用户需要更大的存储容量来运行更大的软件。如某些服务器板等系统在设计时已带有大容量DDR，有些容量甚至达到16GB。要给这种系统供电，仅降低DDR的功耗是不够的，因此需要转向新的DDR2存储器技术。虽然DDR2的发展还处于起步阶段，但业界已经开始讨论下一代PC存储技术DDR3了，不过预计DDR3在2007年或之后才可进入市场。