你可能已經在智能手機上播放過數百甚至數千個視頻了。但是你有沒有想過，當你按下“播放”鍵時會發生什么？

你一碰到那個小三角形，許多事情就同時發生了。在幾微秒內，手機處理器上的空閑計算核心就開始活躍起來。當他們這樣做時，其電壓和時鐘頻率會迅速上升，以確保視頻解壓縮和顯示不會延遲。同時，在后臺運行任務的其他內核也會減速。電荷涌進有源磁芯的數百萬個晶體管中，而在新閑置的晶體管中，電荷則逐漸變慢。

這種被稱為動態電壓和頻率縮放（dynamic voltage and frequency scaling，DVFS）的“動作”不斷地發生在處理器（稱為片上系統（SoC））中，它運行著你的手機和筆記本電腦以及支持它們的服務器。

這一切都是為了平衡計算性能和功耗，這對智能手機來說尤其具有挑戰性。盡管有電流浪涌，協調DVF的電路仍努力確保穩定的時鐘和堅如磐石的電壓水平 —— 但這部分也是設計中最累人的。

這主要是因為時鐘生成和電壓調節電路是模擬的，這與智能手機SoC上的幾乎所有其他電路不同。由于半導體制造業的進步，我們已經習慣于近一年一次的新處理器的更新 —— 新處理器的計算能力大大提高。

將一個數字設計從一個舊的半導體工藝移植到一個新的工藝上絕非易事，但與嘗試將模擬電路轉移到一個新工藝相比，這算不了什么。支持DVFS的模擬組件，特別是一種稱為低壓差穩壓器（low-dropout voltage regulator，LDO）的電路，不像數字電路那樣會縮小規模，基本上每新一代都必須從頭開始重新設計。

如果我們可以用數字元件代替LDO或其他模擬電路，那么它們的移植難度將大大低于處理器的任何其他部分，從而節省了大量的設計成本，并幫助工程師能夠解決尖端芯片設計所面臨的其他問題。

此外，由此產生的數字LDO可能比模擬LDO小得多，并且在某些方面性能更好。在過去的幾年里，工業界和學術界的研究小組已經測試了至少12種設計，盡管存在一些缺點，但一種商業上有用的數字LDO可能很快就會實現。

低壓差電壓調節器（LDO）允許同一輸入電壓軌（VIN）上的多個處理器內核根據其工作負載在不同的電壓下工作。在這種情況下，Core 1具有最高的性能要求。它的頭部開關，實際上是一組并聯的晶體管，是閉合的，繞過LDO并直接將Core 1連接到VIN，VIN由外部電源管理IC提供。但是，Cores 2到4的工作負載要求較低。他們的LDO被用于為磁芯提供電壓，以節省電力。

基本模擬低壓差穩壓器［左］通過反饋回路控制電壓。它試圖通過控制通過功率PFET的電流，使輸出電壓（VDD）等于參考電壓。在基本數字設計中［右］，一個獨立的時鐘觸發一個比較器［三角形］，該比較器將參考電壓與VDD進行比較。結果告訴控制邏輯需要激活多少功率PFET。

智能手機典型的片上系統是集成的奇跡。在一塊硅片上，它集成了多個CPU核、圖形處理單元、數字信號處理器、神經處理單元、圖像信號處理器以及調制解調器和其他專用邏輯塊。

當然，提高驅動這些邏輯塊的時鐘頻率會提高它們完成工作的速率。但要以更高的頻率工作，它們還需要更高的電壓。沒有這一點，晶體管就無法在處理器時鐘的下一個滴答聲之前打開或關閉。

當然，更高的頻率和電壓是以功耗為代價的。因此，這些核心和邏輯單元動態地改變它們的時鐘頻率和電源電壓，通常在0.95到0.45伏之間——根據它們在分配給它們的任何工作負載中所需的能量效率和性能平衡，拍攝視頻、播放音樂文件、在通話中傳輸語音等等。

通常，外部電源管理IC為手機SoC生成多個輸入電壓（VIN）值。這些電壓沿著稱為軌道的寬互連線傳輸到SoC芯片的各個區域。但是，電源管理芯片和SoC之間的連接數量是有限的。因此，SoC上的多個核必須共享同一VIN軌。

但由于低壓差穩壓器，它們不必都獲得相同的電壓。LDO和專用時鐘發生器允許共享軌道上的每個磁芯以獨特的電源電壓和時鐘頻率運行。需要最高電源電壓的磁芯決定共享VIN值。電源管理芯片將VIN設置為該值，該核心通過稱為頭開關的晶體管完全繞過LDO。

為了將功耗保持在最低限度，其他內核可以在較低的電源電壓下工作。軟件決定了這個電壓應該是多少，模擬LDO在提供這個電壓方面做得很好。它們結構緊湊，制造成本低，集成在芯片上相對簡單，因為它們不需要大的電感器或電容器。

但這些LDO只能在特定的電壓窗口中工作。On the high end，目標電壓必須低于VIN和LDO本身壓降之間的差值（同名“壓降”電壓）。例如，如果堆芯最有效的電源電壓為0.85 V，但VIN為0.95 V，LDO的漏失電壓為0.15 V，則該堆芯無法使用LDO達到0.85 V，必須在0.95 V下工作，從而浪費一些電源。類似地，如果VIN已設置為低于某個電壓限制，LDO的模擬組件將無法正常工作，電路也無法接合以進一步降低堆芯電源電壓。

迄今為止，限制數字LDO使用的主要障礙是緩慢的瞬態響應。

但是，如果所需電壓落在LDO窗口內，軟件將啟用電路并激活等于目標電源電壓的參考電壓。

LDO如何提供正確的電壓？

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