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用于PMIC 的NVM IP选择与4个关键考量
Synopsys 高级产品营销经理 Krishna Balachandran
简介
电源管理集成电路 (PMIC) 是第一个在系统中打开的电路，也是最后一个在系统中关闭的电路。通过调节或提高电压电平来执行向组件芯片提供正确电压的任务。
模拟丰富的 PMIC 尤其容易受到半导体制造变化的影响。校准是制造后的一个步骤，涉及确定这些变化与预期值的关系，以及取消或补偿这些变化。
当今的智能 PMIC 包括可编程上电和断电顺序、外部事件检测、对可能导致 PMIC 损坏的过电压和电流条件进行的系统监控、故障处理，其中 PMIC 控制系统并防止断电，以及电池容量预测和电池管理的算法实现，所有这些都在数字逻辑中实现。根据最终应用，需要激活部分或全部功能。配置允许为一系列应用程序构建平台 PMIC，并允许自定义功能。
PMIC 可通过非易失性存储器 (NVM) 进行校准和配置，为目标应用提供正确的电压和功率序列，或为终端系统提供可配置的功能。
一些 PMIC 在工厂进行过一次校准和配置，对于这些 PMIC 来说，面积利用率高的一次性可编程 (OTP) NVM 是最佳选择。当 PMIC 在其生命周期内预期被校准和重新配置多次时，可以使用多次编程 (MTP) NVM。
BCD 硅工艺将三种不同工艺技术的优势结合到一个芯片上：双极用于精确模拟功能，CMOS 用于数字设计，DMOS 用于电源和高压元件。这种技术组合为 PMIC 带来了许多优势：更高可靠性，更少电磁干扰，更小芯片面积。由于这些优势，大多数 PMIC 制造商选择了 BCD 工艺来制造 PMIC。
PMIC 可以通过多种方式制造。由于其对成本颇为敏感，因此 PMIC 制造商通常选择光罩层数量最少的制造工艺。为了帮助 PMIC 制造商，NVM IP 供应商必须与 PMIC 制造商保持一致，并以同一流程的多个变体提供 IP。NVM 对制造工艺非常敏感，而且必须对 PMIC 制造商所用的器件组合进行硅材料合格认证。
图 1：基于反熔丝的 OTP 本质上是安全的，无法判断该 OTP 是否已编程
嵌入式 NVM 在 PMIC 中的作用
PMIC 广泛用于移动应用，包括智能手机、可穿戴设备、可听戴设备、笔记本电脑和平板电脑。它们还用于智能电机控制、照明控制和工业控制应用。
当今的 PMIC 是智能和可配置的，并且以模块化方式构建。根据最终应用和所需的电压或功率排序，存储在 NVM 中的可配置固件会针对特定应用自定义 PMIC。当汽车应用中需要频繁进行固件更新时，可重新编程的 NVM 或 MTP NVM 是最佳选择。然而，如果固件预期在产品的生命周期内仅被编程一次，则首选 OTP NVM 形式的面积利用率更高的 IP。
此外，NVM 还用于存储输出电压、电流限制、上电复位延迟、上电延迟、电压斜坡率、待机模式设置以及电源良好和无效的电源条件设置的值。
由于 PMIC 具有模拟电路，因此在工厂或现场制造后需要进行修整和校准，以使产品准备好用于预期用途。这些设置也存储在嵌入式 NVM 中。
为什么不使用晶圆厂提供的电熔丝？
350nm 和 250nm 等成熟工艺节点的设计是简单的电源管理 IC。它们通常是模拟的，几乎没有数字控制逻辑。使用晶圆厂提供的电熔丝来存储模拟电路的校准信息（高达 2Kb）。在小型容量和成熟工艺节点处，晶圆厂提供的电熔丝具有较高的面积利用率、可靠性，并能满足其用途。随着 PMIC 变得更加智能，引入了更多的数字控制，并且随着它们迁移到更高级的工艺几何尺寸，需要更大的内存容量。
电熔丝在更大容量下不具有面积利用率高的优势，并且在产品的整个使用寿命中都存在再增长问题，因此不可靠。电熔丝再增长源于电迁移，导致熔断的熔丝重新连接，而且随着时间的推移，会改变存储的值。此外，电熔丝无法实际用于存储固件，固件需要 64 – 256Kb 的容量。最后，电熔丝不提供任何安全保障，使得存储在其中的信息在扫描电子显微镜下可见，并且使得这些信息容易受到黑客的攻击。
用于高级节点的 NVM
MTP 和反熔丝 OTP NVM 大约 10 年前就已广泛投入商业生产，完全可靠且可扩展。制造 NVM 器件不需要特殊的光罩或工艺步骤。它们在 180nm 和 BCD 工艺中以更小的几何形状进入批量生产。随着 BCD 工艺的缩小，MTP 和反熔丝 OTP 已在高达 55nm 的高级节点中进行设计。
NVM 可靠性
在汽车和工业应用的恶劣环境中，可靠性是另一个关键要求。在高达 150°C 甚至 175°C 的高工作温度下经过适当认证，并经过早期故障率测试后，MTP 和反熔丝 OTP NVM 在产品的使用寿命中表现出卓越的可靠性、耐久性和数据保留能力。
NVM 安全性
反熔丝 OTP NVM 不容易受到试图通过改变电压或温度而发起的任何被动或侵入性安全攻击的影响。由于反熔丝 OTP NVM 按照氧化物分解原理运行以表示编程位，因此即使借助扫描电子显微镜，也无法在视觉上区分编程位和未编程位。
专为 PMIC 应用设计的 MTP 和反熔丝 OTP NVM 可在所有方面提供：经济高效、功耗最低、优化编程和擦除周期时间，并在系统启动时提供快速读取时间。
为 PMIC 选择 NVM 的注意事项
在选择晶圆厂进行制造时，PMIC 设计人员首先要考虑以下因素：
- 终端市场（消费者或汽车）
- 终端市场的产品要求
- 工艺节点的选择（基于之前的分析）
- 预计生产量
- 特定时间范围内所需的预期晶圆
- 晶圆厂
- 为 PMIC 制造商的项目分配晶圆的能力和意愿
- 满足预期的晶圆价格。
做出这些决定后，PMIC 制造商开始寻找在选择的晶圆厂和工艺节点中可用且合格的 NVM IP。
选择 NVM IP 的 4 个最重要的考虑因素是：
- 产能情况
随着最近全球对用于 PMIC 的晶圆的需求激增，晶圆厂的产能紧张，PMIC 设计公司正在努力寻找一家半导体制造供应商，该供应商能够以合理的价格及时提供晶圆分配，以满足产品增长预测。
- 总拥有成本
总拥有成本是 IP 采购成本、硅成本以及 NVM 编程成本的总和。
- 安全性
存储关键电压和电流值、电源序列以及潜在固件代码的 NVM 必须安全可靠，才可确保系统的安全性。
- 可靠性和耐久性
针对汽车应用的 NVM 必须根据晶圆厂提供的汽车物理设计套件 (PDK) 来予以设计和验证，并遵守严格的汽车设计指南。
适用于 PMIC 应用的 DesignWare NVM IP
DesignWare® MTP NVM IP 和 DesignWare OTP NVM IP 可在标准 CMOS 和 BCD 工艺中提供可扩展且可靠的嵌入式内存 NVM 解决方案，而无需额外的工艺或光罩步骤。专利技术提供较小的硅封装，并优化编程和读取访问时间。反熔丝 OTP NVM 内置的安全功能可防止主动和被动攻击、篡改、黑客攻击和反向工程。
可定制的宏，使在需要安全地存储修调、校准和配置信息的 PMIC 应用中实现设计灵活性。
DesignWare MTP NVM IP 和 DesignWare NVM OTP NVM IP 符合汽车 AEC-Q100 0 级和 1 级温度标准，可加快 SoC 级开发，即使在严苛的汽车制造环境中也不例外。它们在多个代工厂和工艺节点之间可用。
Synopsys 的 MTP 和反熔丝 OTP NVM IP 已被广泛应用于各种系统，包括消费和汽车应用中最先进的 PMIC。
结语
所有系统都需要精心向组件提供电压和电流，以实现可靠和可预测的功能。PMIC 提供精心控制的电压和电流，以实现消费、汽车和工业应用的正常运行。PMIC 是模拟量丰富的设计，需要校准来补偿和校正半导体制造的变化。较新的 PMIC 包含越来越多的数字逻辑，允许针对多个终端应用进行定制和配置。OTP 或 MTP NVM 是存储校准和配置信息的理想选择。
Synopsys DesignWare NVM IP 在标准 CMOS 和 BCD 工艺技术中提供 OTP 和 MTP NVM，无需额外的光罩或工艺步骤。Synopsys 的 MTP 和反熔丝 OTP NVM IP 具有较小的硅片尺寸，其内置的安全功能可防止主动和被动攻击、篡改、黑客攻击和逆向工程。它们已被广泛应用于各种系统，涵盖消费和汽车应用中高度发达的 PMIC。
有关更多信息，请下载白皮书：使用 NVM IP 校准和配置电源管理 IC