多核處理器將如何改變電源管理？

隨著消費者不斷要求智能手機、平板電腦、PC等設備增加新功能和提高性能，多核處理器從此取代了傳統的單核設備。

各大廠商最新推出的多媒體應用處理器采用了ARM Cortex-A9或Cortex-A15等先進的內核架構，提供單核、雙核和四核等性能各異的版本。

ARM的不對稱big.LITTLE系統進一步發展了多核理念，通過結合使用一個高性能的內核（如Cortex-A15）和一個能效極高、采用相同架構的內核（如Cortex-A7），優化所有處理負荷的能效。

最新的多核應用處理器還集成了DRAM控制器、ARM Neon媒體/圖形協處理器等外圍設備，以進一步提升性能。

電源管理的演進

當雙核處理器于2011年進入市場時，單核設備通常使用的電源架構只經過了簡單的擴展，以便通過通用供電軌為兩個處理器內核供電。隨著多核路線圖的不斷演進和四核處理器的問世，并考慮到正處于研發階段的八核處理器以及更加復雜的未來處理器，我們需要能夠異常靈活地控制各個內核的供電電源，從而實現優化能效的目標。這需要異常復雜的電源管理架構，將每個內核單獨劃分到由一個穩壓器供電的各自的電源域中（見圖1）。這種方法能夠使用較小的穩壓器，降低最壞情況下的電流需求。

圖1：將內核劃分到不同的電源域中可實現靈活高效的電源管理。

推動多核系統電源架構發生改變的另一重要因素是40納米、32納米以及最近的28納米工藝的普及。它們無法支持連接各個穩壓器輸入端的5V電池電壓（VBAT），因為更小的CMOS需要更低的工作電壓，從而有效減少了所能施加的最大電壓。鑒于此，現在有必要將應用處理器的電源管理功能遷移到一個單獨的器件上。

這與第一代移動設備中所采用的方法形成了鮮明對比，后者通常將電源管理功能整合到應用處理器中，形成一個芯片。

在芯片之外的一個單獨器件上實現一個更加復雜的多穩壓器架構，這一趨勢正在催生新一代先進的電源管理集成電路（PMIC）。

這些PMIC的特性和能力正在不斷演進，目的是提升當今消費類移動和多媒體產品中多種使用模式的能效。通常可以實現多個開關式穩壓器，其中包括為處理器內核和I/O（對于28納米處理器，它們可分別低至1和2 V）、內存IC和其它外圍設備提供低電壓的降壓穩壓器。還可以實現一個升壓轉換器，為屏幕背光等LED燈串供電。此外，內置的低壓差（LDO）穩壓器還可用于為感應器、LED指示燈或電機等子系統供電。

各種電池充電功能也能得以實現，從用于為備用紐扣電池或超級電容器充電的幾毫安小型電源，到能夠連接墻壁充電器、USB 5-V電源或車載充電器等各種電源的數控多模式鋰電池充電器。

此外，還可以實現用于監視外部電壓和溫度的數模轉換器等更多功能。不僅如此，片上電源監控智能還能讓PMIC處理開機/關機順序、重置和中斷處理等重要功能。這可以幫助設計人員提升系統的整體可靠性和能效。

聚焦PMIC

作為針對多核應用而優化的新一代PMIC的一個典型例子，Dialog半導體有限公司的DA9063擁有6個固定切換頻率為3-MHz的降壓穩壓器。它可以使用高度僅為1毫米的1-μH電感器，因此支持移動設備的超小尺寸，同時又能讓穩壓器滿足較高的峰值電流要求。

動態電壓控制（DVC）功能可以根據處理器負荷調節電源電壓。6個降壓穩壓器中有三個能夠提供高達2.5 A的電流，其余三個可提供高達1.5 A的電流。并聯這些穩壓器可以實現5 A或3 A供電軌，以滿足當今性能最高的處理器對內核電流的需求。因此，設計人員可以擴展或調整配置，以滿足不同的系統要求。

此外還有11個額定輸出電流在100到300 mA范圍內的可編程LDO穩壓器。由于支持遠程電容器配置和1.5/1.8 V低輸入電壓運行，它可以級聯一個適當的降壓電源，從而提升系統的綜合效率。此外，還可以將多個LDO配置為限流旁路開關，用以支持存儲卡、外聯附件等其它外設。

不僅如此，某些LDO針對低噪聲應用而優化，其中一個可以被配置為一個由PWM控制的6位振動電機驅動電源，用于實現用戶觸感控制功能。

圖2框圖顯示了DA9063中集成的6個降壓穩壓器、11個LDO、備用電池充電器以及電源管理和監控功能。

圖2：Dialog半導體有限公司的DA9063 PMIC中集成的供電和管理功能。

提升系統效率

將多個穩壓器和智能電源管理功能整合到諸如DA9063這樣一個單獨的PMIC中能夠實現眾多節電功能，這些功能可以自主運行，無需應用處理器的任何干涉。電源管理器模塊配有一個啟動順序引擎，可按照可編程的順序啟動內外穩壓器和供電軌開關。此款PMIC擁有多種運行模式，其中包括5種電流僅為20μA或更低的低功耗模式，它們可讓設計人員異常靈活地將所有應用場景的系統功耗降至最低。其中一個是1.5-μA實時時鐘（RTC）模式，配有鬧鐘和喚醒功能，可讓系統進入功耗極低的深度睡眠狀態。此外，通過使用PMIC的供電軌開關控制器來驅動外部FET開關，設計人員還能降低已關閉內核的漏電流。

此外，按鍵按壓檢測功能可實現可配置的按鍵鎖定功能和基于按鍵按壓時間的應用關閉功能。GPIO引腳能夠讓設計人員實現其它眾多節電功能，其中包括鍵盤監控、應用喚醒以及針對外部穩壓器、電源開關或其它IC的定時控制功能。

在PMIC內部，1個或多個開關模式電源域中的動態電壓調節功能有助于針對每項任務優化處理器的功耗，從而提升效率。此外，降壓靜態電流和LDO電壓也低于類似的離散解決方案。這不僅提高了效率，而且降低了內部功耗。

將鋰電池充電器集成到PMIC中能夠進一步大幅降低功耗。在一個1.3A/5V系統中，一個能夠監控電池充電的開關電源充電器可將內部功耗降低80%以上。

對后代產品的影響

此類PMIC可以打造最新的消費類多媒體產品，通過提升性能實現當今消費者所要求的體驗，同時高效地使用電池，實現可接受的充電間隔時間。此外，PMIC對于簡化日益增多的子系統的配電至關重要，例如：高像素雙攝像頭，支持藍牙、Wi-Fi、NFC和3G或4G LTE蜂窩無線鏈路的多個射頻系統，用于照明和狀態指示的各種LED燈帶等等。

將電源管理功能從基帶/應用處理器遷移到一個單獨的PMIC，還能為設計人員提供更大的自由度，以滿足市場對于大型多點觸控電容屏、更好的音頻能力（如更好的揚聲器性能、高清音頻播放）等功能的需求。

某些PMIC（如DA9059）在一個芯片中集成了由DSP、編解碼器、D類揚聲器放大器、G類耳機放大器構成的音頻子系統。這可以將物料清單減少約43%.

未來的4G智能手機等設備有望進一步推動這一架構趨勢，使用兩個復雜的PMIC分別服務基帶和應用處理器。