多核處理器電源管理之電源效率高效提升方法

智能手機、平板電腦和超級本等移動消費類設備面臨著提供豐富、多樣化和即時的網絡多媒體體驗等不斷增長的需求。系統設計中從屏幕和外設（如收音機、照相機和數據接口）到應用處理器，每個部分幾乎都會發生變化。這些變化對電源管理功能的實現產生了重大影響，除了需要管理整個系統的電源，還需要提高電源的效率以實現更長的電池續航時間。

例如，當今最受歡迎的移動設備都配有多個攝像頭，包括前置和后置攝像頭，一些還可以支持3D攝影和錄像，在一些情況下分辨率可高達4100萬像素。目前，為了實現更好的視覺體驗，大屏幕尺寸正越來越流行，同時伴隨著電容式多點觸控功能的運用，以及在一些最先進的款式中還趨向于配備有3D功能的屏幕。

就無線連接而言，除了GSM、藍牙、Wi-Fi和GPS外，使用近距離無線通信（NFC）技術進行移動支付的新應用增加了更多的射頻（RF）連接。如今的平板電腦和智能手機用戶也在期待高質量的通話效果，即更響亮和更高品質的揚聲器性能、高品質麥克風以及高清晰度音頻回放。此外，像社交網絡和移動網頁瀏覽等應用程序的普及，意味著用戶也在通過3G及4G LTE不斷得到更大的數據帶寬。

深入到用戶從未見過的內部系統，應用處理器僅僅在一兩年時間內已從單核發展到雙核，甚至到目前的四核配置，目的是為了處理越來越多樣化和高性能的功能。一些最新的多核應用處理器系列也集成了額外的外設，如DRAM控制器及ARM Neon這樣的媒體/圖像協處理器。

當今的移動處理器平臺中可見到的外設及處理器內核的數量在不斷增多，這也推動了對日益復雜的電源管理功能的需求。電源管理也必須能夠處理更加復雜的充電場景，至少能夠滿足當今用戶對其設備充電時最可能的充電方式，如電腦USB接口、車載充電器以及常規的交流電源充電器。

多核處理器的影響

圖1說明了各種智能手機中電源管理的子系統。為了給這些子系統供電，電源管理IC必須帶有足夠的降壓或升壓轉換器和低壓差線性穩壓器（LDO），同時還需滿足上電和斷電時序、高精度耗電計量等需求，為用戶提供預計的剩余電池續航時間。由于多內核架構中時序要求非常關鍵，上電和斷電控制對應用處理器尤為重要。智能電源管理還需要處理數量不斷增多的傳感器，以支持諸如背光源調光、相機手勢識別、導航和接近探測等各項功能。

圖1：在現今移動設備中越來越復雜的電源管理功能。

在處理器架構從單核過渡到雙核架構時，電源管理設計通常傾向于采用同一個電源域同時為兩個內核供電。隨著四核處理器的出現，每個處理器內核分別由單個穩壓器的電源域獨立供電，可使系統設計人員更加靈活地去控制每個內核的供電。處理器中的每個內核可以被單獨地關斷，并且每個穩壓器可以合理地降低到一個較小的、滿足最壞情況需求的電流。

去集成的電源管理

多核應用處理器的低納米工藝技術正對電源管理的實現方式產生深遠的影響。在2G手機這樣的較早期平臺中，基帶、應用處理器和電源管理芯片（PMIC）通常集成在同一塊芯片之中。這在應用處理器采用更低納米技術工藝制造時已變得不再可能，因為縮小工藝尺寸則要求較低的工作電壓。在采用CMOS工藝的芯片中，更小的器件尺寸降低了所能承受需要的最大電壓。圖2說明了半導體工藝幾何尺寸降低與內核和I/O承受電壓之間的關系，并將這些電壓與電池最大電壓作了比較。

圖2：低納米工藝無法在電池電壓下支持電源管理功能。

因為PMIC需要與電池電壓（一個單芯鋰電池可達4.5V）直接相連，所以它不能采用廣受當今領先制造商歡迎的四核ARM Cortex-A9應用處理器所采用的40納米、32納米和28納米工藝來制造。因此，PMIC功能必須從應用處理器中分離出來。如今的3G智能手機體現了這一趨勢，典型的方案是一個獨立PMIC為應用處理器單獨供電，而旁邊的基帶處理器則帶有內置的電源管理。

在一些應用中，將PMIC與一個包含有數字信號處理器（DSP）、音頻編解碼器（CODEC）以及像D類揚聲器放大器和G類耳機放大器等功能的音頻子系統芯片集成在一起是有意義的。Dialog半導體公司的DA9059就是一個為移動應用而將PMIC和音頻子系統IC相結合的實例。它可以使物料清單成本節省將近43%。

展望未來，4G架構將有可能采用兩個復雜的PMIC，以分別支持基帶處理器和應用處理器。

一個去集成的系統級電源管理解決方案也許可以使用分立元器件來實現。應用處理器供應商曾經提出過由多達6片IC組成的參考設計。

相反，單片PMIC在一塊芯片中就集成了所有內核、I/O和內存電源電壓供電所需的降壓轉換器，針對外設的LDO穩壓器，電池的充電與智能控制等功能。這不僅使設計人員可以降低物料清單成本，還可以提高整體能效從而延長電池續航時間。一些PMIC還支持在一個或多個電源域內的動態電壓調節，這有助于針對每項任務來優化處理器能耗，以實現更高的能效。圖3說明了一個集成了多個LDO和降壓轉換器、功率監控和保護功能的PMIC，它專為多核應用處理器的高峰值電流需求而進行了優化。

圖3：電源管理正從應用處理器中的一項功能轉變為一個獨立的外部PMIC，如Dialog提供的DA9063。

降低BOM成本和電源域靈活性

與類似的分立式解決方案相比，單片外置式PMIC可提供更低的靜態電流和較低LDO壓差，由此可以實現更高的能效和更低的內部功率耗散。在電池充電期間，耗散功率對系統的熱量管理有著更大的影響。一片帶有開關式電池充電器和電池充電智能監控的PMIC在使用1.3A/5V的充電器的環境下，可以降低超過80%的內部功率耗散，因此顯著降低了外殼內部的熱量。

新一代的外置式PMIC將電源管理功能集成在一塊芯片上，可接管傳統的用軟件來處理的開/關控制和上電、斷電時序等系統監督任務，減輕了應用處理器的負擔。除了無需應用處理器介入就可以控制上電和斷電外，這還有助于提高能源效率，優化對電源的管理。

Dialog的Power Commander圖形化工具可以用來配置PMIC監測任務。工程師可以為某個DC/DC降壓轉換器和LDO快速地選擇輸出電壓和電流，為最高效率或最低噪聲選擇工作模式，以及通過鼠標拖拽來輕松實現上電和斷電時序。當設置完成后，被保存的配置可以被編程到內置的OTP中，以進行開發或量產。此外，根據需要還可以很容易地修改該配置。

本文小結

在當今移動市場中的成功主要取決于以頗有競爭力的價格，在很短的時間內完成良好的性能和豐富的功能設計。由于高性能、多內核低納米先進工藝的應用處理器推動了電源管理芯片的發展，高集成度的PMIC通過簡化設計、降低物料清單成本以及延長電池續航時間滿足了這些目標。