多核處理器應用熱燒 電源管理芯片高整合

　　高整合電源管理晶片可強化多核心處理器效能。行動(dòng)裝置大舉導入多核心處理器，讓電源設計架構隨之異動(dòng)，不少應用處理器開(kāi)發(fā)商已開(kāi)始將部分電源功能自平臺中分離，讓合作的電源晶片業(yè)者開(kāi)發(fā)更高功能整合度的電源管理方案，以兼顧處理器效能和低功耗設計。

　　消費者對于智慧型手機、平板裝置(Tablet)及個(gè)人電腦(PC)的新功能及高效能，有著(zhù)持續的需求，使得多核心處理器重要性已超越傳統的單核心元件。

　　各家晶片商所提供的最新多媒體應用處理器系列產(chǎn)品，系由安謀國際(ARM)Cortex-A9或Cortex-A15核心先進(jìn)架構所組成，其中包括各種不同的單核心、雙核心或是四核心架構，可涵蓋各種效能的需求。

　　安謀國際推出的非對稱(chēng)式big.LITTLE系統是建立在多核心原理上，并更進(jìn)一步將高效能核心如Cortex-A15與有著(zhù)相同架構且極具能源效率的核心如Cortex-A7結合在一起，將所有處理工作的電源效率最佳化。

　　新興的多核心應用處理器系列整合周邊，例如動(dòng)態(tài)隨機存取記憶體(DRAM)控制器與ARMNeon此類(lèi)媒體和繪圖協(xié)同處理器，將能帶來(lái)更多的效能增益。

　　當雙核心處理器約于2011年進(jìn)入市場(chǎng)時(shí)，其電源方案就只是將單核心裝置的電源架構延伸應用于雙核心架構上，以共用的電壓來(lái)驅動(dòng)這兩類(lèi)處理器。隨著(zhù)多核心產(chǎn)品發(fā)展藍圖的進(jìn)展，四核心裝置已于市場(chǎng)上出現，且目前八核心的裝置也正在開(kāi)發(fā)中。

　　支援多核心處理器電源管理架構興革

　　展望未來(lái)，將會(huì )有更復雜的處理器出現，因此將需更佳的彈性并能將電源控制應對至各別的核心，藉以達成能源效率的最佳化。如此一來(lái)，處理器將增加電源管理架構的復雜度，必須將每一個(gè)核心獨立出來(lái)至它本身對應的電源電路，然后以個(gè)別的穩壓器來(lái)供應電源(圖1)。這種方式可使用較小的穩壓器，并能調整電流大小，來(lái)供應較低的電流需求。

　　圖1將個(gè)別核心的電源電路獨立出來(lái)，可強化電源管理的彈性及能源效率。

　　另外一項促成多核心系統的電源架構變革的重要因素，在于40奈米(nm)、32奈米及最近28奈米的生產(chǎn)制程技術(shù)是否已獲得廣泛采用。這些連接至每一個(gè)穩壓器的輸入端，無(wú)法支援5伏特(V)的電池電壓，因為較小的互補式金屬氧化物半導體(CMOS)尺寸需要較低的工作電壓，才能有效地降低可被應用的最大電壓，因此現在需要將電源管理功能從應用處理器移出，放到獨立的裝置上。

　　這與第一代的行動(dòng)裝置所采用的方法形成對比，因為在第一代行動(dòng)裝置上，所采用的電源管理通常是與應用處理器整合成一顆單晶片。隨著(zhù)趨勢朝向更復雜的多重穩壓器架構，以及在一個(gè)單獨的裝置上使用Off-Chip技術(shù)后，新一代更先進(jìn)及更復雜的電源管理IC于焉興起。

　　這些電源管理IC的特性與功能正在進(jìn)化中，可改善目前消費性行動(dòng)與多媒體產(chǎn)品上多種使用模式的能源效率。在典型的情況下，會(huì )使用交換式穩壓器來(lái)供應低電壓，例如處理器核心及輸入/輸出(I/O)所需的電壓(對于使用28奈米制程的處理器而言，這種電壓可能分別低到1和2伏特)、記憶體IC及其他周邊裝置所需的電壓。而升壓轉換器也可能被用來(lái)給發(fā)光二極體(LED)供電所使用，例如可當做螢幕背光的LED。此外，整合型的低壓差(LDO)穩壓器，也可被用來(lái)驅動(dòng)重要的子系統，例如感應器、LED指示器或馬達。

　　從用來(lái)對備用電池或超級電容進(jìn)行充電并只有幾毫安培(mA)的小型電源供應器，到能連接在不同來(lái)源的數位化控制的多模鋰電池充電器，例如插墻式充電器、通用序列匯流排(USB)5伏特電源供應器或車(chē)用充電器等，各種電池的充電功能都可被運用。

　　其他用來(lái)監測外部電壓與溫度的類(lèi)比數位轉換器(ADC)的功能也是種選擇。此外，運用在晶片上的電源監測及智慧控制，可讓電源管理IC來(lái)處理重要的功能，例如開(kāi)機時(shí)序/關(guān)機時(shí)序、系統重置與中斷處理。這可協(xié)助設計人員改進(jìn)整體系統的可靠度及能源效率。

　　搭載DVC功能電源管理IC可動(dòng)態(tài)調整電壓

　　具有六組降壓穩壓器的新興世代電源管理IC，適合運用于多核心應用，其工作頻率固定在3MHz。該電源管理IC使用高度僅有1毫米(mm)的1微亨(μH)電感，且使穩壓器可在供應所需的尖峰值電流之下，同時(shí)支援外型尺寸極小的行動(dòng)裝置。

　　該款電源管理IC具有動(dòng)態(tài)電壓控制(DVC)功能，使供應電壓可根據處理器的負載而適時(shí)做調整(AdaptiveAdjustment)。三組降壓穩壓器能供應高達2.5安培的電流，而剩下的三組則是提供高達1.5安培的電流。將穩壓器采用并聯(lián)式連結，則可創(chuàng )造出能提供5安培或3安培的電流，以滿(mǎn)足目前高效能處理器對于核心電流的需求。因此設計人員可擴展或調整其配置來(lái)搭配不同系統的需求。

　　這款產(chǎn)品包含十一組可程式化的低壓差穩壓器，其額定輸出電流的范圍在100?300毫安培之間。它可支援遠端電容布局(RemoteCapacitorPlacement)，以及在1.5/1.8伏特的低輸入電壓情況下運作，也允許與合適的降壓器串接，以改善整體系統效率。這些低壓差穩壓器也可被配置成限制電流的旁路開(kāi)關(guān)，來(lái)支援其他記憶卡或外接式配件等周邊設備。

　　此外，有一些功能是針對低雜訊應用而設計，以及有一個(gè)功能是在進(jìn)行觸控時(shí)，可當做6位元脈沖寬度調變控制的震動(dòng)式馬達驅動(dòng)器。圖2所示為，整合六組降壓穩壓器、十一組低壓差穩壓器、備用電池充電器、電源管理和監測功能的電源管理IC。

　　圖2電源供應及管理功能皆整合在這顆電源管理晶片之中。

　　結合穩壓器/智慧管理能力系統電源效率再提升

　　將電壓穩壓器與智慧電源管理功能結合在單一電源管理IC之中，可實(shí)現許多省電特性，且其自主式運作并不會(huì )受到來(lái)自應用處理器的干預。電源管理模塊具有啟動(dòng)排序引擎，它可允許內部與外部穩壓器及電壓開(kāi)關(guān)可行程式化的啟動(dòng)。

　　此種電源管理IC有多種運作模式，其中包括五種低電源模式，在這些模式下，只會(huì )使用到20微安培或是更低的電流，如此一來(lái)可讓設計人員擁有更大的彈性空間，將所有使用狀況下的系統電源予以最小化。

　　在這些模式中有一個(gè)1.5微安培的即時(shí)時(shí)脈(Real-TimeClock,RTC)模式，它有著(zhù)鬧鐘與喚醒功能，可允許系統在深度休眠模式下運作，且維持非常低的功率消耗;還可透過(guò)使用電源管理IC的電壓軌控制器，來(lái)驅動(dòng)外部的場(chǎng)效電晶體開(kāi)關(guān)(FETSwitch)，如此可讓設計人員在功率降低時(shí)，可減少來(lái)自核心的漏電流。

　　此外，鍵盤(pán)按鍵偵測(On-KeyButtonPressDetection)功能，可允許依據按鍵按下時(shí)間來(lái)配置鍵盤(pán)鎖定(Key-Lock)及應用關(guān)機(ApplicationShut-Down)的功能。通用輸入/輸出(GPIO)介面讓設計人員得以使用許多其他的省電功能，其中包括鍵盤(pán)監控、應用程式的喚醒與外部穩壓器、電源開(kāi)關(guān)或其他IC的計時(shí)控制啟動(dòng)等。

　　在電源管理IC內，在一個(gè)或更多交換式電源電路的動(dòng)態(tài)電壓調整功能，有助于將每一個(gè)工作所需的處理器功率予以最佳化，進(jìn)而促成更高的效率。此外，相較于類(lèi)似的離散式解決方案而言，降壓器靜態(tài)電流與低壓穩壓器的內部壓差一般說(shuō)來(lái)都是比較低的，這樣不僅可增加效率，也可降低內部的功率損耗。

　　將鋰電池充電器功能整合在一顆電源管理IC中，可帶來(lái)更顯著(zhù)的節電效果。有著(zhù)智慧性追蹤電池充電狀況功能的交換式充電器之額外效率，在1.3安培/5伏特的使用狀況下，可減少超過(guò)80%以上的內部功率損耗。

　　采用兩顆電源管理IC4G手機能源效率升級

　　這樣的電源管理IC，可讓最新的消費性多媒體產(chǎn)品增加效能，滿(mǎn)足現今消費者所要求的體驗，且可提升電池的電源效率，以達成可接受的充電時(shí)間間隔。

　　此外，電源管理IC有助于簡(jiǎn)化傳輸功率至子系統的方式，這些子系統越來(lái)越多，例如兩組高解析度的百萬(wàn)畫(huà)素照相機、藍牙(Bluetooth)、無(wú)線(xiàn)上網(wǎng)、近距離無(wú)線(xiàn)通訊(NFC)、3G或4G長(cháng)期演進(jìn)計劃(LTE)的蜂窩式無(wú)線(xiàn)連接，以及可供照明和狀態(tài)指示用的各種LED等。

　　將電源管理從基頻/應用處理器移到獨立的電源管理IC后，也為設計人員帶來(lái)相當大的自由度，進(jìn)而可滿(mǎn)足市場(chǎng)對一些特殊性的需求。例如較大型的電容式多點(diǎn)觸控螢幕，以及更佳的音訊能力，包括更好的免持聽(tīng)筒效能和高清晰度的音訊播放功能。

　　有一些電源管理IC整合包含有數位訊號處理器(DSP)、編/解碼器(Codec)、D類(lèi)放大器及G類(lèi)放大器等音效子系統的功能至單晶片上，這樣一來(lái)可使材料成本節省約達43%。

　　未來(lái)4G智慧型手機這類(lèi)的裝置，將會(huì )進(jìn)一步推動(dòng)此架構，也就是使用兩顆復雜的電源管理IC來(lái)個(gè)別處理基頻與應用處理器的運作。