多核處理器將如何改變電源管理？

隨著(zhù)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(chǎng)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(jìn)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(chēng)big.LITTLE系統進(jìn)一步發(fā)展了多核理念，通過(guò)結合使用一個(gè)高性能的內核（如Cortex-A15）和一個(gè)能效極高、采用相同架構的內核（如Cortex-A7），優(yōu)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(xié)處理器等外圍設備，以進(jìn)一步提升性能。

電源管理的演進(jìn)

當雙核處理器于2011年進(jìn)入市場(chǎng)時(shí)，單核設備通常使用的電源架構只經(jīng)過(guò)了簡(jiǎn)單的擴展，以便通過(guò)通用供電軌為兩個(gè)處理器內核供電。隨著(zhù)多核路線(xiàn)圖的不斷演進(jìn)和四核處理器的問(wèn)世，并考慮到正處于研發(fā)階段的八核處理器以及更加復雜的未來(lái)處理器，我們需要能夠異常靈活地控制各個(gè)內核的供電電源，從而實(shí)現優(yōu)化能效的目標。這需要異常復雜的電源管理架構，將每個(gè)內核單獨劃分到由一個(gè)穩壓器供電的各自的電源域中（見(jiàn)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(shí)現靈活高效的電源管理。

推動(dòng)多核系統電源架構發(fā)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(wú)法支持連接各個(gè)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(gè)單獨的器件上。

這與第一代移動(dòng)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(gè)芯片。

在芯片之外的一個(gè)單獨器件上實(shí)現一個(gè)更加復雜的多穩壓器架構，這一趨勢正在催生新一代先進(jìn)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(jìn)，目的是提升當今消費類(lèi)移動(dòng)和多媒體產(chǎn)品中多種使用模式的能效。通?？梢詫?shí)現多個(gè)開(kāi)關(guān)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(shí)現一個(gè)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(shí)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(chē)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(shí)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(kāi)機/關(guān)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(yōu)化的新一代PMIC的一個(gè)典型例子，Dialog半導體有限公司的DA9063擁有6個(gè)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(dòng)設備的超小尺寸，同時(shí)又能讓穩壓器滿(mǎn)足較高的峰值電流要求。

動(dòng)態(tài)電壓控制（DVC）功能可以根據處理器負荷調節電源電壓。6個(gè)降壓穩壓器中有三個(gè)能夠提供高達2.5 A的電流，其余三個(gè)可提供高達1.5 A的電流。并聯(lián)這些穩壓器可以實(shí)現5 A或3 A供電軌，以滿(mǎn)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(mǎn)足不同的系統要求。

此外還有11個(gè)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(lián)一個(gè)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(gè)LDO配置為限流旁路開(kāi)關(guān)，用以支持存儲卡、外聯(lián)附件等其它外設。

不僅如此，某些LDO針對低噪聲應用而優(yōu)化，其中一個(gè)可以被配置為一個(gè)由PWM控制的6位振動(dòng)電機驅動(dòng)電源，用于實(shí)現用戶(hù)觸感控制功能。

圖2框圖顯示了DA9063中集成的6個(gè)降壓穩壓器、11個(gè)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(gè)穩壓器和智能電源管理功能整合到諸如DA9063這樣一個(gè)單獨的PMIC中能夠實(shí)現眾多節電功能，這些功能可以自主運行，無(wú)需應用處理器的任何干涉。電源管理器模塊配有一個(gè)啟動(dòng)順序引擎，可按照可編程的順序啟動(dòng)內外穩壓器和供電軌開(kāi)關(guān)。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(chǎng)景的系統功耗降至最低。其中一個(gè)是1.5-μA實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）模式，配有鬧鐘和喚醒功能，可讓系統進(jìn)入功耗極低的深度睡眠狀態(tài)。此外，通過(guò)使用PMIC的供電軌開(kāi)關(guān)控制器來(lái)驅動(dòng)外部FET開(kāi)關(guān)，設計人員還能降低已關(guān)閉內核的漏電流。

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

在PMIC內部，1個(gè)或多個(gè)開(kāi)關(guān)模式電源域中的動(dòng)態(tài)電壓調節功能有助于針對每項任務(wù)優(yōu)化處理器的功耗，從而提升效率。此外，降壓靜態(tài)電流和LDO電壓也低于類(lèi)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(jìn)一步大幅降低功耗。在一個(gè)1.3A/5V系統中，一個(gè)能夠監控電池充電的開(kāi)關(guān)電源充電器可將內部功耗降低80%以上。

對后代產(chǎn)品的影響

此類(lèi)PMIC可以打造最新的消費類(lèi)多媒體產(chǎn)品，通過(guò)提升性能實(shí)現當今消費者所要求的體驗，同時(shí)高效地使用電池，實(shí)現可接受的充電間隔時(shí)間。此外，PMIC對于簡(jiǎn)化日益增多的子系統的配電至關(guān)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(wú)線(xiàn)鏈路的多個(gè)射頻系統，用于照明和狀態(tài)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(gè)單獨的PMIC，還能為設計人員提供更大的自由度，以滿(mǎn)足市場(chǎng)對于大型多點(diǎn)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(gè)芯片中集成了由DSP、編解碼器、D類(lèi)揚聲器放大器、G類(lèi)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(lái)的4G智能手機等設備有望進(jìn)一步推動(dòng)這一架構趨勢，使用兩個(gè)復雜的PMIC分別服務(wù)基帶和應用處理器。