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(dòng)消費類(lèi)設備面臨著(zhù)提供豐富、多樣化和即時(shí)的網(wǎng)絡(luò )多媒體體驗等不斷增長(cháng)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(gè)部分幾乎都會(huì )發(fā)生變化。這些變化對電源管理功能的實(shí)現產(chǎn)生了重大影響，除了需要管理整個(gè)系統的電源，還需要提高電源的效率以實(shí)現更長(cháng)的電池續航時(shí)間。

例如，當今最受歡迎的移動(dòng)設備都配有多個(gè)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(wàn)像素。目前，為了實(shí)現更好的視覺(jué)體驗，大屏幕尺寸正越來(lái)越流行，同時(shí)伴隨著(zhù)電容式多點(diǎn)觸控功能的運用，以及在一些最先進(jìn)的款式中還趨向于配備有3D功能的屏幕。

就無(wú)線(xiàn)連接而言，除了GSM、藍牙、Wi-Fi和GPS外，使用近距離無(wú)線(xiàn)通信（NFC）技術(shù)進(jìn)行移動(dòng)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(hù)也在期待高質(zhì)量的通話(huà)效果，即更響亮和更高品質(zhì)的揚聲器性能、高品質(zhì)麥克風(fēng)以及高清晰度音頻回放。此外，像社交網(wǎng)絡(luò )和移動(dòng)網(wǎng)頁(yè)瀏覽等應用程序的普及，意味著(zhù)用戶(hù)也在通過(guò)3G及4G LTE不斷得到更大的數據帶寬。

深入到用戶(hù)從未見(jiàn)過(guò)的內部系統，應用處理器僅僅在一兩年時(shí)間內已從單核發(fā)展到雙核，甚至到目前的四核配置，目的是為了處理越來(lái)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(xié)處理器。

當今的移動(dòng)處理器平臺中可見(jiàn)到的外設及處理器內核的數量在不斷增多，這也推動(dòng)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(chǎng)景，至少能夠滿(mǎn)足當今用戶(hù)對其設備充電時(shí)最可能的充電方式，如電腦USB接口、車(chē)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(shuō)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(xiàn)性穩壓器（LDO），同時(shí)還需滿(mǎn)足上電和斷電時(shí)序、高精度耗電計量等需求，為用戶(hù)提供預計的剩余電池續航時(shí)間。由于多內核架構中時(shí)序要求非常關(guān)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(dòng)設備中越來(lái)越復雜的電源管理功能。

在處理器架構從單核過(guò)渡到雙核架構時(shí)，電源管理設計通常傾向于采用同一個(gè)電源域同時(shí)為兩個(gè)內核供電。隨著(zhù)四核處理器的出現，每個(gè)處理器內核分別由單個(gè)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(gè)內核的供電。處理器中的每個(gè)內核可以被單獨地關(guān)斷，并且每個(gè)穩壓器可以合理地降低到一個(gè)較小的、滿(mǎn)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(shù)正對電源管理的實(shí)現方式產(chǎn)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(shù)工藝制造時(shí)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(shuō)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(guān)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(wú)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(gè)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(lǐng)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(lái)制造。因此，PMIC功能必須從應用處理器中分離出來(lái)。如今的3G智能手機體現了這一趨勢，典型的方案是一個(gè)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(gè)包含有數字信號處理器（DSP）、音頻編解碼器（CODEC）以及像D類(lèi)揚聲器放大器和G類(lèi)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(gè)為移動(dòng)應用而將PMIC和音頻子系統IC相結合的實(shí)例。它可以使物料清單成本節省將近43%。

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

一個(gè)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(lái)實(shí)現。應用處理器供應商曾經(jīng)提出過(guò)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(cháng)電池續航時(shí)間。一些PMIC還支持在一個(gè)或多個(gè)電源域內的動(dòng)態(tài)電壓調節，這有助于針對每項任務(wù)來(lái)優(yōu)化處理器能耗，以實(shí)現更高的能效。圖3說(shuō)明了一個(gè)集成了多個(gè)LDO和降壓轉換器、功率監控和保護功能的PMIC，它專(zhuān)為多核應用處理器的高峰值電流需求而進(jìn)行了優(yōu)化。

圖3：電源管理正從應用處理器中的一項功能轉變?yōu)橐粋€(gè)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(lèi)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(tài)電流和較低LDO壓差，由此可以實(shí)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(zhù)更大的影響。一片帶有開(kāi)關(guān)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(huán)境下，可以降低超過(guò)80%的內部功率耗散，因此顯著(zhù)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(lái)處理的開(kāi)/關(guān)控制和上電、斷電時(shí)序等系統監督任務(wù)，減輕了應用處理器的負擔。除了無(wú)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(yōu)化對電源的管理。

Dialog的Power Commander圖形化工具可以用來(lái)配置PMIC監測任務(wù)。工程師可以為某個(gè)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(guò)鼠標拖拽來(lái)輕松實(shí)現上電和斷電時(shí)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(jìn)行開(kāi)發(fā)或量產(chǎn)。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(dòng)市場(chǎng)中的成功主要取決于以頗有競爭力的價(jià)格，在很短的時(shí)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(jìn)工藝的應用處理器推動(dòng)了電源管理芯片的發(fā)展，高集成度的PMIC通過(guò)簡(jiǎn)化設計、降低物料清單成本以及延長(cháng)電池續航時(shí)間滿(mǎn)足了這些目標。