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(tǒng)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(nèi)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(tǒng)進一步發(fā)展了多核理念，通過結合使用一個高性能的內(nèi)核（如Cortex-A15）和一個能效極高、采用相同架構的內(nèi)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(jīng)過了簡單的擴展，以便通過通用供電軌為兩個處理器內(nèi)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(fā)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(nèi)核的供電電源，從而實現(xiàn)優(yōu)化能效的目標。這需要異常復雜的電源管理架構，將每個內(nèi)核單獨劃分到由一個穩(wěn)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(wěn)壓器，降低最壞情況下的電流需求。

圖1：將內(nèi)核劃分到不同的電源域中可實現(xiàn)靈活高效的電源管理。

推動多核系統(tǒng)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。它們無法支持連接各個穩(wěn)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(xiàn)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(xiàn)一個更加復雜的多穩(wěn)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(chǎn)品中多種使用模式的能效。通?？梢詫崿F(xiàn)多個開關式穩(wěn)壓器，其中包括為處理器內(nèi)核和I/O（對于28納米處理器，它們可分別低至1和2 V）、內(nèi)存IC和其它外圍設備提供低電壓的降壓穩(wěn)壓器。還可以實現(xiàn)一個升壓轉(zhuǎn)換器，為屏幕背光等LED燈串供電。此外，內(nèi)置的低壓差（LDO）穩(wěn)壓器還可用于為感應器、LED指示燈或電機等子系統(tǒng)供電。

各種電池充電功能也能得以實現(xiàn)，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(shù)控多模式鋰電池充電器。

此外，還可以實現(xiàn)用于監(jiān)視外部電壓和溫度的數(shù)模轉(zhuǎn)換器等更多功能。不僅如此，片上電源監(jiān)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(tǒng)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(wěn)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(wěn)壓器滿足較高的峰值電流要求。

動態(tài)電壓控制（DVC）功能可以根據(jù)處理器負荷調(diào)節(jié)電源電壓。6個降壓穩(wěn)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(lián)這些穩(wěn)壓器可以實現(xiàn)5 A或3 A供電軌，以滿足當今性能最高的處理器對內(nèi)核電流的需求。因此，設計人員可以擴展或調(diào)整配置，以滿足不同的系統(tǒng)要求。

此外還有11個額定輸出電流在100到300 mA范圍內(nèi)的可編程LDO穩(wěn)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)一個適當?shù)慕祲弘娫?，從而提升系統(tǒng)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(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，其中一個可以被配置為一個由PWM控制的6位振動電機驅(qū)動電源，用于實現(xiàn)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(wěn)壓器、11個LDO、備用電池充電器以及電源管理和監(jiān)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(tǒng)效率

將多個穩(wěn)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?qū)崿F(xiàn)眾多節(jié)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(nèi)外穩(wěn)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(tǒng)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(tǒng)進入功耗極低的深度睡眠狀態(tài)。此外，通過使用PMIC的供電軌開關控制器來驅(qū)動外部FET開關，設計人員還能降低已關閉內(nèi)核的漏電流。

此外，按鍵按壓檢測功能可實現(xiàn)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(xiàn)其它眾多節(jié)電功能，其中包括鍵盤監(jiān)控、應用喚醒以及針對外部穩(wěn)壓器、電源開關或其它IC的定時控制功能。

在PMIC內(nèi)部，1個或多個開關模式電源域中的動態(tài)電壓調(diào)節(jié)功能有助于針對每項任務優(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電壓也低于類似的離散解決方案。這不僅提高了效率，而且降低了內(nèi)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(tǒng)中，一個能夠監(jiān)控電池充電的開關電源充電器可將內(nèi)部功耗降低80%以上。

對后代產(chǎn)品的影響

此類PMIC可以打造最新的消費類多媒體產(chǎn)品，通過提升性能實現(xiàn)當今消費者所要求的體驗，同時高效地使用電池，實現(xiàn)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(tǒng)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(tǒng)，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(tǒng)。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。