多核處理器將如何改變電源管理？

隨著消費(fèi)者不斷要求智能手機(jī)、平板電腦、PC等設(shè)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(shè)備。

各大廠商最新推出的多媒體應(yīng)用處理器采用了ARM Cortex-A9或Cortex-A15等先進(jìn)的內(nèi)核架構(gòu)，提供單核、雙核和四核等性能各異的版本。

ARM的不對(duì)稱big.LITTLE系統(tǒng)進(jìn)一步發(fā)展了多核理念，通過(guò)結(jié)合使用一個(gè)高性能的內(nèi)核（如Cortex-A15）和一個(gè)能效極高、采用相同架構(gòu)的內(nèi)核（如Cortex-A7），優(yōu)化所有處理負(fù)荷的能效。

最新的多核應(yīng)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(shè)備，以進(jìn)一步提升性能。

電源管理的演進(jìn)

當(dāng)雙核處理器于2011年進(jìn)入市場(chǎng)時(shí)，單核設(shè)備通常使用的電源架構(gòu)只經(jīng)過(guò)了簡(jiǎn)單的擴(kuò)展，以便通過(guò)通用供電軌為兩個(gè)處理器內(nèi)核供電。隨著多核路線圖的不斷演進(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(fù)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(nèi)核的供電電源，從而實(shí)現(xiàn)優(yōu)化能效的目標(biāo)。這需要異常復(fù)雜的電源管理架構(gòu)，將每個(gè)內(nèi)核單獨(dú)劃分到由一個(gè)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(shí)現(xiàn)靈活高效的電源管理。

推動(dòng)多核系統(tǒng)電源架構(gòu)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(wěn)壓器輸入端的5V電池電壓（VBAT），因?yàn)楦〉腃MOS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(yīng)用處理器的電源管理功能遷移到一個(gè)單獨(dú)的器件上。

這與第一代移動(dòng)設(shè)備中所采用的方法形成了鮮明對(duì)比，后者通常將電源管理功能整合到應(yīng)用處理器中，形成一個(gè)芯片。

在芯片之外的一個(gè)單獨(dú)器件上實(shí)現(xiàn)一個(gè)更加復(fù)雜的多穩(wěn)壓器架構(gòu)，這一趨勢(shì)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(dāng)今消費(fèi)類移動(dòng)和多媒體產(chǎn)品中多種使用模式的能效。通?？梢詫?shí)現(xiàn)多個(gè)開關(guān)式穩(wěn)壓器，其中包括為處理器內(nèi)核和I/O（對(duì)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(shè)備提供低電壓的降壓穩(wěn)壓器。還可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)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(yīng)器、LED指示燈或電機(jī)等子系統(tǒng)供電。

各種電池充電功能也能得以實(shí)現(xiàn)，從用于為備用紐扣電池或超級(jí)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(shí)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(jī)/關(guān)機(jī)順序、重置和中斷處理等重要功能。這可以幫助設(shè)計(jì)人員提升系統(tǒng)的整體可靠性和能效。

聚焦PMIC

作為針對(duì)多核應(yīng)用而優(yōu)化的新一代PMIC的一個(gè)典型例子，Dialog半導(dǎo)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(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(dòng)設(shè)備的超小尺寸，同時(shí)又能讓穩(wěn)壓器滿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(jù)處理器負(fù)荷調(diào)節(jié)電源電壓。6個(gè)降壓穩(wěn)壓器中有三個(gè)能夠提供高達(dá)2.5 A的電流，其余三個(gè)可提供高達(dá)1.5 A的電流。并聯(lián)這些穩(wěn)壓器可以實(shí)現(xiàn)5 A或3 A供電軌，以滿足當(dāng)今性能最高的處理器對(duì)內(nèi)核電流的需求。因此，設(shè)計(jì)人員可以擴(kuò)展或調(diào)整配置，以滿足不同的系統(tǒng)要求。

此外還有11個(gè)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(yuǎn)程電容器配置和1.5/1.8 V低輸入電壓運(yùn)行，它可以級(jí)聯(lián)一個(gè)適當(dāng)?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(gè)LDO配置為限流旁路開關(guān)，用以支持存儲(chǔ)卡、外聯(lián)附件等其它外設(shè)。

不僅如此，某些LDO針對(duì)低噪聲應(yīng)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(jī)驅(qū)動(dòng)電源，用于實(shí)現(xiàn)用戶觸感控制功能。

圖2框圖顯示了DA9063中集成的6個(gè)降壓穩(wěn)壓器、11個(gè)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(dǎo)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(gè)穩(wěn)壓器和智能電源管理功能整合到諸如DA9063這樣一個(gè)單獨(dú)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(yùn)行，無(wú)需應(yīng)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(nèi)外穩(wěn)壓器和供電軌開關(guān)。此款PMIC擁有多種運(yùn)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(shè)計(jì)人員異常靈活地將所有應(yīng)用場(chǎng)景的系統(tǒng)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(tǒng)進(jìn)入功耗極低的深度睡眠狀態(tài)。此外，通過(guò)使用PMIC的供電軌開關(guān)控制器來(lái)驅(qū)動(dòng)外部FET開關(guān)，設(shè)計(jì)人員還能降低已關(guān)閉內(nèi)核的漏電流。

此外，按鍵按壓檢測(cè)功能可實(shí)現(xiàn)可配置的按鍵鎖定功能和基于按鍵按壓時(shí)間的應(yīng)用關(guān)閉功能。GPIO引腳能夠讓設(shè)計(jì)人員實(shí)現(xiàn)其它眾多節(jié)電功能，其中包括鍵盤監(jiān)控、應(yīng)用喚醒以及針對(duì)外部穩(wěn)壓器、電源開關(guān)或其它IC的定時(shí)控制功能。

在PMIC內(nèi)部，1個(gè)或多個(gè)開關(guān)模式電源域中的動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)功能有助于針對(duì)每項(xiàng)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(jìn)一步大幅降低功耗。在一個(gè)1.3A/5V系統(tǒng)中，一個(gè)能夠監(jiān)控電池充電的開關(guān)電源充電器可將內(nèi)部功耗降低80%以上。

對(duì)后代產(chǎn)品的影響

此類PMIC可以打造最新的消費(fèi)類多媒體產(chǎn)品，通過(guò)提升性能實(shí)現(xiàn)當(dāng)今消費(fèi)者所要求的體驗(yàn)，同時(shí)高效地使用電池，實(shí)現(xiàn)可接受的充電間隔時(shí)間。此外，PMIC對(duì)于簡(jiǎn)化日益增多的子系統(tǒng)的配電至關(guān)重要，例如：高像素雙攝像頭，支持藍(lán)牙、Wi-Fi、NFC和3G或4G LTE蜂窩無(wú)線鏈路的多個(gè)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(yīng)用處理器遷移到一個(gè)單獨(dú)的PMIC，還能為設(shè)計(jì)人員提供更大的自由度，以滿足市場(chǎng)對(duì)于大型多點(diǎn)觸控電容屏、更好的音頻能力（如更好的揚(yáng)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類揚(yáng)聲器放大器、G類耳機(jī)放大器構(gòu)成的音頻子系統(tǒng)。這可以將物料清單減少約43%.

未來(lái)的4G智能手機(jī)等設(shè)備有望進(jìn)一步推動(dòng)這一架構(gòu)趨勢(shì)，使用兩個(gè)復(fù)雜的PMIC分別服務(wù)基帶和應(yīng)用處理器。