多核處理器電源管理之電源效率高效提升方法

智能手機(jī)、平板電腦和超級(jí)本等移動(dòng)消費(fèi)類設(shè)備面臨著提供豐富、多樣化和即時(shí)的網(wǎng)絡(luò)多媒體體驗(yàn)等不斷增長(zhǎng)的需求。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中從屏幕和外設(shè)（如收音機(jī)、照相機(jī)和數(shù)據(jù)接口）到應(yīng)用處理器，每個(gè)部分幾乎都會(huì)發(fā)生變化。這些變化對(duì)電源管理功能的實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生了重大影響，除了需要管理整個(gè)系統(tǒng)的電源，還需要提高電源的效率以實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的電池續(xù)航時(shí)間。

例如，當(dāng)今最受歡迎的移動(dòng)設(shè)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(dá)4100萬(wàn)像素。目前，為了實(shí)現(xiàn)更好的視覺體驗(yàn)，大屏幕尺寸正越來(lái)越流行，同時(shí)伴隨著電容式多點(diǎn)觸控功能的運(yùn)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)線連接而言，除了GSM、藍(lán)牙、Wi-Fi和GPS外，使用近距離無(wú)線通信（NFC）技術(shù)進(jìn)行移動(dòng)支付的新應(yīng)用增加了更多的射頻（RF）連接。如今的平板電腦和智能手機(jī)用戶也在期待高質(zhì)量的通話效果，即更響亮和更高品質(zhì)的揚(yáng)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(yīng)用程序的普及，意味著用戶也在通過(guò)3G及4G LTE不斷得到更大的數(shù)據(jù)帶寬。

深入到用戶從未見過(guò)的內(nèi)部系統(tǒng)，應(yīng)用處理器僅僅在一兩年時(shí)間內(nèi)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(yīng)用處理器系列也集成了額外的外設(shè)，如DRAM控制器及ARM Neon這樣的媒體/圖像協(xié)處理器。

當(dāng)今的移動(dòng)處理器平臺(tái)中可見到的外設(shè)及處理器內(nèi)核的數(shù)量在不斷增多，這也推動(dòng)了對(duì)日益復(fù)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(fù)雜的充電場(chǎng)景，至少能夠滿足當(dāng)今用戶對(duì)其設(shè)備充電時(shí)最可能的充電方式，如電腦USB接口、車載充電器以及常規(guī)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(jī)中電源管理的子系統(tǒng)。為了給這些子系統(tǒng)供電，電源管理IC必須帶有足夠的降壓或升壓轉(zhuǎn)換器和低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO），同時(shí)還需滿足上電和斷電時(shí)序、高精度耗電計(jì)量等需求，為用戶提供預(yù)計(jì)的剩余電池續(xù)航時(shí)間。由于多內(nèi)核架構(gòu)中時(shí)序要求非常關(guān)鍵，上電和斷電控制對(duì)應(yīng)用處理器尤為重要。智能電源管理還需要處理數(shù)量不斷增多的傳感器，以支持諸如背光源調(diào)光、相機(jī)手勢(shì)識(shí)別、導(dǎo)航和接近探測(cè)等各項(xiàng)功能。

圖1：在現(xiàn)今移動(dòng)設(shè)備中越來(lái)越復(fù)雜的電源管理功能。

在處理器架構(gòu)從單核過(guò)渡到雙核架構(gòu)時(shí)，電源管理設(shè)計(jì)通常傾向于采用同一個(gè)電源域同時(shí)為兩個(gè)內(nèi)核供電。隨著四核處理器的出現(xiàn)，每個(gè)處理器內(nèi)核分別由單個(gè)穩(wěn)壓器的電源域獨(dú)立供電，可使系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員更加靈活地去控制每個(gè)內(nèi)核的供電。處理器中的每個(gè)內(nèi)核可以被單獨(dú)地關(guān)斷，并且每個(gè)穩(wěn)壓器可以合理地降低到一個(gè)較小的、滿足最壞情況需求的電流。

去集成的電源管理

多核應(yīng)用處理器的低納米工藝技術(shù)正對(duì)電源管理的實(shí)現(xiàn)方式產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。在2G手機(jī)這樣的較早期平臺(tái)中，基帶、應(yīng)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(yīng)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?yàn)榭s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(dǎo)體工藝幾何尺寸降低與內(nèi)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?yàn)镻MIC需要與電池電壓（一個(gè)單芯鋰電池可達(dá)4.5V）直接相連，所以它不能采用廣受當(dāng)今領(lǐng)先制造商歡迎的四核ARM Cortex-A9應(yīng)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(yīng)用處理器中分離出來(lái)。如今的3G智能手機(jī)體現(xiàn)了這一趨勢(shì)，典型的方案是一個(gè)獨(dú)立PMIC為應(yīng)用處理器單獨(dú)供電，而旁邊的基帶處理器則帶有內(nèi)置的電源管理。

在一些應(yīng)用中，將PMIC與一個(gè)包含有數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）、音頻編解碼器（CODEC）以及像D類揚(yáng)聲器放大器和G類耳機(jī)放大器等功能的音頻子系統(tǒng)芯片集成在一起是有意義的。Dialog半導(dǎo)體公司的DA9059就是一個(gè)為移動(dòng)應(yīng)用而將PMIC和音頻子系統(tǒng)IC相結(jié)合的實(shí)例。它可以使物料清單成本節(jié)省將近43%。

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

一個(gè)去集成的系統(tǒng)級(jí)電源管理解決方案也許可以使用分立元器件來(lái)實(shí)現(xiàn)。應(yīng)用處理器供應(yīng)商曾經(jīng)提出過(guò)由多達(dá)6片IC組成的參考設(shè)計(jì)。

相反，單片PMIC在一塊芯片中就集成了所有內(nèi)核、I/O和內(nèi)存電源電壓供電所需的降壓轉(zhuǎn)換器，針對(duì)外設(shè)的LDO穩(wěn)壓器，電池的充電與智能控制等功能。這不僅使設(shè)計(jì)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(zhǎng)電池續(xù)航時(shí)間。一些PMIC還支持在一個(gè)或多個(gè)電源域內(nèi)的動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)，這有助于針對(duì)每項(xiàng)任務(wù)來(lái)優(yōu)化處理器能耗，以實(shí)現(xiàn)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(zhuǎn)換器、功率監(jiān)控和保護(hù)功能的PMIC，它專為多核應(yīng)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(yīng)用處理器中的一項(xiàng)功能轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)獨(dú)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(xiàn)更高的能效和更低的內(nèi)部功率耗散。在電池充電期間，耗散功率對(duì)系統(tǒng)的熱量管理有著更大的影響。一片帶有開關(guān)式電池充電器和電池充電智能監(jiān)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(nèi)部功率耗散，因此顯著降低了外殼內(nèi)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(tǒng)的用軟件來(lái)處理的開/關(guān)控制和上電、斷電時(shí)序等系統(tǒng)監(jiān)督任務(wù)，減輕了應(yīng)用處理器的負(fù)擔(dān)。除了無(wú)需應(yīng)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(duì)電源的管理。

Dialog的Power Commander圖形化工具可以用來(lái)配置PMIC監(jiān)測(cè)任務(wù)。工程師可以為某個(gè)DC/DC降壓轉(zhuǎn)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(biāo)拖拽來(lái)輕松實(shí)現(xiàn)上電和斷電時(shí)序。當(dāng)設(shè)置完成后，被保存的配置可以被編程到內(nèi)置的OTP中，以進(jìn)行開發(fā)或量產(chǎn)。此外，根據(jù)需要還可以很容易地修改該配置。

本文小結(jié)

在當(dāng)今移動(dòng)市場(chǎng)中的成功主要取決于以頗有競(jìng)爭(zhēng)力的價(jià)格，在很短的時(shí)間內(nèi)完成良好的性能和豐富的功能設(shè)計(jì)。由于高性能、多內(nèi)核低納米先進(jìn)工藝的應(yīng)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(shè)計(jì)、降低物料清單成本以及延長(zhǎng)電池續(xù)航時(shí)間滿足了這些目標(biāo)。