多核处理器电源管理之电源效率高效提升方法

智能手机、平板电脑和超级本等移动消费类设备面临着提供丰富、多样化和即时的网络多媒体体验等不断增长的需求。系统设计中从屏幕和外设（如收音机、照相机和数据接口）到应用处理器，每个部分几乎都会发生变化。这些变化对电源管理功能的实现产生了重大影响，除了需要管理整个系统的电源，还需要提高电源的效率以实现更长的电池续航时间。

例如，当今最受欢迎的移动设备都配有多个摄像头，包括前置和后置摄像头，一些还可以支持3D摄影和录像，在一些情况下分辨率可高达4100万像素。目前，为了实现更好的视觉体验，大屏幕尺寸正越来越流行，同时伴随着电容式多点触控功能的运用，以及在一些最先进的款式中还趋向于配备有3D功能的屏幕。

就无线连接而言，除了GSM、蓝牙、Wi-Fi和GPS外，使用近距离无线通信（NFC）技术进行移动支付的新应用增加了更多的射频（RF）连接。如今的平板电脑和智能手机用户也在期待高质量的通话效果，即更响亮和更高品质的扬声器性能、高品质麦克风以及高清晰度音频回放。此外，像社交网络和移动网页浏览等应用程序的普及，意味着用户也在通过3G及4G LTE不断得到更大的数据带宽。

深入到用户从未见过的内部系统，应用处理器仅仅在一两年时间内已从单核发展到双核，甚至到目前的四核配置，目的是为了处理越来越多样化和高性能的功能。一些最新的多核应用处理器系列也集成了额外的外设，如DRAM控制器及ARM Neon这样的媒体/图像协处理器。

当今的移动处理器平台中可见到的外设及处理器内核的数量在不断增多，这也推动了对日益复杂的电源管理功能的需求。电源管理也必须能够处理更加复杂的充电场景，至少能够满足当今用户对其设备充电时最可能的充电方式，如电脑USB接口、车载充电器以及常规的交流电源充电器。

多核处理器的影响

图1说明了各种智能手机中电源管理的子系统。为了给这些子系统供电，电源管理IC必须带有足够的降压或升压转换器和低压差线性稳压器（LDO），同时还需满足上电和断电时序、高精度耗电计量等需求，为用户提供预计的剩余电池续航时间。由于多内核架构中时序要求非常关键，上电和断电控制对应用处理器尤为重要。智能电源管理还需要处理数量不断增多的传感器，以支持诸如背光源调光、相机手势识别、导航和接近探测等各项功能。

图1：在现今移动设备中越来越复杂的电源管理功能。

在处理器架构从单核过渡到双核架构时，电源管理设计通常倾向于采用同一个电源域同时为两个内核供电。随着四核处理器的出现，每个处理器内核分别由单个稳压器的电源域独立供电，可使系统设计人员更加灵活地去控制每个内核的供电。处理器中的每个内核可以被单独地关断，并且每个稳压器可以合理地降低到一个较小的、满足最坏情况需求的电流。

去集成的电源管理

多核应用处理器的低纳米工艺技术正对电源管理的实现方式产生深远的影响。在2G手机这样的较早期平台中，基带、应用处理器和电源管理芯片（PMIC）通常集成在同一块芯片之中。这在应用处理器采用更低纳米技术工艺制造时已变得不再可能，因为缩小工艺尺寸则要求较低的工作电压。在采用CMOS工艺的芯片中，更小的器件尺寸降低了所能承受需要的最大电压。图2说明了半导体工艺几何尺寸降低与内核和I/O承受电压之间的关系，并将这些电压与电池最大电压作了比较。

图2：低纳米工艺无法在电池电压下支持电源管理功能。

因为PMIC需要与电池电压（一个单芯锂电池可达4.5V）直接相连，所以它不能采用广受当今领先制造商欢迎的四核ARM Cortex-A9应用处理器所采用的40纳米、32纳米和28纳米工艺来制造。因此，PMIC功能必须从应用处理器中分离出来。如今的3G智能手机体现了这一趋势，典型的方案是一个独立PMIC为应用处理器单独供电，而旁边的基带处理器则带有内置的电源管理。

在一些应用中，将PMIC与一个包含有数字信号处理器（DSP）、音频编解码器（CODEC）以及像D类扬声器放大器和G类耳机放大器等功能的音频子系统芯片集成在一起是有意义的。Dialog半导体公司的DA9059就是一个为移动应用而将PMIC和音频子系统IC相结合的实例。它可以使物料清单成本节省将近43%。

展望未来，4G架构将有可能采用两个复杂的PMIC，以分别支持基带处理器和应用处理器。

一个去集成的系统级电源管理解决方案也许可以使用分立元器件来实现。应用处理器供应商曾经提出过由多达6片IC组成的参考设计。

相反，单片PMIC在一块芯片中就集成了所有内核、I/O和内存电源电压供电所需的降压转换器，针对外设的LDO稳压器，电池的充电与智能控制等功能。这不仅使设计人员可以降低物料清单成本，还可以提高整体能效从而延长电池续航时间。一些PMIC还支持在一个或多个电源域内的动态电压调节，这有助于针对每项任务来优化处理器能耗，以实现更高的能效。图3说明了一个集成了多个LDO和降压转换器、功率监控和保护功能的PMIC，它专为多核应用处理器的高峰值电流需求而进行了优化。

图3：电源管理正从应用处理器中的一项功能转变为一个独立的外部PMIC，如Dialog提供的DA9063。

降低BOM成本和电源域灵活性

与类似的分立式解决方案相比，单片外置式PMIC可提供更低的静态电流和较低LDO压差，由此可以实现更高的能效和更低的内部功率耗散。在电池充电期间，耗散功率对系统的热量管理有着更大的影响。一片带有开关式电池充电器和电池充电智能监控的PMIC在使用1.3A/5V的充电器的环境下，可以降低超过80%的内部功率耗散，因此显著降低了外壳内部的热量。

新一代的外置式PMIC将电源管理功能集成在一块芯片上，可接管传统的用软件来处理的开/关控制和上电、断电时序等系统监督任务，减轻了应用处理器的负担。除了无需应用处理器介入就可以控制上电和断电外，这还有助于提高能源效率，优化对电源的管理。

Dialog的Power Commander图形化工具可以用来配置PMIC监测任务。工程师可以为某个DC/DC降压转换器和LDO快速地选择输出电压和电流，为最高效率或最低噪声选择工作模式，以及通过鼠标拖拽来轻松实现上电和断电时序。当设置完成后，被保存的配置可以被编程到内置的OTP中，以进行开发或量产。此外，根据需要还可以很容易地修改该配置。

本文小结

在当今移动市场中的成功主要取决于以颇有竞争力的价格，在很短的时间内完成良好的性能和丰富的功能设计。由于高性能、多内核低纳米先进工艺的应用处理器推动了电源管理芯片的发展，高集成度的PMIC通过简化设计、降低物料清单成本以及延长电池续航时间满足了这些目标。