专家解读多核处理器将如何改变电源管理？
时间：10-02
整理：3721RD
点击：
随着消费者不断要求智能手机、平板电脑、PC 等设备增加新功能和提高性能，多核处理器从此取代了传统的单核设备。
各大厂商最新推出的多媒体应用处理器采用了ARM Cortex-A9 或 Cortex-A15 等先进的内核架构，提供单核、双核和四核等性能各异的版本。
ARM的不对称 big.LITTLE 系统进一步发展了多核理念，通过结合使用一个高性能的内核（如Cortex-A15）和一个能效极高、采用相同架构的内核（如Cortex-A7），优化所有处理负荷的能效。
最新的多核应用处理器还集成了 DRAM控制器、ARM Neon媒体/图形协处理器等外围设备，以进一步提升性能。
电源管理的演进
当双核处理器于 2011 年进入市场时，单核设备通常使用的电源架构只经过了简单的扩展，以便通过通用供电轨为两个处理器内核供电。随着多核路线图的不断演进和四核处理器的问世，并考虑到正处于研发阶段的八核处理器以及更加复杂的未来处理器，我们需要能够异常灵活地控制各个内核的供电电源，从而实现优化能效的目标。这需要异常复杂的电源管理架构，将每个内核单独划分到由一个稳压器供电的各自的电源域中（见图1）。这种方法能够使用较小的稳压器，降低最坏情况下的电流需求。
这与第一代移动设备中所采用的方法形成了鲜明对比，后者通常将电源管理功能整合到应用处理器中，形成一个芯片。
在芯片之外的一个单独器件上实现一个更加复杂的多稳压器架构，这一趋势正在催生新一代先进的电源管理集成电路（PMIC）。
这些PMIC的特性和能力正在不断演进，目的是提升当今消费类移动和多媒体产品中多种使用模式的能效。通常可以实现多个开关式稳压器，其中包括为处理器内核和I/O（对于28纳米处理器，它们可分别低至 1和2 V）、内存IC和其它外围设备提供低电压的降压稳压器。还可以实现一个升压转换器，为屏幕背光等LED灯串供电。此外，内置的低压差（LDO）稳压器还可用于为感应器、LED 指示灯或电机等子系统供电。
各种电池充电功能也能得以实现，从用于为备用纽扣电池或超级电容器充电的几毫安小型电源，到能够连接墙壁充电器、USB 5-V 电源或车载充电器等各种电源的数控多模式锂电池充电器。
此外，还可以实现用于监视外部电压和温度的数模转换器等更多功能。不仅如此，片上电源监控智能还能让PMIC处理开机/关机顺序、重置和中断处理等重要功能。这可以帮助设计人员提升系统的整体可靠性和能效。
聚焦PMIC
作为针对多核应用而优化的新一代PMIC的一个典型例子，Dialog半导体有限公司的DA9063拥有6个固定切换频率为3-MHz的降压稳压器。它可以使用高度仅为1毫米的1-μH电感器，因此支持移动设备的超小尺寸，同时又能让稳压器满足较高的峰值电流要求。
动态电压控制（DVC）功能可以根据处理器负荷调节电源电压。6个降压稳压器中有三个能够提供高达2.5 A的电流，其余三个可提供高达1.5 A的电流。并联这些稳压器可以实现5 A或3 A供电轨，以满足当今性能最高的处理器对内核电流的需求。因此，设计人员可以扩展或调整配置，以满足不同的系统要求。
此外还有11个额定输出电流在100到300 mA范围内的可编程LDO稳压器。由于支持远程电容器配置和1.5/1.8 V低输入电压运行，它可以级联一个适当的降压电源，从而提升系统的综合效率。此外，还可以将多个LDO配置为限流旁路开关，用以支持存储卡、外联附件等其它外设。
不仅如此，某些LDO针对低噪声应用而优化，其中一个可以被配置为一个由PWM控制的6位振动电机驱动电源，用于实现用户触感控制功能。
图2框图显示了DA9063中集成的6个降压稳压器、11个LDO、备用电池充电器以及电源管理和监控功能。
将多个稳压器和智能电源管理功能整合到诸如DA9063这样一个单独的PMIC中能够实现众多节电功能，这些功能可以自主运行，无需应用处理器的任何干涉。电源管理器模块配有一个启动顺序引擎，可按照可编程的顺序启动内外稳压器和供电轨开关。此款PMIC拥有多种运行模式，其中包括5种电流仅为20 μA或更低的低功耗模式，它们可让设计人员异常灵活地将所有应用场景的系统功耗降至最低。其中一个是1.5-μA实时时钟（RTC）模式，配有闹钟和唤醒功能，可让系统进入功耗极低的深度睡眠状态。此外，通过使用PMIC的供电轨开关控制器来驱动外部FET开关，设计人员还能降低已关闭内核的漏电流。
此外，按键按压检测功能可实现可配置的按键锁定功能和基于按键按压时间的应用关闭功能。GPIO引脚能够让设计人员实现其它众多节电功能，其中包括键盘监控、应用唤醒以及针对外部稳压器、电源开关或其它IC的定时控制功能。
在PMIC内部，1个或多个开关模式电源域中的动态电压调节功能有助于针对每项任务优化处理器的功耗，从而提升效率。此外，降压静态电流和LDO电压也低于类似的离散解决方案。这不仅提高了效率，而且降低了内部功耗。
将锂电池充电器集成到PMIC中能够进一步大幅降低功耗。在一个1.3A/5V 系统中，一个能够监控电池充电的开关电源充电器可将内部功耗降低80%以上。
对后代产品的影响
此类 PMIC 可以打造最新的消费类多媒体产品，通过提升性能实现当今消费者所要求的体验，同时高效地使用电池，实现可接受的充电间隔时间。此外，PMIC对于简化日益增多的子系统的配电至关重要，例如：高像素双摄像头，支持蓝牙、Wi-Fi、NFC和3G或4G LTE蜂窝无线链路的多个射频系统，用于照明和状态指示的各种LED灯带等等。
将电源管理功能从基带/应用处理器迁移到一个单独的PMIC，还能为设计人员提供更大的自由度，以满足市场对于大型多点触控电容屏、更好的音频能力（如更好的扬声器性能、高清音频播放）等功能的需求。
某些PMIC（如DA9059）在一个芯片中集成了由DSP、编解码器、D类扬声器放大器、G类耳机放大器构成的音频子系统。这可以将物料清单减少约43%。
未来的4G智能手机等设备有望进一步推动这一架构趋势，使用两个复杂的PMIC分别服务基带和应用处理器。
——本文选自电子发烧友网12月《处理器与DSP特刊》“透视新设计栏目”，转载请注明出处，违者必究！
更多精彩文章请查看电子发烧友网12月《处理器与DSP特刊》
各大厂商最新推出的多媒体应用处理器采用了ARM Cortex-A9 或 Cortex-A15 等先进的内核架构，提供单核、双核和四核等性能各异的版本。
ARM的不对称 big.LITTLE 系统进一步发展了多核理念，通过结合使用一个高性能的内核（如Cortex-A15）和一个能效极高、采用相同架构的内核（如Cortex-A7），优化所有处理负荷的能效。
最新的多核应用处理器还集成了 DRAM控制器、ARM Neon媒体/图形协处理器等外围设备，以进一步提升性能。
电源管理的演进
当双核处理器于 2011 年进入市场时，单核设备通常使用的电源架构只经过了简单的扩展，以便通过通用供电轨为两个处理器内核供电。随着多核路线图的不断演进和四核处理器的问世，并考虑到正处于研发阶段的八核处理器以及更加复杂的未来处理器，我们需要能够异常灵活地控制各个内核的供电电源，从而实现优化能效的目标。这需要异常复杂的电源管理架构，将每个内核单独划分到由一个稳压器供电的各自的电源域中（见图1）。这种方法能够使用较小的稳压器，降低最坏情况下的电流需求。
图 1：将内核划分到不同的电源域中可实现灵活高效的电源管理。
推动多核系统电源架构发生改变的另一重要因素是40纳米、32纳米以及最近的28纳米工艺的普及。 它们无法支持连接各个稳压器输入端的5V电池电压（VBAT），因为更小的CMOS需要更低的工作电压，从而有效减少了所能施加的最大电压。鉴于此，现在有必要将应用处理器的电源管理功能迁移到一个单独的器件上。这与第一代移动设备中所采用的方法形成了鲜明对比，后者通常将电源管理功能整合到应用处理器中，形成一个芯片。
在芯片之外的一个单独器件上实现一个更加复杂的多稳压器架构，这一趋势正在催生新一代先进的电源管理集成电路（PMIC）。
这些PMIC的特性和能力正在不断演进，目的是提升当今消费类移动和多媒体产品中多种使用模式的能效。通常可以实现多个开关式稳压器，其中包括为处理器内核和I/O（对于28纳米处理器，它们可分别低至 1和2 V）、内存IC和其它外围设备提供低电压的降压稳压器。还可以实现一个升压转换器，为屏幕背光等LED灯串供电。此外，内置的低压差（LDO）稳压器还可用于为感应器、LED 指示灯或电机等子系统供电。
各种电池充电功能也能得以实现，从用于为备用纽扣电池或超级电容器充电的几毫安小型电源，到能够连接墙壁充电器、USB 5-V 电源或车载充电器等各种电源的数控多模式锂电池充电器。
此外，还可以实现用于监视外部电压和温度的数模转换器等更多功能。不仅如此，片上电源监控智能还能让PMIC处理开机/关机顺序、重置和中断处理等重要功能。这可以帮助设计人员提升系统的整体可靠性和能效。
聚焦PMIC
作为针对多核应用而优化的新一代PMIC的一个典型例子，Dialog半导体有限公司的DA9063拥有6个固定切换频率为3-MHz的降压稳压器。它可以使用高度仅为1毫米的1-μH电感器，因此支持移动设备的超小尺寸，同时又能让稳压器满足较高的峰值电流要求。
动态电压控制（DVC）功能可以根据处理器负荷调节电源电压。6个降压稳压器中有三个能够提供高达2.5 A的电流，其余三个可提供高达1.5 A的电流。并联这些稳压器可以实现5 A或3 A供电轨，以满足当今性能最高的处理器对内核电流的需求。因此，设计人员可以扩展或调整配置，以满足不同的系统要求。
此外还有11个额定输出电流在100到300 mA范围内的可编程LDO稳压器。由于支持远程电容器配置和1.5/1.8 V低输入电压运行，它可以级联一个适当的降压电源，从而提升系统的综合效率。此外，还可以将多个LDO配置为限流旁路开关，用以支持存储卡、外联附件等其它外设。
不仅如此，某些LDO针对低噪声应用而优化，其中一个可以被配置为一个由PWM控制的6位振动电机驱动电源，用于实现用户触感控制功能。
图2框图显示了DA9063中集成的6个降压稳压器、11个LDO、备用电池充电器以及电源管理和监控功能。
图2： Dialog半导体有限公司的DA9063 PMIC中集成的供电和管理功能。
提升系统效率将多个稳压器和智能电源管理功能整合到诸如DA9063这样一个单独的PMIC中能够实现众多节电功能，这些功能可以自主运行，无需应用处理器的任何干涉。电源管理器模块配有一个启动顺序引擎，可按照可编程的顺序启动内外稳压器和供电轨开关。此款PMIC拥有多种运行模式，其中包括5种电流仅为20 μA或更低的低功耗模式，它们可让设计人员异常灵活地将所有应用场景的系统功耗降至最低。其中一个是1.5-μA实时时钟（RTC）模式，配有闹钟和唤醒功能，可让系统进入功耗极低的深度睡眠状态。此外，通过使用PMIC的供电轨开关控制器来驱动外部FET开关，设计人员还能降低已关闭内核的漏电流。
此外，按键按压检测功能可实现可配置的按键锁定功能和基于按键按压时间的应用关闭功能。GPIO引脚能够让设计人员实现其它众多节电功能，其中包括键盘监控、应用唤醒以及针对外部稳压器、电源开关或其它IC的定时控制功能。
在PMIC内部，1个或多个开关模式电源域中的动态电压调节功能有助于针对每项任务优化处理器的功耗，从而提升效率。此外，降压静态电流和LDO电压也低于类似的离散解决方案。这不仅提高了效率，而且降低了内部功耗。
将锂电池充电器集成到PMIC中能够进一步大幅降低功耗。在一个1.3A/5V 系统中，一个能够监控电池充电的开关电源充电器可将内部功耗降低80%以上。
对后代产品的影响
此类 PMIC 可以打造最新的消费类多媒体产品，通过提升性能实现当今消费者所要求的体验，同时高效地使用电池，实现可接受的充电间隔时间。此外，PMIC对于简化日益增多的子系统的配电至关重要，例如：高像素双摄像头，支持蓝牙、Wi-Fi、NFC和3G或4G LTE蜂窝无线链路的多个射频系统，用于照明和状态指示的各种LED灯带等等。
将电源管理功能从基带/应用处理器迁移到一个单独的PMIC，还能为设计人员提供更大的自由度，以满足市场对于大型多点触控电容屏、更好的音频能力（如更好的扬声器性能、高清音频播放）等功能的需求。
某些PMIC（如DA9059）在一个芯片中集成了由DSP、编解码器、D类扬声器放大器、G类耳机放大器构成的音频子系统。这可以将物料清单减少约43%。
未来的4G智能手机等设备有望进一步推动这一架构趋势，使用两个复杂的PMIC分别服务基带和应用处理器。
——本文选自电子发烧友网12月《处理器与DSP特刊》“透视新设计栏目”，转载请注明出处，违者必究！
更多精彩文章请查看电子发烧友网12月《处理器与DSP特刊》