多核處理器應(yīng)用熱燒 電源管理芯片高整合

　　高整合電源管理晶片可強(qiáng)化多核心處理器效能。行動(dòng)裝置大舉導(dǎo)入多核心處理器，讓電源設(shè)計(jì)架構(gòu)隨之異動(dòng)，不少應(yīng)用處理器開(kāi)發(fā)商已開(kāi)始將部分電源功能自平臺(tái)中分離，讓合作的電源晶片業(yè)者開(kāi)發(fā)更高功能整合度的電源管理方案，以兼顧處理器效能和低功耗設(shè)計(jì)。

　　消費(fèi)者對(duì)于智慧型手機(jī)、平板裝置(Tablet)及個(gè)人電腦(PC)的新功能及高效能，有著持續(xù)的需求，使得多核心處理器重要性已超越傳統(tǒng)的單核心元件。

　　各家晶片商所提供的最新多媒體應(yīng)用處理器系列產(chǎn)品，系由安謀國(guó)際(ARM)Cortex-A9或Cortex-A15核心先進(jìn)架構(gòu)所組成，其中包括各種不同的單核心、雙核心或是四核心架構(gòu)，可涵蓋各種效能的需求。

　　安謀國(guó)際推出的非對(duì)稱(chēng)式big.LITTLE系統(tǒng)是建立在多核心原理上，并更進(jìn)一步將高效能核心如Cortex-A15與有著相同架構(gòu)且極具能源效率的核心如Cortex-A7結(jié)合在一起，將所有處理工作的電源效率最佳化。

　　新興的多核心應(yīng)用處理器系列整合周邊，例如動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取記憶體(DRAM)控制器與ARMNeon此類(lèi)媒體和繪圖協(xié)同處理器，將能帶來(lái)更多的效能增益。

　　當(dāng)雙核心處理器約于2011年進(jìn)入市場(chǎng)時(shí)，其電源方案就只是將單核心裝置的電源架構(gòu)延伸應(yīng)用于雙核心架構(gòu)上，以共用的電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)這兩類(lèi)處理器。隨著多核心產(chǎn)品發(fā)展藍(lán)圖的進(jìn)展，四核心裝置已于市場(chǎng)上出現(xiàn)，且目前八核心的裝置也正在開(kāi)發(fā)中。

　　支援多核心處理器電源管理架構(gòu)興革

　　展望未來(lái)，將會(huì)有更復(fù)雜的處理器出現(xiàn)，因此將需更佳的彈性并能將電源控制應(yīng)對(duì)至各別的核心，藉以達(dá)成能源效率的最佳化。如此一來(lái)，處理器將增加電源管理架構(gòu)的復(fù)雜度，必須將每一個(gè)核心獨(dú)立出來(lái)至它本身對(duì)應(yīng)的電源電路，然后以個(gè)別的穩(wěn)壓器來(lái)供應(yīng)電源(圖1)。這種方式可使用較小的穩(wěn)壓器，并能調(diào)整電流大小，來(lái)供應(yīng)較低的電流需求。

　　圖1將個(gè)別核心的電源電路獨(dú)立出來(lái)，可強(qiáng)化電源管理的彈性及能源效率。

　　另外一項(xiàng)促成多核心系統(tǒng)的電源架構(gòu)變革的重要因素，在于40奈米(nm)、32奈米及最近28奈米的生產(chǎn)制程技術(shù)是否已獲得廣泛采用。這些連接至每一個(gè)穩(wěn)壓器的輸入端，無(wú)法支援5伏特(V)的電池電壓，因?yàn)檩^小的互補(bǔ)式金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)尺寸需要較低的工作電壓，才能有效地降低可被應(yīng)用的最大電壓，因此現(xiàn)在需要將電源管理功能從應(yīng)用處理器移出，放到獨(dú)立的裝置上。

　　這與第一代的行動(dòng)裝置所采用的方法形成對(duì)比，因?yàn)樵诘谝淮袆?dòng)裝置上，所采用的電源管理通常是與應(yīng)用處理器整合成一顆單晶片。隨著趨勢(shì)朝向更復(fù)雜的多重穩(wěn)壓器架構(gòu)，以及在一個(gè)單獨(dú)的裝置上使用Off-Chip技術(shù)后，新一代更先進(jìn)及更復(fù)雜的電源管理IC于焉興起。

　　這些電源管理IC的特性與功能正在進(jìn)化中，可改善目前消費(fèi)性行動(dòng)與多媒體產(chǎn)品上多種使用模式的能源效率。在典型的情況下，會(huì)使用交換式穩(wěn)壓器來(lái)供應(yīng)低電壓，例如處理器核心及輸入/輸出(I/O)所需的電壓(對(duì)于使用28奈米制程的處理器而言，這種電壓可能分別低到1和2伏特)、記憶體IC及其他周邊裝置所需的電壓。而升壓轉(zhuǎn)換器也可能被用來(lái)給發(fā)光二極體(LED)供電所使用，例如可當(dāng)做螢?zāi)槐彻獾腖ED。此外，整合型的低壓差(LDO)穩(wěn)壓器，也可被用來(lái)驅(qū)動(dòng)重要的子系統(tǒng)，例如感應(yīng)器、LED指示器或馬達(dá)。

　　從用來(lái)對(duì)備用電池或超級(jí)電容進(jìn)行充電并只有幾毫安培(mA)的小型電源供應(yīng)器，到能連接在不同來(lái)源的數(shù)位化控制的多模鋰電池充電器，例如插墻式充電器、通用序列匯流排(USB)5伏特電源供應(yīng)器或車(chē)用充電器等，各種電池的充電功能都可被運(yùn)用。

　　其他用來(lái)監(jiān)測(cè)外部電壓與溫度的類(lèi)比數(shù)位轉(zhuǎn)換器(ADC)的功能也是種選擇。此外，運(yùn)用在晶片上的電源監(jiān)測(cè)及智慧控制，可讓電源管理IC來(lái)處理重要的功能，例如開(kāi)機(jī)時(shí)序/關(guān)機(jī)時(shí)序、系統(tǒng)重置與中斷處理。這可協(xié)助設(shè)計(jì)人員改進(jìn)整體系統(tǒng)的可靠度及能源效率。

　　搭載DVC功能電源管理IC可動(dòng)態(tài)調(diào)整電壓

　　具有六組降壓穩(wěn)壓器的新興世代電源管理IC，適合運(yùn)用于多核心應(yīng)用，其工作頻率固定在3MHz。該電源管理IC使用高度僅有1毫米(mm)的1微亨(μH)電感，且使穩(wěn)壓器可在供應(yīng)所需的尖峰值電流之下，同時(shí)支援外型尺寸極小的行動(dòng)裝置。

　　該款電源管理IC具有動(dòng)態(tài)電壓控制(DVC)功能，使供應(yīng)電壓可根據(jù)處理器的負(fù)載而適時(shí)做調(diào)整(AdaptiveAdjustment)。三組降壓穩(wěn)壓器能供應(yīng)高達(dá)2.5安培的電流，而剩下的三組則是提供高達(dá)1.5安培的電流。將穩(wěn)壓器采用并聯(lián)式連結(jié)，則可創(chuàng)造出能提供5安培或3安培的電流，以滿(mǎn)足目前高效能處理器對(duì)于核心電流的需求。因此設(shè)計(jì)人員可擴(kuò)展或調(diào)整其配置來(lái)搭配不同系統(tǒng)的需求。

　　這款產(chǎn)品包含十一組可程式化的低壓差穩(wěn)壓器，其額定輸出電流的范圍在100?300毫安培之間。它可支援遠(yuǎn)端電容布局(RemoteCapacitorPlacement)，以及在1.5/1.8伏特的低輸入電壓情況下運(yùn)作，也允許與合適的降壓器串接，以改善整體系統(tǒng)效率。這些低壓差穩(wěn)壓器也可被配置成限制電流的旁路開(kāi)關(guān)，來(lái)支援其他記憶卡或外接式配件等周邊設(shè)備。

　　此外，有一些功能是針對(duì)低雜訊應(yīng)用而設(shè)計(jì)，以及有一個(gè)功能是在進(jìn)行觸控時(shí)，可當(dāng)做6位元脈沖寬度調(diào)變控制的震動(dòng)式馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器。圖2所示為，整合六組降壓穩(wěn)壓器、十一組低壓差穩(wěn)壓器、備用電池充電器、電源管理和監(jiān)測(cè)功能的電源管理IC。

　　圖2電源供應(yīng)及管理功能皆整合在這顆電源管理晶片之中。

　　結(jié)合穩(wěn)壓器/智慧管理能力系統(tǒng)電源效率再提升

　　將電壓穩(wěn)壓器與智慧電源管理功能結(jié)合在單一電源管理IC之中，可實(shí)現(xiàn)許多省電特性，且其自主式運(yùn)作并不會(huì)受到來(lái)自應(yīng)用處理器的干預(yù)。電源管理模塊具有啟動(dòng)排序引擎，它可允許內(nèi)部與外部穩(wěn)壓器及電壓開(kāi)關(guān)可行程式化的啟動(dòng)。

　　此種電源管理IC有多種運(yùn)作模式，其中包括五種低電源模式，在這些模式下，只會(huì)使用到20微安培或是更低的電流，如此一來(lái)可讓設(shè)計(jì)人員擁有更大的彈性空間，將所有使用狀況下的系統(tǒng)電源予以最小化。

　　在這些模式中有一個(gè)1.5微安培的即時(shí)時(shí)脈(Real-TimeClock,RTC)模式，它有著鬧鐘與喚醒功能，可允許系統(tǒng)在深度休眠模式下運(yùn)作，且維持非常低的功率消耗;還可透過(guò)使用電源管理IC的電壓軌控制器，來(lái)驅(qū)動(dòng)外部的場(chǎng)效電晶體開(kāi)關(guān)(FETSwitch)，如此可讓設(shè)計(jì)人員在功率降低時(shí)，可減少來(lái)自核心的漏電流。

　　此外，鍵盤(pán)按鍵偵測(cè)(On-KeyButtonPressDetection)功能，可允許依據(jù)按鍵按下時(shí)間來(lái)配置鍵盤(pán)鎖定(Key-Lock)及應(yīng)用關(guān)機(jī)(ApplicationShut-Down)的功能。通用輸入/輸出(GPIO)介面讓設(shè)計(jì)人員得以使用許多其他的省電功能，其中包括鍵盤(pán)監(jiān)控、應(yīng)用程式的喚醒與外部穩(wěn)壓器、電源開(kāi)關(guān)或其他IC的計(jì)時(shí)控制啟動(dòng)等。

　　在電源管理IC內(nèi)，在一個(gè)或更多交換式電源電路的動(dòng)態(tài)電壓調(diào)整功能，有助于將每一個(gè)工作所需的處理器功率予以最佳化，進(jìn)而促成更高的效率。此外，相較于類(lèi)似的離散式解決方案而言，降壓器靜態(tài)電流與低壓穩(wěn)壓器的內(nèi)部壓差一般說(shuō)來(lái)都是比較低的，這樣不僅可增加效率，也可降低內(nèi)部的功率損耗。

　　將鋰電池充電器功能整合在一顆電源管理IC中，可帶來(lái)更顯著的節(jié)電效果。有著智慧性追蹤電池充電狀況功能的交換式充電器之額外效率，在1.3安培/5伏特的使用狀況下，可減少超過(guò)80%以上的內(nèi)部功率損耗。

　　采用兩顆電源管理IC4G手機(jī)能源效率升級(jí)

　　這樣的電源管理IC，可讓最新的消費(fèi)性多媒體產(chǎn)品增加效能，滿(mǎn)足現(xiàn)今消費(fèi)者所要求的體驗(yàn)，且可提升電池的電源效率，以達(dá)成可接受的充電時(shí)間間隔。

　　此外，電源管理IC有助于簡(jiǎn)化傳輸功率至子系統(tǒng)的方式，這些子系統(tǒng)越來(lái)越多，例如兩組高解析度的百萬(wàn)畫(huà)素照相機(jī)、藍(lán)牙(Bluetooth)、無(wú)線(xiàn)上網(wǎng)、近距離無(wú)線(xiàn)通訊(NFC)、3G或4G長(zhǎng)期演進(jìn)計(jì)劃(LTE)的蜂窩式無(wú)線(xiàn)連接，以及可供照明和狀態(tài)指示用的各種LED等。

　　將電源管理從基頻/應(yīng)用處理器移到獨(dú)立的電源管理IC后，也為設(shè)計(jì)人員帶來(lái)相當(dāng)大的自由度，進(jìn)而可滿(mǎn)足市場(chǎng)對(duì)一些特殊性的需求。例如較大型的電容式多點(diǎn)觸控螢?zāi)?，以及更佳的音訊能力，包括更好的免持?tīng)筒效能和高清晰度的音訊播放功能。

　　有一些電源管理IC整合包含有數(shù)位訊號(hào)處理器(DSP)、編/解碼器(Codec)、D類(lèi)放大器及G類(lèi)放大器等音效子系統(tǒng)的功能至單晶片上，這樣一來(lái)可使材料成本節(jié)省約達(dá)43%。

　　未來(lái)4G智慧型手機(jī)這類(lèi)的裝置，將會(huì)進(jìn)一步推動(dòng)此架構(gòu)，也就是使用兩顆復(fù)雜的電源管理IC來(lái)個(gè)別處理基頻與應(yīng)用處理器的運(yùn)作。