多核处理器应用热烧 电源管理芯片迈向高整合

消费者对于智慧型手机、平板装置(Tablet)及个人电脑(PC)的新功能及高效能，有着持续的需求，使得多核心处理器重要性已超越传统的单核心元件。  
各家晶片商所提供的最新多媒体应用处理器系列产品，系由安谋国际(ARM)Cortex-A9或Cortex-A15核心先进架构所组成，其中包括各种不同的单核心、双核心或是四核心架构，可涵盖各种效能的需求。  

安谋国际推出的非对称式big.LITTLE系统是建立在多核心原理上，并更进一步将高效能核心如Cortex-A15与有着相同架构且极具能源效率的核心如Cortex-A7结合在一起，将所有处理工作的电源效率最佳化。  

新兴的多核心应用处理器系列整合周边，例如动态随机存取记忆体(DRAM)控制器与ARM Neon此类媒体和绘图协同处理器，将能带来更多的效能增益。  

当双核心处理器约于2011年进入市场时，其电源方案就只是将单核心装置的电源架构延伸应用于双核心架构上，以共用的电压来驱动这两类处理器。随着多核心产品发展蓝图的进展，四核心装置已于市场上出现，且目前八核心的装置也正在开发中。  

支援多核心处理器　电源管理架构兴革

展望未来，将会有更复杂的处理器出现，因此将需更佳的弹性并能将电源控制应对至各别的核心，藉以达成能源效率的最佳化。如此一来，处理器将增加电源管理架构的复杂度，必须将每一个核心独立出来至它本身对应的电源电路，然后以个别的稳压器来供应电源(图1)。这种方式可使用较小的稳压器，并能调整电流大小，来供应较低的电流需求。  


图1    将个别核心的电源电路独立出来，可强化电源管理的弹性及能源效率。
另外一项促成多核心系统的电源架构变革的重要因素，在于40奈米(nm)、32奈米及最近28奈米的生产制程技术是否已获得广泛采用。这些连接至每一个稳压器的输入端，无法支援5伏特(V)的电池电压，因为较小的互补式金属氧化物半导体(CMOS)尺寸需要较低的工作电压，才能有效地降低可被应用的最大电压，因此现在需要将电源管理功能从应用处理器移出，放到独立的装置上。  

这与第一代的行动装置所采用的方法形成对比，因为在第一代行动装置上，所采用的电源管理通常是与应用处理器整合成一颗单晶片。随着趋势朝向更复杂的多重稳压器架构，以及在一个单独的装置上使用Off-Chip技术后，新一代更先进及更复杂的电源管理IC于焉兴起。  

这些电源管理IC的特性与功能正在进化中，可改善目前消费性行动与多媒体产品上多种使用模式的能源效率。在典型的情况下，会使用交换式稳压器来供应低电压，例如处理器核心及输入/输出(I/O)所需的电压(对于使用28奈米制程的处理器而言，这种电压可能分别低到1和2伏特)、记忆体IC及其他周边装置所需的电压。而升压转换器也可能被用来给发光二极体(LED)供电所使用，例如可当做萤幕背光的LED。此外，整合型的低压差(LDO)稳压器，也可被用来驱动重要的子系统，例如感应器、LED指示器或马达。  

从用来对备用电池或超级电容进行充电并只有几毫安培(mA)的小型电源供应器，到能连接在不同来源的数位化控制的多模锂电池充电器，例如插墙式充电器、通用序列汇流排(USB)5伏特电源供应器或车用充电器等，各种电池的充电功能都可被运用。  

其他用来监测外部电压与温度的类比数位转换器(ADC)的功能也是种选择。此外，运用在晶片上的电源监测及智慧控制，可让电源管理IC来处理重要的功能，例如开机时序/关机时序、系统重置与中断处理。这可协助设计人员改进整体系统的可靠度及能源效率。  
搭载DVC功能　电源管理IC可动态调整电压
具有六组降压稳压器的新兴世代电源管理IC，适合运用于多核心应用，其工作频率固定在3MHz。该电源管理IC使用高度仅有1毫米(mm)的1微亨(μH)电感，且使稳压器可在供应所需的尖峰值电流之下，同时支援外型尺寸极小的行动装置。 

该款电源管理IC具有动态电压控制(DVC)功能，使供应电压可根据处理器的负载而适时做调整(Adaptive Adjustment)。三组降压稳压器能供应高达2.5安培的电流，而剩下的三组则是提供高达1.5安培的电流。将稳压器采用并联式连结，则可创造出能提供5安培或3安培的电流，以满足目前高效能处理器对于核心电流的需求。因此设计人员可扩展或调整其配置来搭配不同系统的需求。 

这款产品包含十一组可程式化的低压差稳压器，其额定输出电流的范围在100?300毫安培之间。它可支援远端电容布局(Remote Capacitor Placement)，以及在1.5/1.8伏特的低输入电压情况下运作，也允许与合适的降压器串接，以改善整体系统效率。这些低压差稳压器也可被配置成限制电流的旁路开关，来支援其他记忆卡或外接式配件等周边设备。 

此外，有一些功能是针对低杂讯应用而设计，以及有一个功能是在进行触控时，可当做6位元脉冲宽度调变控制的震动式马达驱动器。图2所示为，整合六组降压稳压器、十一组低压差稳压器、备用电池充电器、电源管理和监测功能的电源管理IC。 


图2    电源供应及管理功能皆整合在这颗电源管理晶片之中。
结合稳压器/智慧管理能力　系统电源效率再提升

将电压稳压器与智慧电源管理功能结合在单一电源管理IC之中，可实现许多省电特性，且其自主式运作并不会受到来自应用处理器的干预。电源管理模块具有启动排序引擎，它可允许内部与外部稳压器及电压开关可行程式化的启动。 

此种电源管理IC有多种运作模式，其中包括五种低电源模式，在这些模式下，只会使用到20微安培或是更低的电流，如此一来可让设计人员拥有更大的弹性空间，将所有使用状况下的系统电源予以最小化。 

在这些模式中有一个1.5微安培的即时时脉(Real-Time Clock, RTC)模式，它有着闹钟与唤醒功能，可允许系统在深度休眠模式下运作，且维持非常低的功率消耗；还可透过使用电源管理IC的电压轨控制器，来驱动外部的场效电晶体开关(FET Switch)，如此可让设计人员在功率降低时，可减少来自核心的漏电流。 

此外，键盘按键侦测(On-Key Button Press Detection)功能，可允许依据按键按下时间来配置键盘锁定(Key-Lock)及应用关机(Application Shut-Down)的功能。通用输入/输出(GPIO)介面让设计人员得以使用许多其他的省电功能，其中包括键盘监控、应用程式的唤醒与外部稳压器、电源开关或其他IC的计时控制启动等。 

在电源管理IC内，在一个或更多交换式电源电路的动态电压调整功能，有助于将每一个工作所需的处理器功率予以最佳化，进而促成更高的效率。此外，相较于类似的离散式解决方案而言，降压器静态电流与低压稳压器的内部压差一般说来都是比较低的，这样不仅可增加效率，也可降低内部的功率损耗。 

将锂电池充电器功能整合在一颗电源管理IC中，可带来更显著的节电效果。有着智慧性追踪电池充电状况功能的交换式充电器之额外效率，在1.3安培/5伏特的使用状况下，可减少超过80%以上的内部功率损耗。 

采用两颗电源管理IC　4G手机能源效率升级

这样的电源管理IC，可让最新的消费性多媒体产品增加效能，满足现今消费者所要求的体验，且可提升电池的电源效率，以达成可接受的充电时间间隔。 

此外，电源管理IC有助于简化传输功率至子系统的方式，这些子系统越来越多，例如两组高解析度的百万画素照相机、蓝牙(Bluetooth)、无线上网、近距离无线通讯(NFC)、3G或4G长期演进计划(LTE)的蜂窝式无线连接，以及可供照明和状态指示用的各种LED等。 

将电源管理从基频/应用处理器移到独立的电源管理IC后，也为设计人员带来相当大的自由度，进而可满足市场对一些特殊性的需求。例如较大型的电容式多点触控萤幕，以及更佳的音讯能力，包括更好的免持听筒效能和高清晰度的音讯播放功能。 

有一些电源管理IC整合包含有数位讯号处理器(DSP)、编/解码器(Codec)、D类放大器及G类放大器等音效子系统的功能至单晶片上，这样一来可使材料成本节省约达43%。 

未来4G智慧型手机这类的装置，将会进一步推动此架构，也就是使用两颗复杂的电源管理IC来个别处理基频与应用处理器的运作。