多核智能移動平臺電源架構的分析與對策
多核處理器就是采用兩個或兩個以上內核的處理器。便攜移動產品市場迅速發展,尤其是手機市場,已經實現了從功能手機到智能手機的過渡。相應的應用處理器(AP)也從單核發展到雙核,甚至多核。同時,平板電腦的迅速普及也讓多核處理器風光無限。可以說移動設備的處理器正以前所未有的速度發展。
終端廠商們對高性能處理器的不斷追求和移動互聯網產業激烈的競爭都會極大刺激硬件廠商們的創新熱情,多核處理器的應用趨勢勢不可擋。多核處理器首先為終端廠商提供了更大的創造空間。有了強大的處理器,終端廠家就可以在自己的設備中添加更多的新功能,卻不必擔心會拖累系統運行速度和流暢度。而且隨著工藝水平的提高,處理器的體積也逐漸縮小,對于對空間要求極為苛刻的移動設備,節省下來的空間可以讓給電池這類的重要部件,無疑為廠商的設計提供了便利。
多核系統電源架構
正是因為智能手機和平板電腦能夠滿足消費者越來越高的要求,比如更大的顯示屏、更多的傳感器件和無線連接方式、更強大的數據處理能力等等,而現在高清和3D視頻播放、Flash界面、WIFI無線上網已經成為便攜移動產品的必備功能,所以要求移動處理器能夠提供更強的處理能力。
顯而易見的是,現在處理器能夠運行主頻達到1GHz,甚至1.5GHz,這樣勢必對電源管理提出了很大的挑戰。第一,需要更低靜態功耗以實現更長的電池使用時間;第二,眾多的處理器、內存和外設來實現多任務的強大應用功能,這就需要不同電壓等級和上電時序,使得整個系統復雜化;第三,需要高度集成的解決方案來管理整個電源管理系統;第四,需要的功率密度更大。
以高通的某款最新平臺搭配的電源管理單元(PMU)為例,該PMU集成了5大功能區,功能框圖如下圖所示。
由芯片組供應商提供的PMU有著先天優勢。如上文所說,多核處理器有多個不同的電壓等級以及復雜的上電時序,能夠實現強大的多任務處理能力。由于集成了多路功率輸出,PMU集成化的方案必然受限于晶片(die)的尺寸以及熱效能管理,因此輸出能力基本集中在3A以下。通常,3A可以滿足智能手機眾多功能模塊的電源總線的能力,但是PMU可能滿足了當前芯片組功能特性的需求,然而需求在發展,廠家為了適應新的市場趨勢,勢必優化或者升級當前功能模塊的設計規格。比如CPU、GPU等等,其對應需要的電流能力也會提高。
這樣,現有的PMU不能滿足新的需求。因此,獨立式的DC/DC可以彌補這個缺陷。除此之外,由于智能手機功能多,耗電快,許多手機業者為了突出產品優勢,提高用戶體驗,往往采用大容量的電池。而PMU內置的充電IC無法滿足客戶不同的設計需求,從而出現了充電IC外置的現象,也就是采取了獨立式的充電IC.
多核系統電源架構的優化
正如上文所述,在智能手機多核系統中,PMU不能滿足更大電流的輸出能力。同時,大電流帶來高損耗,而降低損耗一直是手機設計者追求的目標之一。現實情況是,智能手機的功耗隨著AP的高頻化,按照芯片的損耗公式Ps=C*f*V2,難以得到有效抑制。但是可以通過優化電壓等級的方式來克服由于主頻增加而帶來的影響,并且從電壓幅度方面更能得到有效抑制。因此,在獨立式的大電流DC/DC方案中,普遍采用動態電壓調整(DVS)的技術。
智能手機CPU主頻的提高勢必需要更大的電流,以滿足系統運行和操作對硬件的要求。配備大電池成了必然選擇。給大容量電池充電即需要大電流的充電IC.
應用于多核系統的飛兆半導體電源方案
飛兆半導體公司(Fairchild Semiconductor)是全球領先的高性能功率產品供貨商,尤其在移動產品領域,飛兆半導體公司提供先進的電源管理策略,優化整個系統。下圖是基于智能移動平臺,飛兆半導體提供的電源解決方案。
在由飛兆半導體公司提供的電源管理方案中,采用了獨立式的大電流開關式充電IC FAN54013,獨立式的動態電壓調整的降壓變換器FAN53555,以及獨立式的大電流的升壓變換器FAN48630.這三個產品在手機平臺中起著重要作用,能夠提升系統性能,降低功耗,及拓展移動終端應用面。
綜述
多核處理器的移動終端將越來越成為未來市場的主流,多核處理器提升的最主要方面就是游戲性能。隨著游戲廠商們大作的不斷發表,對CPU的要求也越來越高。多核設備的優勢還體現在視頻攝錄和影片播放上。目前,只有雙核及以上的CPU能支持1080P高清視頻錄制,裝有雙核CPU的手機有了這樣強大的視頻錄制能力之后,低端DV的市場將受到很大的沖擊。而當移動設備具有了高清視頻播放的能力后,移動設備也逐漸成為家庭娛樂的中心。
DVD在未來可能成為下一個技術進步所淘汰的對象,取而代之的是裝有多核處理器的移動終端。因此,如何體現多核處理器的優勢,實現差異化產品是擺在手機業者面前極具挑戰性的問題。而優化系統的電源管理架構是實現這個目標的必然途徑,飛兆半導體能給手機設計人員提供滿意的設計方案。
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